(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極と、第二の電極と、前記第一および第二の電極の間の金属カルコゲナイド含有材料と、
前記金属カルコゲナイド含有材料と前記第一の電極との間の第一の電界改変領域であって、少なくとも約３．５エレクトロンボルトのバンドギャップを有する少なくとも一つの組成物を含む、第一の電界改変領域と、
前記金属カルコゲナイド含有材料と前記第二の電極との間の第二の電界改変領域であって、少なくとも約３．５エレクトロンボルトのバンドギャップを有する少なくとも一つの組成物を含む、第二の電界改変領域と、
を含む選択デバイス。
【請求項２】
前記第一および第二の電界改変領域は、互いに同一の組成物を含む、請求項１に記載の選択デバイス。
【請求項３】
前記第一および第二の電界改変領域は、互いに異なる組成物を含む、請求項１に記載の選択デバイス。
【請求項４】
第一の電極と、第二の電極と、前記第一および第二の電極の間の金属カルコゲナイド含有材料と、
前記金属カルコゲナイド含有材料と、前記第一および第二の電極のうちの一方との間の電界改変領域であって、少なくとも三つの層からなる積層を含む、電界改変領域と、
を含み、
前記層は、第一の層と、第二の層と、第三の層とを含み、前記第一および第三の層は、酸化ガリウムおよび酸化ガドリニウムの一方または双方を含み、前記第二の層は、酸化アルミニウムを含む、選択デバイス。
【請求項５】
前記第一および第三の層は、互いに同一の組成である、請求項４に記載の選択デバイス。
【請求項６】
前記第一および第三の層は、互いに異なる組成である、請求項４に記載の選択デバイス。
【請求項７】
第一の電極と、第二の電極と、前記第一および第二の電極の間の金属カルコゲナイド含有材料と、
前記金属カルコゲナイド含有材料と前記第一の電極との間の第一の電界改変領域であって、少なくとも二つの層からなる積層を含む、第一の電界改変領域と、
前記金属カルコゲナイド含有材料と前記第二の電極との間の第二の電界改変領域と、
を含む選択デバイス。
【請求項８】
前記第二の電界改変領域は、前記第一の電界改変領域と組成が同一である、請求項７に記載の選択デバイス。
【請求項９】
前記第二の電界改変領域は、前記第一の電界改変領域と組成が異なる、請求項７に記載の選択デバイス。
【請求項１０】
前記第一および第二の電極のうちの一方がアクセス線に結合され、且つ、前記第一および第二の電極のうちの他方がメモリセルに結合されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の選択デバイス。
【請求項１１】
前記第一および第二の電界改変領域のうちの少なくとも一方は、i）ガリウム、ガドリニウム、およびアルミニウムのうちの１つを含むか、ii）金属がドープされた酸化物を含むか、iii）前記金属カルコゲナイド含有材料の厚さに対して０．０５から１の割合の厚さを有するか、又はiv）２つよりも多くの個別の層を含む、請求項１乃至３、７乃至９のうちのいずれか１項に記載の選択デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連する特許データ］
本特許出願は、２０１４年９月２３日に出願された米国仮特許出願整理番号６２／０５３，９１２に対する優先権を享受する権利を主張し、米国仮特許出願整理番号６２／０５３，９１２は、参照によって本明細書に組み入れられる。
【０００２】
［技術分野］
電気化学的に活性を有する金属イオンを有する半導電性カルコゲナイドを含むデバイス。
【背景技術】
【０００３】
メモリは、しばしば集積回路に組み込まれる。メモリは、例えば、データを記憶するために、コンピュータシステムで利用され得る。
【０００４】
メモリは、個々のメモリセルのアレイとして製造されることができ、その際、各メモリセルは、少なくとも二つの異なる選択可能な状態で記憶を保持または格納するように構成される。二進法においては、記憶状態は、“０”または“１”のいずれかと考えられる。
【０００５】
ある種のメモリセルは、プログラマブル材料を間に収容した二つの導電性電極を含み、クロスポイントアレイアーキテクチャで利用するのに適切であり得る。クロスポイントアレイアーキテクチャによって、高密度メモリの三次元的な複数層の積層（即ち、４Ｆ２のフットプリント毎により多くの記憶ビット）が可能となる。大型のクロスポイントアレイにおけるメモリセルは、ＰＣＭ、ＣＢＲＡＭ、ＲｅＲＡＭ／ＲＲＡＭまたはＳＴＴ−ＲＡＭ／ＳＴＴ−ＭＲＡＭなどのうちのいずれかとすることができる。
【０００６】
クロスポイントメモリを用いる上での困難は、選択されていないセルを通る、かなりの電流の漏れが存在し得ることであり、そうした漏れは、不都合なことに、書き込み中および大型のメモリアレイからの記憶されたデータの取得中における、ディスターブ、電力の浪費およびエラーにつながることがある。したがって、任意の半選択および非選択セルからの漏洩を減少させるなどして、メモリセルを通る電流の制御を支援するために、各クロスポイントにおいて、通常、ダイオードまたは他の選択デバイスが、メモリセルと対にされる。
【０００７】
以下に記述される幾つかの態様は、選択デバイスとして使用するのに適切な集積デバイスに関する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的実施形態のデバイスの概略断面図である。
【図２】動作“オン”状態で示される例示的実施形態のデバイスの領域の概略断面図である。
【図３】例示的実施形態のデバイスの概略断面図である。
【図４】例示的実施形態のデバイスの概略断面図である。
【図５】例示的実施形態のデバイスの概略断面図である。
【図６】例示的実施形態のデバイスの概略断面図である。
【図７】例示的実施形態のデバイスの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
幾つかの実施形態は、メモリアレイ内の選択（即ち、アクセス）デバイスとして利用するのに適切な金属カルコゲナイドを含むデバイスに関する。例示的実施形態のデバイスは、図１−図７を参照して記述される。
【００１０】
図１を参照すると、デバイス１０は、一対の電極１２、１４を含み、電極間に金属カルコゲナイド含有材料１６を含む。
【００１１】
電極１２および１４は、任意の適切な導電性の、組成物、または組成物の組み合わせを含むことが出来、幾つかの実施形態においては、様々な金属（例えば、タングステン、チタンなど）、金属含有組成物（例えば、金属窒化物、金属炭化物、金属ケイ化物など）、および導電性を有するようにドープされた半導体材料（例えば、導電性を有するようにドープされたシリコン、導電性を有するようにドープされたゲルマニウムなど）のうちの、一つ以上を含むか、それらで本質的に構成されるか、それらで構成されることができる。電極１２および１４は、互いに同一の組成物を含むことができ、または、互いに異なる組成物を含むことができる。幾つかの実施形態においては、電極のうちの一方が、窒化チタンを含むか、実質的に窒化チタンで本質的に構成されるか、または窒化チタンで構成されることができ、他方は、タングステンを含むか、タングステンで本質的に構成されるか、またはタングステンで構成されることができる。
【００１２】
金属カルコゲナイド含有材料１６は、金属と、一つ以上の半導体材料とを含むことができる。例えば、材料１６は、ゲルマニウムおよびセレンのうちの一方またはその双方と組み合わせて銅を含むことができ、ゲルマニウムおよびセレンのうちの一方またはその双方と組み合わせて銀を含むことができる、などである。金属およびカルコゲナイドを含む組成物は、金属／カルコゲナイドと本明細書で呼ばれることがある。
【００１３】
金属カルコゲナイド含有材料１６は、任意の適切な厚さを有することができ、幾つかの実施形態においては、少なくとも約１２ナノメートル（ｎｍ）の厚さ“Ｔ１”を有することができる。金属カルコゲナイド含有材料１６の厚さは、迅速なスイッチング速度を達成するために、従来のデバイスと比較して比較的薄く維持されることができる。
【００１４】
領域１８は、電極１２と、金属カルコゲナイド含有材料１６との間に、設けられる。領域１８は、領域１８を欠く比較対象デバイスと比べてデバイス１０の閾値電圧（Ｖｔ）をシフトさせるために、利用されることがある。このようにすることで、具体的な用途に対して、デバイス１０を調整することを可能とすることができる。例えば、従来技術のデバイスは、一対の電極間に挟まれた金属カルコゲナイド含有材料を含むように構成されていた。このようなデバイスは、Ｖｔが低すぎて、メモリアレイ用の選択デバイスとして使用するためには適切ではないことがある。デバイスの性能に悪影響を及ぼす厄介な問題を導入することなく、このようなデバイスのＶｔを増加させることは困難である。例えば、金属／カルコゲナイドがあまりにも高い電界または電位降下に晒される場合、金属イオンは、過剰に酸化し、より低い電圧で閾値に達することがある。
【００１５】
デバイス１０での領域１８の使用により、金属カルコゲナイド含有材料１６にわたる電界および電位降下を有害に増加させることなく、従来技術のデバイスに対してデバイス１０のＶｔを増加させることを可能とすることができる。具体的には、電極１２と１４との間に生成される電界は、金属カルコゲナイド含有材料１６と同様に領域１８にもわたって分布する。ある意味では、領域１６および１８を、電極１２と１４との間の電界を共有する隣接キャパシタとして考えられてもよい。したがって、電極１２と１４との間の電界を、従来技術のデバイスと比較してより高いＶｔに対応するように増加させることができ、それにもかかわらず、金属カルコゲナイド含有材料１６にわたる電界および電位降下は、従来技術のデバイスのそれに相当する電圧のままとすることができる。幾つかの実施形態においては、領域１８は、電界改変（ｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｆｉｅｌｄ−ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ）領域と呼ばれることがある。
【００１６】
領域１８は、組成物２０を含む。電極間の電界の比例的支持に関連する、領域１８に由来する利益は、組成物２０の比誘電率の減少およびバンドギャップの増加と共に増加し、幾つかの実施形態においては、組成物２０は、少なくとも約３．５エレクトロンボルトのバンドギャップを有することができる。より高いバンドギャップは、オフ状態の漏洩を低減する（電流を１０ｎＡ未満に抑えるために電圧マージンをより幅広くとる）のに役立つ。組成物２０は、任意の適切な物質を含むことができ、幾つかの実施形態においては、一つ以上の酸化物を含むことができる。例えば、幾つかの実施形態においては、組成物２０は、酸化ガリウム（バンドギャップ４．８エレクトロンボルト、比誘電率４．２）および酸化ガドリニウム（バンドギャップ５．８エレクトロンボルト、比誘電率４．８）のうちの一方またはその双方を含むことができる。低い比誘電率を有する組成物２０が望ましいことがあるが、幾つかの実施形態においては、組成物２０の比誘電率は、約１．８から約２５の範囲内とすることができる。
【００１７】
組成物２０は、幾つかの実施形態においては、金属がドープされた酸化物を含むことができる。例えば、組成物２０は、アルミニウムがドープされた酸化ガリウムおよび酸化ガドリニウムのうちの一方またはその双方を含むことができる。
【００１８】
組成物２０は、メモリ素子およびアレイサイズと適合するようＶｔを設定するように、金属カルコゲナイド材料内の電圧降下および電界を最適化するための、任意の適切な厚さ“Ｔ２”を有することができる。幾つかの実施形態においては、組成物は、金属カルコゲナイド含有材料の厚さに対して、０．０５から１の割合の厚さを有することができる。幾つかの実施形態においては、厚さＴ２は、０ｎｍより大きく、約３ｎｍ以下の範囲内とすることができる。幾つかの実施形態においては、組成物２０は、約１モノレイヤーから約５モノレイヤー以下の範囲内の厚さを有することができる。領域１８が単一の組成物２０のみを含む場合、領域１８は組成物２０と同一の厚さを有するだろう。他の実施形態（例えば、図４および図５を参照して以下に記述される実施形態など）においては、領域１８は、異なる組成物でできた複数の層を含むことができる。幾つかの実施形態においては、領域１８は、組成物２０に関して上述された範囲外の厚さを有することができる。
【００１９】
デバイス１０は、二つの動作状態を有することが出来、その状態のうちの一方は“オフ”状態であり、他方は“オン”状態である。デバイスを通る電流の流れは、“オフ”状態においてはゼロである（または少なくとも非常に低い）ことが望ましく、“オン”状態においては、比較的高くなることが望ましい。幾つかの従来技術のデバイスでの問題点は、“オン”状態における電流の流れが望まれるほどは高くないことである。幾つかの実施形態においては、動作“オン”状態において材料１６の金属／カルコゲナイド由来の金属と効率的に結合して、デバイス１０を通る電流密度を高くすることを可能とするような組成物を、領域２０が含む。
【００２０】
図２は、動作“オン”状態におけるデバイス１０の領域を示す。金属／カルコゲナイド１６由来の金属が、電極１２に向かって移動し、組成物２０に隣接する金属濃縮領域２４を生成したところである。破線２３は、金属濃縮領域のおおよその境界を図式的に示すために用いられている。実際には、金属濃縮領域は、金属／カルコゲナイド１６内での認識可能な境界を有しても、有さなくてもよい。
【００２１】
幾つかの実施形態においては、組成物２０は、約１エレクトロンボルト以下だけしか、または約０．５エレクトロンボルト以下だけしか、金属濃縮領域２４内の金属の仕事関数からずれてはいない伝導帯を有していてもよい。例えば、金属／カルコゲナイドの金属が銅である場合、金属の仕事関数は、約４．５エレクトロンボルトから約４．９エレクトロンボルトの範囲内であろう。このような実施形態においては、組成物２０は、バンドギャップが約０．５エレクトロンボルト以下だけしか金属の仕事関数からずれていない（即ち、仕事関数の０．５エレクトロンボルト以内になる）ように、約４．０エレクトロンボルトから約５．４エレクトロンボルトの範囲内のバンドギャップを有していてもよく、または、バンドギャップが約１エレクトロンボルト以下だけしか金属の仕事関数からずれていないように、約３．５エレクトロンボルトから約５．９エレクトロンボルトの範囲内のバンドギャップを有していてもよい。特定の実施形態においては、組成物２０は、酸化ガリウム（バンドギャップ４．８エレクトロンボルト）および酸化ガドリニウム（バンドギャップ５．８エレクトロンボルト）のうちの一方またはその双方を含むことができ、金属カルコゲナイド含有材料１６は、銅／カルコゲナイドを含むことができ、銅は、約４．５エレクトロンボルトから約４．９エレクトロンボルトの仕事関数を有する。バンドは電界強度に依存して幾らかの変動を有し得るため、酸化ガドリニウムの伝導帯は、適切な電界強度において、銅の仕事関数の０．５エレクトロンボルト以内となり得る、ということが注意される。
【００２２】
図１を再度参照すると、デバイス１０を、例えば論理回路および／またはメモリなどの、集積回路アーキテクチャの多数の領域のうちの任意の領域に、組み込むことができる。電極１２を通じて集積構造３０に対して、また、電極１４を通じて別の集積構造３２に対して、電気的に結合されることが示されている。デバイス１０がメモリ内で使用される場合、構造３０および３２は、例えば、アクセス／センス線およびメモリセルに（または、その逆に）其々対応することができる。メモリセルは、例えば、相変化メモリセル、導電性ブリッジメモリセル、多価酸化物メモリセル、スピントランスファートルクメモリセルなどの、ＲＲＡＭセルとすることができる。メモリセルは、メモリアレイの膨大な数のメモリセルのうちの一つとすることができ、デバイス１０は、メモリアレイ内で選択デバイスとして使用される膨大な数の同一のデバイスの代表とすることができる。
【００２３】
図１のデバイス１０は、単一の電界改変領域１８を含むものとして示されている。他の実施形態においては、複数の電界改変領域が使用されてもよい。例えば、図３は、第一の電界改変領域１８に加えて、第二の電界改変領域４０を含むデバイス１０ａを示す。第二の電界改変領域４０は、金属カルコゲナイド含有材料１６の、第一の電界改変領域１８とは反対側にある。
【００２４】
領域４０は、組成物４２を含む。このような組成物は、領域１８の組成物２０に関して上述した材料のうちの任意の材料を含むことができる。幾つかの実施形態においては、組成物４２は、組成物２０と同一とすることができ、他の実施形態においては、組成物２０に対して異なることができる。
【００２５】
図１の領域１８は、単一の組成物２０を含むものとして示される。他の実施形態においては、領域１８は、異なる組成物でできた二つ以上の層を含むことができる。例えば、図４は、領域１８が三つの層５０−５２の積層を含むデバイス１０ｂを示す。幾つかの実施形態においては、層５０および５２は、酸化ガリウムおよび酸化ガドリニウムのうちの一方またはその双方を含むことができ、層５１は、酸化アルミニウムを含むことができる。層５０および５２は、互いに同一の組成とすることができ、または互いに異なる組成とすることができる。領域１８内での複数層の使用により、領域の全体的な誘電特性および／または領域の他の特性を特定の用途に合わせて調整することが可能となり得る。
【００２６】
図４の領域１８は、三層を含むものとして示されているが、他の実施形態においては、その領域は、３つ未満の層または３つより多い層を含むことができる。
【００２７】
図４の実施形態は、唯一つの電界改変領域を含むデバイスを示す。他の実施形態においては、デバイスは、複数の電界改変領域を含むことができる。例えば、図５は、図３を参照して上述した領域に類似の領域４０と組み合わせて使用される、複数層の電界改変領域１８を示す。領域４０は、単一の組成物（例えば、図３の組成物４２）を含むことができ、または、異なる組成物でできた複数層（例えば、領域１８を参照して上述した種類の層５０−５２）を含むことができる。
【００２８】
図４および図５に類似の実施形態が、複数層の材料を含む上部領域４０をともなって築かれてもよい。このような実施形態の例は、図６および図７に示される。
【００２９】
幾つかの実施形態においては、図１および図３−図７のデバイスは、下部電極１２から上部電極１４に向かう方向の電流の流れを可能とすることもあるし、その逆方向の電流の流れを可能とすることもある、という点において、バイポーラデバイスとすることができる。バイポーラデバイスは、幾つかの用途においてＲＲＡＭ、ＣＢＲＡＭおよびＳＴＴ−ＲＡＭにとって望ましい双方向動作のおかげで、幾つかの用途において有利であり得る。
【００３０】
幾つかの実施形態においては、図３の組成物４２が図３の組成物２０と一致し、図３のデバイス１０ａは、金属カルコゲナイド含有領域１６の中心に沿って対称鏡映面が存在するという点で、対称性デバイスと呼ばれることがある。対照的に、図１、図４および図６のデバイスは、非対称性デバイスである。図５および図７のデバイスは、領域１８および４０の相対的組成に依存して、対称性デバイスであっても、非対称性デバイスであってもよい。また、幾つかの実施形態においては、組成物４２が組成物２０と一致しない場合、および／または領域４０が領域１８とは異なる厚さとなるよう形成される場合、図３のデバイスは、非対称性デバイスとなり得る。本明細書に記述される実施形態の様々な対称性構成および非対称性構成により、特定の用途に合わせてデバイスを調整することが可能となることもある。
【００３１】
上述したデバイスおよび配置を、電子システムに組み込むことができる。このような電子システムは、例えば、メモリモジュール、デバイスドライバ、電源モジュール、通信モデム、プロセッサモジュールおよび特定用途向けモジュールで使用されることができ、複数層の複数チップモジュールを含むことができる。電子システムは、例えば、時計、テレビ、携帯電話、パーソナルコンピュータ、自動車、産業用制御システム、航空機などの広範囲のシステムのうちの任意のシステムとすることができる。
【００３２】
別段の指定がない限りは、本明細書に記述される様々な材料、物質、組成物などは、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）などを含む、現在既知かまたはまだ開発されていないかのいずれかの、任意の適切な方法で形成されることができる。
【００３３】
“誘電性”および“電気的に絶縁性”という語は、双方とも、絶縁性の電気的特性を有する材料を記述するために用いられることがある。双方の語は、本開示においては、同義と考えられる。幾つかの例における“誘電性”という語の使用と、他の例における“電気的に絶縁性”という語の使用は、先行詞を簡略化するように本開示内での言い回しの変化を提供するために用いられることがあり、如何なる重要な化学的または電気的な相違を示すためにも用いられるものではない。
【００３４】
図面における様々な実施形態の特定の方向は、例示の目的のためだけのものであって、実施形態は、幾つかの用途においては、図示された方向に対して回転されることができる。本明細書において提供される記述およびそれに続く請求項は、構造が図面の特定の方向を向いているか、またはその方向に対して回転されているかにかかわらず、記述された関係を様々な特徴同士の間に有するどの構造にも関係する。
【００３５】
添付の図面の断面図は、断面の平面内のフィーチャのみを示すものであり、図面を簡略化するために、断面の平面より後ろにある材料は示していない。
【００３６】
ある構造が、別の構造の“上に（ｏｎ）”あるか、または別の構造に“接触して（ａｇａｉｎｓｔ）”いるものとして、上記で言及される場合、それは、当該別の構造の直接上にあってもよく、または中間構造もまた存在してもよい。対照的に、ある構造が、別の構造の“直接上に（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｏｎ）”あるか、または別の構造に“直接接触して（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ａｇａｉｎｓｔ）”いるものとして言及されるときには、中間構造は存在しない。ある構造が、別の構造に対して“接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）”かまたは“結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）”ものとして言及されるとき、それは、当該別の構造に対して直接接続もしくは結合されていてもよく、または中間構造が存在してもよい。対照的に、ある構造が、別の構造に対して、“直接接続される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）”か、または“直接結合される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）”ものとして言及されるとき、中間構造は存在しない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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