(57)【要約】【課題】本発明の第一の目的は、信頼性の高い相変化メモリおよび相変化記録媒体を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、書換え繰返し耐性の高い相変化メモリおよび相変化記録媒体を提供することにある。【解決手段】基板の一主面側に形成された相変化記録膜を含む相変化メモリおよび相変化記録媒体において、相変化記録膜のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料を相変化記録膜に接触させる。【選択図】図１
2005209252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の一主面側に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に堆積された第一電極と、前記第一電極の上に堆積された相経変化記録膜と、前記相変化記録膜の上に堆積された第二電極と、を備え、
前記相変化記録膜は、前記相変化記録膜がGe、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つを構成元素として含み、前記第一電極の主構成材料がTi、Si、及びN、またはTa、Si、及びNを含む材料であることを特徴とする相変化メモリ。
【請求項２】
請求項１において、前記第一電極におけるSiの濃度が0.07at.%以上33at.%以下である相変化メモリ。
【請求項３】
基板と、前記基板の一主面側に形成され、絶縁膜と第一の配線に連絡する第一電極とが形成される層と、
前記絶縁膜と前記第一電極とを覆って堆積された相変化記録膜が形成される層と、
前記相変化記録膜の上に堆積され、第二の配線に連絡する第二電極が形成される層と、を備え、
前記相変化記録膜がGe、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つを構成元素として含み、
前記第一電極の主構成材料がTi、Si、及びN、またはTa、Si、及びNを含み、
前記絶縁膜の主構成材料がTiOxNy、TaOxNy、TiSixOyNz、またはTaSixOyNzのいずれかを含むものであることを特徴とする相変化メモリ。
【請求項４】
請求項１において、前記第一電極は化学気相蒸着法またはメッキ法で形成されたTiSixNyまたはTaSixNyであることを特徴とする相変化メモリ。
【請求項５】
請求項１において、前第二電極が酸化処理、窒化処理、酸窒化処理の少なくとも一つを受けて形成された膜であることを特徴とする相変化メモリ。
【請求項６】
請求項１において、前記相変化記録膜は、Znを構成元素として含むことを特徴とする相変化メモリ。
【請求項７】
基板と、前記基板の一主面側に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に堆積された第一電極と、前記第一電極の上に堆積された相経変化記録膜と、前記相変化記録膜の上に堆積された第二電極と、を備え、
前記相変化記録膜は、前記相変化記録膜がGe、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つを構成元素として含み、前記相変化記録膜は引張りひずみ状態であることを特徴とする相変化メモリ。
【請求項８】
請求項１において、相変化記録膜の平均最近接原子間距離と前記第一の電極の平均最近接原子間距離との差が３％以内に形成されることを特徴とする相変化メモリ。
【請求項９】
請求項１において、前記第一電極は積層方向に多層構造を有し、前記第一電極は第一電極層と前記第一電極層より前記相変化記録膜側に位置して前記相変化記録膜に隣接して配置される第二電極層とを有し、
前記第二電極層の平均最近接原子間距離は、第一電極層の平均最近接原子間距離よりも、前記前記相変化記録膜の前記主構成材料の平均最近接原子間距離に近くなるよう形成されることを特徴とする相変化メモリ。
【請求項１０】
請求項３において、前記絶縁膜は積層方向に多層構造を有し、前記絶縁膜は第一絶縁層と前記第一絶縁層より前記相変化記録膜側に位置して前記相変化記録膜に隣接して配置される第二絶縁層とを有し、
前記第二絶縁層の平均最近接原子間距離は、第一絶縁層の平均最近接原子間距離よりも、前記前記相変化記録膜の前記主構成材料の平均最近接原子間距離に近くなるよう形成されることを特徴とする相変化メモリ。
【請求項１１】
基板と、前記基板の一主面側に形成された第一誘電体膜と、前記第一誘電体膜上に堆積された記録膜と、前記記録膜上に堆積された第二誘電体膜を備え、
前記記録膜の主構成材料がGeSb2Te4、Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9の少なくとも一つであり、
前記第一誘電体膜の主構成材料がTiOxNy、TaOxNy、TiSixOyNz、TaSixOyNz、TiSixOyNzまたはTaSixOyNzのいずれかを有することを特徴とする相変化記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変化を用いて情報を記録、再生することが可能な相変化メモリ或は相変化記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば応用物理Vol. 71，No.5（2002年）の562ページから565ページまでに記載されているように、相変化記録方式では、記録膜材料が結晶相-アモルファス相の相変化を起こすことを利用して書き込みを行い、結晶相かアモルファス相かを判定することによって読取りを行う。
【０００３】
【非特許文献１】応用物理Vol. 71，No.5（2002年）の562ページから565ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この方式で使用されているカルコゲナイド（例えばGeSbxTey系材料）の記録膜材料を用いた場合、アモルファス相の安定性が低く、時間とともに結晶化してしまうことがある。この不具合は、温度が高い環境下でより深刻となる。また、アモルファス相-結晶相の体積変動率が大きい場合に、書換えの繰返しによって特性が劣化してしまうという問題がある。かかる劣化を抑制して相変化メモリの信頼性を高めることが望まれる。
【０００５】
本発明の第一の目的は、前記いずれかの課題の解決に寄与する相変化メモリ或は相変化記録媒体を提供することにある。
信頼性の高い相変化メモリおよび相変化記録媒体を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、書換え繰返し耐性の高い相変化メモリおよび相変化記録媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者らは、相変化記録膜のアモルファス相の安定性を向上させる手段を得るために鋭意研究を行った結果、相変化記録膜のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料を相変化記録膜に接触させることが有効であることを見出した。
【０００７】
また、発明者らは、前述の文献（応用物理Vol. 71，No.5,2002年,562ページから565ページまで）の知見に対して、より格子欠損濃度の高い組成を用いることによって繰返し耐性を向上しようとした場合、格子欠損が多いことによる副作用として、結晶状態（消去状態）における原子配列の規則性が悪くなり、アモルファス相との区別が難しくなることを明らかにした。そこで、発明者らは、格子欠損濃度の高い組成を用いずに繰返し耐性を向上させる手段を得るために鋭意研究を行った結果、記録膜に引張ひずみを持たせることが有効であることを見出した。
【０００８】
前述の形態によって、前記いずれかの課題の解決に寄与する相変化メモリ或は相変化記録媒体を提供できる。
【０００９】
具体的には、例えば、信頼性の高い相変化メモリおよび相変化記録媒体を提供できる。
或は更に、書換え繰返し耐性の高い相変化メモリおよび相変化記録媒体を提供することができる。
【００１０】
本願発明の課題は例えば、下記の構成を備えた相変化メモリ或は相変化記録媒体により解決される。
（１）基板と、前記基板の一主面側に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に堆積された第一電極と、前記第一電極の上に堆積された相経変化記録膜と、前記相変化記録膜に堆積された第二電極と、を備え、
前記相変化記録膜は、前記相変化記録膜がGe、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つを構成元素として含み、前記第一電極の主構成材料がTi、Si、及びN、またはTa、Si、及びNを含む材料であることを特徴とする。
【００１１】
これにより、記録膜のアモルファスの結晶化を起こり難くして安定な相変化メモリを構成することができる。例えば、第一電極の主構成材料はTiSixNyまたはTaSixNyである。
【００１２】
なお、好ましくは、前記第一電極におけるSiの濃度が0.07at.%以上33at.%以下である。
【００１３】
また、具体的には、以下の構成を有することができる。
基板と、前記基板の一主面側に形成され、絶縁膜と第一の配線に連絡する第一電極とが形成される層と、前記絶縁膜と前記第一電極を覆って堆積された相変化記録膜が形成される層と、前記相変化記録膜の上に堆積され、第二の配線に連絡する第二電極が形成される層と、を備え、前記相変化記録膜がGe、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つを構成元素として含み、前記第一電極の主構成材料がTi、Si、及びN、またはTa、Si、及びNを含み、前記絶縁膜の主構成材料がTiOxNy、TaOxNy、TiSixOyNz、またはTaSixOyNzのいずれかを含むものであることを特徴とする。
【００１４】
この場合にも、前記第一電極におけるSiの濃度が0.07at.%以上33at.%以下であることが好ましい。
【００１５】
また、前記第一電極は化学気相蒸着法またはメッキ法で形成されたTiSixNyまたはTaSixNyであることを特徴とする。
【００１６】
或は、前第二電極が酸化処理、窒化処理、酸窒化処理の少なくとも一つを受けて形成された膜であることを特徴とする。この場合も、好ましくは、前記の形成法により形成された第一電極を備える。
【００１７】
また、好ましくは、前記相変化記録膜は、Znを構成元素として含むことを特徴とする。例えば、前記相変化記録膜の主構成材料がZnSbxTeyまたはZnGexTeyまたはZnGexSbyTezまたはGeSbxTeyである。
【００１８】
また、更に、前記いずれかの前記絶縁体膜の主構成材料がTiOxNyまたはTaOxNyまたはTiSixOyNzまたはTaSixOyNzであることが好ましい。
（２）或は、基板と、前記基板の一主面側に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に堆積された第一電極と、前記第一電極の上に堆積された相経変化記録膜と、前記相変化記録膜に堆積された第二電極と、を備え、
前記相変化記録膜は、前記相変化記録膜がGe、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つを構成元素として含み、前記相変化記録膜は引張りひずみ状態であることを特徴とする。
【００１９】
この場合にも、例えば、前記第一電極の主構成材料がTi、Si、及びN、またはTa、Si、及びNを含む材料であることが好ましい。
（３）あるいは言い換えれば、相変化記録膜の平均最近接原子間距離と前記第一の電極の平均最近接原子間距離との差が３％以内に形成されることを特徴とする。
（４）また、基板と、前記基板の一主面側に形成された第一誘電体膜と、前記第一誘電体膜上に堆積された記録膜と、前記記録膜上に堆積された第二誘電体膜を備え、
前記記録膜の主構成材料がGeSb2Te4、Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9の少なくとも一つであり、
前記第一誘電体膜の主構成材料がTiOxNy、TaOxNy、TiSixOyNz、TaSixOyNz、TiSixOyNzまたはTaSixOyNzのいずれかを有することを特徴とする相変化記録媒体である。なお、前第二誘電体膜が酸化処理、窒化処理、酸窒化処理の少なくとも一つを受けて形成された膜であることが好ましい。
【００２０】
なお、前記堆積された膜はその下地と実質的に接するよう隣接していることが好ましい。
【００２１】
なお、ここで、主構成材料とは、最も大きな濃度で存在する材料のことを意味する。また、例えば、GeSb2Te4の正確な組成比はGe：Sb：Te＝1：2：4であるが、1：2.2：4のように、10%以内でずれているものも実質的に同等とみなして、当該範囲に含めるものとする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によって、前記したいずれかの課題の解決に寄与する相変化メモリ或は相変化記録媒体を提供できる。
【００２３】
具体的には、例えば、信頼性の高い相変化メモリおよび相変化記録媒体を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図に示した実施例により詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する形態に限るものではなく、周知技術などに基づく変更修正を許容するものである。
まず、次に、本発明における第一の実施例である相変化メモリにおける主要部分の断面構造を図１に示す。相変化メモリの概要は、例えば、応用物理Vol. 71，No.12（2002年）の1513ページから1517ページまでに記載されている。本実施例の相変化メモリは、図８に示すように、例えばシリコン基板１０１の上に配線膜１０２a、下部電極膜１０２、絶縁膜１０３、相変化記録膜１０４、上部電極膜１０５、配線膜１０６、絶縁膜１０７、配線膜１０８、絶縁膜１０９がこの順序で形成されることによって構成されている。これらは、例えばスパッタ法や化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition、CVD)やメッキ法を用いて形成する。
【００２５】
相変化記録膜１０４は、Ge、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つを構成元素として含む。Teを含んでいることが好ましい。例えば、GeSb2Te4、Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9あるいはZnSbxTey、ZnGexTey、ZnGexSbyTez、GeSbxTeyを主構成材料とする。この場合、GeSb2Te4、Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9は相変化速度が速いという利点がある。一方、ZnSbxTey、ZnGexTey、ZnGexSbyTez、GeSbxTeyは機械的強度が強いという利点がある。
【００２６】
下部電極膜１０２の材料としては、相変化記録膜１０４のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料を用いることが、記録膜１０４のアモルファス相を安定化する上で好ましい。記録膜１０４のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料は、例えばTiSixNyやTaSixNyである。TiSixNyやTaSixNyは接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料であり、相変化記録膜１０４の主構成材料（例えばGeSb2Te4、Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9、ZnSbxTey、ZnGexTey、ZnGexSbyTez、GeSbxTey）のアモルファス相も接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmであるため、TiSixNyやTaSixNyが相変化記録膜１０４に接触していると、記録膜１０４のアモルファス相が安定化する。接触界面面内の平均最近接原子間距離とは、接触界面に平行な結晶面内の平均最近接原子間距離に相当する値を求める。以降の実施例において説明する平均最近接原子間距離はこのような面内の値を比較するものとすることができる。
【００２７】
このため、記録膜１０４の主構成材料の平均最近接原子間距離とそれに接する下部電極膜１０２の平均最近接原子間距離との差は小さいほうが良く、界面欠陥を生じない程度すなわち３％以下程度であることが実質的には好ましい。また、より好ましくは、組成安定性を向上させる観点、例えば拡散を抑制する観点では、１．５％以下程度に抑えることが好ましい。また、相変化記録膜の当該距離は、膜がアモルファス状態で測定した方が好ましいが、測定のし易さなどから結晶状態の記録膜を測定してもよい。
【００２８】
例えば、ひずみの測定は、例えばＸ線回折により、回折ピークのずれにもとづいて求めることもできる。よりシャープな回折ピークを得るために、例えばシンクロトロン放射光のような微細照射光を用いることもできる。
【００２９】
この効果を示すために、相変化記録膜１０４のアモルファス相が結晶化するのに必要な活性化エネルギーを分子動力学シミュレーションにより解析した。分子動力学シミュレーションとは、例えばジャーナルオブアプライドフィジックス(Journal of Applied Physics)の第５４巻(１９８３年発行)の４８７７ページに記述されているように、原子間ポテンシャルを通して各原子に働く力を計算し、この力を基にニュートンの運動方程式を解くことによって各時刻における各原子の位置を算出する方法である。なお、本実施例では、上記の分子動力学法に電荷移動を取り入れて異種元素間の相互作用を計算することにより、後述の関係を求めることができた。
記録膜１０４のアモルファス相が結晶化するのに必要な活性化エネルギーを分子動力学により解析する手続きは次の通りである。記録膜１０４の初期状態をアモルファス相とし、結晶相に変化するまでの時間（結晶化時間）を例えば600℃と700℃の場合について求める。この後は通常実施されているように、これらの結果をアレニウスプロットとして表示し、２つの温度での結果を表す２つの点を直線で結ぶ。直線の傾きから活性化エネルギーが計算できる。相変化記録膜１０４の主構成材料としてGeSb2Te4を用いた場合の活性化エネルギーが、下部電極１０２の主構成材料にどのように依存するかを図２に示す。接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料であるTiSixNyやTaSixNyが下部電極材料である場合に、活性化エネルギーが顕著に大きく、相変化記録膜１０４のアモルファス相が安定化されることがわかる。なお、この例では、TiSixNyはTiNにSiが1at.%添加された材料である。また、TaSixNyはTaNにSiが1at.%添加された材料である。次に、記録膜１０４の主構成材料としてGe2Sb2Te5を用いた場合の活性化エネルギーが、下部電極１０２の主構成材料にどのように依存するかを図３に示す。図２の場合と同様に、接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料であるTiSixNyやTaSixNyが下部電極材料である場合に、活性化エネルギーが顕著に大きく、相変化記録膜１０４のアモルファス相が安定化されることがわかる。結果は図示しないが、Ge、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つの元素を含み、Ge、Sb、Teから選ばれる１つの元素が主構成元素である場合には、図２や図３で示した効果と同様の効果が得られる。続いて、相変化記録膜１０４の主構成材料としてZnGeTeを用いた場合の活性化エネルギーが、下部電極１０２の主構成材料にどのように依存するかを図４に示す。図２や図３の場合と同様に、接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料であるTiSixNyやTaSixNyが下部電極材料である場合に、活性化エネルギーが顕著に大きく、相変化記録膜１０４のアモルファス相が安定化されることがわかる。そして、図２や図３の場合よりも安定化の効果が高いことがわかる。これらの特性に鑑みて、結果は図示はしないが、Ge、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つの元素を含み、Ge、Sb、Teから選ばれる１つの元素が主構成元素である。前述したように、Teを少なくとも含む組合せであることが好ましい。また、さらにZnを構成元素として含有する場合には、アモルファス相を安定化する効果が高い。
【００３０】
ここまでの例では、TiSixNyとしてTiNにSiが1at.%添加された材料を用い、TaSixNyとしてはTaNにSiが1at.%添加された材料を用いてアモルファス相が安定化される効果を示した。次に、この効果がSiの濃度にどのように依存するかを図５、図６、図７、図８に示す。Siの濃度が0.07at.%以上33at.%以下において活性化エネルギーが大きく、相変化記録膜１０４のアモルファス相を安定化する効果が高い。したがって、Siの濃度はこの範囲にあることが望ましい。この理由は次の通りである。Siの0.07at.%以上の添加はTiNやTaNをアモルファス状態にしやすいという効果があるため、相変化記録膜１０４のアモルファス相を安定化する効果がある。しかし、33at.%よりも高い濃度でSiを添加してしまうと、接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmよりも顕著に小さくなるため、相変化記録膜１０４のアモルファス相を安定化する効果が弱くなる。
【００３１】
図５−８は相変化記録膜１０４としてGe２Sb２Te５を用いた場合を示したが、数値の大小は多少あるものの前述したSiの添加量の傾向は前述した他の記録膜を用いても基本的には同様である。
【００３２】
図１に示したように、下部電極１０２の幅が相変化記録膜１０４の幅よりも小さい場合には、幅の狭い下部電極１０２を形成する必要があるため、化学気相蒸着法またはメッキ法により下部電極１０２を形成することが緻密な電極を製造する上で好ましい。また、下部電極１０２の幅が相変化記録膜１０４の幅よりも小さい場合には、絶縁膜１０３は相変化記録膜１０４および下部電極１０２に接触するため、絶縁膜１０３は接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料であることが相変化記録膜１０４のアモルファス相を安定化する上で有効である。絶縁膜と電極との差を３％以内にすることが好ましい。理由は、接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料を下部電極１０２として用いた場合に相変化記録膜１０４のアモルファス相を安定化する理由と同じであり、すでに図２〜図４を用いて説明した通りである。接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料で、絶縁膜１０３に用いることができる材料は、例えばTiOxNy、TaOxNy、TiSixOyNz、TaSixOyNzである。
【００３３】
相変化記録膜４の書換え耐性を向上させるためには、相変化記録膜４に引張ひずみを持たせることが有効である。これは、引張ひずみにより、結晶からアモルファスに相変化を起こす際の応力を緩和させることができるためである。相変化記録膜４に引張ひずみを持たせるために、上部電極膜１０５は、酸化処理、窒化処理、酸窒化処理の少なくとも一つを受けて形成された膜であることが好ましい。特に、酸化処理の場合には、酸化膜でありながら導電体であるRuO2膜あるいはIrO2膜を上部電極膜１０５として用いることが好ましい。また、窒化処理の場合には、窒化膜でありながら導電体であるTiN膜あるいはWN膜などを上部電極膜１０５として用いることが好ましい。以上で説明した本実施例の効果は、計算条件を変えても同様に示すことができる。
【００３４】
ここでいう引張りひずみをどのようにして測定するのか？ひずみの測定は、例えばＸ線回折により、回折ピークのずれにもとづいて求めることもできる。よりシャープな回折ピークを得るために、例えばシンクロトロン放射光のような微細照射光を用いることもできる。
【００３５】
前述の酸化処理etcをすれば１００％なんでも引張りになるのではないのでは？酸化したことが検知できるほど酸化されていれば引張ひずみを与える効果はあると考えられる。
【００３６】
次に、本発明における第二の実施例である相変化メモリにおける主要部分の断面構造を図９に示す。基本的には前述の第一の実施例の形態を備えることができる。第二の実施例と第一の実施例との違いは、第二の実施例では、下部電極１０２が、積層方向に多層構造を有している。具体例としては、１０２bと１０２cの二層構造となっている点である。
【００３７】
この場合、第一下部電極１０２bは配線膜１０２aと密着性の良い材料を選ぶことが好ましく、第二下部電極１０２cの材料としては、相変化記録膜１０４のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料を用いることが、記録膜１０４のアモルファス相を安定化する上で好ましい。記録膜１０４のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料で第二下部電極１０２cの材料として好ましい材料は、上述したように、例えばTiSixNyやTaSixNyである。
【００３８】
これにより以下の特徴を有する。第一下部電極１０２ｂと、それ相変化記録膜１０４側に位置して相変化記録膜１０４に隣接して配置される第二下部電極１０２ｃとを有し、第二下部電極１０２ｃの平均最近接原子間距離は、第一下部電極１０２ｂの平均最近接原子間距離よりも、前記相変化記録膜１０４の前記主構成材料の平均最近接原子間距離に近くなるよう形成される。
【００３９】
次に、本発明における第三の実施例である相変化メモリにおける主要部分の断面構造を図１０に示す。基本的には前述の第一の実施例の形態を備えることができる。第三の実施例と第一の実施例との違いは、第三の実施例では、絶縁膜１０３が、積層方向に多層構造を有している。具体例としては、１０３aと１０３bの二層構造となっている点である。この場合、第一絶縁膜１０３aは配線膜１０２aと密着性の良い材料を選ぶことが好ましく、第二絶縁膜１０３bの材料としては、相変化記録膜１０４のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料を用いることが、記録膜１０４のアモルファス相を安定化する上で好ましい。記録膜１０４のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料で第二絶縁膜１０３bの材料として好ましい材料は、上述したように、例えばTiOxNy、TaOxNy、TiSixOyNz、TaSixOyNzである。
【００４０】
これにより、以下の特徴を有する。第一絶縁膜１０３ａとそれより相変化記録膜１０４側に位置して相変化記録膜１０４に隣接して配置される第二絶縁膜１０３ｂとを有し、前記第二絶縁膜１０３ｂの平均最近接原子間距離は、第一絶縁膜１０３ａの平均最近接原子間距離よりも、相変化記録膜の前記主構成材料の平均最近接原子間距離に近くなるよう形成されている。
【００４１】
次に、本発明における第四の実施例である相変化記録媒体における主要部分の断面構造を図１１に示す。本実施例の相変化記録媒体は、光ディスクとして用いられるものであり、図１１に示すように、ポリカーボネイト基板１の上に下部誘電体膜２、相変化記録膜３、上部誘電体膜４、反射膜５、オーバーコート膜６、ポリカーボネイト膜７がこの順序で形成されることによって構成されている。相変化記録膜４は、Ge、Sb、Teから選ばれる少なくとも２つを構成元素として含み、例えば、GeSb2Te4、Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9あるいはZnSbxTey、ZnGexTey、ZnGexSbyTez、GeSbxTeyを主構成材料とする。この場合、GeSb2Te4、Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9は相変化速度が速いという利点がある。一方、ZnSbxTey、ZnGexTey、ZnGexSbyTez、GeSbxTeyは機械的強度が強いという利点がある。下部誘電体膜２、上部誘電体膜４は、例えばスパッタ法や化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition、CVD)やメッキ法を用いて形成する。下部誘電体膜２は相変化記録膜４に接触するため、下部誘電体膜２は接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料であることが相変化記録膜４のアモルファス相を安定化する上で有効である。この理由は、接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料を図１の下部電極１０２として用いた場合に相変化記録膜１０４のアモルファス相を安定化する理由と同じであり、すでに図２〜図４を用いて説明した通りである。接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料で、下部誘電体膜２に用いることができる材料は、例えばTiOxNy、TaOxNy、TiSixOyNz、TaSixOyNzである。
【００４２】
書換え繰返し耐性を向上させるために、上部誘電体膜４には圧縮ひずみを持たせることによって、記録膜３に引張ひずみを持たせるようにする。これは、例えば、上部誘電体膜４を形成する際に酸化、窒化、酸窒化等の処理を行うことによって達成される。
【００４３】
次に、本発明における第五の実施例である相変化メモリにおける主要部分の断面構造を図１２に示す。本実施例の相変化メモリでは、例えばシリコン基板２０１の上にトランジスタを構成するゲート絶縁膜２０２とゲート電極２０６が形成され、さらに、ソース・ドレインとして拡散層２０３、２０４に配線が形成されている。拡散層２０４に電気的に連絡する配線２０８a、拡散層２０３に電気的に連絡する配線２０８b、配線２１５、２１７、２１９を備える。配線２０８ｂに電気的に連絡する下部電極２１０、下部電極２１０の上に堆積された相変化記録膜２１２、相変化記録膜２１２の上に堆積された上部電極２１３は、絶縁膜２０７、２０９、２１１、２１４、２１６、２１８により仕切られている。図１２において、ゲート電極２０６、ゲート絶縁膜２０２、基板２０１からなるトタンジスタは、例えば図１３に示すようなメモリ回路の１つのトランジスタに相当する。例えば、図１３の相変化記録膜２２３を挟む電極２２１、２２３は、トランジスタ２２０によりオン・オフでき、指定したアドレスのメモリセルにアクセスできるようになっている。この構造は、例えば公開特許公報の特開２００３−２２９５３８号の図３に記載されている構造と同様である。ただし、材料構成については、第一の実施例の説明において述べたように、下部電極２１０の材料としては、相変化記録膜２１２のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料を用いることが、記録膜２１２のアモルファス相を安定化する上で有効である。また、下部電極２１０の幅が相変化記録膜２１２の幅よりも小さい場合には、絶縁膜２０９は相変化記録膜２１２および下部電極２１０に接触するため、絶縁膜２０９は接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料であることが相変化記録膜２１２のアモルファス相を安定化する上で有効である。
また、図１３のようにトランジスタを用いた回路構造とする代わりに、図１４に示したようにメモリセルを選択するためのダイオード２２４を用いた構造であってもよい。図１４の２２５と２２７は電極を示し、２２６は相変化記録膜を示す。この構造は例えば公開特許公報の特開２００１−１２７２６３号の図１に記載されている回路構造と同様である。この場合の主要部の断面構造についても、例えばこの公開特許公報の図３や図７などに記載されている構造と同様の構造であってよい。断面構造の一例を図１５に示す。図１５の構造では、基板３０１の上に配線３０２が形成され、この上に例えば多結晶シリコンからなる半導体膜３０３、３０５が形成され、さらに絶縁膜３０７、下部電極３０８、絶縁膜３０９、相変化記録膜３１０、上部電極３１１、絶縁膜３１２、配線３１３が形成されている。メモリセルを選択するためのダイオードは、例えば半導体膜３０３にｎ型不純物をイオン注入してｎ＋領域３０４を形成し、半導体膜３０５にｐ型不純物をイオン注入してｐ＋型領域３０６を形成することによって作る。ここでも、下部電極３０８の材料としては、相変化記録膜３１０のアモルファス相の原子配列と同様の原子配列を持つアモルファス材料を用いることが、記録膜３１０のアモルファス相を安定化する上で有効である。また、下部電極３０８の幅が相変化記録膜３１０の幅よりも小さい場合には、絶縁膜３０７は相変化記録膜３１０および下部電極３０８に接触するため、絶縁膜３０７は接触界面面内の平均最近接原子間距離が約0.3 nmのアモルファス材料であることが相変化記録膜３１０のアモルファス相を安定化する上で有効である。
例えば公開特許公報の特開２００１−２２９６９０号には、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリに救済アドレス情報やトリミング情報を記憶する仕組みを備えた半導体装置が記載されているが、この不揮発性メモリとして以上の実施例で説明したような相変化メモリを用いて半導体装置を構成すると、前記の効果を持った信頼性の良いものが得られる。このような半導体装置の回路図の例を図１６に示す。この例は、欠陥救済回路を装備したSRAMメモリの例を示している。図１６の４０３はチップ、４０１はプログラム素子としての相変化メモリ、４０２は救済デコーダ、４０４は入出力回路部（I/O部）、４０５はコア部である。コア部４０５にはCPU４０７とSRAMセルアレー部４０６が含まれる。相変化メモリプログラム素子４０１はI/O部４０４の中にあることが面積低減のために好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明における第一の実施例である相変化メモリの主要部の断面図である。
【図２】GeSb2Te4を記録膜１０４として用いた場合について、アモルファス相から結晶相へ変化させるための活性化エネルギーが下部電極材料にどのように存性するかを示した図である。
【図３】Ge2Sb2Te5を記録膜１０４として用いた場合について、アモルファス相から結晶相へ変化させるための活性化エネルギーが下部電極材料にどのように存性するかを示した図である。
【図４】ZnGeTeを記録膜１０４として用いた場合について、アモルファス相から結晶相へ変化させるための活性化エネルギーが下部電極材料にどのように存性するかを示した図である。
【図５】Ge2Sb2Te5を記録膜１０４として用い、TiNを下部電極１０２として用いた場合について、アモルファス相から結晶相へ変化させるための活性化エネルギーがTiN中のSi濃度にどのように存性するかを低濃度領域について示した図である。
【図６】Ge2Sb2Te5を記録膜１０４として用い、TiNを下部電極１０２として用いた場合について、アモルファス相から結晶相へ変化させるための活性化エネルギーがTiN中のSi濃度にどのように存性するかを高濃度領域について示した図である。
【図７】Ge2Sb2Te5を記録膜１０４として用い、TaNを下部電極１０２として用いた場合について、アモルファス相から結晶相へ変化させるための活性化エネルギーがTaN中のSi濃度にどのように存性するかを低濃度領域について示した図である。
【図８】Ge2Sb2Te5を記録膜１０４として用い、TaNを下部電極１０２として用いた場合について、アモルファス相から結晶相へ変化させるための活性化エネルギーがTaN中のSi濃度にどのように存性するかを高濃度領域について示した図である。
【図９】本発明における第二の実施例である相変化メモリの主要部の断面図である。
【図１０】本発明における第三の実施例である相変化メモリの主要部の断面図である。
【図１１】本発明における第四の実施例である相変化記録媒体の主要部の断面図である。
【図１２】メモリセルを選択するためのトランジスタを用いた相変化メモリの主要部の断面構造を示す図である。
【図１３】メモリセルを選択するためのトランジスタを用いた相変化メモリの回路構造を示す図である。
【図１４】メモリセルを選択するためのダイオードを用いた相変化メモリの回路構造を示す図である。
【図１５】メモリセルを選択するためのダイオードを用いた相変化メモリの主要部の断面構造を示す図である。
【図１６】欠陥救済回路を装備したSRAMメモリのチップのブロック図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…基板、２…下部誘電体膜、３…相変化記録膜、４…上部誘電体膜、５…反射膜、６…オーバーコート膜、７…ポリカーボネイト膜、１０１…基板、１０２a…配線膜、１０２…下部電極膜、１０３…絶縁膜、１０４…相変化記録膜、１０５…上部電極膜、１０６…絶縁膜、１０７…絶縁膜、１０８…配線膜、１０９…絶縁膜、２０１…基板、２０２…ゲート絶縁膜、２０３、２０４…拡散層、２０５…素子分離膜、２０６…ゲート電極、２０７、２０９、２１１、２１４、２１６、２１８…絶縁膜、２０８a、２０８b、２１５…縦配線、２１０、２１３、２２１、２２３、２２５、２２７…電極、２１２、２２２、２２６…相変化記録膜、２１７、２１９…配線、２２０…トランジスタ、２２４…ダイオード、４０１…プログラム素子、４０２…救済デコーダ、４０３…チップ、４０４…I/O部、４０５…コア部、４０６…SRAMセルアレー部、４０７…CPU。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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