JP2006120706A - Semiconductor device and driving method therefor - Google Patents

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Yasuhiro Shimada
恭博 嶋田
Shikiyo Gi
志強 魏
Takehisa Kato
剛久 加藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which is capable of causing a great change in the resistance of a variable resistance layer by a few times of voltage pulse application and shows high working speed, and also provide a driving method for the semiconductor device. <P>SOLUTION: A variable resistance element unit 100 consists of a first electrode 111 and a variable resistance layer 120 which are overlaid in this order on one main surface of the board 10, and a second electrode 112 overlaid on a part of the main surface of the variable resistance layer 120. By applying a voltage pulse to the first and second electrodes 111, 112 sandwiching the variable resistance layer 120 in the variable resistance element unit 100, carriers are injected into the variable resistance layer 120, whose resistance increases in response to the carrier injection by three or more orders of magnitude. The injected carriers have a current density of 10<SP>4</SP>A/cm<SP>2</SP>or higher. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体装置およびその駆動方法に関し、特に、ペロブスカイト構造を有する材料からなる可変抵抗層を有する素子部を備える装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a driving method thereof, and more particularly to a device including an element portion having a variable resistance layer made of a material having a perovskite structure.

磁場の印加によって抵抗が変化する磁気抵抗効果は、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物に多く見られ、電子デバイスへのこれらの材料の応用が盛んに研究されている。しかし多くの電子デバイスでは、抵抗制御のため磁場の発生と制御、および抵抗素子間での磁場の相互干渉の回避といった技術的な障壁があり、これらの技術的課題を克服し得る電子デバイスの実用化が望まれている。   The magnetoresistive effect in which the resistance is changed by applying a magnetic field is often seen in transition metal oxides having a perovskite structure, and the application of these materials to electronic devices has been actively studied. However, many electronic devices have technical barriers such as generation and control of magnetic fields for resistance control and avoidance of mutual magnetic field interference between resistive elements, and the practical use of electronic devices that can overcome these technical problems Is desired.

一方、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物では金属相−絶縁相転移(Mott転移)するものが多く、金属相−絶縁相転移は、磁場の他に、電場、応力、温度などによっても引き起こされる。例えば、上記材料に直接電場を印加して抵抗を変化させることが試みられている(例えば、非特許文献1、非特許文献2参照)。これらの文献に係る技術では、極めて低温(−150℃以下)で発現する絶縁相において、秩序化したd電子を電場の印加によって遍歴化するメカニズムを用いたものと考えられる。しかし、これら文献に係る例では、電場によるこのような抵抗変化の発現が室温より極めて低い温度領域に限定されるので、電子デバイスへの応用上の大きな課題といえる。   On the other hand, many transition metal oxides having a perovskite structure undergo a metal phase-insulation phase transition (Mott transition), and the metal phase-insulation phase transition is caused not only by a magnetic field but also by an electric field, stress, temperature, and the like. For example, an attempt is made to change the resistance by directly applying an electric field to the material (see, for example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). In the techniques according to these documents, it is considered that a mechanism that makes an orderly d electron omnipresent by applying an electric field in an insulating phase that appears at an extremely low temperature (−150 ° C. or less) is used. However, in the examples according to these documents, since the occurrence of such a resistance change by an electric field is limited to a temperature region extremely lower than room temperature, it can be said that it is a big problem in application to an electronic device.

これに対して、特定のペロブスカイト構造を有する材料に室温で電圧パルスを印加し、その抵抗変化を試みた実験が報告されている(例えば、非特許文献3、非特許文献4、特許文献1参照)。これら文献で使用が試みられている材料としては、Mnイオンを含むペロブスカイト型酸化物であり、R(1-X)XMnO3の組成式で表される材料がある。ここで、Rは、La3+、Pr3+、Nd3+などの3価の希土類イオン、Aは、Ca2+、Sr2+、Ba2+などの2価のアルカリ土類イオンである。 On the other hand, experiments have been reported in which a voltage pulse is applied to a material having a specific perovskite structure at room temperature to try to change its resistance (see, for example, Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4, and Patent Document 1). ). As materials which have been tried to be used in these documents, there are perovskite oxides containing Mn ions, and there are materials represented by the composition formula of R (1-X) A X MnO 3 . Here, R is a trivalent rare earth ion such as La 3+ , Pr 3+ , or Nd 3+ , and A is a divalent alkaline earth ion such as Ca 2+ , Sr 2+ , or Ba 2+. .

これらの特定の材料では、室温で低抵抗状態(金属相)にあるペロブスカイト材料が、電圧パルスの印加によって高抵抗状態(絶縁相)へ転移するという特徴的な振る舞いをし、上記遷移金属酸化物における低温での絶縁相の電場による金属相への転移とは明らかに異なる現象を生じる。このような特定のペロブスカイト構造を有する材料を用い可変抵抗型スイッチ素子を形成しようとする場合には、例えば、図9に示すような構成を採用することができる(特許文献1)。   In these specific materials, perovskite materials that are in a low resistance state (metal phase) at room temperature have the characteristic behavior of transitioning to a high resistance state (insulating phase) when a voltage pulse is applied. This causes a phenomenon that is clearly different from the transition to the metal phase due to the electric field of the insulating phase at low temperature. When a variable resistance switching element is to be formed using a material having such a specific perovskite structure, for example, a configuration as shown in FIG. 9 can be employed (Patent Document 1).

図9に示すように、文献の可変抵抗型スイッチ素子は、基板510の一方の主表面上に、第1の電極511、可変抵抗層520が順に積層され、可変抵抗層520の主表面上の一部領域に第2の電極512が積層されている。そして、可変抵抗層520は、ペロブスカイト構造を有する材料、例えば、Pr0.7Ca0.3MnO3(以下では、「PCMO」と記載する。)材料を用い、層厚み600nmで形成されている。また、第1の電極511と第2の電極512とには、電圧パルスを印加することができる駆動回路が接続されている。 As shown in FIG. 9, the variable resistance switch element in the literature has a first electrode 511 and a variable resistance layer 520 stacked in this order on one main surface of a substrate 510, and on the main surface of the variable resistance layer 520. A second electrode 512 is stacked in a partial region. The variable resistance layer 520 is formed with a layer thickness of 600 nm using a material having a perovskite structure, for example, a Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 (hereinafter referred to as “PCMO”) material. In addition, a driving circuit capable of applying a voltage pulse is connected to the first electrode 511 and the second electrode 512.

この可変抵抗型スイッチ素子では、電圧パルスを印加しない状態では可変抵抗層520の抵抗値が数十Ωの低抵抗状態にある。ここで、第1の電極511と第2の電極512との間に、電圧31V、パルス幅71nsec. の電圧パルスを複数回印加した場合には、数十パルスの印加によって可変抵抗層520の抵抗値が上記低抵抗状態に対して100倍(2桁)程度増大する。このようにして、可変抵抗型スイッチ素子では、電圧パルスの印加により可変抵抗層520が高抵抗状態に移行する。また、このような可変抵抗型スイッチ素子では、可変抵抗層520の層厚、印加する電圧パスルの振幅とパルス幅、および電圧パルスの印加回数を調整することで低抵抗状態と高抵抗状態とで3桁から4桁の抵抗値変化を得ることができる。なお、このような可変抵抗層520の抵抗値の増大を引き起こすには、少なくとも105V/cm以上の電場の印加が必要とされている。   In this variable resistance type switching element, the resistance value of the variable resistance layer 520 is in a low resistance state of several tens of Ω when no voltage pulse is applied. Here, between the first electrode 511 and the second electrode 512, a voltage of 31 V and a pulse width of 71 nsec. When the voltage pulse is applied a plurality of times, the resistance value of the variable resistance layer 520 is increased about 100 times (two digits) with respect to the low resistance state by applying several tens of pulses. In this way, in the variable resistance switch element, the variable resistance layer 520 shifts to the high resistance state by application of the voltage pulse. Further, in such a variable resistance type switching element, the thickness of the variable resistance layer 520, the amplitude and pulse width of the voltage pulse to be applied, and the number of application times of the voltage pulse are adjusted, so that it can It is possible to obtain a resistance value change of 3 digits to 4 digits. In order to increase the resistance value of the variable resistance layer 520, it is necessary to apply an electric field of at least 105 V / cm.

また、例えば、上述のような可変抵抗型スイッチ素子をメモリ装置に応用する場合には、一般的に、一つの可変抵抗型スイッチ素子の低抵抗状態と高抵抗状態との間での抵抗値の比は高いほどよいとされる。一例としては、一つのビット線列に複数の可変抵抗型スイッチ素子を接続した場合、可変抵抗型スイッチ素子の数だけビット線との接合点数が必要となり、ビット線当たりの可変抵抗型スイッチ素子の接続数が多いほど、接合リークが増大する。この接合リークと選択された可変抵抗型スイッチ素子を流れる電流とを明確に区別するためには、大容量メモリ装置の場合には、可変抵抗型スイッチ素子の低抵抗状態と高抵抗状態との間での抵抗値の比を3桁以上にすることが望ましい。
米国特許第6204139号公報 A.Asamitsu等、Nature 388巻、p.p.50−52(1997) H.Ohno等、Nature 408巻、p.p.944−946(2000) S.Q.Liu等、Applied Physics Letters 76巻、p.p.2749−2751 W.W.Zhuang等、IEEE Technical Digest of International Electron Devices Meeting 2002、p.p.193−196
For example, when the variable resistance type switching element as described above is applied to a memory device, generally, the resistance value between the low resistance state and the high resistance state of one variable resistance type switching element is reduced. The higher the ratio, the better. As an example, when a plurality of variable resistance switch elements are connected to one bit line row, the number of junction points with the bit line is required by the number of variable resistance switch elements, and the number of variable resistance switch elements per bit line is required. As the number of connections increases, junction leakage increases. In order to clearly distinguish between this junction leakage and the current flowing through the selected variable resistance switch element, in the case of a large capacity memory device, the variable resistance switch element has a low resistance state and a high resistance state. It is desirable to set the ratio of resistance values at 3 digits or more.
US Pat. No. 6,204,139 A. Asamitsu et al., Nature 388, p. p. 50-52 (1997) H. Ohno et al., Nature 408, p. p.944-946 (2000) S. Q. Liu et al., Applied Physics Letters 76, p. p.2749-2751 W. W. Zhang et al., IEEE Technical Digest of International Electron Devices Meeting 2002, p. p.193-196

しかしながら、上記従来技術では、105V/cm以上の電場を可変抵抗層520に印加しても、必ずしも大きな抵抗変化を引き起こすことができるわけではなく、単一の電圧パルスの印加によって誘起される抵抗変化は高々1桁程度である。よって、従来の可変抵抗型スイッチ素子では、可変抵抗層520における抵抗値を3桁以上変化させるには複数回の電圧パルスの印加を必要となる。このように、複数回の電圧パルスの印加を必要とする可変抵抗型スイッチ素子を用い大容量メモリ装置などの半導体装置を構成する場合には、当該装置のプログラム時間が伸張してしまい、動作速度が低くなってしまうという問題を有する。 However, in the above prior art, even if an electric field of 10 5 V / cm or more is applied to the variable resistance layer 520, a large resistance change cannot always be caused, but it is induced by application of a single voltage pulse. The resistance change is at most an order of magnitude. Therefore, in the conventional variable resistance switch element, it is necessary to apply a plurality of voltage pulses in order to change the resistance value in the variable resistance layer 520 by three digits or more. Thus, when a semiconductor device such as a large-capacity memory device is configured using a variable resistance switching element that requires the application of a plurality of voltage pulses, the program time of the device is extended and the operating speed is increased. Has the problem of becoming low.

本発明は、このような問題を解決しようとなされたものであって、少ない回数での電圧パルスの印加によっても可変抵抗層に大きな抵抗値の変化を引き起こすことが可能であって、動作速度の速い半導体装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such a problem, and it is possible to cause a large resistance value change in the variable resistance layer even by applying a voltage pulse with a small number of times. An object is to provide a fast semiconductor device and a driving method thereof.

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、以下の特徴を有する。
(1) 本発明に係る半導体装置は、ペロブスカイト構造を有する材料からなり、電界の変化により電気特性が変化する可変抵抗層と、可変抵抗層における電気抵抗の変化を生じさせる駆動部とを有する装置であって、駆動部は、可変抵抗層に対してキャリアを注入し、当該可変抵抗層の高抵抗化を図るキャリア注入手段を有していることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention has the following characteristics.
(1) A semiconductor device according to the present invention is made of a material having a perovskite structure, and includes a variable resistance layer whose electrical characteristics change due to a change in electric field, and a drive unit that causes a change in electrical resistance in the variable resistance layer. The drive unit has carrier injection means for injecting carriers into the variable resistance layer and increasing the resistance of the variable resistance layer.

(2) 上記(1)に係る半導体装置において、駆動時には、キャリア注入手段が可変抵抗層に対して注入するキャリアの密度を、電流密度にして104A/cm2以上とすることを特徴とする。
(3) 上記(1)、(2)に係る半導体装置において、キャリアの注入により可変抵抗層における一方の主表面およびその近傍部分の電気抵抗値を変化させることを特徴とする。
(2) The semiconductor device according to (1) is characterized in that, when driven, the density of carriers injected into the variable resistance layer by the carrier injection means is 10 4 A / cm 2 or more in terms of current density. To do.
(3) The semiconductor device according to (1) or (2) is characterized in that the electrical resistance value of one main surface and its vicinity in the variable resistance layer is changed by carrier injection.

(4) 上記(1)〜(3)に係る半導体装置において、可変抵抗層には、両主表面に第1の電極と第2の電極とが各々接続されており、駆動部は、可変抵抗層に対して、第1および第2の電極を介して電圧を印加することによりキャリアの注入を実施することを特徴とする。
(5) 上記(4)に係る半導体装置において、駆動部は、可変抵抗層からキャリアを引き抜き、当該可変抵抗層の低抵抗化を図るキャリア引き抜き手段を有していることを特徴とする。
(4) In the semiconductor device according to the above (1) to (3), the variable resistance layer has the first electrode and the second electrode connected to both main surfaces, respectively, and the drive unit includes the variable resistance The carrier is injected by applying a voltage to the layer through the first and second electrodes.
(5) In the semiconductor device according to (4), the driving unit includes carrier extracting means for extracting carriers from the variable resistance layer and reducing the resistance of the variable resistance layer.

(6) 上記(5)に係る半導体装置において、駆動部は、可変抵抗層に対して、キャリアの注入の際とは逆極性の電圧を印加することにより、キャリアの引き抜きを実施することを特徴とする。
(7) 上記(4)〜(6)に係る半導体装置において、第1の電極と第2の電極とは、互いに相違するサイズをもって、可変抵抗層に対して接続されていることを特徴とする。
(6) In the semiconductor device according to (5), the driving unit performs carrier extraction by applying a voltage having a polarity opposite to that of carrier injection to the variable resistance layer. And
(7) In the semiconductor device according to (4) to (6), the first electrode and the second electrode have different sizes and are connected to the variable resistance layer. .

(8) 上記(7)に係る半導体装置において、可変抵抗層に対してキャリアを注入した際には、サイズが小さい側の電極が接続された部分の近傍領域が高抵抗化されることを特徴とする。
(9) 上記(4)〜(8)に係る半導体装置において、基板と、当該基板上に形成された絶縁層とを有し、第1の電極は、絶縁層の表面からその厚み方向に形成された孔に対して、電極材料が埋め込まれることで形成され、可変抵抗層は、第1の電極と接続状態を有して、絶縁層の表面に積層され、第2の電極は、可変抵抗層の表面に積層されていることを特徴とする。
(8) In the semiconductor device according to (7) above, when carriers are injected into the variable resistance layer, the region near the portion where the smaller size electrode is connected is increased in resistance. And
(9) In the semiconductor device according to the above (4) to (8), the semiconductor device includes a substrate and an insulating layer formed on the substrate, and the first electrode is formed in the thickness direction from the surface of the insulating layer. The variable resistance layer has a connection state with the first electrode and is laminated on the surface of the insulating layer, and the second electrode has a variable resistance. It is characterized by being laminated on the surface of the layer.

(10) 上記(4)〜(9)に係る半導体装置において、対をなす第1の電極と第2の電極と、両電極に挟まれた可変抵抗層とにより単位スイッチ素子が形成され、単位スイッチ素子における第1の電極および第2の電極の一方が、プレート線に接続され、他方が選択トランジスタ素子部を介してビット線に接続されており、選択トランジスタ素子部のゲート電極がワード線に接続されてなることを特徴とする。   (10) In the semiconductor device according to the above (4) to (9), a unit switch element is formed by a pair of first electrode and second electrode, and a variable resistance layer sandwiched between the two electrodes, One of the first electrode and the second electrode in the switch element is connected to the plate line, the other is connected to the bit line via the selection transistor element section, and the gate electrode of the selection transistor element section is connected to the word line It is characterized by being connected.

(11) 上記(1)〜(11)に係る半導体装置において、可変抵抗層は、化学組成式AXA'(1-X)YZで表される材料からなることを特徴とする。ここで、上記化学組成式においては、A、A'、B、OおよびX、Y、Zを次のように規定する。
※A;La、Ce、Bi、Pr、Nd、Pm、Sm、Y、Sc、Yb、Lu、Gdで構成される元素群の中から選択される少なくとも1種類の元素
※A';Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Zn、Cdで構成される元素群の中から選択される少なくとも1種類の元素
※B;Mn、Ce、V、Fe、Co、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Zr、Hf、Niで構成される元素群の中から選択される少なくとも1種類の元素
※0≦X≦1
※0≦Y≦2
※1≦Z≦7
また、本発明に係る半導体装置の駆動方法は、以下の特徴を有する。
(11) In the semiconductor device according to (1) to (11), the variable resistance layer is made of a material represented by a chemical composition formula A X A ′ (1-X) B Y O Z . Here, in the above chemical composition formula, A, A ′, B, O and X, Y, and Z are defined as follows.
* A: At least one element selected from the group consisting of La, Ce, Bi, Pr, Nd, Pm, Sm, Y, Sc, Yb, Lu, Gd * A ': Mg, Ca , Sr, Ba, Pb, Zn, Cd, at least one element selected from the group consisting of elements * B; Mn, Ce, V, Fe, Co, Nb, Ta, Cr, Mo, W, At least one element selected from the group consisting of Zr, Hf, and Ni * 0 ≦ X ≦ 1
* 0 ≦ Y ≦ 2
* 1 ≦ Z ≦ 7
The method for driving a semiconductor device according to the present invention has the following characteristics.

(12) 本発明に係る半導体装置の駆動方法は、ペロブスカイト構造を有する材料からなる可変抵抗層に対して、電界の変化により電気特性の変化を生じさせる駆動方法であって、可変抵抗層の電気抵抗の変化を生じさせるために、キャリアの注入を行うことを特徴とする。
(13) 上記(12)に係る半導体装置の駆動方法において、可変抵抗層に対して注入するキャリアの密度を、電流密度にして104A/cm2以上とすることを特徴とする。
(12) A driving method of a semiconductor device according to the present invention is a driving method for causing a change in electrical characteristics by a change in an electric field with respect to a variable resistance layer made of a material having a perovskite structure. In order to cause a change in resistance, carriers are injected.
(13) The method for driving a semiconductor device according to (12) is characterized in that the density of carriers injected into the variable resistance layer is 10 4 A / cm 2 or more in terms of current density.

(14) 上記(12)、(13)に係る半導体装置の駆動方法において、可変抵抗層に対してキャリアを注入することにより、局部的に高抵抗化を図ることを特徴とする。
(15) 上記(12)〜(14)に係る半導体装置の駆動方法において、可変抵抗層の両主表面には、第1および第2の電極が接続されており、可変抵抗層に対して、第1および第2の電極を介して電圧を印加することでキャリアの注入を行うものであり、キャリアの注入により、可変抵抗層における前記第1および第2の電極の内の一方が接続された部分近傍で高抵抗化が図られることを特徴とする。
(14) The method for driving a semiconductor device according to (12) or (13) is characterized in that the resistance is locally increased by injecting carriers into the variable resistance layer.
(15) In the method for driving a semiconductor device according to (12) to (14), the first and second electrodes are connected to both main surfaces of the variable resistance layer. Carrier injection is performed by applying a voltage via the first and second electrodes, and one of the first and second electrodes in the variable resistance layer is connected by carrier injection. High resistance is achieved in the vicinity of the portion.

(16) 上記(15)に係る半導体装置の駆動方法において、可変抵抗層に対してキャリアの引き抜きを行うことにより、当該可変抵抗層における高抵抗化が図られた部分の低抵抗化を図ることを特徴とする。
(17) 上記(16)に係る半導体装置の駆動方法において、キャリアの引き抜きは、キャリアの注入の際とは逆極性の電圧を、第1および第2の電極に対して印加することにより実施することを特徴とする。
(16) In the method for driving a semiconductor device according to (15), by extracting carriers from the variable resistance layer, the resistance of the variable resistance layer in which the resistance is increased can be reduced. It is characterized by.
(17) In the method for driving a semiconductor device according to (16) above, the carrier extraction is performed by applying a voltage having a polarity opposite to that at the time of carrier injection to the first and second electrodes. It is characterized by that.

本発明に係る半導体装置およびその駆動方法は、上記(1)、(12)のように、駆動部がキャリア注入手段を有しているところに特徴を有し、これより可変抵抗層へのキャリア注入量によってその抵抗値を制御可能である。よって、本発明に係る半導体装置では、可変抵抗層へのキャリアを所望の密度で注入できるよう電圧パルスの波形および素子構造を設定することにより、単一の電圧パルスの印加であっても、可変抵抗層の抵抗値を3桁以上変化させることが可能となる。   The semiconductor device and the driving method thereof according to the present invention are characterized in that the driving unit has carrier injection means as described in the above (1) and (12). The resistance value can be controlled by the injection amount. Therefore, in the semiconductor device according to the present invention, the voltage pulse waveform and the element structure are set so that carriers can be injected into the variable resistance layer at a desired density, so that even a single voltage pulse can be applied. It becomes possible to change the resistance value of the resistance layer by three digits or more.

したがって、本発明に係る半導体装置およびその駆動方法は、少ない回数での電圧パルスの印加によっても可変抵抗層に大きな抵抗値の変化を引き起こすことが可能であって、動作速度が速いという優位性を有する。特に、上記(2)、(13)のように、注入キャリアの密度を、電流密度にして104A/cm2とした場合には、単一の電圧パルスの印加によって可変抵抗層の抵抗値を3桁以上変化させることが可能であり、スイッチ機能を果たすのに有効であり、メモリ装置などへの適用に適するものとすることができる。 Therefore, the semiconductor device and the driving method thereof according to the present invention can cause a large change in resistance value in the variable resistance layer even by applying a voltage pulse with a small number of times, and have an advantage of high operating speed. Have. In particular, when the density of injected carriers is 10 4 A / cm 2 as the current density as in (2) and (13) above, the resistance value of the variable resistance layer can be obtained by applying a single voltage pulse. Can be changed by three digits or more, which is effective for fulfilling the switching function and can be applied to a memory device or the like.

また、本発明に係る半導体装置およびその駆動方法では、上記(3)、(14)のように、可変抵抗層における抵抗変化領域をその一方の主面とその近傍とし、局部的にすることで、可変抵抗層における抵抗値変化に要する時間の短縮を図ることが可能となる。このため、このようにすることで、本発明に係る半導体装置およびその駆動方法は、動作速度の速いスイッチング機能を有することとなる。   Further, in the semiconductor device and the driving method thereof according to the present invention, as shown in the above (3) and (14), the variable resistance layer in the variable resistance layer is set to one main surface and the vicinity thereof to be localized. Thus, it is possible to shorten the time required for changing the resistance value in the variable resistance layer. For this reason, by doing so, the semiconductor device and the driving method thereof according to the present invention have a switching function with a high operating speed.

可変抵抗層へのキャリア注入の具体例としては、上記(4)、(15)のように、可変抵抗層に対して第1および第2の電極を接続しておき、この電極を介して電圧パルスを印加するという構成、方法を採用することができる。このように電圧パルスを印加し、キャリアを注入するようにすれば、印加電圧パルスにおける振幅と時間の制御によって、注入キャリア密度の調整を実施することができ、高い精度、速い速度での抵抗変化をなすことが可能となる。   As a specific example of carrier injection into the variable resistance layer, as described in (4) and (15) above, the first and second electrodes are connected to the variable resistance layer, and a voltage is applied via this electrode. A configuration and a method of applying a pulse can be employed. By applying voltage pulses and injecting carriers in this way, it is possible to adjust the injected carrier density by controlling the amplitude and time of the applied voltage pulse, and the resistance change at high accuracy and high speed. It becomes possible to make.

また、本発明に係る半導体装置およびその駆動方法では、上記(5)、(16)のように、キャリアの注入により高抵抗状態となった可変抵抗層からキャリアを引き抜くことによって、速い速度で低抵抗状態へと変化させることが可能となる。特に、本発明に係る半導体装置およびその駆動方法では、上記(6)、(17)のように、キャリア注入時とは逆特性の電圧パルスを第1および第2の電極へと印加することで、速い速度でのスイッチング動作が可能となる。   Further, in the semiconductor device and the driving method thereof according to the present invention, as described in the above (5) and (16), the carrier is pulled out from the variable resistance layer that has been brought into the high resistance state by the carrier injection, thereby reducing the speed at a high speed. It becomes possible to change to a resistance state. In particular, in the semiconductor device and the driving method thereof according to the present invention, as described in the above (6) and (17), a voltage pulse having a characteristic opposite to that at the time of carrier injection is applied to the first and second electrodes. Switching operation at a high speed is possible.

なお、本発明に係る半導体装置では、上記(7)、(8)のように、可変抵抗層に対して接続される第1および第2の電極を、互いの接続サイズが相違するように設定することが抵抗変化領域の局所的なものとするのに適している。
また、上記(9)のように、本発明に係る半導体装置は、基板上の絶縁層に設けた孔(ヴィアホールまたはコンタクトホール)に電極材料を埋め込んで第1の電極を形成するという構成を採用することで、他の回路素子部、例えば、電界効果トランジスタ素子部との間の間隙を狭くすることができ、装置の小型化を図るのが容易となる。
In the semiconductor device according to the present invention, as described in (7) and (8) above, the first and second electrodes connected to the variable resistance layer are set so that their connection sizes are different from each other. This is suitable for making the resistance change region local.
Further, as described in (9) above, the semiconductor device according to the present invention has a configuration in which the first electrode is formed by embedding an electrode material in a hole (via hole or contact hole) provided in the insulating layer on the substrate. By adopting it, it is possible to narrow a gap between other circuit element portions, for example, a field effect transistor element portion, and it becomes easy to reduce the size of the device.

そして、このような高速のスイッチング動作が可能な半導体装置の適用例としては、上記(10)のような選択トランジスタと当該可変抵抗素子部との組み合わせで構成されるメモリ装置があげられる。   As an application example of the semiconductor device capable of such a high-speed switching operation, there is a memory device constituted by a combination of the selection transistor as described in (10) and the variable resistance element portion.

(基本原理)
最初に、本発明の基本原理について、図1〜図4を参照しながら説明する。図1は、本発明に係る半導体装置の基本原理を説明するための可変抵抗素子モデル1の要部構成を示す模式断面図である。
図1に示すように、可変抵抗素子モデル1は、基板10の一方の主表面上に、第1電極11と、可変抵抗層20とが順に積層され、可変抵抗層20の表面上に互いに接続サイズが異なる第2電極12a、第3電極12b、第4電極12c、第5電極12dが積層されて構成されている。可変抵抗層20の主表面上における第2電極12a、第3電極12b、第4電極12c、第5電極12dは、それぞれ可変抵抗層20に対して互いに相違する面積をもって接合されており、また、互いの間に間隙をあけて形成されている。
(Basic principle)
First, the basic principle of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the main configuration of a variable resistance element model 1 for explaining the basic principle of a semiconductor device according to the present invention.
As shown in FIG. 1, in the variable resistance element model 1, a first electrode 11 and a variable resistance layer 20 are sequentially stacked on one main surface of a substrate 10, and are connected to each other on the surface of the variable resistance layer 20. The second electrode 12a, the third electrode 12b, the fourth electrode 12c, and the fifth electrode 12d having different sizes are laminated. The second electrode 12a, the third electrode 12b, the fourth electrode 12c, and the fifth electrode 12d on the main surface of the variable resistance layer 20 are joined to the variable resistance layer 20 with different areas, respectively, They are formed with a gap between them.

上記構成において、第1電極11は、スパッタ法を用いて材料Ptから形成された厚さ200nmの層状電極である。また、可変抵抗層20は、パルス・レーザー堆積(PLD)法を用いて、第1電極11上に形成された厚さ100nmでPCMO材料を堆積させることで形成されている。また、第2電極12a、第3電極12b、第4電極12c、第5電極12dの各々は、スパッタ法を用いて、材料Ptで形成された厚さ200nmの電極である。上記電極12a、12b、12c、12dの各々の面積と形状は、フォト・レジスト・マスクによって規定され、イオン・ミリング法を用いて形成加工されている。   In the above configuration, the first electrode 11 is a layered electrode having a thickness of 200 nm formed from the material Pt using a sputtering method. The variable resistance layer 20 is formed by depositing a PCMO material with a thickness of 100 nm formed on the first electrode 11 using a pulsed laser deposition (PLD) method. In addition, each of the second electrode 12a, the third electrode 12b, the fourth electrode 12c, and the fifth electrode 12d is an electrode having a thickness of 200 nm formed of a material Pt using a sputtering method. The area and shape of each of the electrodes 12a, 12b, 12c, and 12d are defined by a photo resist mask, and are formed and processed using an ion milling method.

図1に示すように、可変抵抗層20の主表面上における電極12a、12b、12c、12dは、4種のドット・パターンとしており、それぞれφA(=φ120μm)、φB(=φ60μm)、φC(=φ30μm)、φD(=φ10μm)の直径をもって形成されている。なお、図示を省略しているが、第1の電極11と第2電極12a、第3電極12b、第4電極12c、第5電極12dとの間には、電圧パルス印加用の駆動回路が接続されている。   As shown in FIG. 1, the electrodes 12a, 12b, 12c, and 12d on the main surface of the variable resistance layer 20 have four types of dot patterns, φA (= φ120 μm), φB (= φ60 μm), and φC ( = Φ30 μm) and φD (= φ10 μm). Although not shown, a drive circuit for applying a voltage pulse is connected between the first electrode 11, the second electrode 12a, the third electrode 12b, the fourth electrode 12c, and the fifth electrode 12d. Has been.

ここで、可変抵抗層20を挟む第1電極11と第2電極12a、第3電極12b、第4電極12c、第5電極12dとの間に、それぞれ振幅5V、パルス幅50nsec.の電圧パルスを印加し、そのときに各電極対間における可変抵抗層20での抵抗値の相対変化を図2に示す。図2において、Rminは、電圧パルス印加前の抵抗値、Rmaxは、電圧パルス印加後の抵抗値を示すものであり、抵抗値の相対変化の程度を((Rmax−Rmin)/Rmin)を指標として評価した。   Here, between the first electrode 11 and the second electrode 12a, the third electrode 12b, the fourth electrode 12c, and the fifth electrode 12d sandwiching the variable resistance layer 20, the amplitude is 5 V and the pulse width is 50 nsec. FIG. 2 shows a relative change in the resistance value in the variable resistance layer 20 between each electrode pair at that time. In FIG. 2, Rmin represents a resistance value before the voltage pulse is applied, Rmax represents a resistance value after the voltage pulse is applied, and the degree of relative change in the resistance value is indicated by ((Rmax−Rmin) / Rmin). As evaluated.

図2に示すように、各々の電極対に同一の電圧パルスを与えているにもかかわらず、可変抵抗層20の抵抗値の相対変化は、可変抵抗層20に対する電極12a、12b、12c、12dの接続サイズ(直径)に著しく依存している。直径φD=10μmである第5電極12dと第1電極11との間に電圧パルスを印加したときには、可変抵抗層20が3桁以上の抵抗値の増大を示す。このような抵抗値の変化の電極寸法依存性は、以下に説明するように、可変抵抗層20の一方の主表面上の電極12a、12b、12c、12dの接続サイズの縮小に伴い電極接続部分への電界集中が顕著になり、これによって可変抵抗層20における電極接続部分近傍での電界強度が上がる。結果として、可変抵抗層20の主表面上における電極12a、12b、12c、12dの接続部分の近傍での電流密度がある閾値を超えたためと解釈できる。これについて、図3を用いて説明する。   As shown in FIG. 2, although the same voltage pulse is applied to each electrode pair, the relative change in the resistance value of the variable resistance layer 20 is caused by the electrodes 12a, 12b, 12c, 12d with respect to the variable resistance layer 20. Depends on the connection size (diameter). When a voltage pulse is applied between the fifth electrode 12d and the first electrode 11 having a diameter φD = 10 μm, the variable resistance layer 20 shows an increase in resistance value of three digits or more. As described below, the electrode size dependency of the change in the resistance value is caused by the reduction in the connection size of the electrodes 12a, 12b, 12c, and 12d on one main surface of the variable resistance layer 20. As a result, the electric field concentration near the electrode connection portion in the variable resistance layer 20 increases. As a result, it can be interpreted that the current density in the vicinity of the connection portion of the electrodes 12a, 12b, 12c, and 12d on the main surface of the variable resistance layer 20 exceeds a certain threshold. This will be described with reference to FIG.

図3(a)は、比較例としての可変抵抗素子モデルを示すものであり、可変抵抗層20に対して、第1電極11と第2電極12eとが略同等のサイズをもって接合されており、可変抵抗層20の層厚に対して十分に大きな面積をもって第2電極12eが形成されている。一方、図3(b)は、実施例としての可変抵抗素子モデルを示すものであり、平板であり可変抵抗層20の主表面と略同等の面積を有する第1電極11に対して、第2電極12fを電極面積をもたない程度の針状の点接触電極として考えた場合のモデルである。   FIG. 3A shows a variable resistance element model as a comparative example. The first electrode 11 and the second electrode 12e are joined to the variable resistance layer 20 with substantially the same size. The second electrode 12 e is formed with a sufficiently large area with respect to the thickness of the variable resistance layer 20. On the other hand, FIG. 3B shows a variable resistance element model as an example. The first electrode 11 is a flat plate and has an area substantially equal to the main surface of the variable resistance layer 20. This is a model when the electrode 12f is considered as a needle-like point contact electrode having no electrode area.

図3(a)に示すように、第1電極11および第2電極12eのそれぞれの面方向の寸法が可変抵抗層20の厚さより十分に大きい場合に、第1電極11と第2電極12eとの間の電界分布は、理想的は平行平板の間のそれとして近似できる。ここで、第1電極11と第2電極12eとの間に印加する電圧をV(V) 、可変抵抗層20の層厚をd(cm) とするとき、第1電極11と第2電極12eとの間の電界E(V/cm) は、可変抵抗層20の層中どこでも一様にV/dであると考えられる。そして、可変抵抗層20の層厚を100nmとするときには、5Vの電圧印加で105V/cmの一様な電界強度が得られる。従って、低抵抗状態における可変抵抗層20の抵抗率をσm (Ω・cm) とすると、第1電極11と第2電極12eとの間の電流密度jは、可変抵抗層20の層内の任意の場所において一様であり、電流密度jは、次の式により示される。
(数1) j=E/σm (A/cm2
一方、図3(b)に示す実施例に係る可変抵抗素子モデルでは、第1電極11を鏡映面とする鏡像ポテンシャルが第1電極11と第2の電極12fとの間に形成される。このとき、第2電極12fから第1電極11に向かう電気力線は、図3(b)に示すとおり等方的であり、第2電極12fから第1電極11へ向う距離をrとすれば、第1電極11と第2電極12fとの間の電界Eは、その方位によらず距離rだけで規定される。つまり、第2電極12fから距離r だけ離れた位置の電界Eは、V/rで表される。従って、実施例に係る可変抵抗素子モデルでは、距離rの極めて小さい第2電極12fの極近傍の電界が、上述の比較例に係る素子モデルでの平行平板の間のそれにくらべて数桁強くなりうる。その結果、第2電極12fの極近傍の電流密度は、上式に基づき比較例に係る可変抵抗素子モデルに比べて数桁大きくなりうる。この効果は、第2電極12fの水平方向の寸法が可変抵抗層20の厚さに近づくにつれて顕著になると考えられる。
As shown in FIG. 3A, when the dimension in the surface direction of each of the first electrode 11 and the second electrode 12e is sufficiently larger than the thickness of the variable resistance layer 20, the first electrode 11 and the second electrode 12e The electric field distribution between can ideally be approximated as that between parallel plates. Here, when the voltage applied between the first electrode 11 and the second electrode 12e is V (V) and the thickness of the variable resistance layer 20 is d (cm), the first electrode 11 and the second electrode 12e. It is considered that the electric field E (V / cm) between and V is uniformly V / d everywhere in the variable resistance layer 20. When the thickness of the variable resistance layer 20 is 100 nm, a uniform electric field strength of 10 5 V / cm can be obtained by applying a voltage of 5V. Therefore, when the resistivity of the variable resistance layer 20 in the low resistance state is σ m (Ω · cm), the current density j between the first electrode 11 and the second electrode 12e is within the variable resistance layer 20 layer. The current density j is uniform in an arbitrary place, and is expressed by the following equation.
(Equation 1) j = E / σ m (A / cm 2 )
On the other hand, in the variable resistance element model according to the embodiment shown in FIG. 3B, a mirror image potential having the first electrode 11 as a mirror surface is formed between the first electrode 11 and the second electrode 12f. At this time, the electric lines of force from the second electrode 12f to the first electrode 11 are isotropic as shown in FIG. 3B, and if the distance from the second electrode 12f to the first electrode 11 is r. The electric field E between the first electrode 11 and the second electrode 12f is defined only by the distance r regardless of the direction. That is, the electric field E at a position separated from the second electrode 12f by the distance r is represented by V / r. Therefore, in the variable resistance element model according to the example, the electric field in the vicinity of the second electrode 12f having a very small distance r is several orders of magnitude stronger than that between the parallel plates in the element model according to the comparative example. sell. As a result, the current density in the vicinity of the second electrode 12f can be several orders of magnitude larger than the variable resistance element model according to the comparative example based on the above equation. This effect is considered to become more prominent as the horizontal dimension of the second electrode 12 f approaches the thickness of the variable resistance layer 20.

また、上記実験結果は、可変抵抗層20の抵抗変化の過程について、新たに重要な知見を与えるものである。即ち、上記素子モデルを用いた検討から明らかなように、可変抵抗層20を挟む第1電極11と第2電極12fとの間に、一定の振幅、パルス幅を有する電圧パルスを印加したとき、第2電極12fの近傍での電流密度は、可変抵抗層20に対する第2電極12fの接合面積の縮小に応じて著しく増大するが、平板である第1電極11の近傍の電流密度は、平行平板電極対の間を流れる電流密度を超えることはない。従って、図1、図2における直径φ=10μmの第5電極12dを用いたときの3桁以上の抵抗値の増大は、電流密度の高い第5電極12dの近傍のみで発生したと考えるのが妥当である。   Further, the above experimental results give new important knowledge about the process of resistance change of the variable resistance layer 20. That is, as apparent from the examination using the element model, when a voltage pulse having a constant amplitude and a pulse width is applied between the first electrode 11 and the second electrode 12f sandwiching the variable resistance layer 20, The current density in the vicinity of the second electrode 12f increases remarkably as the junction area of the second electrode 12f with respect to the variable resistance layer 20 decreases, but the current density in the vicinity of the first electrode 11 which is a flat plate is a parallel plate. The current density flowing between the electrode pairs is not exceeded. Therefore, it can be considered that the increase in the resistance value of three digits or more when the fifth electrode 12d having the diameter φ = 10 μm in FIGS. 1 and 2 is used is generated only in the vicinity of the fifth electrode 12d having a high current density. It is reasonable.

そして、このような事項より、可変抵抗素子モデルの可変抵抗層20を低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移させるには、可変抵抗層20を挟んで対向し接続される二つの電極の内の何れか一方の接続部分近傍のみを高抵抗状態とすればよいことになる。そこで、本願発明者等は、可変抵抗層20の抵抗変化に対する電流密度の寄与を調べるために、一方の電極である可変抵抗層20の主表面上の電極の接続寸法を30μmで一定とし、電極対に振幅を変えながらパルス幅50nsec.の電圧パルスを1回印加したときに、電極対の間を流れる電流密度の尖頭値と、抵抗値の相対変化との関係を調べた。その結果を、図4に示す。   From these matters, in order to make the variable resistance layer 20 of the variable resistance element model transition from the low resistance state to the high resistance state, whichever of the two electrodes that are opposed and connected with the variable resistance layer 20 interposed therebetween is selected. Only the vicinity of one of the connection portions needs to be in a high resistance state. Therefore, in order to investigate the contribution of the current density to the resistance change of the variable resistance layer 20, the inventors of the present application set the connection dimension of the electrode on the main surface of the variable resistance layer 20 as one electrode to be constant at 30 μm. While changing the amplitude in pairs, the pulse width is 50 nsec. When the voltage pulse of 1 was applied once, the relationship between the peak value of the current density flowing between the electrode pair and the relative change in the resistance value was examined. The result is shown in FIG.

図4に示すように、電極対の間を流れる電流密度の尖頭値が104A/cm2を超えたあたりで抵抗値は急激に増大し、2×104A/cm2で最大値をとる。さらに、それ以上の大きな電流密度を与えようとすると、可変抵抗層20は破壊に至った。従って、可変抵抗層20に3桁以上の抵抗変化を誘起するには、電流密度で104A/cm2以上の電流を可変抵抗層20に流せばよいことがわかる。 As shown in FIG. 4, when the peak value of the current density flowing between the electrode pair exceeds 10 4 A / cm 2 , the resistance value increases rapidly, and the maximum value is 2 × 10 4 A / cm 2. Take. Furthermore, when trying to give a larger current density than that, the variable resistance layer 20 was destroyed. Therefore, it can be seen that in order to induce a resistance change of three orders of magnitude or more in the variable resistance layer 20, a current having a current density of 10 4 A / cm 2 or more should flow through the variable resistance layer 20.

以上のような可変抵抗層20における大きな抵抗変化の物理過程については、以下のように考えればよい。可変抵抗層20の形成に、例えばPCMO材料を用いた場合、層中には3価にイオン化したマンガンMn3+と、4価にイオン化したマンガンMn4+とがおよそ2:1の比率で混在している。また、Mn3+のd軌道には、3個の局在電子と1個の伝導電子が、Mn4+のd軌道には、3個の局在電子がそれぞれ配位している。常温では、Mn3+の伝導電子が酸素結合を介してMn4+に跳び移ることができ、伝導電子を失ったマンガン原子は、Mn4+にイオン化して、近傍のMn3+の伝導電子を受け入れることができる。つまりPCMO材料からなる可変抵抗層20におけるMn4+は、半導体におけるアクセプタと同様の役割を担う。 The physical process of large resistance change in the variable resistance layer 20 as described above may be considered as follows. For example, when a PCMO material is used to form the variable resistance layer 20, trivalent ionized manganese Mn 3+ and tetravalent ionized manganese Mn 4+ are mixed in a ratio of about 2: 1 in the layer. is doing. In addition, three localized electrons and one conduction electron are coordinated to the d orbital of Mn 3+ , and three localized electrons are coordinated to the d orbital of Mn 4+ . At normal temperature, the conduction electrons of Mn 3+ can jump to Mn 4+ through an oxygen bond, and the manganese atom that has lost the conduction electrons is ionized to Mn 4+ and the conduction electrons of nearby Mn 3+ . Can accept. That is, Mn 4+ in the variable resistance layer 20 made of PCMO material plays the same role as an acceptor in a semiconductor.

従って、PCMO材料からなる可変抵抗層20は、常温において導電状態、即ち、低抵抗状態にある。このとき、可変抵抗層20のキャリアはMn3+に付随する伝導電子である。ここで可変抵抗層20に電流を流しても、Mn3+からMn4+へ伝導電子を受け渡す能力を超えない程度の低い電流密度であれば、可変抵抗層20は低抵抗状態を保つことができる。可変抵抗層20に電流を流すということは、陰極からキャリアである電子を注入すると考えてよい。 Therefore, the variable resistance layer 20 made of the PCMO material is in a conductive state, that is, a low resistance state at room temperature. At this time, the carriers of the variable resistance layer 20 are conduction electrons associated with Mn 3+ . Here, even if a current is passed through the variable resistance layer 20, the variable resistance layer 20 is kept in a low resistance state if the current density is low enough not to exceed the ability to transfer conduction electrons from Mn 3+ to Mn 4+ . Can do. Flowing current through the variable resistance layer 20 may be considered as injecting electrons as carriers from the cathode.

ここで、Mn3+からMn4+へ伝導電子を受け渡す能力を超える程高い電流密度で電子を注入する過程を考える。そのような電流密度は、可変抵抗素子モデルの可変抵抗層20を挟んで対向する二つの電極のうち何れか一方の接続部分近傍のみを高抵抗状態とするに十分である。また、これによって高い電流密度で満たされた領域のMn4+は、過剰の伝導電子1個を受け取って全てMn3+になりうる。その結果、高い電流密度で満たされた領域のマンガン原子は、一時的にでもすべてMn3+で満たされるという状況になるであろう。この状況下では、Mn3+の伝導電子はクーロン斥力によって互いに反発しあい、遍歴性を失って各々のMn3+イオンに局在化することになる。この状態は局部的に、具体的には電流密度の高い電極近傍に、伝導電子が凍結したことになり、このように高い電流密度で満たされた領域は絶縁体相に転移する。即ち、PCMO材料からなる可変抵抗層20は、高抵抗状態になる。 Here, consider the process of injecting electrons at a current density that is high enough to exceed the ability to transfer conduction electrons from Mn 3+ to Mn 4+ . Such a current density is sufficient to make a high resistance state only in the vicinity of one of the two electrodes facing each other across the variable resistance layer 20 of the variable resistance element model. Also, this allows Mn 4+ in the region filled with high current density to receive all the excess conduction electrons and become all Mn 3+ . As a result, the manganese atoms in the region filled with high current density will be in a situation where they are all temporarily filled with Mn 3+ . Under this circumstance, the conduction electrons of Mn 3+ repel each other due to Coulomb repulsion, lose their itinerant nature and localize to each Mn 3+ ion. In this state, conduction electrons are frozen locally, specifically in the vicinity of an electrode having a high current density, and the region filled with such a high current density is transferred to the insulator phase. That is, the variable resistance layer 20 made of the PCMO material is in a high resistance state.

そのような十分な抵抗変化を引き起こすために必要なキャリアの注入密度が、上述のように、電流にして104A/cm2以上であると考えられる。このとき、過剰なキャリアが注入されている分可変抵抗層20の静電エネルギーは上昇するので、このエネルギー上昇を抑えるために可変抵抗層20を構成するPCMO材料は自発的に結晶を変形させている可能性がある。この場合、可変抵抗層20の高抵抗状態は比較的安定で、この変形を上回るエネルギーを系に与えなければ結晶構造は元の状態に戻らない。従って、この性質を不揮発メモリとして用いることもできる。 As described above, it is considered that the carrier injection density necessary to cause such a sufficient resistance change is 10 4 A / cm 2 or more in terms of current. At this time, since the electrostatic energy of the variable resistance layer 20 is increased by the excess carrier injection, the PCMO material constituting the variable resistance layer 20 spontaneously deforms the crystal in order to suppress this energy increase. There is a possibility. In this case, the high resistance state of the variable resistance layer 20 is relatively stable, and the crystal structure does not return to its original state unless energy exceeding this deformation is given to the system. Therefore, this property can also be used as a nonvolatile memory.

上述のように、高抵抗状態となった可変抵抗層20を低抵抗状態に引き戻すには、高抵抗化した領域に局在化した過剰なキャリア、具体的には電子をこの領域から引き抜いてやればよい。そのためには、高抵抗化した部位に電位差を与えて過剰なキャリアを引き抜く。この電位差は、大きいほどキャリアの引き抜き効率は高まるので、高抵抗化した部位は薄いほどよい。これによって、Mn3+とMn4+との比率を、略2:1に戻すことができる。その結果、過剰キャリアによる静電エネルギーは取り除かれ、可変抵抗層20を構成するPCMO材料の結晶構造は変形したままのほうが弾性エネルギーが高いので、もとの結晶構造に自発的に復旧し、低抵抗状態となる。 As described above, in order to return the variable resistance layer 20 in the high resistance state to the low resistance state, it is necessary to extract excess carriers localized in the high resistance region, specifically, electrons from this region. That's fine. For that purpose, a potential difference is given to the portion where the resistance is increased, and excess carriers are extracted. The larger this potential difference is, the higher the carrier extraction efficiency is. Therefore, the thinner the region where the resistance is increased, the better. As a result, the ratio of Mn 3+ to Mn 4+ can be returned to approximately 2: 1. As a result, the electrostatic energy due to excess carriers is removed, and the elastic energy is higher when the crystal structure of the PCMO material constituting the variable resistance layer 20 remains deformed. It becomes a resistance state.

この場合に、可変抵抗層20に注入されたキャリアを可変抵抗層20の外部へ引き抜く手段としては、可変抵抗層20の両主表面に設けた一つの電極に対して、可変抵抗層20にキャリアを注入する際とは逆極性の電圧を印加することが好ましい。
(実施の形態1)
以下では、実施の形態1に係る半導体装置について、図5を用いて説明する図5は、本実施の形態に係る半導体装置における可変抵抗素子部100を示す模式断面図である。
In this case, as a means for extracting the carriers injected into the variable resistance layer 20 to the outside of the variable resistance layer 20, the carrier in the variable resistance layer 20 is used for one electrode provided on both main surfaces of the variable resistance layer 20. It is preferable to apply a voltage having a polarity opposite to that at the time of injection.
(Embodiment 1)
Hereinafter, the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 5. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the variable resistance element unit 100 in the semiconductor device according to the present embodiment.

図5に示すように、本実施の形態に係る可変抵抗素子部100は、基板10の一方の主表面上に第1電極111と可変抵抗層120とが順に積層され、さらに可変抵抗層120の主表面上における一部領域に第2電極112が積層形成され構成されている。可変抵抗素子部100の構成要素の内、第1電極111は、スパッタ法を用いPtから形成された厚み200nmの電極層である。   As shown in FIG. 5, in the variable resistance element unit 100 according to the present embodiment, a first electrode 111 and a variable resistance layer 120 are sequentially stacked on one main surface of the substrate 10. A second electrode 112 is laminated and formed in a partial region on the main surface. Among the constituent elements of the variable resistance element unit 100, the first electrode 111 is an electrode layer having a thickness of 200 nm formed from Pt using a sputtering method.

また、第1電極111と第2電極112との間にその一部が挟まれる可変抵抗層120は、パルス・レーザー堆積(PLD)法を用い、PCMO材料から形成された厚み100nmの層である。可変抵抗層120の主表面上における第2電極112は、第1電極111と同様にスパッタ法を用い、Ptから形成された厚み200nmの電極層であり、その直径φが10〜30μmに設定されている。   The variable resistance layer 120, part of which is sandwiched between the first electrode 111 and the second electrode 112, is a 100 nm thick layer formed from a PCMO material using a pulsed laser deposition (PLD) method. . The second electrode 112 on the main surface of the variable resistance layer 120 is a 200 nm-thick electrode layer formed from Pt using a sputtering method in the same manner as the first electrode 111, and its diameter φ is set to 10 to 30 μm. ing.

本実施の形態に係る可変抵抗素子部100では、例えば、第2電極112の直径を10μmとし、可変抵抗層120を挟む第1電極111と第2電極112とで構成される電極対に、振幅が5Vで、パルス幅が50nsec.に設定の電圧パルスが印加された場合、図2に示すように、3桁以上の抵抗値の増大が実現される。また、例えば、第2電極112の直径φを30μmにし、可変抵抗層120を挟む第1電極111と第2電極112との間に、パルス幅が50nsec.の電圧パルスが1回印加された場合、第1電極111と第2電極112との間を流れる電流密度の尖頭値を104A/cm2以上とすることにより、3桁以上の抵抗値の増大が実現される。抵抗値の増大の原理は、上記の通りである。 In the variable resistance element unit 100 according to the present exemplary embodiment, for example, the diameter of the second electrode 112 is 10 μm, and the amplitude is applied to the electrode pair formed by the first electrode 111 and the second electrode 112 sandwiching the variable resistance layer 120. Is 5 V and the pulse width is 50 nsec. When a set voltage pulse is applied, as shown in FIG. 2, an increase in resistance value of three digits or more is realized. For example, the diameter φ of the second electrode 112 is set to 30 μm, and the pulse width is 50 nsec. Between the first electrode 111 and the second electrode 112 sandwiching the variable resistance layer 120. When the voltage pulse of 1 is applied once, the peak value of the current density flowing between the first electrode 111 and the second electrode 112 is set to 10 4 A / cm 2 or more, so that the resistance value is 3 digits or more. Increase is realized. The principle of increasing the resistance value is as described above.

また、第1電極111と第2電極112との間に、可変抵抗層120にキャリアを注入するときとは逆極性の電圧を印加した場合には、可変抵抗層120に注入されたキャリアを高速で可変抵抗層120の外部へと引き抜くことができ、可変抵抗層120は低抵抗状態となる。この場合の抵抗値の減少の原理も、上記の通りである。よって、本実施の形態に係る可変抵抗素子部100を備える半導体装置では、可変抵抗層120へ注入するキャリアを所望の密度となるよう電圧パルスの波形および素子構造を設定することにより、単一の電圧パルスであっても、可変抵抗層120の抵抗値を大きく変化させることが可能となり、速い速度でのスイッチング動作が実現可能となる。   In addition, when a voltage having a polarity opposite to that of injecting carriers into the variable resistance layer 120 is applied between the first electrode 111 and the second electrode 112, the carriers injected into the variable resistance layer 120 are transferred at high speed. Can be pulled out of the variable resistance layer 120, and the variable resistance layer 120 is in a low resistance state. The principle of decreasing the resistance value in this case is also as described above. Therefore, in a semiconductor device including the variable resistance element unit 100 according to the present embodiment, a single voltage pulse waveform and element structure are set so that carriers injected into the variable resistance layer 120 have a desired density. Even with a voltage pulse, the resistance value of the variable resistance layer 120 can be greatly changed, and a switching operation at a high speed can be realized.

また、図5に示す可変抵抗素子部100では、可変抵抗層120において抵抗値の変化を生じる領域が、その一表面の近傍のみであることから、可変抵抗層120が低抵抗状態と高抵抗状態との間を変化する領域が極めて小さい体積に限定される。よって、本実施の形態に係る可変抵抗素子部100では、可変抵抗層120が低抵抗状態と高抵抗状態との間を変化するために必要となる時間を短縮化することができ、結果として、速い速度でのスイッチング動作を実現することができる。なお、可変抵抗層120における抵抗変化を生じる具体的な領域は、第1電極111と第2電極112とが図5に示すような可変抵抗層120への接続サイズ関係を有するときには接合サイズ(面積)が小さい第2電極112の接続された箇所とその近傍の領域となる。これは、この領域で電界集中を生じるためである。   Further, in the variable resistance element unit 100 shown in FIG. 5, the variable resistance layer 120 has a region in which the resistance value changes only in the vicinity of one surface thereof, so that the variable resistance layer 120 has a low resistance state and a high resistance state. The region changing between and is limited to a very small volume. Therefore, in the variable resistance element unit 100 according to the present embodiment, the time required for the variable resistance layer 120 to change between the low resistance state and the high resistance state can be shortened. A switching operation at a high speed can be realized. A specific region in which the resistance change in the variable resistance layer 120 occurs is a junction size (area) when the first electrode 111 and the second electrode 112 have a connection size relationship to the variable resistance layer 120 as shown in FIG. ) Is a portion where the second electrode 112 is connected and a region in the vicinity thereof. This is because electric field concentration occurs in this region.

また、本実施の形態に係る可変抵抗素子部100では、第2電極112の直径φを10〜30μmとしたが、第1電極111と第2電極112との間を流れる電流密度の値を104A/cm2以上とすることができるならば、それに応じて適宜変更可能なものであり、上記数値範囲に限定を受けるものではない。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2に係る半導体装置について、図6および図7を用いて説明する。図6は、本実施の形態に係る半導体装置が備えるメモリ素子200を示すを含む要部断面図であり、図7は、その等価回路図である。
In the variable resistance element unit 100 according to the present embodiment, the diameter φ of the second electrode 112 is 10 to 30 μm, but the value of the current density flowing between the first electrode 111 and the second electrode 112 is 10 If it can be 4 A / cm 2 or more, it can be appropriately changed accordingly, and is not limited to the above numerical range.
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part including a memory element 200 included in the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 7 is an equivalent circuit diagram thereof.

図6に示すように、本実施の形態に係るメモリ素子200は、例えば、シリコンなどの半導体材料からなる基板210の主表面上に、酸化シリコンなどからなる絶縁層230、PCMO材料などのペロブスカイト構造を有する遷移金属材料からなる可変抵抗層220、PtやIrなどからなる第1電極211が順に積層され形成されている。また、メモリ素子200では、基板210と絶縁層230との界面から基板210の厚み方向内方に向けて、2ヶ所にソース電極242、ドレイン電極243が形成されている。ソース電極242およびドレイン電極243は、各々が基板210の表面における該当領域に対して不純物元素をドープすることにより形成されている。   As shown in FIG. 6, the memory element 200 according to the present embodiment includes, for example, an insulating layer 230 made of silicon oxide or the like on a main surface of a substrate 210 made of a semiconductor material such as silicon, and a perovskite structure such as a PCMO material. A variable resistance layer 220 made of a transition metal material having a first electrode 211 made of Pt, Ir, or the like is sequentially stacked. In the memory element 200, the source electrode 242 and the drain electrode 243 are formed at two locations from the interface between the substrate 210 and the insulating layer 230 inward in the thickness direction of the substrate 210. Each of the source electrode 242 and the drain electrode 243 is formed by doping an impurity region in a corresponding region on the surface of the substrate 210.

可変抵抗層220は、有機金属溶液を出発原料とし、これをスピン塗布、乾燥、焼成する有機金属堆積(MOD)法や、ほぼ同じ材料からなるターゲットを用いたスパッタ法、あるいはレーザー・アブレーション法などを用いて形成可能である。
絶縁層230の層中におけるソース電極242とドレイン電極243との中間に位置する箇所には、例えば、ポリシリコンなどの材料からなるゲート電極241が設けられている。そして、ゲート電極241、ソース電極242、ドレイン電極243とその間に挟まれた絶縁層230の一部とで、電界効果型の選択トランジスタ部240が形成されている。なお、選択トランジスタ部240における3電極241、242、243の内、ゲート電極241には、ワード線WLが接続され(図7参照)、ドレイン電極243には、ビット線BLが接続されている(図7参照)。
The variable resistance layer 220 uses an organic metal solution as a starting material, spin coating, drying, and firing the organic metal deposition (MOD) method, a sputtering method using a target made of substantially the same material, or a laser ablation method. Can be formed.
A gate electrode 241 made of, for example, a material such as polysilicon is provided at a position located in the middle of the source electrode 242 and the drain electrode 243 in the insulating layer 230. The gate electrode 241, the source electrode 242, the drain electrode 243, and a part of the insulating layer 230 sandwiched therebetween form a field effect type select transistor 240. Of the three electrodes 241, 242, and 243 in the select transistor portion 240, the gate electrode 241 is connected to the word line WL (see FIG. 7), and the drain electrode 243 is connected to the bit line BL (see FIG. 7). (See FIG. 7).

絶縁層230には、選択トランジスタ部240のソース電極242と可変抵抗層220とを結ぶように第2電極212が設けられている。第2電極212は、絶縁層230における該当箇所にコンタクトホールが設けられ、そのコンタクトホールに対して、例えば、Wやポリシリコンなどからなる電極材料の埋め込みにより形成されている。第2電極212は、選択トランジスタ240におけるソース電極242と可変抵抗層220とを接続している。以上のようにして、メモリ素子200では、可変抵抗層220と第1電極211および第2電極212とで可変抵抗素子部250が形成されている。   A second electrode 212 is provided on the insulating layer 230 so as to connect the source electrode 242 of the selection transistor portion 240 and the variable resistance layer 220. The second electrode 212 is formed by providing a contact hole at a corresponding position in the insulating layer 230 and filling the contact hole with an electrode material made of, for example, W or polysilicon. The second electrode 212 connects the source electrode 242 and the variable resistance layer 220 in the selection transistor 240. As described above, in the memory element 200, the variable resistance element portion 250 is formed by the variable resistance layer 220, the first electrode 211, and the second electrode 212.

なお、第2電極212と可変抵抗層220との間および第1電極211と可変抵抗層220との間には、必要に応じて相互拡散を防止する拡散バリア層を挿入してもよい。
以上のような構成を有するメモリ素子200は、図7に示すような回路構成を採り、可変抵抗素子部250の一方(第2電極212)が選択トランジスタ部240のソース電極242に接続され、他方(第1電極211)がプレート線PLに接続されている。また、選択トランジスタ部240は、上述のように、ゲート電極241がワード線WLに接続され、ドレイン電極243がビット線BLに接続されている。このように互いが接続された選択トランジスタ部240と可変抵抗素子部250とでメモリ素子200が構成されている。
A diffusion barrier layer for preventing mutual diffusion may be inserted between the second electrode 212 and the variable resistance layer 220 and between the first electrode 211 and the variable resistance layer 220 as necessary.
The memory element 200 having the above configuration has a circuit configuration as shown in FIG. 7, and one of the variable resistance element portions 250 (second electrode 212) is connected to the source electrode 242 of the selection transistor portion 240, and the other (First electrode 211) is connected to plate line PL. Further, as described above, in the selection transistor portion 240, the gate electrode 241 is connected to the word line WL, and the drain electrode 243 is connected to the bit line BL. The memory element 200 is configured by the select transistor unit 240 and the variable resistance element unit 250 thus connected to each other.

本実施の形態に係るメモリ素子200において特筆すべきは、可変抵抗層220に対し接合された一方の電極である第1電極211の接合サイズ(面積)が、他方の電極である第2電極212のそれより大きく設定されていることである。可変抵抗層220に対する第2電極212の接合サイズは、可変抵抗層220の厚さに近いほど好ましい。
このような構成を採用することによって、本実施の形態に係るメモリ素子200では、上述における本発明の基本原理のように、第2電極212の近傍に高い電流密度を容易に達成でき、図6に示すように、可変抵抗層220における第2電極212が接続された部分およびその近傍に抵抗変化領域220aが形成される。
It should be noted that in the memory element 200 according to the present embodiment, the junction size (area) of the first electrode 211 that is one electrode joined to the variable resistance layer 220 is the second electrode 212 that is the other electrode. It is set to be larger than that. The junction size of the second electrode 212 with respect to the variable resistance layer 220 is preferably as close as possible to the thickness of the variable resistance layer 220.
By adopting such a configuration, the memory element 200 according to the present embodiment can easily achieve a high current density in the vicinity of the second electrode 212 as in the basic principle of the present invention described above. As shown in FIG. 5, a resistance change region 220a is formed in a portion of the variable resistance layer 220 where the second electrode 212 is connected and in the vicinity thereof.

本実施の形態に係るメモリ素子200では、可変抵抗層220へ注入するキャリアを所望の密度となるよう電圧パルスの波形および素子構造を設定することにより、単一の電圧パルスの印加であっても、可変抵抗層220の抵抗値が大きく変化し(例えば、3桁以上)、速い速度でのスイッチング動作が実現される。
また、本実施の形態に係るメモリ素子200では、可変抵抗層220における抵抗変化領域220aが第2電極212が接合された部分およびその近傍領域のみであることから、可変抵抗層220が低抵抗状態と高抵抗状態との間を変化する領域が極めて小さく限定される。よって、本実施の形態に係るメモリ素子200では、可変抵抗層220が低抵抗状態と高抵抗状態との間を変化するに必要な時間の短縮を図ることが可能であり、結果として、速い速度でのスイッチング動作が実現される。
In the memory element 200 according to the present embodiment, even if a single voltage pulse is applied by setting the waveform of the voltage pulse and the element structure so that carriers injected into the variable resistance layer 220 have a desired density. The resistance value of the variable resistance layer 220 changes greatly (for example, three digits or more), and a switching operation at a high speed is realized.
Further, in the memory element 200 according to the present embodiment, since the variable resistance region 220a in the variable resistance layer 220 is only the portion where the second electrode 212 is joined and the vicinity thereof, the variable resistance layer 220 is in the low resistance state. And the region changing between the high resistance state and the high resistance state are extremely small. Therefore, in the memory element 200 according to the present embodiment, it is possible to shorten the time required for the variable resistance layer 220 to change between the low resistance state and the high resistance state. The switching operation at is realized.

なお、本実施の形態は、本発明の特徴を説明するために用いた一例であり、本発明の本質部分以外については、適宜の変更が可能である。例えば、可変抵抗層220の構成材料については、ペロブスカイト構造を有する材料であり、電界の影響で電気抵抗が変化できるような材料であれば用いることが可能である。また、各構成要素の寸法値についても、電子回路の特性等を考慮し、適宜の変更が可能である。
(実施の形態3)
実施の形態3に係るメモリ装置2000の構成について、図8を用いて説明する。図8は、上記実施の形態2に係るメモリ素子200を単位メモリセル(単位スイッチ素子)として構成されたメモリ装置2000を示す模式回路図である。
1.メモリ装置2000の構成
図8に示すように、本実施の形態に係るメモリ装置2000は、上記実施の形態2に係るメモリ素子200を二次元マトリクス状に配置し、これらに周辺回路であるロウデコーダRD、カラムデコーダCD、センスアンプSAなどを組み合わせることで構成される半導体装置である。具体的には、4行×4列のマトリクス状に配された16個のメモリ素子200には、上述のように、ワード線WL、プレート線PLおよびビット線BLが接続されており、ワード線WLは、ロウデコーダRDに接続されている。ビット線BLおよびプレート線PLは、カラムデコーダCDに接続されている。また、各ビット線BLにおけるカラムデコーダCDとは反対側の端部には、スイッチSWを介してセンスアンプSAが接続されている。
Note that this embodiment is an example used for explaining the characteristics of the present invention, and appropriate modifications can be made except for the essential part of the present invention. For example, the constituent material of the variable resistance layer 220 is a material having a perovskite structure, and any material that can change the electric resistance under the influence of an electric field can be used. Further, the dimensional values of the respective constituent elements can be appropriately changed in consideration of the characteristics of the electronic circuit.
(Embodiment 3)
The configuration of memory device 2000 according to Embodiment 3 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic circuit diagram showing a memory device 2000 in which the memory element 200 according to the second embodiment is configured as a unit memory cell (unit switch element).
1. Configuration of Memory Device 2000 As shown in FIG. 8, in the memory device 2000 according to the present embodiment, the memory elements 200 according to the second embodiment are arranged in a two-dimensional matrix, and these are row decoders that are peripheral circuits. This is a semiconductor device configured by combining an RD, a column decoder CD, a sense amplifier SA, and the like. Specifically, as described above, the 16 memory elements 200 arranged in a matrix of 4 rows × 4 columns are connected to the word lines WL, the plate lines PL, and the bit lines BL. WL is connected to the row decoder RD. The bit line BL and the plate line PL are connected to the column decoder CD. A sense amplifier SA is connected to the end of each bit line BL opposite to the column decoder CD via a switch SW.

各センスアンプSAには、レファレンスレベル入力REFと出力端子DOが接続されている。
ロウデコーダRDは、メモリ素子200の選択パルスをワード線WLへ印加する機能を有した回路で構成されており、カラムデコーダCDは、ビット線BLおよびプレート線PLに対して書き込みパルスを印加する機能を有する回路で構成されている。また、センスアンプSAは、ビット線BLの電位を検出してメモリ素子1からデータを読み出す機能を有する回路で構成されている。
2.メモリ装置2000の駆動方法
2−1.書き込み動作
メモリ装置2000の書き込み動作では、先ず、書き込み対象となるワードアクセスのため、ロウデコーダRDからワード線WLに正極性パルスを印加し、メモリ素子200における選択スイッチである電界効果トランジスタPTをターンオンする。次いで、カラムデコーダCDは、データが"0"の場合、ビット線BLを接地電位とし、プレート線PLに書き込みパルスを印加する。また、カラムデコーダCDは、データが"1"の場合、ビット線BLに書き込みパルスを印加し、プレート線PLを接地電位とする。
Each sense amplifier SA is connected to a reference level input REF and an output terminal DO.
The row decoder RD is configured by a circuit having a function of applying a selection pulse of the memory element 200 to the word line WL, and the column decoder CD has a function of applying a write pulse to the bit line BL and the plate line PL. It is comprised with the circuit which has. Further, the sense amplifier SA is configured by a circuit having a function of reading data from the memory element 1 by detecting the potential of the bit line BL.
2. 2. Driving method of memory device 2000 2-1. Write Operation In the write operation of the memory device 2000, first, a positive pulse is applied from the row decoder RD to the word line WL for word access to be written, and the field effect transistor PT which is a selection switch in the memory element 200 is turned on. To do. Next, when the data is “0”, the column decoder CD sets the bit line BL to the ground potential and applies a write pulse to the plate line PL. Further, when the data is “1”, the column decoder CD applies a write pulse to the bit line BL and sets the plate line PL to the ground potential.

メモリ素子200における可変抵抗素子部250(図6および図7参照。)は、可変抵抗層220における抵抗変化領域220aが、データが"0"の場合に低抵抗状態となり、データが"1"の場合に高抵抗状態となる。即ち、PCMO材料からなる可変抵抗層220の抵抗変化領域220aは、データが"1"の場合にカラムデコーダCDから印加される1回または複数回の書き込みパルスにより、データが"0"の場合の低抵抗状態時に比べて、その抵抗値が100〜1000倍に変化する。ここで、データが"1"の場合にカラムデコーダCDが印加する書き込みパルスは、例えば、電圧値が7Vで、パルス幅が100nsec.に設定される。   The variable resistance element portion 250 (see FIGS. 6 and 7) in the memory element 200 is in a low resistance state when the resistance change region 220a in the variable resistance layer 220 is “0” and the data is “1”. In this case, a high resistance state is obtained. That is, the resistance change region 220a of the variable resistance layer 220 made of the PCMO material is obtained when the data is “0” by one or more write pulses applied from the column decoder CD when the data is “1”. The resistance value changes 100 to 1000 times compared to the low resistance state. Here, when the data is “1”, the write pulse applied by the column decoder CD is, for example, a voltage value of 7 V and a pulse width of 100 nsec. Set to

2−2.読み出し動作
次に、メモリ素子200に書き込まれたデータの読み出し動作では、先ず、スイッチSWをターンオンすることでセンスアンプSAとビット線BLとを接続し、ビット線BLをハイレベルにプリチャージする。これにより、センスアンプSAは活性化される。次に、プレート線PLを接地し、ロウデコーダRDからワード線WLに選択パルスを印加する。この選択パルスの印加により、ビット線BLからは、可変抵抗素子部250を介してプレート線PLに電流が流れる。
2-2. Read Operation Next, in a read operation of data written in the memory element 200, first, the switch SW is turned on to connect the sense amplifier SA and the bit line BL, and the bit line BL is precharged to a high level. Thereby, the sense amplifier SA is activated. Next, the plate line PL is grounded, and a selection pulse is applied from the row decoder RD to the word line WL. By applying this selection pulse, a current flows from the bit line BL to the plate line PL via the variable resistance element portion 250.

メモリ素子200は、記録データが"0"であるか"1"であるかによって抵抗変化領域220aの抵抗値が100〜1000倍の相違を示す。これより、記録データが"0"であるメモリ素子200が接続されたビット線BLの電位は、記録データが"1"のメモリ素子200に接続のビット線BLの電位に比べて電圧降下が大きくなる。センスアンプSAでは、レファレンスレベル入力REFの入力電位とビット線BLの電位との差を比較し、出力端子DOに対してデータの出力をする。   The memory element 200 shows a difference of 100 to 1000 times in resistance value of the resistance change region 220a depending on whether the recording data is “0” or “1”. As a result, the voltage drop of the bit line BL connected to the memory element 200 whose recording data is “0” has a larger voltage drop than the potential of the bit line BL connected to the memory element 200 whose recording data is “1”. Become. The sense amplifier SA compares the difference between the input potential of the reference level input REF and the potential of the bit line BL, and outputs data to the output terminal DO.

以上のように、本実施の形態に係るメモリ装置2000は、単位メモリセルとしてのメモリ素子200を有し、これをマトリクス状に配列してランダム・アクセス可能な装置として構成されている。このメモリ装置2000では、上述のようにメモリ素子200が高速駆動可能なことから、高速で動作する装置である。
また、本実施の形態に係るメモリ装置2000では、上述のように、メモリ素子200における可変抵抗層220への第2電極212の接合サイズを第1電極211よりも小さく設定しているので、駆動時において、可変抵抗層220における第2電極212が接続された部分およびその近傍領域に抵抗変化領域220aが形成され、効果的に電流の集中を図ることが可能であり、低い消費電力での駆動が可能である。また、本実施の形態に係るメモリ装置2000では、複数のメモリ素子200における各々の第1電極211を共用する構成を採れば、スペース効率の向上が図られる。
(その他の事項)
なお、上記実施の形態については、本発明の構成および作用を分かりやすく説明するために用いた一例であって、本発明はこれらに限定を受けるものではない。例えば、上記実施の形態で用いた構成材料や回路構成等については、本発明の特徴部分を有する範囲で適宜変更が可能である。また、上記実施の形態では、可変抵抗層に対しキャリアを注入する手段の一例として電極を介しての電圧パルスの印加という手段を用いたが、本発明では、これに限らず他の手段を採用することも可能である。
As described above, the memory device 2000 according to the present embodiment includes the memory elements 200 as unit memory cells, and is configured as a device that can be randomly accessed by arranging them in a matrix. The memory device 2000 is a device that operates at a high speed because the memory element 200 can be driven at a high speed as described above.
Further, in the memory device 2000 according to the present embodiment, as described above, the junction size of the second electrode 212 to the variable resistance layer 220 in the memory element 200 is set smaller than the first electrode 211. In some cases, a resistance change region 220a is formed in a portion of the variable resistance layer 220 to which the second electrode 212 is connected and a region in the vicinity thereof, so that current can be effectively concentrated, and driving with low power consumption is possible. Is possible. Further, in the memory device 2000 according to the present embodiment, if a configuration in which the first electrodes 211 of the plurality of memory elements 200 are shared is used, space efficiency can be improved.
(Other matters)
In addition, about the said embodiment, it is an example used in order to demonstrate the structure and effect | action of this invention in an easy-to-understand manner, and this invention is not limited to these. For example, the constituent materials, circuit configurations, and the like used in the above embodiments can be changed as appropriate within the scope having the characteristic portions of the present invention. In the above-described embodiment, as an example of means for injecting carriers into the variable resistance layer, means for applying a voltage pulse through an electrode is used. However, the present invention is not limited to this, and other means are employed. It is also possible to do.

本発明は、少ない回数での電圧パルスの印加によっても可変抵抗層に大きな抵抗値の変化を引き起こすことが可能であって、動作速度の速い半導体装置を実現するのに有効である。   The present invention can cause a large resistance value change in the variable resistance layer even by applying a voltage pulse with a small number of times, and is effective in realizing a semiconductor device having a high operation speed.

本発明の基本原理を説明するために用いる可変抵抗素子モデル1の構成を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a variable resistance element model 1 used for explaining a basic principle of the present invention. 可変抵抗素子モデル1における第2電極のサイズと抵抗値の相対変化との関係を示す特性図である。6 is a characteristic diagram showing a relationship between the size of a second electrode and a relative change in resistance value in the variable resistance element model 1. FIG. (a)は、比較例に係る可変抵抗素子モデルにおける可変抵抗層20での電界分布を示す模式断面図であり、(b)は、実施例に係る可変抵抗素子モデルにおける可変抵抗層20での電界分布を示す模式断面図である。(A) is a schematic cross section which shows the electric field distribution in the variable resistance layer 20 in the variable resistance element model which concerns on a comparative example, (b) is the variable resistance layer 20 in the variable resistance element model which concerns on an Example. It is a schematic cross section which shows electric field distribution. 可変抵抗素子モデルにおける電極対間を流れる電流密度の尖頭値と、抵抗値の相対変化との関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the peak value of the current density flowing between the electrode pair in the variable resistance element model and the relative change in the resistance value. 実施の形態1に係る可変抵抗装置が有する可変抵抗素子部100の構成を示す模式断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a variable resistance element unit 100 included in the variable resistance device according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態2に係るメモリ素子200の構成を示す要部断面図である。FIG. 6 is a main part sectional view showing a configuration of a memory element 200 according to a second embodiment. メモリ素子200の等価回路図である。3 is an equivalent circuit diagram of the memory element 200. FIG. メモリ素子200を備えるメモリ装置2000を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing a memory device 2000 including a memory element 200. FIG. 従来の可変抵抗素子部の構成を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the conventional variable resistance element part.

符号の説明Explanation of symbols

10、210.基板
11、111、211.第1電極
12a、12e、12f、112、212.第2電極
12b.第3電極
12c.第4電極
12d.第5電極
20、120、220.可変抵抗層
200.メモリ素子
220a.抵抗変化領域
230.絶縁層
240.選択トランジスタ部
241.ゲート電極
242.ソース電極
243.ドレイン電極
250.可変抵抗素子部
2000.メモリ装置
BL.ビット線
CD.カラムデコーダ
PL.プレート線
RD.ロウデコーダ
SA.センスアンプ
WL.ワード線
10, 210. Substrate 11, 111, 211. First electrodes 12a, 12e, 12f, 112, 212. Second electrode 12b. Third electrode 12c. Fourth electrode 12d. 5th electrode 20,120,220. Variable resistance layer 200. Memory element 220a. Resistance change region 230. Insulating layer 240. Select transistor 241. Gate electrode 242. Source electrode 243. Drain electrode 250. Variable resistance element 2000. Memory device BL. Bit line CD. Column decoder PL. Plate wire RD. Row decoder SA. Sense amplifier WL. Word line

Claims (17)

ペロブスカイト構造を有する材料からなり、電界の変化により電気特性が変化する可変抵抗層と、前記可変抵抗層における電気抵抗の変化を生じさせる駆動部とを有する半導体装置であって、
前記駆動部は、前記可変抵抗層に対してキャリアを注入し、当該可変抵抗層の高抵抗化を図るキャリア注入手段を有している
ことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a variable resistance layer made of a material having a perovskite structure, the electrical characteristics of which change due to a change in electric field, and a drive unit that causes a change in electrical resistance in the variable resistance layer,
The drive unit includes carrier injection means for injecting carriers into the variable resistance layer and increasing the resistance of the variable resistance layer.
駆動時において、前記キャリア注入手段が可変抵抗層に対して注入するキャリアの密度は、電流密度にして104A/cm2以上である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the density of carriers injected into the variable resistance layer by the carrier injection means during driving is 10 4 A / cm 2 or more in terms of current density.
前記可変抵抗層では、前記キャリアの注入により一方の主表面およびその近傍部分の電気抵抗値が変化する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein in the variable resistance layer, an electric resistance value of one main surface and a vicinity thereof is changed by the carrier injection. 4.
前記可変抵抗層には、両主表面に第1の電極と第2の電極とが各々接続されており、
前記駆動部は、前記可変抵抗層に対して、前記第1および第2の電極を介して電圧を印加することにより、前記キャリアの注入を実施する
ことを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の半導体装置。
The variable resistance layer has a first electrode and a second electrode connected to both main surfaces,
The said drive part implements the injection | pouring of the said carrier by applying a voltage via the said 1st and 2nd electrode with respect to the said variable resistance layer. Any one of Claim 1 to 3 characterized by the above-mentioned. A semiconductor device according to claim 1.
前記駆動部は、前記可変抵抗層からキャリアを引き抜き、当該可変抵抗層の低抵抗化を図るキャリア引き抜き手段を有している
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the driving unit includes a carrier extracting unit that extracts carriers from the variable resistance layer and reduces resistance of the variable resistance layer.
前記駆動部は、前記可変抵抗層に対して、前記キャリアの注入の際とは逆極性の電圧を印加することにより、前記キャリアの引き抜きを実施する
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
6. The semiconductor according to claim 5, wherein the drive unit performs the carrier extraction by applying a voltage having a polarity opposite to that of the carrier injection to the variable resistance layer. apparatus.
前記第1の電極と第2の電極とは、互いに相違するサイズをもって、前記可変抵抗層に対して接続されている
ことを特徴とする請求項4から6の何れかに記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4, wherein the first electrode and the second electrode are connected to the variable resistance layer with different sizes.
前記可変抵抗層において、前記キャリアの注入時には、サイズが小さい側の電極が接続された部分の近傍領域で高抵抗化される
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein, in the variable resistance layer, when the carrier is injected, the resistance is increased in a region in the vicinity of a portion to which a small-size electrode is connected.
基板と、当該基板上に形成された絶縁層とを有し、
前記第1の電極は、前記絶縁層の表面からその厚み方向に形成された孔に対して、電極材料が埋め込まれることで形成され、
前記可変抵抗層は、前記第1の電極と接続状態を有して、前記絶縁層の表面に積層され、
前記第2の電極は、可変抵抗層の表面に積層されている
ことを特徴とする請求項4から8の何れかに記載の半導体装置。
A substrate and an insulating layer formed on the substrate;
The first electrode is formed by embedding an electrode material in a hole formed in the thickness direction from the surface of the insulating layer,
The variable resistance layer has a connection state with the first electrode and is laminated on the surface of the insulating layer,
The semiconductor device according to claim 4, wherein the second electrode is stacked on a surface of the variable resistance layer.
対をなす第1の電極と第2の電極と、両電極に挟まれた可変抵抗層とにより単位スイッチ素子が形成され、
前記単位スイッチ素子における第1の電極および第2の電極の一方が、プレート線に接続され、他方が選択トランジスタ素子部を介してビット線に接続されており、
前記選択トランジスタ素子部のゲート電極がワード線に接続されてなる
ことを特徴とする請求項4から9の何れかに記載の半導体装置。
A unit switch element is formed by the first electrode and the second electrode forming a pair, and the variable resistance layer sandwiched between the two electrodes.
One of the first electrode and the second electrode in the unit switch element is connected to the plate line, and the other is connected to the bit line via the selection transistor element part,
The semiconductor device according to claim 4, wherein a gate electrode of the selection transistor element portion is connected to a word line.
前記可変抵抗層は、化学組成式AXA'(1-X)YZで表される材料からなり、
上記化学組成式において、Aは、La、Ce、Bi、Pr、Nd、Pm、Sm、Y、Sc、Yb、Lu、Gdで構成される元素群の中から選択される少なくとも1種類の元素であり、A'は、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Zn、Cdで構成される元素群の中から選択される少なくとも1種類の元素であり、Bは、Mn、Ce、V、Fe、Co、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Zr、Hf、Niで構成される元素群の中から選択される少なくとも1種類の元素であり、X、Y、Zの各々は、0≦X≦1、0≦Y≦2、1≦Z≦7の関係を有する
ことを特徴とする請求項1から10の何れかに記載の半導体装置。
The variable resistance layer is made of a material represented by a chemical composition formula A X A ′ (1-X) B Y O Z
In the above chemical composition formula, A is at least one element selected from the group consisting of La, Ce, Bi, Pr, Nd, Pm, Sm, Y, Sc, Yb, Lu, and Gd. A ′ is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Pb, Zn, and Cd, and B is Mn, Ce, V, Fe, It is at least one element selected from the group consisting of Co, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Zr, Hf, and Ni, and each of X, Y, and Z is 0 ≦ X ≦ The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a relationship of 1, 0 ≦ Y ≦ 2, 1 ≦ Z ≦ 7.
ペロブスカイト構造を有する材料からなる可変抵抗層に対して、電界の変化により電気特性の変化を生じさせる半導体装置の駆動方法であって、
前記可変抵抗層の電気抵抗の変化を生じさせるために、キャリアの注入を行う
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
A method for driving a semiconductor device in which a variable resistance layer made of a material having a perovskite structure causes a change in electrical characteristics due to a change in electric field,
A method for driving a semiconductor device, characterized in that carriers are injected in order to cause a change in electrical resistance of the variable resistance layer.
可変抵抗層に対して注入するキャリアの密度は、電流密度にして104A/cm2以上である
ことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の駆動方法。
The method for driving a semiconductor device according to claim 12, wherein the density of carriers injected into the variable resistance layer is 10 4 A / cm 2 or more in terms of current density.
前記可変抵抗層に対して前記キャリアを注入することにより、局部的に高抵抗化を図る
ことを特徴とする請求項12または13に記載の半導体装置の駆動方法。
14. The method of driving a semiconductor device according to claim 12, wherein the resistance is locally increased by injecting the carrier into the variable resistance layer.
前記可変抵抗層の両主表面には、第1および第2の電極が接続されており、
前記可変抵抗層に対して、前記第1および第2の電極を介して電圧を印加することで前記キャリアの注入を行うものであり、
前記キャリアの注入により、前記可変抵抗層における前記第1および第2の電極の内の一方が接続された部分近傍で高抵抗化が図られる
ことを特徴とする請求項12から14の何れかに記載の半導体装置の駆動方法。
First and second electrodes are connected to both main surfaces of the variable resistance layer,
Injecting the carrier by applying a voltage to the variable resistance layer via the first and second electrodes,
15. The resistance is increased in the vicinity of a portion where one of the first and second electrodes in the variable resistance layer is connected by the carrier injection. A driving method of the semiconductor device described.
前記可変抵抗層に対して前記キャリアの引き抜きを行うことにより、当該可変抵抗層における高抵抗化が図られた部分の低抵抗化を図る
ことを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の駆動方法。
16. The driving of a semiconductor device according to claim 15, wherein the resistance of a portion of the variable resistance layer in which the resistance is increased is reduced by extracting the carrier from the variable resistance layer. Method.
前記キャリアの引き抜きは、前記キャリアの注入の際とは逆極性の電圧を、第1および第2の電極に対して印加することにより実施する
ことを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の駆動方法。
17. The semiconductor device according to claim 16, wherein the carrier is extracted by applying a voltage having a polarity opposite to that of the carrier injection to the first and second electrodes. Driving method.
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JP2011091325A (en) * 2009-10-26 2011-05-06 Sony Corp Storage device and method for manufacturing the same

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