CN103325939A - 可变电阻元件以及非易失性半导体存储装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可变电阻元件以及非易失性半导体存储装置。本发明实现一种动作裕度宽的高集成存储器。在第一电极（14）和第二电极（12）之间夹持包含金属氧化物的可变电阻体（13）而构成的可变电阻元件（1）中，在这样的金属氧化物中具有流过两电极（12、14）间的电流的电流密度局部高的电流路径，在两电极（12、14）中至少电阻率更高的一个特定电极的电阻率为100μΩcm以上的情况下，将这样的特定电极与可变电阻体（13）接触的接触区域的短边方向或短轴方向的尺寸（R）相对于特定电极的膜厚（d）设定为1.4倍以上。由此，降低起因于电极的加工偏差而在电极部分产生的寄生电阻的偏差，抑制起因于寄生电阻的偏差而产生的可变电阻元件的电阻变化特性的偏差。
Description
技术领域
本发明涉及由第一电极、第二电极以及在该两电极间夹持有由金属氧化物构成的层作为可变电阻体而构成的非易失性的可变电阻元件，以及将该可变电阻元件用于信息的存储的非易失性半导体存储装置。
背景技术
近年来，作为代替闪存（flash memory）的可高速动作的下一代非易失性随机存取存储器（NVRAM：Nonvolatile Random Access Memory），提案了FeRAM（Ferroelectric RAM:铁电性随机存取存储器）、MRAM（Magnetic RAM：磁性随机存取存储器）、PRAM（Phase Change RAM：相位变化随机存取存储器）等各种各样的器件结构，从高性能化、高可靠性化、低成本化以及加工一致性的观点出发，进行着激烈的开发竞争。
相对于这些现有技术，提案有使用了通过施加电压脉冲而电阻可逆地变化的可变电阻元件的电阻性非易失性存储器RRAM（Resistive Random Access Memory）。在图14示出该结构。
如图14所示，现有结构的可变电阻元件成为按顺序层叠有下部电极103和可变电阻体102和上部电极101的结构，并且具有通过在上部电极101和下部电极103间施加电压脉冲而能使电阻值可逆地变化的性质。该结构是通过读出基于该可逆的电阻变化动作（以下称为“切换动作”）进行变化的电阻值，从而能实现新的非易失性半导体存储装置的结构。
该非易失性半导体存储装置构成为，将具备可变电阻元件的多个存储器单元分别在行方向和列方向上排列成矩阵状来形成存储器单元阵列，并且配置有对该存储器单元阵列的各存储器单元的数据的写入、擦除以及读出动作进行控制的周边电路。而且，作为该存储器单元，由于其构成要素的不同，存在一个存储器单元由一个选择晶体管T和一个可变电阻元件R构成的（称为“1T1R型”）存储器单元、仅由一个可变电阻元件R（称为“1R型”）构成的（称为“1R型”）存储器单元等。其中，在图12示出1T1R型存储器单元的构成例。
图12是表示基于1T1R型的存储器单元的存储器单元阵列的一个构成例的等效电路图。各存储器单元的选择晶体管T的栅极与字线（WL1～WLn）连接，各存储器单元的选择晶体管T的源极与源极线（SL1～SLn）连接（n是自然数）。另外，各存储器单元每一个的可变电阻元件R的一个电极与选择晶体管T的漏极连接，可变电阻元件R的另一个电极与位线（BL1～BLm）连接（m是自然数）。另外，各字线WL1～WLn分别与字线解码器24连接，各源极线SL1～SLn分别与源极线解码器26连接，各位线BL1～BLm分别与位线解码器25连接。进而，该结构是，根据地址输入（未图示）选择用于向存储器单元阵列21内的特定的存储器单元C的写入、擦除以及读出动作的特定的位线、字线以及源极线的结构。
像这样，通过将选择晶体管T和可变电阻元件R串联地配置的结构，通过字线的电位变化所选择的存储器单元的晶体管就变为导通状态，进而，变成能仅对通过位线的电位变化所选择的存储器单元的可变电阻元件R进行选择性地写入或擦除的结构。
作为在上述的可变电阻元件R中作为可变电阻体能使用的可变电阻材料，由美国休士顿大学的Shangquing Liu、Alex Ignatiev等在美国专利第6204139号说明书（以下，称为“公知文献1”）以及H.Pagnia等，“Bistable Switching in Electroformed Metal-Insulator-Metal Devices”Phys.Sat.Sol.(a),Vol.108,pp.11-65,1988年（以下，称为“公知文献2”）公开了通过对以超巨磁阻效应而为人所知的钙钛矿（Perovskite ）材料施加电压脉冲而使电阻可逆地变化的方法。虽然该方法使用以超巨磁阻效果而为人所知的钙钛矿材料，但是即使在未施加磁场的室温下也会出现达几位数的电阻变化。另外，在公知文献1中例示的元件结构中，作为可变电阻体的材料使用了作为钙钛矿型氧化物的镨钙锰氧化物Pr1-xCaxMnO3（PCMO）膜。
另外，作为其它的可变电阻体材料，就氧化钛（TiO2）膜、氧化镍（NiO）膜、氧化锌（ZnO）膜、氧化铌（Nb2O5）膜等过渡金属元素的氧化物而言，表示可逆的电阻变化的情况，从公知文献2和Baek，I.G.等，“Highly Scalable Non-Volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses”IEDM2004,pp.587-590,2004年等也可知。
另外，可变电阻元件中存在遍及电极/可变电阻体的界面整体而发生电阻变化的元件和被认为是通过在可变电阻体中局部地流过电流的丝极（filament）的形成或断裂产生电阻变化的元件（丝极型：filament type），例如从A.Sawa,“Resistive switching in transition metal oxides”，Materials Today，Vol.11,pp.28-36,2008年，可明确可知。
在使用上述的可变电阻元件实现Gbit级的高集成存储器中，有必要使数nm等级的微细尺寸的元件在低电压下无偏差地动作。为此，必须使元件部的寄生电阻的偏差尽量小，并且使寄生电阻值本身也小。另外，寄生电阻的偏差主要通过起因于制造过程的加工偏差而形成的电极的尺寸进行变动而产生。
但是，现状是，在微细化后的丝极型可变电阻元件中，关于应怎样对寄生电阻进行控制并不明确，关于寄生电阻的降低方法也不存在任何方针。
可是，在将可变电阻元件应用于高集成存储器中，优选由制造过程上易使用的材料来构成可变电阻元件。另一方面，已知的有，在将金属氧化物作为可变电阻体的可变电阻元件中，在能稳定地进行电阻切换的可变电阻体材料和电极材料之间存在选择性。即，已知的有，根据可变电阻体材料，作为可变电阻元件的电极可利用的电极材料的组合被限制。为此，未必能将制造过程上易使用的材料作为电极材料而采用。
虽然在将金属氧化物作为可变电阻体的可变电阻体元件中，用Pt、Ru、Ir等贵金属电极的动作报告较多，但是这样的材料存在用于实现高集成存储器的微细加工是困难的问题，或者存在材料本身是高价的问题。
另一方面，在采纳了上述的可利用的电极材料的组合的制约条件的基础上，能选择满足这样的制约条件，且在制造过程上易使用的材料来作为电极材料。但是，根据这样的制约条件，存在不得不采用电阻率高的材料作为电极材料的情况。通过使用电阻率高的材料作为电极材料，从而起因于上述的可变电阻元件的寄生电阻和寄生电阻的偏差当然也变大，成为实现高集成存储器上的阻碍要因。
特别是，当电极材料的电阻率变为100μΩcm以上时，由寄生电阻值和寄生电阻的偏差引起的问题将显著化，高集成存储器的实现变得困难。
发明内容
鉴于上述的问题点，本发明的目的在于，提供一种在丝极型的可变电阻元件中能降低可变电阻元件的寄生电阻值，并且能降低由电极尺寸的变动产生的寄生电阻的偏差的结构的可变电阻元件。
进而，本发明的目的在于，通过具备上述的降低了寄生电阻值和寄生电阻的偏差的可变电阻元件，提供一种高集成的非易失性存储器。
用于达成上述目的的本发明的可变电阻元件的特征在于，具备：在第一电极和第二电极之间包含金属氧化物而构成的可变电阻体，根据给所述第一和第二电极间施加的电应力，所述第一和第二电极间的电阻可逆地进行变化，
在所述金属氧化物中具有流过所述第一和第二电极间的电流的电流密度局部高的电流路径，在所述第一电极和所述第二电极中，至少电阻率更高的一个特定电极的电阻率为100μΩcm以上，
所述特定电极与所述可变电阻体接触的接触区域的短边方向或短轴方向的尺寸相对于所述特定电极的膜厚为1.4倍以上。
上述特征的本发明的可变电阻元件，还优选所述特定电极以比所述可变电阻体大的短边方向或短轴方向的尺寸形成，
所述特定电极从所述接触区域的边界延伸至所述特定电极的膜厚的0.7倍以上外侧的区域。
上述特征的本发明的可变电阻元件，还优选所述特定电极由包含氮元素的材料、氧化物材料或掺杂了杂质的硅材料构成。
上述特征的本发明的可变电阻元件，还优选所述接触区域的短边方向或短轴方向的尺寸为50nm以下。
用于达成上述目的的本发明的半导体装置，其特征在于，具备：
半导体衬底；以及
设置在所述半导体衬底上的多个存储器单元，每个所述存储器单元包括可变电阻元件，
所述可变电阻元件包括：
第一导电层；
电阻率比所述第一导电层大的第二导电层，所述第二导电层的电阻率为100μΩcm以上，所述第二导电层的厚度为第一值；以及
可变电阻膜，介于所述第一导电层与所述第二导电层之间，用于在所述可变电阻膜与所述第二导电层之间规定接触区域，所述接触区域的形状实质上是直径为所述第一值的1.4倍以上的圆形。
上述特征的本发明的半导体装置，还优选所述第二导电层包括第一表面，所述可变电阻膜包括与所述第一表面连接的第二表面，用于规定所述接触区域，所述第一表面比所述第二表面大。
上述特征的本发明的半导体装置，还优选所述第二导电层由包含氮元素的材料、氧化物材料以及掺杂了杂质的硅材料中的至少一种构成。
上述特征的本发明的半导体装置，还优选所述接触区域的圆形形状的直径为50nm以下。
用于达成上述目的的本发明的半导体装置，其特征在于，具备：
半导体衬底；以及
设置在所述半导体衬底上的多个存储器单元，每个所述存储器单元包括可变电阻元件，
所述可变电阻元件包括：
第一导电层；
电阻率比所述第一导电层大的第二导电层，所述第二导电层的电阻率为100μΩcm以上，所述第二导电层的厚度为第一值；以及
可变电阻膜，介于所述第一导电层与所述第二导电层之间，用于在所述可变电阻膜与所述第二导电层之间规定接触区域，所述接触区域的形状实质上是短轴为所述第一值的1.4倍以上的椭圆形。
上述特征的本发明的半导体装置，还优选所述第二导电层包括第一表面，所述可变电阻膜包括与所述第一表面连接的第二表面，用于规定所述接触区域，所述第一表面比所述第二表面大。
上述特征的本发明的半导体装置，还优选所述第二导电层由包含氮元素的材料、氧化物材料以及掺杂了杂质的硅材料中的至少一种构成。
上述特征的本发明的半导体装置，还优选所述接触区域的椭圆形形状的所述短轴为50nm以下。
本申请的发明人通过专心研究，着眼于在丝极型的可变电阻元件中从丝极与电极的接点向电极流出的、或向接点流入的电流的流动，发现了降低起因于微细的元件中的电极尺寸的偏差的寄生电阻的偏差的方针。
由此，能实现在由微细的可变电阻元件构成的非易失性半导体存储装置中，变得能降低由电极的加工偏差引起的寄生电阻偏差，能实现抑制了电阻变化特性（切换特性）的偏差的动作裕度宽的高集成存储器。
附图说明
图1是表示涉及本发明的一个实施方式的可变电阻元件的结构的一个例子的截面示意图；
图2是表示电流流过丝极型可变电阻元件的电极内的状态的图；
图3是用于说明在电流流过丝极型可变电阻元件的电极内时产生的电场分布的状态的图；
图4是表示经由丝极流到电极的电流的电流密度分布与电流量的关系的图；
图5是在可变电阻元件的切换特性中，通过使电极材料的电阻率变化而对起因于电极的寄生电阻的影响进行了评价的实验结果；
图6是在可变电阻元件的切换特性中，通过使电极尺寸变化而对起因于电极的寄生电阻的影响进行了评价的实验结果；
图7是表示相对于电极的尺寸偏差流过电极的电流变动多少的图；
图8是表示依存于形成的丝极的位置，电流流过丝极型可变电阻元件的电极内的状态的图；
图9是表示涉及本发明的一个实施方式的可变电阻元件的结构的一个例子的截面示意图；
图10是表示涉及本发明的一个实施方式的可变电阻元件的结构的其它例子的截面示意图；
图11是表示涉及本发明的非易失性半导体存储装置的概略的结构的电路框图；
图12是表示具备可变电阻元件的1T1R结构的存储器单元阵列的概略的结构的电路图；
图13是表示具备本发明的可变电阻元件的存储器单元阵列的结构的一个例子的截面示意图；
图14是表示现有结构的可变电阻元件的结构的一个例子的截面示意图；
图15是表示R的定义的图。
具体实施方式
<第一实施方式>
图1是示意性地表示涉及本发明的一个实施方式的可变电阻元件1（以后，适当地称为“本发明元件1”）的元件结构的截面图。另外，在以后示出的附图中，为了说明的方便，作为强调主要部分而示出的情况，存在元件各部分的尺寸比与实际的尺寸比未必一致的情况。
在形成于衬底10上的绝缘膜11上，将第二电极（下部电极）12、可变电阻体13、第一电极（上部电极）14按该顺序进行堆积并构图，从而形成本发明元件1。可变电阻体13包含由金属氧化物或金属氮氧化物构成的层而构成。
在本实施方式中，作为构成可变电阻体13的金属氧化物，选择使用作为带隙（band gap）大的绝缘物层的氧化铪（HfOx）。但是，本发明并不限定于此结构。能使用氧化锆（ZrOx）、氧化钛（TiOx）、氧化钽（TaOx）、氧化钨（WOx）、氧化铝（AlOx）、氧化锗（GeOx）、氮氧化铪（HfOxNz）、氮氧化锆（ZrOxNz）、氮氧化钛（TiOxNz）、氮氧化钽（TaOxNz）、氮氧化钨（WOxNz）、氮氧化铝（AlOxNz）、氮氧化锗（GeOxNz）等的金属氧化物或金属氮氧化物作为可变电阻体13。另外，这些表示n型的导电特性。
在使用上述的金属氧化物或金属氮氧化物作为可变电阻体13构成可变电阻元件的情况下，为了将处于刚制造后的初始状态的可变电阻元件做成通过电应力（electric stress）将高电阻状态与低电阻状态可切换的状态（可变电阻状态），有必要在使用前进行所谓的成型（forming）处理，即，进行对可变电阻元件施加电压振幅比通常的用于改写动作的电压脉冲大且脉冲宽度长的电压脉冲，在电阻变化层15内形成发生电阻切换的电流通路的处理。由此，形成流过可变电阻体13内的电流的电流密度局部地变高的导电通路（丝极）。
而且，已知由这样的成型处理形成的丝极将决定此后的元件的电特性。此外，认为通过在电极和可变电阻体的界面附近由电场引起氧原子聚集、扩散，从而这样的丝极形成或消失，其结果是产生电阻变化。
此外，认为电阻变化发生在势垒大、功函数大的电极侧与金属氧化物或金属氮氧化物之间的界面。因此，在本发明元件1中，第一电极14和第二电极12中的一个电极由功函数大的导电性材料构成，使得与可变电阻体13进行肖特基接合，另一个电极由功函数小的导电性材料构成，使得与可变电阻体13进行欧姆接合即可。已知通过这样的构成，可变电阻元件显示出稳定的电阻切换。
这里，在第二电极12的功函数比第一电极14大的情况下，优选从具有比4.5eV小的功函数的导电性材料选择该第一电极14，从具有4.5eV以上的功函数的导电性材料选择该第二电极12。作为构成第一电极14的导电性材料，除了上述的Ta以外，还能举出例如Ti（4.1eV）、Hf（3.96eV）、Zr（4.1eV）（括号内是各金属的功函数值）。同样地，作为构成第二电极12的导电性材料，除了上述的Pt、TiN以外，还能利用例如Ti氮氧化物（TiOxNz）、Ta氮化物（TaNz）、Ta氮氧化物（TaOxNz）、氮化钛铝（TiAlN）、W、WNx、Ru、RuOx、Ir、IrOx或ITO（Indium Tin Oxide：氧化铟锡）等。其中，从容易进行集成化加工的方面考虑，优选在第一电极14中使用Ti或Ta，在第二电极12中使用TiN。
但是，在作为在第二电极12中使用TiN的情况下，由于TiN的电阻比较大，所以电极部分的可变电阻元件的寄生电阻变大，成为实现高集成的非易失性存储器的方面的障碍。
此外，在由包括TiON、TaN在内的含有氮元素的材料构成的电极、氧化铱等的氧化物电极、由掺杂了杂质的硅构成的电极中，一般来说，电阻率为100μΩcm以上，比一般的金属高10倍以上。当使用这些电极材料作为可变电阻元件的电极时，起因于可变电阻元件的电极部分的寄生电阻值以及寄生电阻的偏差当然也会变大，一般来说实现高集成的非易失性存储器也变得困难。
但是，在本发明元件1中，通过使这样的电阻率大的特定电极（第二电极12）与可变电阻体13接触的接触区域的短边方向或短轴方向的尺寸R相对于特定电极的膜厚d为1.4倍以上（R/d≥1.4），由此，能抑制起因于可变电阻元件的电极部分的寄生电阻的问题。以下，对此详细地进行说明。
《丝极型可变电阻元件中的电极内电流分布和寄生电阻》
在丝极型的可变电阻元件中，如上所述，有必要通过被称为成型处理的初始化动作在可变电阻体13内形成丝极状的电流通路。该电流通路通过电应力的施加而断裂或再形成，由此元件的电阻变化到高电阻状态或低电阻状态。在图2中，示意性地示出在这样的低电阻状态下，从丝极与电极的微小接点开始电流散播的状态。在可变电阻体13内的丝极15与电极12的接点部中，电流呈放射状地流出或流入。通过理解该电流的散播是什么样的，可得到应如何构成电极形状的见解。
考虑从这样的微小接点朝向特定电极的电场。如图3所示，设特定电极的膜厚为d，设丝极与特定电极的微小接点的位置处于坐标（0，d）。考虑在与特定电极的丝极不相接的一侧的端部边界处，电位相等，即，XY平面（Z=0）变成等电位面这样的理想的状况。在赋予这样的边界条件的情况下，在特定电极中产生的电场变为由配置在丝极与特定电极之间的微小接点（0，d）的点电荷+Q所感应的电场与由配置于坐标（0，－d）的镜像电荷-Q所感应的电场之和。在与特定电极的丝极不相接的相反侧的边界（Z=0）中，电场变为只有Z方向的分量Ez，并且作为距微小接点的距离为x，可用下述的数学式1表示。这里，设图3的-Z方向为电场的正方向。设ε为特定电极的介电常数。
因此，设特定电极的电阻率为ρ，Z=0处的电流密度可用下述的数学式2表示。
在图4中，设特定电极的膜厚为d，距微小接点的距离为r，用虚线示出将r＝0处的电流密度作为1对电流密度J（r）的分布进行了标准化的分布。在将特定电极作为以微小接点为中心的半径r、厚度d的圆盘时，流过特定电极的电流I是x从零到r对这样的电流密度进行积分的电流，可用下述的数学式3给出。
根据上述数学式3，流过特定电极的电流I的表现可用数学式4表示。
用图4的实线示出流过上述半径r的圆盘状的特定电极的电流I的对r/d的变化。另外，在图4中，将使r→∞时的电流I的值作为1进行标准化并示出。如从图4可知的那样，在微小接点，电流密度J变为最大，随着从微小接点离开，电流密度减少。在实际的器件中，电极的大小是有限的，随着将电极尺寸做小，变得不流过由图4的r/d大的区域的电流密度J导致的电流，整体的电流量I减少。其结果变成起因于特定电极的寄生电阻的增加而显现。
进而，图4示出如下情况，即，虽然元件面积大时，即使元件面积稍微有偏差，起因于特定电极的寄生电阻也不会有偏差，但是当元件面积变小时，相对于电极面积的偏差，起因于特定电极的寄生电阻变得更敏感。
将表示起因于特定电极的寄生电阻对作为可变电阻元件的动作电压引起影响的情况的实验结果示于图5。图5（a）是Ta/HfOx/TiN结构的可变电阻元件中的高电阻化时的IV特性。可变电阻元件的尺寸和膜厚如图5（b）记载的那样，是可变电阻体（HfOx）13和第二电极（TiN）12的接触面积为50nmΦ的元件。在图5（a）中用实线示出以ALD（Atomic Layer Deposition：原子层沉积）法进行成膜的TiN电极的电阻率为250μΩcm的元件的高电阻化时的IV特性，在图5（b）中用虚线示出以CVD（Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积）法进行成膜的TiN电极的电阻率为500μΩcm的元件的高电阻化时的IV特性。根据图5，可知TiN电极的电阻率高的一方，其高电阻化开始电压就变高，电极的寄生电阻对可变电阻元件的切换特性产生影响。这是由于，当特定电极的电阻率高时，在特定电极产生的电压下降变大，有必要对可变电阻元件施加更高电压。
此外，在图6示出电极尺寸不同的元件（2r＝50nmΦ、35nmΦ）的高电阻化时的IV特性。除了电极尺寸以外，可变电阻元件的结构与图5（b）相同。根据图6，可知高电阻化开始电压依存于电极尺寸而不同。因此，由于起因于制造过程而导致电极尺寸有偏差，所以在起因于电极的寄生电阻中产生偏差，变成作为可变电阻元件的切换特性的高电阻化开始电压有偏差的结果。由此，使用以微细的尺寸安装了100μΩcm以上的电阻率的特定电极的元件，实现抑制了切换特性的偏差的动作裕度宽的高集成存储器就变得困难。
《本发明中寄生电阻的偏差的降低方法》
以下，在考虑了这样的特定电极的尺寸偏差的基础上，详细地说明要怎么办才能降低由寄生电阻的偏差导致的影响。
图7是在使特定电极的膜厚d相同的情况下，将流过半径为1.1r的圆盘状的特定电极的电流I与流过半径为0.9r的圆盘状的特定电极的电流I的比，基于图4，作为r/d的函数而表示的图。即，图7示出在电极尺寸从r偏差±10％的情况下，流过特定电极的电流到底有多少偏差。
根据图7，r/d越小，由电极尺寸变动时的特定电极导致的寄生电阻的变动幅变得越大。另一方面，在电流以均匀的电流密度流过电极的情况下，当使尺寸变动为±10％时，电阻变动大约变为1.5（＝（1.1/0.9）2），不依赖于电极半径r、膜厚d，是固定的。
在此，根据数学式4，在r/d小的极限（r/d～0）中，流过特定电极的电流I与r2即电极面积成比例。因此，在r/d小的极限（r/d～0）中，由电极尺寸变动时的特定电极导致的寄生电阻的变动幅变得与电流以均匀的电流密度流过电极的情况相等。
另一方面，根据数学式4，在r/d大的极限（r/d≥1）中，流过特定电极的电流I收敛于固定值。因此，将r/d做得越大，电流尺寸变动时的由特定电极导致的寄生电阻的变动比就越接近1，可降低寄生电阻的偏差。从上述的说明可知的那样，这在丝极型的可变电阻元件中是特有的特征。
接着，利用由这样的寄生电阻的电极尺寸带来的依存性，考虑能有效地抑制寄生电阻的偏差的条件。在电流均匀地流过电极的情况下，由于当使电极尺寸的变动为±10％时，寄生电阻的变动比为（1.1/0.9）2＝1.5，所以进行与此相比10％以上的改善，必须使变动比为1.35以下。根据图7，满足这个的条件变为r/d≥0.7。如果设特定电极的直径为R（＝2r），只要使R/d≥1.4即可。例如，如果图5（a）、图6所示的TiN电极的电极尺寸为50nmΦ的元件，只要使TiN电极的膜厚d为d≤36nm即可。
另外，在上述说明中，假定在电极与可变电阻体的接触区域的中心形成有丝极，导出了特定电极的尺寸与膜厚的关系。实际上，丝极除了电极与可变电阻体的接触区域的中心部以外，还形成在内周部。但是，电极中心附近的丝极最容易受到由电极尺寸的变动引起的寄生电阻的变动的影响。如图8（a）所示，由于从电极中心附近的丝极流过的电流不会遍布到电极端地流过，所以相对于电极尺寸变动的寄生电阻的变动大。但是，在从电极中心离开的位置的丝极中，如图8（b）所示，由流过距丝极近的电极端的一侧的电流导致的寄生电阻变为支配。由于流过距丝极远的电极端的一侧的电流成分原本就少，所以由电极尺寸变动导致的寄生电阻的变动不大。因此，通过应用对电极中心附近的丝极导出的上述关系式，能抑制由电极尺寸变动导致的寄生电阻变动。
但是，如图9的可变电阻元件2（以后，适当地称为“本发明元件2”）所示，通过做成第二电极（特定电极）12从与可变电阻体13的接触区域的边界向外侧仅延伸距离S的量的结构，使这样的距离S相对于特定电极的膜厚d为0.7倍以上（S/d≥0.7），从而即使对于形成在接触区域的端部的丝极，为了以这样的丝极的位置为基准的特定电极的边界为止的距离r变为0.7以上，所以能更可靠地抑制由电极尺寸变动导致的寄生电阻变动。
此外，优选本发明元件1对第一电极14、第二电极12的双方的电极满足上述条件。但是，由于电阻率高的电极侧对寄生电阻变为支配的，所以在第一电极14和第二电极12中的至少电阻率高的电极的一方（特定电极）中满足上述条件即可。例如，如果是上述的Ta/HfOx/TiN结构的可变电阻元件，对电阻率高的TiN电极满足上述条件即可。
此外，虽然上述的关系式R/d≥1.4是以圆盘状电极的计算结果为基础导出的，但是也能散播到圆盘状以外的形状的特定电极中。如图15所示，在椭圆的情况下，将短轴长视为R，在准正方形的情况下将一边的长度视为R，在准长方形的情况下将短边的长度视为R，使R/d≥1.4即可。在该情况下，能与圆盘状电极同等以上地降低起因于加工尺寸偏差的寄生电阻偏差。
此外，如图10的可变电阻元件3（以后，适当地称为“本发明元件3”）所示，在第二电极12构成为电极12a和电极12b的层叠结构的情况下，至少就与可变电阻体相接的一方的电极12a而言，使其满足上述关系式即可。例如，为了降低由成型处理形成的丝极的元件间偏差，存在伴随着成型处理的结束，在可变电阻体与电极之间插入用于抑制在可变电阻元件的两电极间流过的急剧的电流的增大的缓冲层的情况。在这样的情况下，虽然由氧化物等构成的缓冲层和金属材料层的层叠结构构成电极，但是将这样的缓冲层视为与可变电阻体相接的特定电极，使得满足上述关系式即可。
<第二实施方式>
在图11示出使用上述的本发明元件1～3构成非易失性半导体装置的例子。图11是表示涉及本发明的一个实施方式的非易失性半导体装置20（以后，适当地称为“本发明装置20”）的概略的结构的电路框图。如图11所示，本发明装置20具备存储器单元阵列21、控制电路22、电压产生电路23、字线解码器24、位线解码器25、源极线解码器26以及读出电路27。
存储器单元阵列21是将包含本发明元件1～3的任一个作为存储元件的存储器单元在行方向和列方向中的至少一个方向上呈矩阵状地排列多个而构成，通过在列方向上延伸的位线连接属于同一列的存储器单元，通过在行方向上延伸的字线相互地连接属于同一行的存储器单元彼此而构成。存储器单元阵列21能采用例如在图12的等效电路图中示出的结构。在此，在图12中，使可变电阻元件R由本发明元件1～3的任一个构成。
如图12所示，存储器单元阵列21是在单位存储器单元具有作为电流限制元件的晶体管T的1T1R结构的存储器单元阵列，晶体管T的源极或漏极的任一个与可变电阻元件R的一个电极串联地连接构成存储器单元C。与晶体管T不连接的可变电阻元件R的另一个电极与在列方向（图12的纵方向）上延伸的位线BL1～BLm（m是自然数）连接，不与可变电阻元件R连接的晶体管T的源极或漏极中的另一个与在行方向（图12的横方向）上延伸的源极线SL1～SLn（n是自然数）连接，晶体管的栅极端子彼此与在行方向上延伸的字线WL1～WLn连接。通过分别个别地经由字线施加选择字线电压和非选择字线电压的任一个，经由位线施加选择位线电压和非选择位线电压的任一个，经由源极线施加选择源极线电压和非选择源极线电压的任一个，从而能在写入、擦除、读出以及成型处理的各动作时，对用来自外部的地址输入指定的动作对象的一个或多个存储器单元进行选择。
控制电路22进行存储器单元阵列21的写入（低电阻化：设定）、擦除（高电阻化：重设）、读出的各存储器动作的控制以及成型处理的控制。具体地说，控制电路22基于从地址线输入的地址信号、从数据线输入的数据输入、从控制信号线输入的控制输入信号，对字线解码器24、位线解码器25以及源极线解码器26进行控制，对存储器单元的各存储器动作和成型处理进行控制。另外，在图12所示的例子中，虽然未图示，但是控制电路22具备一般的作为地址缓冲器电路、数据输入输出缓冲器电路、控制输入缓冲器电路的功能。
在写入（低电阻化：设定）、擦除（高电阻化：重设）、读出的各存储器动作以及存储器单元的成型处理时，电压产生电路23产生为了对动作对象的存储器单元进行选择而需要的选择字线电压和非选择字线电压，并供给字线解码器24，产生选择位线电压和非选择位线电压，并供给位线解码器25，产生选择源极线电压和非选择源极线电压，并供给位线解码器26。
当在写入（低电阻化：设定）、擦除（高电阻化：重设）、读出的各存储器动作以及存储器单元的成型处理时，动作对象的存储器单元输入到地址线被指定时，字线解码器24选择与输入到该地址线的地址信号对应的字线，对选择的字线和非选择的字线分别个别地施加选择字线电压和非选择字线电压。
当在写入（低电阻化：设定）、擦除（高电阻化：重设）、读出的各存储器动作以及存储器单元的成型处理时，动作对象的存储器单元输入到地址线被指定时，位线解码器25选择与输入到该地址线的地址信号对应的位线，对选择的位线和非选择的位线分别个别地施加选择位线电压和非选择位线电压。
当在写入（低电阻化：设定）、擦除（高电阻化：重设）、读出的各存储器动作以及存储器单元的成型处理时，动作对象的存储器单元输入到地址线被指定时，源极线解码器26选择与输入到该地址线的地址信号对应的源极线，对选择的源极线和非选择的源极线分别个别地施加选择源极线电压和非选择源极线电压。
在读出动作时，读出电路27通过对流过由读出电压的施加进行选择的存储器单元的可变电阻元件的电流进行感测，从而判别这样的选择的存储器单元的可变电阻元件是处于高电阻状态还是处于低电阻状态。
因此，在图12的控制电路22、电压产生电路23、字线解码器24、位线解码器25以及源极线解码器26作为整体被选择的存储器单元的两端施加改写电压，使可变电阻元件的两电极间的电阻变化，作为进行信息的写入和擦除的信息改写电路进行动作，在图12的控制电路22、电压产生电路23、字线解码器24、位线解码器25、源极线解码器26以及读出电路27作为整体被选择的存储器单元的两端施加读出电压，根据流过可变电阻元件的电流量感测这样的被选择的可变电阻元件的两电极间的电阻，作为读出存储的信息的信息读出电路进行动作。
另外，关于控制电路22、电压产生电路23、字线解码器24、位线解码器25、源极线解码器26以及读出电路27的详细的电路结构、器件结构以及制造方法，由于使用公知的电路结构可实现，能使用公知的半导体制造技术进行制作，所以省略说明。
图13是表示在存储器单元内具备本发明元件1的存储器单元阵列21的结构的一个例子的器件结构的示意性截面图。图13的截面结构所示的存储器单元阵列21a是1T1R结构的存储器单元阵列，虽然第一电极14在列方向（图13的横方向）上延伸，构成位线BL，但可变电阻体13也同样在列方向上延伸。经由岛（island）状的金属布线31和接触插头32连接形成在下层的晶体管T的接触接头变为与可变电阻体13相接的第二电极12。而且，在第二电极12与可变电阻体13的接触部分（元件形成区域），形成有由第一电极14、可变电阻体13以及第二电极12构成的本发明元件1。
例如，在第二电极12中使用TiN作为电阻率高的特定电极、在可变电阻体13中使用氧化铪HfOx、在第一电极14中使用Ti或Ta的情况下，以使第二电极12的尺寸（即，由第二电极12填充的接触插头的直径R和深度d）满足R/d≥1.4的关系式的方式，形成可变电阻元件。由此，能降低起因于第二电极12的加工偏差的寄生电阻偏差导致的影响，抑制切换特性的偏差，能实现动作裕度宽的高集成存储器。
以上，根据本发明，在丝极型的可变电阻元件中，通过使电阻率高的特定电极的电极尺寸R与膜厚d之间满足上述的关系式，从而可解决可变电阻元件的寄生电阻和起因于寄生电阻的偏差的问题，通过将这样的可变电阻元件采用为存储器单元内的存储元件，从而能实现抑制了切换特性的偏差的动作裕度宽的高集成存储器。
<其它实施方式>
以下，对其它实施方式进行说明。
<1>在上述实施方式中，以构成本发明元件1～3的电极的电阻率比较高，特别是在一个特定电极中为100μΩcm以上的情况为例进行了说明。但是，显然丝极型的可变电阻元件只要作为电极的电极尺寸R与膜厚d的关系满足R/d≥1.4的关系式，就与电极材料的电阻率无关，这样的可变电阻元件就能达到可降低起因于电极部分的寄生电阻，能降低寄生电阻的偏差的本发明的效果。但是，强调本发明在电极的电阻率为100μΩcm以上的情况下特别有用。
<2>虽然在上述第一实施方式中，作为可变电阻元件的结构，例示了图1、图9、图10所示的元件结构的可变电阻元件，但是本发明并不限于该结构的元件。只要构成为特定电极的电极尺寸R与膜厚d满足上述的关系式的结构，就能在任意的结构的可变电阻元件中利用本发明。
<3>同样地，在上述第二实施方式中，只要对存储器单元采用上述本发明的可变电阻元件，就能使用呈矩阵状地排列多个这样的存储器单元而构成的任意的存储器单元阵列来构成本发明装置20。本发明并不被存储器单元阵列21的结构、其它的控制电路、解码器等的电路结构所限定。特别是，作为存储器单元阵列21的结构，除了图12所示的1T1R结构的存储器单元阵列21以外，也可以是在单位存储器单元不包含电流限制元件的1R结构的存储器单元阵列、在单元存储器单元包含二极管作为电流限制元件的1D1R结构的存储器单元阵列。在1D1R结构的存储器单元阵列中，二极管的一端与可变电阻元件的一个电极串联地连接构成存储器单元，二极管的另一端和可变电阻元件的另一个电极的任一个，与在列方向上延伸的位线连接，任意的另一个与在行方向上延伸的字线连接。在1R结构的存储器单元阵列中，可变电阻元件的两电极分别与列方向上延伸的位线和行方向上延伸的字线连接。
<4>此外，虽然本发明装置20以具备用于对各源极线SL1～SLn进行选择的源极线解码器26，能个别地选择源极线，施加存储器单元的动作所需的电压的方式构成，但是做成在所有存储器单元共用源极线，对源极线供给接地电压（固定电位）的结构也没有关系。即使在该情况下，通过经由位线解码器25个别地选择位线BL1～BLn，从而能对可变电阻元件供给存储器单元的动作所需的电压。
本发明能利用于非易失性半导体装置，特别是能利用于具备电阻状态根据电压施加而转变，能非易失性地保持转变后的电阻状态的可变电阻元件的非易失性半导体存储装置。
Claims (12)
1.一种可变电阻元件，其中，
具备：在第一电极和第二电极之间包含金属氧化物而构成的可变电阻体，根据给所述第一和第二电极间施加的电应力，所述第一和第二电极间的电阻可逆地进行变化，
在所述金属氧化物中具有流过所述第一和第二电极间的电流的电流密度局部高的电流路径，
在所述第一电极和所述第二电极中，至少电阻率更高的一个特定电极的电阻率为100μΩcm以上，
所述特定电极与所述可变电阻体接触的接触区域的短边方向或短轴方向的尺寸相对于所述特定电极的膜厚为1.4倍以上。
2.根据权利要求1所述的可变电阻元件，其中，
所述特定电极以比所述可变电阻体大的短边方向或短轴方向的尺寸形成，
所述特定电极从所述接触区域的边界延伸至所述特定电极的膜厚的0.7倍以上外侧的区域。
3.根据权利要求1或2所述的可变电阻元件，其中，
所述特定电极由包含氮元素的材料、氧化物材料或掺杂了杂质的硅材料构成。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的可变电阻元件，其中，
所述接触区域的短边方向或短轴方向的尺寸为50nm以下。
5.一种半导体装置，具备：
半导体衬底；以及
设置在所述半导体衬底上的多个存储器单元，每个所述存储器单元包括可变电阻元件，
所述可变电阻元件包括：
第一导电层；
电阻率比所述第一导电层大的第二导电层，所述第二导电层的电阻率为100μΩcm以上，所述第二导电层的厚度为第一值；以及
可变电阻膜，介于所述第一导电层与所述第二导电层之间，用于在所述可变电阻膜与所述第二导电层之间规定接触区域，所述接触区域的形状实质上是直径为所述第一值的1.4倍以上的圆形。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其中，
所述第二导电层包括第一表面，所述可变电阻膜包括与所述第一表面连接的第二表面，用于规定所述接触区域，所述第一表面比所述第二表面大。
7.根据权利要求5或6所述的半导体装置，其中，
所述第二导电层由包含氮元素的材料、氧化物材料以及掺杂了杂质的硅材料中的至少一种构成。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的半导体装置，其中，
所述接触区域的圆形形状的直径为50nm以下。
9.一种半导体装置，具备：
半导体衬底；以及
设置在所述半导体衬底上的多个存储器单元，每个所述存储器单元包括可变电阻元件，
所述可变电阻元件包括：
第一导电层；
电阻率比所述第一导电层大的第二导电层，所述第二导电层的电阻率为100μΩcm以上，所述第二导电层的厚度为第一值；以及
可变电阻膜，介于所述第一导电层与所述第二导电层之间，用于在所述可变电阻膜与所述第二导电层之间规定接触区域，所述接触区域的形状实质上是短轴为所述第一值的1.4倍以上的椭圆形。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其中，
所述第二导电层包括第一表面，所述可变电阻膜包括与所述第一表面连接的第二表面，用于规定所述接触区域，所述第一表面比所述第二表面大。
11.根据权利要求9或10所述的半导体装置，其中，
所述第二导电层由包含氮元素的材料、氧化物材料以及掺杂了杂质的硅材料中的至少一种构成。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的半导体装置，其中，
所述接触区域的椭圆形形状的所述短轴为50nm以下。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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