(57)【要約】【課題】リセット電流の減少及び安定化のためのメモリ素子の製造方法を提供する。【解決手段】抵抗変換物質から形成された酸化層を備えるメモリ素子の製造方法において、下部構造体上に下部電極及び酸化層を形成した後、酸化層の一領域に電子ビームまたはイオンビームを照射するステップを含むリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法である。これにより、メモリ素子のリセット電流を減少させて安定化させうる。【選択図】図４
2007049156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗変換物質から形成された酸化層を備えるメモリ素子の製造方法において、
下部構造体上に下部電極及び酸化層を形成した後、前記酸化層の一領域に電子ビームまたはイオンビームを照射するステップを含むことを特徴とするリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法。
【請求項２】
前記抵抗変換物質は、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、ＨｆＯ、ＺｒＯ、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＣｕＯ、ＣｏＯまたはＮｂ２Ｏ５のうち、少なくとも何れか一つの物質を含むことを特徴とする請求項１に記載のリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法。
【請求項３】
前記下部構造体は、
ソース及びドレインが形成された基板と、
前記基板上に前記ソース及びドレインと接触して形成されたゲート絶縁層及びゲート電極層と、
前記ソースまたは前記ドレインのうち少なくとも何れか一つと前記第１電極と連結された伝導性プラグと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法。
【請求項４】
前記酸化層に電子ビームを照射した後、前記酸化層上に上部電極を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法。
【請求項５】
前記電子ビームは、２５ｋｅＶ以下の加速電圧により前記酸化層の一領域に照射されることを特徴とする請求項１に記載のリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法。
【請求項６】
前記電子ビームは、１０ないし２０ｋｅＶの加速電圧により前記酸化層の一領域に照射されることを特徴とする請求項５に記載のリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法。
【請求項７】
前記下部電極は、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔｉなどの金属または金属酸化物を含む伝導性物質から形成されたことを特徴とする請求項６に記載のリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法。
【請求項８】
前記電子ビームは、前記酸化層の一領域に持続的に照射されるか、またはパルス形態で断続的に照射されることを特徴とする請求項１に記載のリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法に係り、さらに詳細には、抵抗勾配を有する酸化層を備えるメモリ素子の形成時、酸化層に対して電子ビームを照射して、電流路を限定してメモリ素子のリセット電流を減少させ、かつリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体メモリ素子は、単位面積当りメモリセルの数、すなわち、集積度が高く、動作速度が速く、低電力で駆動可能なものが望ましいので、これに関する多くの研究が行われており、多様な種類のメモリ素子が開発されている。
【０００３】
一般的に、半導体メモリ装置は、回路的に連結された多くのメモリセルを備える。代表的な半導体メモリ装置であるＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）の場合、単位メモリセルは、一つのスイッチ及び一つのキャパシタから構成されることが一般的である。ＤＲＡＭは、集積度が高く、動作速度が速いという利点がある。しかし、電源が切れた後には、保存されたデータが全て消失されるという短所がある。
【０００４】
一方、電源が切れた後にも、記憶されたデータが保存されうる不揮発性メモリ素子の代表的な例がフラッシュメモリである。フラッシュメモリは、揮発性メモリとは異なり、不揮発性の特性を有しているが、ＤＲＡＭに比べて集積度が低く、動作速度が遅いという短所がある。
【０００５】
現在、多くの研究が行われている不揮発性メモリ素子として、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）及びＰＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。
【０００６】
ＭＲＡＭは、トンネル接合での磁化方向の変化を利用してデータを保存する方式であり、ＦＲＡＭは、強誘電体の分極特性を利用してデータを保存する方式である。これらは、何れもそれぞれの長短所を有しているが、基本的には、前述したように、集積度が高く、高速の動作特性を有し、低電力で駆動可能であり、データリテンション特性の良い方向に研究開発されている。
【０００７】
ＰＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）は、特定の物質の相変化による抵抗値の変化を利用してデータを保存する方式であり、一つの抵抗体及び一つのスイッチ（トランジスタ）を有する構造を有している。ＰＲＡＭに使用される抵抗体は、カルコゲニド抵抗体であるが、これは、形成温度を調節して、結晶質または非晶質状態となる。通常、非晶質状態での抵抗が結晶質であるときより高いので、これを利用してメモリ素子を形成させる。このようなＰＲＡＭの製造時、従来のＤＲＡＭ工程を利用する場合、エッチングが難しく、エッチングを行う場合でも、長時間を要する。したがって、生産性が低くなって、製品コストが上昇して競争力を低下させるという短所がある。
【０００８】
ＲＲＡＭは、主に遷移金属酸化層をデータ保存層として使用したものであり、印加電圧による抵抗値が変わる特性（抵抗変換特性）を利用したものである。図１Ａ及び図１Ｂは、ＲＲＡＭの一般的な構造及び印加電圧により、酸化層に形成される電流路を示す図面である。
【０００９】
まず、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、ＲＲＡＭは、基本的に、下部電極１１上に酸化層１２及び上部電極１３が形成された構造を有する。ここで、下部電極１１及び上部電極１３は、通常、メモリ素子の電極として使用されるＩｒ、Ｒｕ、ＡｕまたはＰｔのような金属や、それらの酸化物から形成される。そして、酸化層１２は、抵抗変換（可変抵抗）特性を有する遷移金属酸化物から形成される。酸化層１２は、データ保存層の役割を行うものであって、下部電極１１及び上部電極１３を通じて酸化層１２の電圧を印加して、データを記録するか、または記録されたデータを再生する。
【００１０】
下部電極１１及び上部電極１３を通じて電圧を印加すれば、酸化層１２には、電位差による電流が流れるが、この電流は、酸化層１２のあらゆる領域に同じく流れるものではなく、結晶粒子などを通じて酸化層１２の内部に瞬間的な電流路１０を形成して流れる。このとき、酸化層１２内に形成される電流路１０は、ランダムに形成され、下部電極１１及び上部電極１３を通じて同じ電圧を印加しても、電流路１０の形成位置、個数は常に変わる。
【００１１】
図２は、一般的な抵抗変換物質から形成された酸化層を備えるメモリ素子に対して電圧を印加する場合における、印加電圧に対する電流値を示すグラフである。具体的に説明すると、図２は、図１Ａと同じ構造を有するＲＲＡＭの下部電極１１及び上部電極１３に対して所定の電圧を印加した場合における、酸化層１２に流れる電流の値を示すグラフであって、このとき、酸化層１２は、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）から形成させ、下部電極１１及び上部電極１３は、Ｐｔから形成させたものである。
【００１２】
図２に示すように、下部電極１１及び上部電極１３を通じて印加する電圧を、０Ｖから次第に上昇させつつ、酸化層１２に流れる電流値を測定した結果、測定毎の印加電圧に対する電流値が一定ではなく、少しずつ差がある。特に、リセット電流（Ｒｅｓｅｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＲＣ）の場合、同じ印加電圧に対して１０倍の差があり、セット電圧（Ｓｅｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ：ＳＶ）値も一定に維持されないということが分かる。このようにリセット電流値が不安定で、かつ高い値を有する場合、メモリ素子自体の信頼度を低下させ、消費電力を向上させるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、抵抗変換物質から形成された酸化層を備えるメモリ素子のリセット電流値を減少させて安定化させ、セット電圧を安定化させて、信頼性のあるメモリ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、前記目的を達成するために、抵抗変換物質から形成された酸化層を備えるメモリ素子の製造方法において、下部構造体上に下部電極及び酸化層を形成した後、前記酸化層の一領域に電子ビームまたはイオンビームを照射するステップと、を含むリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法を提供する。
【００１５】
本発明において、前記抵抗変換物質は、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、ＨｆＯ、ＺｒＯ、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＣｕＯ、ＣｏＯまたはＮｂ２Ｏ５のうち、少なくとも何れか一つの物質を含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記下部構造体は、ソース及びドレインが形成された基板と、前記基板上に前記ソース及びドレインと接触して形成されたゲート絶縁層及びゲート電極層と、前記ソースまたは前記ドレインのうち少なくとも何れか一つと前記第１電極と連結された伝導性プラグと、を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明において、前記酸化層に電子ビームを照射した後、前記酸化層上に上部電極を形成するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１８】
本発明において、前記電子ビームは、２５ｋｅＶ以下の加速電圧により前記酸化層の一領域に照射されることを特徴とする。
【００１９】
本発明において、前記電子ビームは、１０ないし２０ｋｅＶの加速電圧により前記酸化層の一領域に照射されることを特徴とする。
【００２０】
本発明において、前記下部電極は、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔｉなどの金属または金属酸化物を含む伝導性物質から形成されたことを特徴とする。
【００２１】
本発明において、前記電子ビームは、前記酸化層の一領域に持続的に照射されるか、またはパルス形態で断続的に照射されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
第一に、抵抗変換物質を使用するメモリ素子のリセット電流値を減少させて安定化させて、消費電力を低下させ、メモリ素子としての信頼性を確保できる。
【００２３】
第二に、セット電圧の散布を改善して安定化させることによって、メモリの動作制御時に信頼性を確保できる。
【００２４】
第三に、電子ビームソースは、通常的に使用される多様な電界放出装置を利用できるので、装置の選択範囲が広い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態によるリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法について詳細に説明する。図面に示す各層や領域の厚さ及び幅は、説明を容易にするために誇張されて示されている。
【００２６】
本発明の実施形態によるリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法の基本的な工程は、次の通りである。
【００２７】
第一に、下部構造体上に下部電極及び酸化層を順次に形成させる。
【００２８】
第二に、前記酸化層の一領域に電子ビームソースを通じて電子ビームを照射して、前記酸化層に人為的に電流路を形成させる。選択的に、イオンビームを照射することも可能である。
【００２９】
第三に、前記酸化層上に上部電極を形成させる。
【００３０】
下部構造体は、簡単に、Ｓｉのような基板であり、スイッチング特性を有する素子でありうる。メモリ素子として駆動するためには、電圧印加手段を必要とし、本発明のメモリ素子の場合には、データ保存層、すなわち、酸化層に電圧を印加してデータを記録または再生するためにスイッチが共に形成される。したがって、基本的な構造は、１Ｓ（ｓｗｉｔｃｈ）−１Ｒ（ｒｅｓｉｓｔｅｒ）構造となる。スイッチは、トランジスタまたはダイオードなどが使用可能であり、特別な制限はない。
【００３１】
図３は、下部構造体としてトランジスタを使用する場合を示す図面である。図３に示すように、第１不純物領域２１ａ及び第２不純物領域２１ｂが形成された基板２０上に、ゲート絶縁層２２及びゲート電極層２３を順次に形成させ、基板２０及びゲートの全面に層間絶縁層２４を形成させる。そして、第２不純物領域２４をエッチングして第２不純物領域２１ｂを露出させるホールを形成した後、伝導性物質でホールに塗布して伝導性のプラグ２５を形成させることによって、下部構造体を完成させる。このような工程は、従来の一般的な半導体素子の製造工程を利用すれば容易に製造できる。具体的に、スパッタリングのようなＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程などを使用できる。
【００３２】
前述したように、下部構造体を形成させた後、下部構造体の上部に下部電極３１及び酸化層３２を順次に形成させる。下部電極３１は、一般的な半導体メモリ素子の電極として一般的に使用されるＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔｉなどの金属または金属酸化物を含む伝導性物質から形成させる。酸化層３２は、抵抗変換特性を有する物質から形成させ、具体的には遷移金属酸化物から形成させ、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、ＨｆＯ、ＺｒＯ、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＣｕＯ、ＣｏＯまたはＮｂ２Ｏ５のうち少なくとも何れか一つの物質またはこれらの化合物を含む。
【００３３】
図４は、酸化層３２の一領域に、電子ビーム印加手段、すなわち、電子ビームソース３６から電子ビーム３７を照射して、酸化層に人為的に電流路を形成させる工程を示す図面である。図４に示すように、酸化層３２の表面の一領域を電子ビームの注入領域３３として設定し、電子ビームソース３６を電子ビームの注入領域３３に合わせた後、電子ビーム３７を照射する。電子ビーム３７の照射により酸化層３２内には、電流３４が下部電極３１に流れる。
【００３４】
電子ビームの注入領域３３は、酸化層３２の表面の局部的な領域として中心部位、またはその近辺の一領域として設定することが望ましく、電子ビームの注入領域３３を複数に設定する必要はない。電子ビームの注入領域３３を多く設定すれば、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、電流路の制御が難しくなる。電子ビームソース３６は、一般的に使用される炭素ナノチューブまたは伝導性チップなどを含む電界放出素子を利用でき、走査型顕微鏡のように、電子銃、電子レンズ、加速装置、偏向器などを備えて、精密に電子ビーム照射領域を設定できる装置も利用できる。
【００３５】
その他、酸化層に電流路を形成させるために、電子ビームの他にイオンビームを使用でき、したがって、イオンビームの印加手段を電子ビームの印加手段に代用して同じ効果を表しうる。
【００３６】
電子ビーム３７を酸化層３２の表面の電子ビームの注入領域３３に照射する方式は、所定時間持続的に照射する方式と、パルス形態で数回照射する方式とがあり、どちらの方法を使用してもよい。電子ビーム３７の照射のための加速電圧は、電子ビームソース３６の種類によって変わりうるが、電子ビームリソグラフィ装置を利用する場合の加速電圧は、約２５ｋｅＶ以下であることが望ましく、大き過ぎる加速電圧を使用する場合には、酸化層３２の下部で電流路の制御が難しくなり、小さ過ぎる加速電圧を使用する場合には、酸化層３２の内部に人為的な電流路が形成されない。したがって、約１０ないし２０ｅＶの加速電圧を使用することが望ましい。
【００３７】
電子ビーム３７を酸化層３２の表面の電子ビームの注入領域３３に十分に照射すれば、酸化層３２内には電流３４が流れ、電子ビームの注入領域３３と下部電極３１との間の酸化層３２には、局部的に電流路が形成される。
【００３８】
電流路を酸化層３２に形成させた後、酸化層３２上に金属または金属化合物で上部電極３５を形成させる。図５は、本発明の実施形態により製造したメモリ素子の下部電極３１及び上部電極３５に所定の電圧を印加した場合、酸化層３２内に存在する局部的な電流路３０を示す図面である。図５に示すように、下部電極３１及び上部電極３５に電圧を印加すれば、下部電極３１及び上部電極３５全体的に電位差が発生して、酸化層３２に電流が流れるが、図４に示すような工程により、ほとんどの電流は、電子ビームの注入領域３３と下部電極３１との間に形成された電流路３０を通じて流れる。
【００３９】
図６は、本発明の実施形態により製造したメモリ素子と、従来の技術により製造したメモリ素子とに対して電圧を印加した場合、各メモリ素子の酸化層に流れる電流値を示すグラフである。
【００４０】
図６のレファレンス（ＲＥＦＥＲＥＮＣＥ）で表示されたサンプルは、下部電極及び上部電極をそれぞれ１０ｎｍの厚さに形成させ、酸化層を５％の酸素分圧下で約５０ｎｍの厚さに形成させ、横及び縦は、それぞれ３０μｍの長さに製作したものである。
【００４１】
図６のＥ−ビーム（Ｅ−ＢＥＡＭ）で表示されたサンプルは、下部電極を１０ｎｍの厚さに形成させ、酸化層を、５％の酸素分圧下で約５０ｎｍの厚さに形成させ、横及び縦は、それぞれ３０μｍの長さに製作した。そして、電子ビームソースとしてプローブチップを使用して、酸化層の中心部位に約１００ｎｍ直径の電子ビームの注入領域を設定して、電子ビームを照射した。酸化層を通じて約１０ｎＡの電流を約１０秒間流した後、電子ビームの照射を終え、酸化層の上部に上部電極を１０ｎｍの厚さに形成させた。
【００４２】
図６に示すように、電子ビームを照射していないサンプル（ＲＥＦＥＲＥＮＣＥ）のリセット電流値が、電子ビームを照射したサンプル（Ｅ−ＢＥＡＭ  ＲＥＳＥＴ１、Ｅ−ＢＥＡＭ  ＲＥＳＥＴ２）に比べて非常に大きいということが分かる。そして、電子ビームを照射していないサンプルに対しては、１回だけリセット電流を測定したが、図２に示すように、測定する度にリセット電流値の変化が激しいということに対し、電子ビームを照射したサンプル（Ｅ−ＢＥＡＭ  ＲＥＳＥＴ１、Ｅ−ＢＥＡＭ  ＲＥＳＥＴ２）の場合、リセット電流値が類似しており、非常に安定した値を表したことが確認できる。また、セット電圧値も電子ビームを照射したサンプル（Ｅ−ＢＥＡＭ  ＳＥＴ１、Ｅ−ＢＥＡＭ  ＳＥＴ２）が、電子ビームを照射していないサンプル（ＲＥＦＥＲＥＮＣＥ）に比べて小さく、かつ一定の値を表すということを、図２と比較して確認できる。セット電圧が小さい場合には、消費電圧を下げることができ、リセット電流値が小さい場合には、メモリ素子としての安定的な活用が可能である。
【００４３】
参考として、抵抗変換物質を含むメモリ素子の動作特性を、図７を参照して説明する。図７は、抵抗変換物質を含むメモリ素子の電気的な特性を示すグラフである。横軸は、印加電圧を表し、縦軸は、印加電圧に対する電流値を表す。
【００４４】
図７に示すように、電圧を０Ｖから次第に上げれば、電圧に比例して、Ｇ１グラフによって電流値が大きくなることが分かる。しかし、Ｖ１以上の電圧を加えれば、抵抗が突然大きくなって、電流値が小さくなる現象を表す。Ｖ１〜Ｖ２範囲の印加電圧では、電流値がＧ２グラフによって大きくなる。そして、Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）以上の電圧を加えれば、抵抗が突然に小さくなって電流が増加して、再びＧ１グラフによるということが分かる。
【００４５】
一方、Ｖ１より大きい電圧範囲で印加する電圧の大きさによって、メモリ素子の電気的特性は、以後のＶ１より小さな電圧の印加時における電気的特性に影響を及ぼすが、これを詳細に説明すれば、次の通りである。
まず、Ｖ１〜Ｖ２範囲の電圧をメモリ素子に印加した後、Ｖ１より小さな電圧を再び印加すれば、測定される電流は、Ｇ２グラフによる電流値が測定される。一方、Ｖ２より大きい範囲の電圧（例えば、Ｖ３）をメモリ素子に印加した後、Ｖ１より小さな電圧を再び印加すれば、測定される電流は、図７のＧ１グラフによる電流値が測定される。しかし、もし、Ｖ１より小さな電圧を印加する場合、測定される電流値が一定ではなく、図２のように、多くの差が発生すれば、メモリがセット状態であるか、またはリセット状態であるかを明確に区分し難く、結果的に、メモリの信頼性に問題が発生する。したがって、本発明のように、リセット電流を安定化させる場合には、セット状態との区別が容易になり、セット電圧値を小さくすることによって、消費電圧を下げうる。
【００４６】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものであるより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まらず、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、メモリ素子に関連した技術分野に好適に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１Ａ】従来の技術による抵抗変換物質から形成された酸化層を備えるメモリ素子に電圧を印加する場合、酸化層に形成された電流路を示す図面である。
【図１Ｂ】従来の技術による抵抗変換物質から形成された酸化層を備えるメモリ素子に電圧を印加する場合、酸化層に形成された電流路を示す図面である。
【図２】従来の技術による抵抗変換物質から形成された酸化層を備えるメモリ素子に対して電圧を印加する場合、印加電圧に対する電流値を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態による抵抗変換物質から形成された酸化層を備えるメモリ素子をトランジスタ構造体上に形成させたことを示す図面である。
【図４】本発明の実施形態によるリセット電流の安定化のためのメモリ素子の製造方法のうち、電子ビームを酸化層の一領域に照射することを示す図面である。
【図５】本発明の実施形態により製造したメモリ素子に電圧を印加する場合、酸化層に形成された電流路を示す図面である。
【図６】本発明の実施形態により製造したリセット電流に安定化させたメモリ素子の酸化層に電圧を印加した場合、印加電圧に対する電流値を示すグラフである。
【図７】抵抗変換物質を含むメモリ素子の電気的な特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１１、３１  下部電極
１２、３２  酸化層
１３、３５  上部電極
３０  電流路
３３  電子ビームの注入領域
３４  電流
３６  電子ビームソース
３７  電子ビーム
【図１Ａ】
2007049156.tif 000003
【図１Ｂ】
2007049156.tif 000004
【図２】
2007049156.tif 000005
【図３】
2007049156.tif 000006
【図４】
2007049156.tif 000007
【図５】
2007049156.tif 000008
【図６】
2007049156.tif 000009
【図７】
2007049156.tif 000010