(57)【要約】【課題】  効率的な動作を行うことが可能な不揮発性記憶素子を有する記憶装置を提供する。【解決手段】  実施形態に係る記憶装置は、第１の抵抗状態及び前記第１の抵抗状態よりも高抵抗の第２の抵抗状態を有する不揮発性記憶素子１００を含む記憶装置であって、不揮発性記憶素子は、第１の電極１１と、第２の電極１２と、第１の電極と第２の電極との間に位置する積層構造２０とを備え、積層構造は、第１のアンチモンテルル層２１と、第１のゲルマニウムテルル層２２と、第１の電極及び第２の電極から離間した絶縁層２３とを含む。【選択図】図１
2019057604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の抵抗状態及び前記第１の抵抗状態よりも高抵抗の第２の抵抗状態を有する不揮発性記憶素子を含む記憶装置であって、
前記不揮発性記憶素子は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する積層構造と、を備え、
前記積層構造は、第１のアンチモンテルル層と、第１のゲルマニウムテルル層と、前記第１の電極及び前記第２の電極から離間した絶縁層と、を含む
ことを特徴とする記憶装置。
【請求項２】
前記絶縁層は、前記第１のアンチモンテルル層に接している
ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
【請求項３】
前記積層構造は、第２のアンチモンテルル層をさらに含み、
前記絶縁層は、前記第１のアンチモンテルル層と前記第２のアンチモンテルル層との間に位置し、前記第１のアンチモンテルル層及び前記第２のアンチモンテルル層に接している
ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
【請求項４】
前記絶縁層は、前記第１のアンチモンテルル層と前記第１のゲルマニウムテルル層との間に位置し、前記第１のアンチモンテルル層及び前記第１のゲルマニウムテルル層に接している
ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
【請求項５】
前記積層構造は、第２のゲルマニウムテルル層をさらに含み、
前記絶縁層は、前記第１のゲルマニウムテルル層と前記第２のゲルマニウムテルル層との間に位置している
ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
【請求項６】
前記絶縁層は、２次元層状物質で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
【請求項７】
第１の抵抗状態及び前記第１の抵抗状態よりも高抵抗の第２の抵抗状態を有する不揮発性記憶素子を含む記憶装置であって、
前記不揮発性記憶素子は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する積層構造と、を備え、
前記積層構造は、アンチモンテルル層と、ゲルマニウムテルル層と、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方に接し且つ２次元層状物質で形成された絶縁層と、を含む
ことを特徴とする記憶装置。
【請求項８】
前記２次元層状物質は、ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）、ＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）、１３族カルコゲナイド、１４族カルコゲナイド、水酸化２価金属、及び層状酸化物から選択される
ことを特徴とする請求項７に記載の記憶装置。
【請求項９】
前記絶縁層は、前記アンチモンテルル層に接している
ことを特徴とする請求項７に記載の記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に不揮発性記憶素子である相変化素子及びトランジスタ（又はセレクタ）が集積化された記憶装置（半導体集積回路装置）が提案されている。このような相変化素子を有する記憶装置は通常、相変化メモリ(Phase Change Memory)或いは相変化ランダムアクセスメモリ(Phase-change Random Access Memory)の英語の頭文字を取り、ＰＣＭ或いはＰＲＡＭと呼ばれている。ＰＣＭ（ＰＲＡＭ）では、相変化素子に電圧を印加して電流を流すことで相変化素子に熱を発生させ、結晶状態を変化させるようにしている。
【０００３】
しかしながら、ＰＣＭ（ＰＲＡＭ）では、不揮発性記憶素子内で発生した熱を効率的に使用することが難しいといった問題がある。具体的には、ＰＣＭには通常、GeSbTe合金が用いられており、電極上のGeSbTe層の結晶性を結晶と非晶質に変えることでメモリセルの抵抗を変化させており、原子の３次元的な動き、つまりエントロピーロスとして消費される電力が大きい。そこで、抵抗変化の要因と考えられているＧｅ原子の移動を、ＰＣＭのような任意の３次元方向ではなく、ある一定方向に限定するため、ＰＣＭ素子の材料GeTe, Sb2Te3をそれぞれ層状に積層した超格子型相変化メモリ(超格子メモリ, interfacial PCM, iPCM)が提案されている(非特許文献１)。低消費電力動作、低電流動作のためには、現状のiPCM素子よりも更に高効率な書き換え動作が可能な不揮発性記憶素子を有する記憶装置が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１４３１５４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８３０１７号公報
【特許文献３】特開２０１５−２０１５１９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】R. E. Simpson, P. Fons, A. V. Kolobov, T. Fukaya, M. Krbal, T. Yagi, et al., "Interfacial phase-change memory," Nature Nanotechnology, vol. 6, pp. 501-505, 2011.
【非特許文献２】F. Rao, Z. Song, Y. Gong, L. Wu, B. Liu, S. Feng, et al., "Phase change memory cell using tungsten trioxide bottom heating layer," Applied Physics Letters, vol. 92, p. 223507, 2008.
【非特許文献３】L. Chen, Z. Zhang, S. Song, Z. Song, and Q. Zheng, "Programming power reduction in confined phase change memory cells with titanium dioxide clad layer," Applied Physics Letters, vol. 110, p. 023103, 2017.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
抵抗状態を効率的に書き換えることが可能な不揮発性記憶素子を有する記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る記憶装置は、第１の抵抗状態及び前記第１の抵抗状態よりも高抵抗の第２の抵抗状態を有する不揮発性記憶素子を含む記憶装置であって、前記不揮発性記憶素子は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する積層構造と、を備え、前記積層構造は、第１のアンチモンテルル層と、第１のゲルマニウムテルル層と、前記第１の電極及び前記第２の電極から離間した絶縁層と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る記憶装置における不揮発性記憶素子の構成を模式的に示した図である。
【図２】アンチモンテルルの結晶構造を模式的に示した図である。
【図３】第１の実施形態に係る不揮発性記憶素子のエネルギーバンド構造を模式的に示した図である。
【図４】第１の実施形態の記憶装置における不揮発性記憶素子の第１の変更例の構成を模式的に示した図である。
【図５】第１の実施形態の記憶装置における不揮発性記憶素子の第２の変更例の構成を模式的に示した図である。
【図６】第１の実施形態の記憶装置における不揮発性記憶素子の第３の変更例の構成を模式的に示した図である。
【図７】第２の実施形態に係る記憶装置における不揮発性記憶素子の構成を模式的に示した図である。
【図８】第２の実施形態に係る不揮発性記憶素子のエネルギーバンド構造を模式的に示した図である。
【図９】第２の実施形態の記憶装置における不揮発性記憶素子の変更例の構成を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【００１０】
（実施形態１）
図１は、第１の実施形態に係る記憶装置（半導体集積回路装置）における不揮発性記憶素子の構成を模式的に示した図である。
【００１１】
不揮発性記憶素子１００は、半導体基板、トランジスタ、配線及び層間絶縁膜等を含む下部構造（図示せず）上に形成されている。不揮発性記憶素子１００は、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方を選択的に呈することができ、電極１１及び電極１２と、電極１１と電極１２との間に位置する積層構造２０とを含んでいる。積層構造２０には、電極１１及び電極１２によって電圧が印加されるようになっている。
【００１２】
積層構造２０は、アンチモンテルル（Ｓｂ2Ｔｅ3）結晶層２１と、ゲルマニウムテルル（ＧｅＴｅ）結晶層２２と、電極１１及び電極１２から離間した絶縁層２３とを含んでいる。絶縁層２３は、アンチモンテルル結晶層２１に接しており、ゲルマニウムテルル結晶層２２間に位置している。図１に示した例では、積層構造２０は、６つのアンチモンテルル結晶層２１と、４つのゲルマニウムテルル結晶層２２と、１つの絶縁層２３とを含んでいる。
【００１３】
アンチモンテルル結晶層２１は、絶縁層２３に接している２つのアンチモンテルル結晶層２１ａと、他の４つのアンチモンテルル結晶層２１ｂとに分けることができる。言い換えると、絶縁層２３は、２つのアンチモンテルル結晶層２１ａの間に位置し、２つのアンチモンテルル結晶層２１ａに接している。
【００１４】
別の観点から見ると、図１に示した例では、積層構造２０は、５つのアンチモンテルル結晶層２１と４つのゲルマニウムテルル結晶層２２とが交互に積層された超格子構造を基本構造として、アンチモンテルル結晶層２１の１つが絶縁層２３を挟んだ構造を有している。
【００１５】
アンチモンテルル（Ｓｂ2Ｔｅ3）とゲルマニウムテルル（ＧｅＴｅ）とが交互に積層された超格子構造を有する不揮発性記憶素子は、書き込み信号（書き込み電圧の大きさ及び／又は書き込み電圧の波形等）を変えることで、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方を選択的に呈することが知られている。具体的には、ＧｅＴｅ中のゲルマニウム（Ｇｅ）の原子位置が変化することで、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方を選択的に呈すると考えられている。
【００１６】
本実施形態では、上述したように、複数のアンチモンテルル（Ｓｂ2Ｔｅ3）結晶層２１と複数のゲルマニウムテルル（ＧｅＴｅ）結晶層２２とが交互に積層された超格子構造を基本構造として、アンチモンテルル結晶層２１の１つが絶縁層２３を挟んだ構造に置き換わっている。したがって、本実施形態の不揮発性記憶素子も、上述したアンチモンテルル（Ｓｂ2Ｔｅ3）とゲルマニウムテルル（ＧｅＴｅ）とが交互に積層された構造を有する不揮発性記憶素子の特性と類似した特性を実現できる。すなわち、本実施形態の不揮発性記憶素子も、書き込み信号（書き込み電圧の大きさ及び／又は書き込み電圧の波形等）を変えることで、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方を選択的に呈する。言い換えると、本実施形態の不揮発性記憶素子は、書き込み信号に応じてＧｅＴｅ層２２中のゲルマニウム（Ｇｅ）の原子位置が変化し、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方を選択的に呈する。
【００１７】
図２は、アンチモンテルル（Ｓｂ2Ｔｅ3）の結晶構造を模式的に示した図である。図２に示すように、Ｓｂ2Ｔｅ3は２原子層のＳｂと３原子層のＴｅとが交互に設けられた構造を単位構造ＵＮＴとして有している。図１に示したアンチモンテルル結晶層２１それぞれは、単一の単位構造ＵＮＴで形成された構造或いは複数の単位構造ＵＮＴが積層された構造を有している。本実施形態では、アンチモンテルル結晶層２１はいずれも、１或いは複数の単位構造ＵＮＴで形成されている。
【００１８】
ゲルマニウムテルル（ＧｅＴｅ）結晶層２２は、上述したように、書き込み信号（書き込み電圧の大きさ及び／又は書き込み電圧の波形等）を変えることで、ＧｅＴｅ層２２中のゲルマニウム（Ｇｅ）の原子位置が変化し、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方を選択的に呈する。
【００１９】
絶縁層２３は、２次元層状物質で形成されている。絶縁層２３を構成する２次元層状物質には、２層以上の２次元物質で形成された多層２次元物質を用いてもよいし、１層の２次元物質で形成された単層２次元物質を用いてもよい。本実施形態では、多層２次元物質を用いる。具体的には、２次元層状物質には、単原子層状物質の類似化合物ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）或いはＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）等を用いることができる。ＴＭＤとしては、ＭＸ2 (Ｍ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ. Ｘ＝Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ)等を用いることができる。更に、１３族カルコゲナイドであるGaS, GaSe, GaTe, In Se等、や１４族カルコゲナイドであるGeS, SnS2, SnSe2, PbO等、や水酸化２価金属M(OH)2（Ｍ＝Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Cd等）、や層状酸化物であるチタン酸化物(Ti0.91O2, Ti0.87O2, Ti4O9, Ti5O11, Ti0.8Co0.2O2, Ti0.6Fe0.4O2, Ti(5.2-2x)/6Mnx/2O2（ 0 ≦ x ≦ 0.4 ）)、タンタル酸化物（TaO6）、マンガン酸化物（MnO6）、コバルト酸化物（CoO2）、モリブデン酸化物（MoO2）、タングステン酸化物（W2O7）、ニオブ酸化物（Nb6O17, Nb3O8）、ルテニウム酸化物（RuO2.1, RuO2）等、も同様に用いることができる。
【００２０】
上記実施例は、低抵抗状態および高抵抗状態におけるアンチモンテルル（Ｓｂ2Ｔｅ3）層およびゲルマニウムテルル（ＧｅＴｅ）層が共に結晶であるiPCMが望ましい。低抵抗状態および高抵抗状態におけるゲルマニウムテルル（ＧｅＴｅ）層が結晶および非晶質である超格子ライク(super lattice like, SLL)の場合も、絶縁層２３が介在することは効果的である。
【００２１】
iPCM, SLL-PCM等の層状物質を用いてメモリ素子を作製する場合、膜剥がれが問題となる。Sb2Te3//Sb2Te3間やSb2Te3//GeTe間にはTe//Te-gap、つまりvan del Waals gapを形成しているがこのvan del Waals gapはとても剥がれやすい。例えばグラフェン同士がvan del Waals gapで結合してグラファイトを形成しているが、グラフェンはグラファイトからテープで簡単に剥離させることができるのと同様に、一般的にvan del Waals gapで積層された２次元層状物質は剥がれ易く、剥がれるとクリーンルーム等で素子作製することが困難となる。そのため剥がれ抑制が素子作製上の重要課題の１つである。極性を持つ２次元物質は２次元物質間の結合力が強いため剥がれ防止効果が有り望ましく、上述した絶縁層２３の中でもh-BN等の極性物質は望ましい。
【００２２】
本実施形態では、上述したような積層構造１００を用いることにより、効率的に電流を高めることが可能な不揮発性記憶素子を得ることができる。以下、説明を加える。
【００２３】
図３は、本実施形態に係る不揮発性記憶素子のエネルギーバンド構造を模式的に示した図である。
【００２４】
図３に示すように、超格子構造（アンチモンテルル結晶層２１及びゲルマニウムテルル結晶層２２に対応）間に絶縁層（絶縁層２３に対応）が介在していると、電極（電極１１又は１２に対応）からの電子は絶縁層（２３）をトンネリングおよび熱励起によって通過する。具体的には、ダイレクトトンネリング（ＤＴ）及びプールフレンケル（ＰＦ）トンネリングまたは熱励起によって、電子が絶縁層（２３）を通過する。このとき、絶縁層（２３）を通過した電子がエネルギーバンドの底に落ち込む際に大きなエネルギーを失ってインパクトイオン化が生じる。このインパクトイオン化によって大量のキャリアが生成され、電流掃引I-V測定におけるスナップバック（snap back）とよばれる負性微分抵抗を生じる。大量に生成されたキャリアによって電流が飛躍的に増大するため、不揮発性記憶素子の書き込み性能を向上させることが可能となる。ここで、PFトンネルおよび熱励起で電子が電極11から絶縁層２３を介して超格子に注入される場合、電極１１と絶縁層２３間の伝導帯オフセット(conduction band offset, ΔEc)が大きい程、失うエネルギーが大きいため、インパクトイオン化効率が大きく効果的である。
【００２５】
また、本実施形態に係る不揮発性記憶素子では、積層構造１００内に２次元層状物質で形成された絶縁層２３が設けられているため、以下の理由によって効率的に熱を使用することが可能である。
【００２６】
２次元層状物質は、層状構造を有しているため、層に対して垂直な方向への熱伝導性が低い。すなわち、２次元層状物質は、断熱性が高い。特に、２次元層状物質として多層２次元物質を用いた場合には、２次元物質間にvan del Waals gapが存在するため、極めて高い断熱性を得ることができる。このような理由から、２次元層状物質を用いることにより、発生した熱が外部に伝導することを効率的に抑制することができる。したがって、本実施形態に係る不揮発性記憶素子は、発生した熱を効率的に使用することができ、不揮発性記憶素子の書き込み性能を向上させることが可能となる。
【００２７】
以上のように、本実施形態では、効率的な動作を行うことが可能な不揮発性記憶素子を有する記憶装置を得ることができる。
【００２８】
図４は、本実施形態の記憶装置における不揮発性記憶素子の第１の変更例の構成を模式的に示した図である。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００２９】
上述した実施形態では、絶縁層２３は、２つのアンチモンテルル結晶層２１ａの間に位置し且つ２つのアンチモンテルル結晶層２１ａに接していたが、本変更例では、絶縁層２３は、アンチモンテルル結晶層２１ａとゲルマニウムテルル結晶層２２との間に位置し且つアンチモンテルル結晶層２１ａ及びゲルマニウムテルル結晶層２２に接している。
【００３０】
本変更例においても、上述した実施形態と同様、効率的な動作を行うことが可能な不揮発性記憶素子を得ることができ、不揮発性記憶素子の書き込み性能を向上させることが可能となる。
【００３１】
図５は、本実施形態の記憶装置における不揮発性記憶素子の第２の変更例の構成を模式的に示した図である。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００３２】
本変更例でも、上述した第１の変更例と同様に、絶縁層２３は、アンチモンテルル結晶層２１ａとゲルマニウムテルル結晶層２２との間に位置し、アンチモンテルル結晶層２１ａ及びゲルマニウムテルル結晶層２２に接している。ただし、上述した第１の変更例では、アンチモンテルル結晶層２１ａの上面に絶縁層２３が接していたが、本変更例では、アンチモンテルル結晶層２１ａの下面に絶縁層２３が接している。
【００３３】
本変更例においても、上述した実施形態と同様、効率的な動作を行うことが可能な不揮発性記憶素子を得ることができ、不揮発性記憶素子の書き込み性能を向上させることが可能となる。
【００３４】
図６は、本実施形態の記憶装置における不揮発性記憶素子の第３の変更例の構成を模式的に示した図である。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００３５】
本変更例では、積層構造１００に複数の絶縁層２３が含まれている。各絶縁層２３は、上述した実施形態と同様に、２つのアンチモンテルル結晶層２１ａの間に位置し且つ２つのアンチモンテルル結晶層２１ａに接していてもよいし、上述した第１及び第２の変更例と同様に、アンチモンテルル結晶層２１ａとゲルマニウムテルル結晶層２２との間に位置し且つアンチモンテルル結晶層２１ａ及びゲルマニウムテルル結晶層２２に接していてもよい。
【００３６】
本変更例においても、上述した実施形態と同様、効率的な動作を行うことが可能な不揮発性記憶素子を得ることができ、不揮発性記憶素子の書き込み性能を向上させることが可能となる。
【００３７】
なお、上述した実施形態及び第１、第２及び第３の変更例では、上部電極１２側に正電圧が印加されているが、下部電極１１側に正電圧が印加されるようにしてもよい。
【００３８】
また、上述した実施形態及び第１、第２及び第３の変更例では、絶縁層２３として２次元層状物質を用いたが、他の絶縁物質を絶縁層２３として用いてもよい。例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ2 ）、アルミニウム酸化物（Ａｌ2Ｏ3）、チタン酸化物（ＴｉＯ2 ）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ2 ）、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ2 ）、ゲルマニウム酸化物（ＧｅＯ2 ）、タンタル酸化物（Ｔａ2Ｏ5）等の酸化物や、シリコン窒化物（Ｓｉ3Ｎ4）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）等の窒化物や、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）、アルミニウム酸窒化物（ＡｌＯＮ）、ハフニウム酸窒化物（ＨｆＯＮ）、ジルコニウム酸窒化物（ＺｒＯＮ）、ゲルマニウム酸窒化物（ＧｅＯＮ）、タンタル酸窒化物（ＴａＯＮ）等の酸窒化物等を、絶縁層２３として用いてもよい。
【００３９】
上述した酸化物、酸窒化物を用いる場合は、DT, PF等のトンネル現象を低電圧で起こすために物理膜厚が3nm以下であることが望ましい。
【００４０】
（実施形態２）
次に、第２の実施形態に係る記憶装置（半導体集積回路装置）について説明する。なお、基本的な事項は第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００４１】
図７は、第２の実施形態に係る記憶装置における不揮発性記憶素子の構成を模式的に示した図である。
【００４２】
本実施形態の不揮発性記憶素子１００も、第１の実施形態の不揮発性記憶素子１００と同様、電極１１及び電極１２と、電極１１と電極１２との間に位置する積層構造２０とを含んでいる。
【００４３】
積層構造２０は、アンチモンテルル（Ｓｂ2Ｔｅ3）結晶層２１と、ゲルマニウムテルル（ＧｅＴｅ）結晶層２２と、電極１１及び電極１２の一方に接し且つ２次元層状物質で形成された絶縁層２３とを含んでいる。絶縁層２３は、アンチモンテルル結晶層２１に接していることが好ましい。
【００４４】
絶縁層２３を構成する２次元層状物質には、２層以上の２次元物質で形成された多層２次元物質を用いてもよいし、１層の２次元物質で形成された単層２次元物質を用いてもよい。本実施形態では、多層２次元層状物質を用いている。具体的には、２次元層状物質には、単原子層状物質の類似化合物ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）或いはＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）等を用いることができる。ＴＭＤとしては、ＭＸ2 (Ｍ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ. Ｘ＝Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ)等を用いることができる。更に、１３族カルコゲナイドであるGaS, GaSe, GaTe, In Se等、や１４族カルコゲナイドであるGeS, SnS2, SnSe2, PbO等、や水酸化２価金属M(OH)2（Ｍ＝Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Cd等）、や層状酸化物であるチタン酸化物(Ti0.91O2, Ti0.87O2, Ti4O9, Ti5O11, Ti0.8Co0.2O2, Ti0.6Fe0.4O2, Ti(5.2-2x)/6Mnx/2O2（ 0 ≦ x ≦ 0.4 ）)、タンタル酸化物（TaO6）、マンガン酸化物（MnO6）、コバルト酸化物（CoO2）、モリブデン酸化物（MoO2）、タングステン酸化物（W2O7）、ニオブ酸化物（Nb6O17, Nb3O8）、ルテニウム酸化物（RuO2.1, RuO2）等、も同様に用いることができる。
【００４５】
iPCM, 超格子ライク(super lattice like, SLL)-PCM等の層状物質を用いたメモリ素子を作製する場合、膜剥がれが問題となる。Sb2Te3//Sb2Te3間やSb2Te3//GeTe間にはTe//Te-gap、つまりvan del Waals gapを形成しているがこのvan del Waals gapはとても剥がれやすい。例えばグラフェン同士がvan del Waals gapで結合してグラファイトを形成しているが、グラフェンはグラファイトからテープで簡単に剥離させることができるのと同様に、一般的にvan del Waals gapで積層された２次元層状物質は剥がれ易く、剥がれるとクリーンルーム等で素子作製することができなくなる。そのため剥がれ抑制が重要課題の１つである。極性を持つ２次元物質は２次元物質間の結合力が強いため剥がれ防止効果が有り望ましく、上記物質の中でもh-BN等の極性物質は望ましい。
【００４６】
本実施形態の不揮発性記憶素子１００も、第１の実施形態の不揮発性記憶素子１００と同様、書き込み信号（書き込み電圧の大きさ及び／又は書き込み電圧の波形等）を変えることで、ＧｅＴｅ層２２中のゲルマニウム（Ｇｅ）の原子位置が変化し、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方を選択的に呈することができる。
【００４７】
本実施形態でも、上述したような積層構造１００を有する不揮発性記憶素子により、効率的な動作を行うことが可能な不揮発性記憶素子を有する記憶装置を得ることができる。以下、説明を加える。
【００４８】
図８は、本実施形態に係る不揮発性記憶素子のエネルギーバンド構造を模式的に示した図である。
【００４９】
図８に示すように、電極（電極１１又は１２に対応）と超格子構造（アンチモンテルル結晶層２１及びゲルマニウムテルル結晶層２２に対応）間に絶縁層（絶縁層２３に対応）が介在していると、電極（電極１１又は１２に対応）からの電子は絶縁層（２３）をトンネリングする。その結果、第１の実施形態と同様に、絶縁層（２３）をトンネリングした電子が大きなエネルギーを失ってインパクトイオン化が生じる。このインパクトイオン化によって大量のキャリアが生成されるため、第１の実施形態で述べた理由と同様の理由により、不揮発性記憶素子の書き込み性能を向上させることが可能となる。
【００５０】
また、本実施形態に係る不揮発性記憶素子では、電極（１１又は１２）と超格子構造（２１及び２２）との間に絶縁層（２３）が介在しているため、第１の実施形態で述べた理由と同様の理由により、効率的に熱を使用することが可能である。すなわち、２次元層状物質の高断熱性によって、熱が外部に伝導することを効率的に抑制することができる。特に、積層構造２０から電極（１１又は１２）への熱伝導を効果的に抑制することができる。電極（１１又は１２）は不揮発性記憶素子の外側の外部要素に接続されているため、電極を介して外部に熱が逃げやすい。本実施形態では、２次元層状物質で形成された絶縁層（２３）が電極（１１又は１２）と超格子構造（２１及び２２）との間に介在しているため、不揮発性記憶素子内で発生した熱が外部に逃げることを効果的に抑制することができる。したがって、本実施形態では、積層構造２０内で発生した熱を効率的に使用することができ、不揮発性記憶素子の書き込み性能を向上させることが可能となる。
【００５１】
以上のように、本実施形態でも、第１の実施形態と同様、効率的な動作を行うことが可能な不揮発性記憶素子を有する記憶装置を得ることができる。
【００５２】
また、本実施形態では、電極（１１又は１２）と超格子構造（２１及び２２）との間に２次元層状物質で形成された絶縁層（２３）が介在しているため、アンチモンテルル結晶層２１の配向性（ｃ軸配向性）を向上させることができる。すでに説明したように（図２参照）、アンチモンテルル（Ｓｂ2Ｔｅ3）の単位構造ＵＮＴは、Ｔｅ層／Ｓｂ層／Ｔｅ層／Ｓｂ層／Ｔｅ層という構造を有している。２次元層状物質上には、ＳｂよりもＴｅの方が優先的に付着する。そのため、２次元層状物質上には、Ｔｅ層、Ｓｂ層、Ｔｅ層、Ｓｂ層、Ｔｅ層という順序で結晶成長が行われ、アンチモンテルル結晶層２１の配向性（ｃ軸配向性）を向上させることができる。したがって、優れた積層構造１００を形成することができ、優れた特性を有する不揮発性記憶素子を得ることができる。
【００５３】
図９は、本実施形態の記憶装置における不揮発性記憶素子の変更例の構成を模式的に示した図である。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００５４】
上述した実施形態では、絶縁層２３が下部電極１１に接していたが、本変更例では、絶縁層２３が上部電極１２に接している。
【００５５】
本変更例においても、上述した実施形態と同様、効率的な動作を行うことが可能な不揮発性記憶素子を得ることができ、不揮発性記憶素子の書き込み性能を向上させることが可能となる。
【００５６】
なお、上述した実施形態及び変更例では、上部電極１２側に正電圧が印加されているが、下部電極１１側に正電圧が印加されるようにしてもよい。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
１１…電極      １２…電極
２０…積層構造      ２１…アンチモンテルル結晶層
２２…ゲルマニウムテルル結晶層      ２３…絶縁層
１００…不揮発性記憶素子
【図１】
2019057604.tif 000003
【図２】
2019057604.tif 000004
【図３】
2019057604.tif 000005
【図４】
2019057604.tif 000006
【図５】
2019057604.tif 000007
【図６】
2019057604.tif 000008
【図７】
2019057604.tif 000009
【図８】
2019057604.tif 000010
【図９】
2019057604.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成30年12月27日(2018.12.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の抵抗状態及び前記第１の抵抗状態よりも高抵抗の第２の抵抗状態を有する不揮発性記憶素子を含む記憶装置であって、
前記不揮発性記憶素子は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する積層構造と、を備え、
前記積層構造は、第１のアンチモンテルル層と、第１のゲルマニウムテルル層と、前記第１の電極及び前記第２の電極から離間した絶縁層と、を含み、
前記絶縁層は、２次元層状物質で形成されている
ことを特徴とする記憶装置。
【請求項２】
前記絶縁層は、前記第１のアンチモンテルル層に接している
ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
【請求項３】
前記積層構造は、第２のアンチモンテルル層をさらに含み、
前記絶縁層は、前記第１のアンチモンテルル層と前記第２のアンチモンテルル層との間に位置し、前記第１のアンチモンテルル層及び前記第２のアンチモンテルル層に接している
ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
【請求項４】
前記絶縁層は、前記第１のアンチモンテルル層と前記第１のゲルマニウムテルル層との間に位置し、前記第１のアンチモンテルル層及び前記第１のゲルマニウムテルル層に接している
ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
【請求項５】
前記積層構造は、第２のゲルマニウムテルル層をさらに含み、
前記絶縁層は、前記第１のゲルマニウムテルル層と前記第２のゲルマニウムテルル層との間に位置している
ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
【請求項６】
第１の抵抗状態及び前記第１の抵抗状態よりも高抵抗の第２の抵抗状態を有する不揮発性記憶素子を含む記憶装置であって、
前記不揮発性記憶素子は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する積層構造と、を備え、
前記積層構造は、アンチモンテルル層と、ゲルマニウムテルル層と、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方に接し且つ２次元層状物質で形成された絶縁層と、を含む
ことを特徴とする記憶装置。
【請求項７】
前記２次元層状物質は、ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）、ＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）、１３族カルコゲナイド、１４族カルコゲナイド、水酸化２価金属、及び層状酸化物から選択される
ことを特徴とする請求項６に記載の記憶装置。
【請求項８】
前記絶縁層は、前記アンチモンテルル層に接している
ことを特徴とする請求項６に記載の記憶装置。