JP2007180174A - Variable resistance memory element - Google Patents

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Hiroyasu Kawano
浩康 川野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a variable resistance memory element which is contrived to suppress variation in a CER (colossal electroresistance) value and improve the CER value. <P>SOLUTION: The element is provided with variable resistance memory films 33 each formed on a semiconductor substrate 31, and formed of a crystal of an oxide having high and low resistance states switchable in response to an applied voltage; laminated films 34 laminated alternately with the variable resistance memory films, and each having an electric resistivity different from that of the each of the variable resistance memory films; and a pair of electrode films 32a, 32b arranged so as to sandwich the entire of the alternately laminated memory films 33 and the laminated films 34, and used for applying a voltage to the memory films 33 and the laminated films 34. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、印加電圧に応じて、高抵抗状態と、高抵抗状態よりも電流が流れやすい低抵抗状態とが切り替わり、高抵抗状態と低抵抗状態とを選択的に保持する抵抗変化型記憶素子に関する。   The present invention switches between a high resistance state and a low resistance state in which current flows more easily than the high resistance state in accordance with an applied voltage, and selectively maintains the high resistance state and the low resistance state. About.

従来より、電源を切っても記憶内容を保持することができる不揮発性記憶素子の研究開発が盛んに行われている。   Conventionally, research and development of nonvolatile memory elements that can retain stored contents even when the power is turned off have been actively conducted.

最近、次世代型の新たな不揮発性記憶素子として、R−RAM(Resistance RAM)と呼ばれる抵抗変化型記憶素子が提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献1、2参照)。   Recently, a resistance change type memory element called R-RAM (Resistance RAM) has been proposed as a new next generation type non-volatile memory element (see, for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2).

このR−RAMは、印加電圧に応じて、高抵抗状態と、その高抵抗状態よりも電流が流れやすい低抵抗状態とに切り替わる抵抗変化型記憶膜を備え、高抵抗状態と低抵抗状態とを選択的に保持する不揮発性記憶素子である。   This R-RAM includes a resistance change type memory film that switches between a high resistance state and a low resistance state in which a current flows more easily than the high resistance state in accordance with an applied voltage. The nonvolatile memory element is selectively held.

R−RAMは、高速性、大容量性、低消費電力性など、既存の不揮発性記憶素子を凌ぐ可能性を秘めており、将来性が期待されている。
特表平11−510317号公報 A.Beck et al.,Appl.Phys.Lett.Vol.77, p.139(2001) 日経マイクロデバイス誌、第238号、42頁(2005年)
R-RAM has the potential to surpass existing nonvolatile memory elements, such as high speed, large capacity, and low power consumption, and is expected to have a future.
Japanese National Patent Publication No. 11-510317 A. Beck et al. , Appl. Phys. Lett. Vol. 77, p. 139 (2001) Nikkei Microdevices magazine, 238, 42 pages (2005)

上述した抵抗変化型記憶素子の研究開発では、抵抗変化型記憶素子のデバイス性能を決める重要な因子が、電界誘起巨大抵抗変化(CER:Colossal electro―resistance)であると言われている。抵抗変化型記憶素子における高抵抗状態の電気抵抗率と低抵抗状態の電気抵抗率との比(以下、CER値と称する)が大きいほど、抵抗変化型記憶素子のデバイス性能が高まると言われている。   In the above-described research and development of the resistance change type memory element, it is said that an important factor that determines the device performance of the resistance change type memory element is electric field induced giant resistance change (CER: Cosal electro-resistance). It is said that the device performance of the resistance change type storage element increases as the ratio of the electrical resistivity in the high resistance state and the electrical resistivity in the low resistance state (hereinafter referred to as CER value) increases in the resistance change type storage element. Yes.

このCER現象の発現機構はまだ十分には解明されておらず、諸説が唱えられている。現在のところ、抵抗変化型記憶膜に電圧を印加する電極膜とその抵抗変化型記憶膜との異種材料が接合することにより、接合界面において、電子の流れを不連続にする領域(ショットキー障壁や電子トラップ領域)が形成されることがCER現象の有力な発現機構であると理解され始めている。   The expression mechanism of this CER phenomenon has not yet been fully elucidated, and various theories have been put forward. At present, a region (Schottky barrier) in which the flow of electrons is discontinuous at the junction interface by joining different types of materials between the electrode film for applying a voltage to the resistance change memory film and the resistance change memory film. And the formation of the electron trapping region) are beginning to be understood as a powerful expression mechanism of the CER phenomenon.

従来の抵抗変化型記憶素子に関する報告では、同じ組成の抵抗変化型記憶膜の材料を用いても得られるCER値がばらつきやすく、再現性に乏しいという問題点が指摘されている。   Reports on conventional resistance change type memory elements point out the problem that the CER values obtained even when using the material of the resistance change type memory film having the same composition are likely to vary and the reproducibility is poor.

そこで、抵抗変化型記憶素子の品質を上げるためには、CER値を高めるとともにCER値のばらつきが抑制された抵抗変化型記憶素子を提供することが望まれる。   Therefore, in order to improve the quality of the resistance change type storage element, it is desired to provide a resistance change type storage element in which the CER value is increased and the variation of the CER value is suppressed.

本発明は、上記事情に鑑み、CER値のばらつきを抑制するとともにCER値を高める工夫が施された抵抗変化型記憶素子を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a resistance-change memory element that has been devised to suppress variation in CER values and increase CER values.

上記目的を達成する本発明の抵抗変化型記憶素子のうちの第1の抵抗変化型記憶素子は、印加電圧に応じて、高抵抗状態と、その高抵抗状態よりも電流が流れやすい低抵抗状態とに切り替わり、高抵抗状態と低抵抗状態とを選択的に保持する抵抗変化型記憶素子において、
半導体基板上に形成されて、印加電圧に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とに切り替わる酸化物の結晶で形成された抵抗変化型記憶膜と、
上記抵抗変化型記憶膜と交互に積層された、上記抵抗変化型記憶膜とは異なる電気抵抗率を有する積層膜と、
上記抵抗変化型記憶膜および上記積層膜からなる積層構造の全体を挟んで配備された、その抵抗変化型記憶膜およびその積層膜に電圧を印加する一対の電極膜とを備えたことを特徴とする。
The first variable resistance memory element of the variable resistance memory element of the present invention that achieves the above object includes a high resistance state and a low resistance state in which current flows more easily than the high resistance state in accordance with an applied voltage. In the resistance change memory element that selectively holds the high resistance state and the low resistance state,
A resistance change type memory film formed of an oxide crystal formed on a semiconductor substrate and switched between a high resistance state and a low resistance state according to an applied voltage;
A laminated film alternately laminated with the resistance change type memory film and having an electrical resistivity different from that of the resistance change type memory film;
The resistance variable memory film and the pair of electrode films for applying a voltage to the multilayer film are provided across the entire laminated structure including the resistance variable memory film and the multilayer film. To do.

抵抗変化型記憶膜と積層膜とを交互に積層することで、抵抗変化型記憶膜と電極膜との間に形成される界面だけでなく、抵抗変化型記憶膜と積層膜との間に形成される異種材料による接合界面を多く配備することができる。その結果、ショットキー障壁や電子をトラップする領域が増える分、CER値を高めることができる。   By alternately laminating the resistance change type memory film and the laminated film, not only the interface formed between the resistance change type memory film and the electrode film, but also the resistance change type memory film and the laminated film are formed. It is possible to provide a large number of bonding interfaces made of different kinds of materials. As a result, the CER value can be increased as the Schottky barrier and the region for trapping electrons increase.

ここで、上記抵抗変化型記憶膜は、上記酸化物の単結晶からなるものであることが好ましい。   Here, the variable resistance memory film is preferably made of a single crystal of the oxide.

抵抗変化型記憶膜を上記単結晶にすることで、結晶育成に関し、単結晶を積層するだけでよく、後述するように、多結晶にする場合と比較して製造工程が少なくて済む。   By forming the resistance change type memory film as the above single crystal, it is only necessary to stack the single crystals for crystal growth, and the number of manufacturing steps is reduced as compared with the case of forming a polycrystal as described later.

また、上記抵抗変化型記憶膜は、複数の上記酸化物の結晶が上記半導体基板上に同一の粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなるものであることが好ましい。   Further, the resistance change type memory film is made of a polycrystal in which a plurality of crystals of the oxide are grown on the semiconductor substrate with the same grain size and adjacent crystal interfaces are formed in close contact with each other. It is preferable.

また、上記抵抗変化型記憶膜は、酸化物からなる複数の結晶が前記半導体基板上に同一の粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなるものであることが好ましい。   The resistance change type memory film is made of a polycrystal in which a plurality of crystals made of oxide grow on the semiconductor substrate with the same grain size and adjacent crystal interfaces are formed in close contact with each other. It is preferable.

本願発明者は、異種材料のみならず、同種の結晶界面においてもCERが発現することを見出した。その結果、抵抗変化型記憶膜を多結晶にすることで、その多結晶同士の結晶界面に電子の流れを不連続にする領域が形成され、その分、CER値を高めることができる。また、結晶の大きさを均一に揃えることで、CER値のばらつきを抑制することができる。   The inventor of the present application has found that CER develops not only at different materials but also at the same kind of crystal interface. As a result, by making the resistance change memory film polycrystalline, a region where the flow of electrons is discontinuous is formed at the crystal interface between the polycrystals, and the CER value can be increased accordingly. In addition, variation in CER values can be suppressed by making the crystal sizes uniform.

ここで、上記積層膜は、上記抵抗変化型記憶膜よりも電気抵抗率が低い膜であることが好適である。   Here, the laminated film is preferably a film having a lower electrical resistivity than the resistance change memory film.

電気抵抗率が低い膜を積層膜に用いることで、抵抗変化型記憶膜と積層膜との間の界面で生じるショットキー障壁の高さや幅を制御したり、電子をトラップする界面トラップ準位を制御することができ、CER値を高めることができる。この電気抵抗率が低い膜は金属膜であることが好ましい。   By using a film with low electrical resistivity for the laminated film, the height and width of the Schottky barrier generated at the interface between the resistance change memory film and the laminated film can be controlled, and the interface trap level for trapping electrons can be set. The CER value can be increased. The film having a low electrical resistivity is preferably a metal film.

また、上記積層膜は、上記抵抗変化型記憶膜よりも電気抵抗率が高い膜であることが好適である。   The laminated film is preferably a film having a higher electrical resistivity than the resistance change type memory film.

電気抵抗率が高い膜を積層膜に用いることによっても、抵抗変化型記憶膜と積層膜との間の界面で生じるショットキー障壁の高さや幅を制御したり、電子をトラップする界面トラップ準位を制御することができ、CER値を高めることができる。   Even when a film with high electrical resistivity is used for the laminated film, the height and width of the Schottky barrier generated at the interface between the resistance change memory film and the laminated film can be controlled, and the interface trap level that traps electrons Can be controlled, and the CER value can be increased.

また、上記目的を達成する本発明の抵抗変化型記憶素子のうちの第2の抵抗変化型記憶素子は、印加電圧に応じて、高抵抗状態と、その高抵抗状態よりも電流が流れやすい低抵抗状態とに切り替わり、高抵抗状態と低抵抗状態とを選択的に保持する抵抗変化型記憶素子において、
半導体基板上に形成されて、酸化物からなる複数の結晶が上記半導体基板上に同一な粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなる抵抗変化型記憶膜と、
上記抵抗変化型記憶膜を挟んで配備された、その抵抗変化型記憶膜に電圧を印加する一対の電極膜とを備えたことを特徴とする。
In addition, the second resistance change type storage element of the present invention that achieves the above-described object has a high resistance state and a low current flow rate more easily than the high resistance state according to the applied voltage. In the resistance change type storage element that switches to the resistance state and selectively holds the high resistance state and the low resistance state,
A resistance change type memory film made of a polycrystal formed on a semiconductor substrate, in which a plurality of oxide crystals are grown on the semiconductor substrate with the same grain size, and adjacent crystal interfaces are formed in close contact with each other When,
And a pair of electrode films for applying a voltage to the resistance change memory film, which are arranged with the resistance change memory film interposed therebetween.

抵抗変化型記憶膜を多結晶にすることで、抵抗変化型記憶膜と電極膜との間に形成された界面だけでなく、その多結晶同士の結晶界面に電子の流れを不連続にする領域が形成され、その分、CER値を高めることができる。また、結晶の粒径を揃えることで、結晶が均一化される分、CER値のばらつきを抑制することができる。   By making the resistance change memory film polycrystalline, not only the interface formed between the resistance change memory film and the electrode film, but also the region where the flow of electrons is discontinuous at the crystal interface between the polycrystals. And the CER value can be increased accordingly. In addition, by making the crystal grain sizes uniform, variations in CER values can be suppressed as the crystals are made uniform.

以上、説明したように、CER値のばらつきを抑制するとともにCER値を大きな値にする工夫が施された抵抗変化型記憶素子を提供することができる。   As described above, it is possible to provide a resistance change type storage element in which a variation in CER value is suppressed and a device for increasing the CER value is applied.

以下、本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

まず、現在知られている、抵抗変化型記憶素子の動作原理について述べる。   First, the operation principle of a resistance change type memory element that is currently known will be described.

図1は、双極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子の電流―電圧特性を示すグラフであり、図2は、単極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子の電流―電圧特性を示すグラフである。   FIG. 1 is a graph showing a current-voltage characteristic of a resistance change type storage element using a bipolar resistance change type storage film, and FIG. 2 is a graph showing a resistance change type storage element using a unipolar resistance change type storage film. It is a graph which shows an electric current-voltage characteristic.

抵抗変化型記憶素子は、印加電圧に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とが切り替わる抵抗変化型記憶膜が一対の電極間に狭持されたものである。この抵抗変化型記憶膜は、その多くが遷移金属を含む酸化物材料の膜であり、電気的特性の違いから大きく2つに分類される。   In the resistance change memory element, a resistance change memory film in which a high resistance state and a low resistance state are switched according to an applied voltage is sandwiched between a pair of electrodes. Many of the resistance change type memory films are oxide material films containing transition metals, and are roughly classified into two types based on the difference in electrical characteristics.

一方の抵抗変化型記憶膜は、高抵抗状態と低抵抗状態との間で抵抗状態を変化させるために互いに異なる極性の電圧を用いるタイプである。酸化物材料としては、クロム(Cr)等の不純物を微量にドープしたSrTiOや、SrZrO、あるいは超巨大磁気抵抗(CMR: Colossal Magneto−Resistance)を示すPr1―xCaMnOやLa1―xCaMnO等が用いられる。以下、抵抗状態の書き換えに極性の異なる電圧を要する上述の抵抗変化型記憶膜を双極性抵抗変化型記憶膜と呼ぶ。 One resistance change type memory film is a type that uses voltages of different polarities in order to change the resistance state between a high resistance state and a low resistance state. Examples of the oxide material include SrTiO 3 doped with a small amount of impurities such as chromium (Cr), SrZrO 3 , Pr 1-x Ca x MnO 3, or La 1, which exhibits a colossal magneto-resistance (CMR). 1-x Ca x MnO 3 or the like is used. Hereinafter, the above-described resistance change type memory film that requires voltages having different polarities for rewriting the resistance state is referred to as a bipolar resistance change type memory film.

他方の抵抗変化型記憶膜は、高抵抗状態と低抵抗状態との間で抵抗状態を変化させるために極性の同じ電圧を用いるタイプである。酸化物材料としては、例えば、NiOやTiOのような単一の遷移金属の酸化物等が用いられる。以下、抵抗状態の書き換えに極性が同じ電圧を要する抵抗変化型記憶膜を単極性抵抗変化型記憶膜と呼ぶ。 The other resistance change type memory film is a type that uses a voltage having the same polarity in order to change the resistance state between a high resistance state and a low resistance state. As the oxide material, for example, an oxide of a single transition metal such as NiO x or TiO x is used. Hereinafter, a resistance change memory film that requires a voltage having the same polarity for rewriting the resistance state is referred to as a unipolar resistance change memory film.

図1は、双極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子の電流―電圧特性を示すグラフであり、非特許文献1に記載されたものである。このグラフは、典型的な双極性抵抗変化型記憶膜であるCrドープのSrZrOを用いた電流―電圧特性を示している。 FIG. 1 is a graph showing current-voltage characteristics of a resistance change type storage element using a bipolar resistance change type storage film, which is described in Non-Patent Document 1. This graph shows a current-voltage characteristic using Cr-doped SrZrO 3 which is a typical bipolar resistance variable memory film.

初期状態において、抵抗変化型記憶素子は高抵抗状態である場合を考える。   Consider a case where the resistance change type storage element is in a high resistance state in the initial state.

印加電圧を0Vの状態から徐々に負電圧に増加していくと、流れる電流は曲線aに沿って、矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に増加する。印加する負電圧が更に大きくなり、約0.5Vを超えると、抵抗変化型記憶素子が高抵抗状態から低抵抗状態へスイッチする。これに伴い、電流の絶対値が急激に増加し、電流―電圧特性は点Aから点Bに遷移する。なお、以下の説明では、抵抗変化型記憶素子を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化する動作を「セット」と呼ぶ。   As the applied voltage is gradually increased from 0V to a negative voltage, the flowing current changes along the curve a in the direction of the arrow, and its absolute value gradually increases. When the applied negative voltage further increases and exceeds about 0.5 V, the resistance change type storage element switches from the high resistance state to the low resistance state. Along with this, the absolute value of the current increases rapidly, and the current-voltage characteristic transitions from point A to point B. In the following description, the operation of changing the resistance change type storage element from the high resistance state to the low resistance state is referred to as “set”.

点Bの状態から徐々に負電圧を減少していくと、電流は曲線bに沿って矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に減少する。印加電圧が0Vに戻ると、電流も0Aとなる。   When the negative voltage is gradually decreased from the state of the point B, the current changes in the direction of the arrow along the curve b, and the absolute value thereof gradually decreases. When the applied voltage returns to 0V, the current also becomes 0A.

印加電圧を0Vの状態から徐々に正電圧に増加していくと、電流値は曲線cに沿って矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に増加する。印加する正電圧が更に大きくなり、約0.5Vを超えると、抵抗変化型記憶素子が低抵抗状態から高抵抗状態へスイッチする。これに伴い、電流の絶対値が急激に減少し、電流―電圧特性は点Cから点Dに遷移する。   When the applied voltage is gradually increased from 0V to a positive voltage, the current value changes in the direction of the arrow along the curve c, and the absolute value gradually increases. When the applied positive voltage further increases and exceeds about 0.5 V, the resistance change memory element switches from the low resistance state to the high resistance state. Along with this, the absolute value of the current sharply decreases, and the current-voltage characteristic transitions from point C to point D.

なお、以下の説明では、抵抗変化型記憶素子を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化する動作を「リセット」と呼ぶ。   In the following description, the operation of changing the resistance change storage element from the low resistance state to the high resistance state is referred to as “reset”.

点Dの状態から徐々に正電圧を減少していくと、電流は曲線dに沿って矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に減少する。印加電圧が0Vに戻ると、電流も0Aとなる。   When the positive voltage is gradually decreased from the state of the point D, the current changes in the direction of the arrow along the curve d, and its absolute value gradually decreases. When the applied voltage returns to 0V, the current also becomes 0A.

それぞれの抵抗状態は、約±0.5Vの範囲で安定であり、電源を切っても保たれる。すなわち、高抵抗状態では、印加電圧が点Aの電圧の絶対値よりも低ければ、電流―電圧特性は曲線a、dに沿って線形的に変化し、高抵抗状態が維持される。同様に、低抵抗状態では、印加電圧が点Cの電圧の絶対値よりも低ければ、電流―電圧特性は曲線b、cに沿って線形的に変化し、低抵抗状態が維持される。   Each resistance state is stable in a range of about ± 0.5 V and is maintained even when the power is turned off. That is, in the high resistance state, if the applied voltage is lower than the absolute value of the voltage at the point A, the current-voltage characteristics change linearly along the curves a and d, and the high resistance state is maintained. Similarly, in the low resistance state, if the applied voltage is lower than the absolute value of the voltage at the point C, the current-voltage characteristics change linearly along the curves b and c, and the low resistance state is maintained.

このように、双極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子は、高抵抗状態と低抵抗状態との間で抵抗状態を変化させるために、互いに異なる極性の電圧を印加するものである。   As described above, the resistance change type storage element using the bipolar resistance change type storage film applies voltages of different polarities in order to change the resistance state between the high resistance state and the low resistance state. is there.

図2は、単極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子の電流―電圧特性を示す図である。このグラフは、典型的な単極性抵抗変化型記憶膜であるTiOを用いた場合である。 FIG. 2 is a diagram showing current-voltage characteristics of a resistance change type storage element using a unipolar resistance change type storage film. This graph is a case where TiO x which is a typical unipolar resistance change type memory film is used.

初期状態で、抵抗変化型記憶素子は高抵抗状態である場合を考える。   Consider a case where the resistance change type storage element is in a high resistance state in the initial state.

印加電圧を0Vから徐々に増加していくと、電流は曲線aに沿って、矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に増加する。印加する正電圧が更に大きくなり、約1.3Vを超えると、抵抗変化型記憶素子が高抵抗状態から低抵抗状態へスイッチ(セット)する。これに伴い、電流の絶対値が急激に増加し、電流―電圧特性は点Aから点Bに遷移する。なお、図2において、点Bにおける電流値が約20mAで一定になっているのは、急激な電流の増加による素子の破壊を防止するために電流制限を施しているためである。   As the applied voltage is gradually increased from 0 V, the current changes along the curve a in the direction of the arrow, and its absolute value gradually increases. When the applied positive voltage further increases and exceeds about 1.3 V, the resistance change type storage element switches (sets) from the high resistance state to the low resistance state. Along with this, the absolute value of the current increases rapidly, and the current-voltage characteristic transitions from point A to point B. In FIG. 2, the current value at the point B is constant at about 20 mA because current limitation is applied to prevent element destruction due to a sudden increase in current.

点Bの状態から徐々に電圧を減少していくと、電流は曲線bに沿って矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に減少する。印加電圧が0Vに戻ると、電流も0Aとなる。   When the voltage is gradually decreased from the state of the point B, the current changes in the direction of the arrow along the curve b, and the absolute value thereof gradually decreases. When the applied voltage returns to 0V, the current also becomes 0A.

印加電圧を0Vから再度徐々に増加していくと、電流は曲線cに沿って矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に増加する。印加する正電圧が更に大きくなりなり約1.2Vを超えると、抵抗変化型記憶素子が低抵抗状態から高抵抗状態にスイッチ(リセット)する。これに伴い電流の絶対値が急激に減少し、電流―電圧特性は点Cから点Dに遷移する。   When the applied voltage is gradually increased again from 0 V, the current changes in the direction of the arrow along the curve c, and its absolute value gradually increases. When the applied positive voltage further increases and exceeds about 1.2 V, the resistance change storage element is switched (reset) from the low resistance state to the high resistance state. Along with this, the absolute value of the current rapidly decreases, and the current-voltage characteristic transitions from point C to point D.

点Dの状態から状態から徐々に電圧を減少していくと、電流は曲線dに沿って矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に減少する。印加電圧が0Vに戻ると、電流も0Aとなる。   When the voltage is gradually decreased from the state of the point D, the current changes in the direction of the arrow along the curve d, and the absolute value thereof gradually decreases. When the applied voltage returns to 0V, the current also becomes 0A.

それぞれの抵抗状態は、セット、リセットに必要な電圧以下で安定である。すなわち、図2においては約1.0V以下で両状態ともに安定であり、電源を切っても保たれる。すなわち、低抵抗状態では、印加電圧が点Cの電圧よりも低ければ、電流―電圧特性は曲線cに沿って、低抵抗状態が維持される。   Each resistance state is stable below the voltage required for setting and resetting. That is, in FIG. 2, both states are stable at about 1.0 V or less, and are maintained even when the power is turned off. That is, in the low resistance state, if the applied voltage is lower than the voltage at the point C, the current-voltage characteristic is maintained along the curve c.

このように、単極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子は、高抵抗状態と低抵抗状態との間で抵抗状態を変化させるために、極性の同じ電圧を印加するものである。   As described above, the resistance change type storage element using the unipolar resistance change type storage film applies a voltage having the same polarity in order to change the resistance state between the high resistance state and the low resistance state. .

なお、上記材料を用いて抵抗変化型記憶素子を形成する場合、抵抗変化型記憶素子形成直後の初期状態では図1及び図2に示すような特性は得られず、抵抗変化型記憶膜を高抵抗状態と低抵抗状態との間で可逆的に変化しうる状態にするためには、上述したフォーミング処理が必要となる。   Note that when a resistance change type memory element is formed using the above-described material, the characteristics shown in FIGS. 1 and 2 cannot be obtained in the initial state immediately after the resistance change type memory element is formed, and the resistance change type memory film is made to be high. In order to obtain a state that can reversibly change between the resistance state and the low resistance state, the above-described forming process is required.

図3は、図2の場合と同じ単極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子のフォーミング処理を説明する電流―電圧特性である。   FIG. 3 is a current-voltage characteristic illustrating the forming process of the resistance change type storage element using the same unipolar resistance change type storage film as in FIG.

抵抗変化型記憶素子の形成直後の初期状態では、図3に示すように、高抵抗でありかつ絶縁耐圧は8V程度と非常に高くなっている。   In the initial state immediately after the formation of the resistance change memory element, as shown in FIG. 3, the resistance is high and the withstand voltage is as high as about 8V.

初期状態においてこの絶縁耐圧よりも高い電圧を印加すると、図3に示すように、素子に流れる電流値が急激に増加し、すなわち抵抗変化型記憶素子のフォーミングが行われる。このフォーミングを行うことにより、抵抗変化型記憶素子は、図2に示すような電流―電圧特性を示すようになり、低抵抗状態と高抵抗状態とを可逆的に変化することができるようになる。   When a voltage higher than this withstand voltage is applied in the initial state, as shown in FIG. 3, the value of the current flowing through the element increases rapidly, that is, the resistance change storage element is formed. By performing this forming, the resistance change type memory element exhibits current-voltage characteristics as shown in FIG. 2 and can reversibly change between a low resistance state and a high resistance state. .

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態について説明する。   Next, a first embodiment of the first resistance change memory element of the present invention will be described.

図4は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view of the first embodiment of the resistance variable memory element of the present invention.

この抵抗変化型記憶素子1には、半導体基板11上に下部電極としての電極膜12aが設けられている。その電極膜12a上には、印加電圧に応じて高抵抗状態と、その高抵抗状態よりも電流が流れやすい低抵抗状態とが切り替わり、高抵抗状態と低抵抗状態とを選択的に保持する抵抗変化型記憶膜13が設けられている。この抵抗変化型記憶膜13は、複数の酸化物の結晶が半導体基板11上に同一の粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなるものである。   In the resistance change memory element 1, an electrode film 12 a as a lower electrode is provided on a semiconductor substrate 11. On the electrode film 12a, a high resistance state is switched between a high resistance state and a low resistance state in which a current flows more easily than the high resistance state in accordance with an applied voltage, and a resistance that selectively holds the high resistance state and the low resistance state. A changeable memory film 13 is provided. The resistance change type memory film 13 is made of a polycrystal in which a plurality of oxide crystals grow on the semiconductor substrate 11 with the same grain size and adjacent crystal interfaces are formed in close contact with each other.

この抵抗変化型記憶膜13の上には、上部電極としての電極膜12bが設けられている。これらの電極膜12a、12bが抵抗変化型記憶膜13を挟む構造になっており、電極膜12a、12bによって、抵抗変化型記憶膜13に電圧が印加される。この抵抗変化型記憶膜13の膜厚は、20nm〜50nmである。   On the resistance change memory film 13, an electrode film 12b as an upper electrode is provided. These electrode films 12a and 12b have a structure in which the resistance change memory film 13 is sandwiched, and a voltage is applied to the resistance change memory film 13 by the electrode films 12a and 12b. The thickness of the resistance change memory film 13 is 20 nm to 50 nm.

ここで、抵抗変化型記憶膜13の電気抵抗率は、1〜1012Ωcmの範囲内である。 Here, the electrical resistivity of the resistance change memory film 13 is in the range of 1 to 10 12 Ωcm.

また、抵抗変化型記憶膜13の材料としては、例えば、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化コバルト、酸化チタン、酸化クロム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、PrCaMnO、LaSrMnO、BaSrMnO、Cr−doped SrTiO、Cr−doped PbTiO、GeSbTeなどを用いることができる。 Examples of the material of the resistance change memory film 13 include nickel oxide, iron oxide, cobalt oxide, titanium oxide, chromium oxide, silicon oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, PrCaMnO 3 , and LaSrMnO 3. BaSrMnO 3 , Cr-doped SrTiO 3 , Cr-doped PbTiO 3 , GeSbTe, or the like can be used.

一方、電極膜12a、12bの電気抵抗率は、10−3Ωcm以下である。電極膜12a、12bの材料としては、Pt、Au、Al、Cuなどの金属やITO、SnO2―x、ZnO1−xなどの酸化物を用いることができる。 On the other hand, the electrical resistivity of the electrode films 12a and 12b is 10 −3 Ωcm or less. As a material of the electrode films 12a and 12b, metals such as Pt, Au, Al, and Cu, and oxides such as ITO, SnO 2−x , and ZnO 1−x can be used.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の製造方法ついて説明する。   Next, a manufacturing method of the first embodiment of the first resistance change memory element of the present invention will be described.

図5は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の製造方法の工程を示す図である。   FIG. 5 is a diagram showing a process of the manufacturing method of the first embodiment of the first resistance change memory element according to the present invention.

第1の工程として、半導体基板11上に電極膜12aをスパッタリングに代表される真空製膜法により成長させる(図5(a))。   As a first step, an electrode film 12a is grown on the semiconductor substrate 11 by a vacuum film formation method typified by sputtering (FIG. 5A).

第2の工程として、電極膜12aに、真空製膜法により複数個の島状成長核14を形成する(図5(b))。この島状成長核14は、抵抗変化型記憶膜の結晶が成長する元になる結晶核である。なお、図5では、図を見やすくするため、一番右端の島状成長核にのみ、符号14が付されている。   As a second step, a plurality of island-like growth nuclei 14 are formed on the electrode film 12a by a vacuum film forming method (FIG. 5B). The island-like growth nuclei 14 are crystal nuclei from which crystals of the resistance change type memory film grow. In FIG. 5, only the rightmost island-like growth nucleus is denoted by reference numeral 14 for easy understanding of the drawing.

ここで、以下の文中、島状成長核を形成する下地となる電極膜や後述する積層膜および酸化膜を下地膜と総称する。   Here, in the following text, an electrode film serving as a base for forming island-like growth nuclei, a laminated film and an oxide film described later are collectively referred to as a base film.

島状成長核は、下地膜と濡れ性が低い(表面エネルギが大きい)材料を用いることにより形成することができる。   The island-like growth nuclei can be formed by using a material having low wettability (high surface energy) with the base film.

具体的には、濡れ性が低い材料として、酸化物(酸化インジウム−酸化スズ、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化タングステン、酸化チタン、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウムなど)、窒化物(窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化硼素など)、弗化物(弗化マグネシウムなど)、および硼化物(硼化チタンなど)のようなセラミックスの群の中から選択される材料を下地膜に用いる。特に上記窒化物は表面張力調整膜として用いることが好ましい。図5には図示しない表面張力調整膜とは必要に応じて電極膜12a上(電極膜12aと島状成長核15との間)に形成されるものであり、トンネル効果で電流を流せる薄い膜厚を有するセラミック膜であれば良い。   Specifically, oxides (indium oxide-tin oxide, tin oxide, zinc oxide, nickel oxide, tungsten oxide, titanium oxide, silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, etc.) A material selected from the group of ceramics such as nitrides (silicon nitride, aluminum nitride, titanium nitride, boron nitride, etc.), fluorides (magnesium fluoride, etc.), and borides (titanium boride, etc.) Used for geological film. In particular, the nitride is preferably used as a surface tension adjusting film. The surface tension adjusting film (not shown in FIG. 5) is formed on the electrode film 12a (between the electrode film 12a and the island-like growth nucleus 15) as necessary, and is a thin film that allows current to flow through the tunnel effect. Any ceramic film having a thickness may be used.

この下地膜に、貴金属(Pt、Au、Pd、Ruなど)、高融点金属(Cr、Ta、W、Tiなど)、およびAgやInなどの(加熱)凝集し易い金属の群の中から選択される金属をスパッタリングに代表される真空製膜法により膜厚0.2〜1.0nm形成することにより島状成長核を形成する。なお、製膜直後に真空中で100〜250℃に1〜10秒加熱することにより、島状成長核の形成を促すことができる。   Select from a group of noble metals (Pt, Au, Pd, Ru, etc.), refractory metals (Cr, Ta, W, Ti, etc.), and metals that easily aggregate (heat) such as Ag and In. The island-like growth nuclei are formed by forming the metal to be formed to a thickness of 0.2 to 1.0 nm by a vacuum film formation method typified by sputtering. In addition, formation of island-like growth nuclei can be promoted by heating at 100 to 250 ° C. for 1 to 10 seconds in a vacuum immediately after film formation.

次に、第3の工程として、島状成長核にシードを形成させる。以下、シードの形成について詳述する。   Next, as a third step, seeds are formed in the island-like growth nuclei. Hereinafter, the formation of seeds will be described in detail.

島状成長核の形成後、抵抗変化型記憶膜を構成する材料として、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化コバルト、酸化チタン、酸化クロム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、PrCaMnO、LaSrMnO、BaSrMnO、Cr−doped SrTiO、Cr−doped PbTiO、およびGeSbTeなどの群の中から選択される材料を用いて、真空製膜法により、島状成長核の膜厚を1.0〜5.0nmに製膜し、シード15を形成する。なお、図5では、図を見やすくするため、一番右端のシードにのみ、符号15が付されている。シード15の形成に際し、隣接するシード15を形状的に分離するため、製膜速度を遅く(0.1〜0.5nm/min)して、ゆっくりとシード15を堆積することが好ましい。このようにして形成されたシード間の距離は一定に保たれ、各シード間の距離を5〜20nmに設定することができる。 After the formation of island-like growth nuclei, the materials constituting the resistance change memory film are nickel oxide, iron oxide, cobalt oxide, titanium oxide, chromium oxide, silicon oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, PrCaMnO. 3 , using a material selected from the group of LaSrMnO 3 , BaSrMnO 3 , Cr-doped SrTiO 3 , Cr-doped PbTiO 3 , GeSbTe, etc. A film is formed to 1.0 to 5.0 nm to form a seed 15. In FIG. 5, only the rightmost seed is denoted by reference numeral 15 for easy understanding of the drawing. In forming the seed 15, it is preferable to deposit the seed 15 slowly by slowing the film forming speed (0.1 to 0.5 nm / min) in order to separate the adjacent seeds 15 in shape. The distance between the seeds thus formed is kept constant, and the distance between the seeds can be set to 5 to 20 nm.

続いて、第4の工程として、シード15の形成後、抵抗変化型記憶膜を構成する材料を用いて、真空製膜法により膜厚20〜50nmの抵抗変化型記憶膜13を形成する(図5(d))。   Subsequently, as a fourth step, after the seed 15 is formed, the resistance variable memory film 13 having a film thickness of 20 to 50 nm is formed by a vacuum film forming method using a material constituting the variable resistance memory film (FIG. 5 (d)).

さらに、第5の工程として、電極膜12bを真空製膜法により成長させる(図5(e))。   Further, as a fifth step, the electrode film 12b is grown by a vacuum film forming method (FIG. 5E).

これらの工程を経て、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態が製造される。なお、抵抗変化型記憶膜と電極膜との接合面の間に表面張力調整膜を積層してもよい。表面張力調整膜については、第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態の説明で後述する。   Through these steps, the first embodiment of the first resistance change memory element of the present invention is manufactured. A surface tension adjusting film may be laminated between the joint surfaces of the resistance change memory film and the electrode film. The surface tension adjusting film will be described later in the description of the second embodiment of the first resistance change type storage element.

なお、図5(e)において、説明上、明示的に島状成長核やシードが描かれている。この島状成長核やシードは、本来、真空製膜法により形成された後の抵抗変化型記憶膜13の一部として同一の結晶となっており、図4に示す抵抗変化型記憶素子1のようになっている。   In FIG. 5E, island-like growth nuclei and seeds are explicitly drawn for the sake of explanation. The island-like growth nuclei and seeds are originally the same crystal as a part of the resistance change type memory film 13 after being formed by the vacuum film forming method, and the resistance change type memory element 1 shown in FIG. It is like that.

次に、第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の動作について説明する。   Next, the operation of the first resistance change type memory element according to the first embodiment will be described.

図6は、第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態を採用した不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの概要図である。   FIG. 6 is a schematic diagram of a memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device adopting the first embodiment of the first resistance change type memory element.

図6に示す不揮発性半導体記憶装置のメモリセル100は、抵抗変化型記憶素子1とセル選択トランジスタ101とを有している。抵抗変化型記憶素子1は、その一端がビット線BLに接続され、他端がセル選択トランジスタ101のドレイン端子101aに接続されている。セル選択トランジスタ101のドレイン端子101bはソース線SLに接続され、セル選択トランジスタ101のゲート端子101cはワード線WLに接続されている。   A memory cell 100 of the nonvolatile semiconductor memory device illustrated in FIG. 6 includes a resistance change storage element 1 and a cell selection transistor 101. The resistance change type storage element 1 has one end connected to the bit line BL and the other end connected to the drain terminal 101 a of the cell selection transistor 101. The drain terminal 101b of the cell selection transistor 101 is connected to the source line SL, and the gate terminal 101c of the cell selection transistor 101 is connected to the word line WL.

図7は、図6に示すメモリセルをマトリクス状に配置したメモリセルアレイの一例を示す回路図である。複数のメモリセルが列方向(図面縦方向)及び行方向(図面横方向)に隣接して形成されている。   FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a memory cell array in which the memory cells shown in FIG. 6 are arranged in a matrix. A plurality of memory cells are formed adjacent to each other in the column direction (vertical direction in the drawing) and the row direction (horizontal direction in the drawing).

列方向には、複数のワード線WL1、バーWL1、WL2、バーWL2・・・が配されており、列方向に並ぶメモリセルは、共通の信号線を共有している。また、列方向には、ソース線SL1、SL2、・・・が配され、列方向に並ぶメモリセルに共通の信号線を共有している。   A plurality of word lines WL1, bars WL1, WL2, bars WL2,... Are arranged in the column direction, and the memory cells arranged in the column direction share a common signal line. Further, source lines SL1, SL2,... Are arranged in the column direction and share a common signal line with the memory cells arranged in the column direction.

なお、ソース線SLは、ワード線WL2本に1本づつ設けられている。   One source line SL is provided for every two word lines WL.

行方向(図面横方向)には、複数のビット線BL1、BL2、BL3、BL4・・・が配されており、行方向に並ぶメモリセルは共通の信号線を共有している。   A plurality of bit lines BL1, BL2, BL3, BL4... Are arranged in the row direction (horizontal direction in the drawing), and the memory cells arranged in the row direction share a common signal line.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態を採用した不揮発性半導体記憶装置の動作を説明する。   Next, the operation of the nonvolatile semiconductor memory device adopting the first embodiment of the first resistance change memory element of the present invention will be described.

はじめに、高抵抗状態から低抵抗状態への書き換え動作、すなわちセットの動作について説明する。ここで、説明をわかりやすくするため、書き換え対象のメモリセルは、図7に示す点線の四角で囲った、ワード線WL1およびビット線BL1に接続されたメモリセル100である。   First, the rewriting operation from the high resistance state to the low resistance state, that is, the set operation will be described. Here, for easy understanding, the memory cell to be rewritten is a memory cell 100 connected to the word line WL1 and the bit line BL1 surrounded by a dotted-line square shown in FIG.

まず、ワード線WL1に所定の電圧を印加し、セル選択トランジスタ101をオン状態にする。ソース線SL1は、基準電位、例えば、接地電位である0Vに接続する。   First, a predetermined voltage is applied to the word line WL1, and the cell selection transistor 101 is turned on. The source line SL1 is connected to a reference potential, for example, 0 V that is a ground potential.

次いで、ビット線BL1に、抵抗変化型記憶素子1をセットするに要する電圧と同じあるいはこれよりやや大きいバイアス電圧を印加する。例えば、図2の実線で示す特性を有する抵抗変化型記憶素子の場合、約1.5V程度のバイアス電圧を印加する。   Next, a bias voltage that is the same as or slightly larger than the voltage required to set the resistance change storage element 1 is applied to the bit line BL1. For example, in the case of a resistance change memory element having the characteristics shown by the solid line in FIG. 2, a bias voltage of about 1.5 V is applied.

バイアス電圧を印加することにより、ビット線BL1、抵抗変化型記憶素子1およびセル選択トランジスタ101を介してソース線SL1へ向かう電流経路が形成され、印加したバイアス電圧は、抵抗変化型記憶素子1の抵抗値R及びセル選択トランジスタ101のチャネル抵抗RCSに応じてそれぞれ分配される。 By applying a bias voltage, a current path toward the source line SL1 is formed via the bit line BL1, the resistance change type storage element 1 and the cell selection transistor 101, and the applied bias voltage is applied to the resistance change type storage element 1. Distribution is performed according to the resistance value R H and the channel resistance R CS of the cell selection transistor 101.

このとき、抵抗変化型記憶素子1の抵抗値Rは、セル選択トランジスタ101のチャネル抵抗RCSに比べて十分に大きいため、バイアス電圧のほとんどは抵抗変化型記憶素子1に印加される。これにより、抵抗変化型記憶素子1は、高抵抗状態から低抵抗状態に変化する。 At this time, the resistance value R H of the resistance change memory element 1, for sufficiently large in comparison with the channel resistance R CS of the cell select transistors 101, most of the bias voltage applied to the resistance variable memory element 1. Thereby, the resistance change type memory element 1 changes from the high resistance state to the low resistance state.

次いで、ビット線BL1に印加するバイアス電圧をゼロに戻した後、ワード線WL1に印加する電圧をオフにし、セットの動作を完了する。   Next, after the bias voltage applied to the bit line BL1 is returned to zero, the voltage applied to the word line WL1 is turned off to complete the set operation.

次に、低抵抗状態から高抵抗状態への書き換え動作、すなわちリセットの動作について説明する。書き換え対象のメモリセル100は、ワード線WL1及びビット線BL1に接続されたメモリセル100である。   Next, the rewriting operation from the low resistance state to the high resistance state, that is, the resetting operation will be described. The memory cell 100 to be rewritten is a memory cell 100 connected to the word line WL1 and the bit line BL1.

まず、ワード線WL1に所定の電圧を印加し、セル選択トランジスタ101をオン状態にする。ソース線SL1は、基準電位、例えば接地電位である0Vに接続する。   First, a predetermined voltage is applied to the word line WL1, and the cell selection transistor 101 is turned on. The source line SL1 is connected to a reference potential, for example, 0 V that is a ground potential.

次いで、ビット線BL1に、抵抗変化型記憶素子1をリセットするに要する電圧と同じ或いはこれよりやや大きいバイアス電圧を印加する。例えば、図2の実線で示す特性を有する抵抗変化型記憶素子の場合、約0.8V程度のバイアス電圧を印加する。   Next, a bias voltage that is the same as or slightly larger than the voltage required to reset the resistance change storage element 1 is applied to the bit line BL1. For example, in the case of a resistance change memory element having the characteristics shown by the solid line in FIG. 2, a bias voltage of about 0.8 V is applied.

バイアス電圧を印加することにより、ビット線BL1、抵抗変化型記憶素子1及びセル選択トランジスタ101を介してソース線SL1へ向かう電流経路が形成され、印加したバイアス電圧は、抵抗変化型記憶素子1の抵抗値R及びセル選択トランジスタ101のチャネル抵抗RCSに応じてそれぞれに分配される。 By applying a bias voltage, a current path toward the source line SL1 is formed via the bit line BL1, the resistance change type storage element 1, and the cell selection transistor 101, and the applied bias voltage is applied to the resistance change type storage element 1. They are distributed according to the resistance value R L and the channel resistance R CS of the cell selection transistor 101, respectively.

このとき、セル選択トランジスタ101のチャネル抵抗RCSは、抵抗変化型記憶素子1の抵抗値Rよりも十分に小さいため、印加したバイアス電圧のほとんどは抵抗変化型記憶素子1に印加される。これにより、抵抗変化型記憶素子1は、低抵抗状態から高抵抗状態に変化する。 At this time, since the channel resistance R CS of the cell selection transistor 101 is sufficiently smaller than the resistance value RL of the resistance change storage element 1, most of the applied bias voltage is applied to the resistance change storage element 1. Thereby, the resistance change type memory element 1 changes from the low resistance state to the high resistance state.

リセット過程では、抵抗変化型記憶素子1が高抵抗状態に切り換わった瞬間、ほぼ全バイアス電圧が抵抗変化型記憶素子1に配分されるため、このバイアス電圧によって抵抗変化型記憶素子1が再度セットされることを防止する必要がある。このためには、ビット線BL1に印加するバイアス電圧は、セットに要する電圧よりも小さくしなければならない。   In the reset process, almost the entire bias voltage is distributed to the resistance change type storage element 1 at the moment when the resistance change type storage element 1 switches to the high resistance state, so that the resistance change type storage element 1 is set again by this bias voltage. Need to be prevented. For this purpose, the bias voltage applied to the bit line BL1 must be smaller than the voltage required for setting.

リセット過程では、セル選択トランジスタ101のチャネル抵抗RCSが抵抗変化型記憶素子1の抵抗値Rよりも十分に小さくなるように、これらトランジスタのゲート電圧を調整するとともに、ビット線BL1に印加するバイアス電圧を、リセットに必要な電圧以上、セットに必要な電圧未満に設定する。 In the reset process, as in channel resistance R CS of the cell select transistor 101 becomes sufficiently smaller than the resistance value R L of the resistance change memory element 1, with adjusting the gate voltages of these transistors, it is applied to the bit line BL1 Set the bias voltage to a voltage higher than the voltage required for resetting and lower than the voltage required for the set.

次いで、ビット線BL1に印加するバイアス電圧をゼロに戻した後、ワード線WL1に印加する電圧をオフにし、リセットの動作を完了する。   Next, after the bias voltage applied to the bit line BL1 is returned to zero, the voltage applied to the word line WL1 is turned off to complete the reset operation.

本実施形態による不揮発性半導体記憶装置では、図6に示すように、ワード線WLとソース線SLとが列方向に配されており、一のワード線(例えばWL1)に接続されたメモリセル100は、同じソース線SL(例えばSL1)に接続されている。したがって、上記リセット動作において複数のビット線BL(例えばBL1〜BL4)を同時に駆動すれば、選択ワード線(例えばWL1)に連なる複数のメモリセル100を一括してリセットすることも可能である。   In the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, the memory cell 100 includes word lines WL and source lines SL arranged in the column direction and connected to one word line (for example, WL1). Are connected to the same source line SL (for example, SL1). Therefore, if a plurality of bit lines BL (for example, BL1 to BL4) are simultaneously driven in the reset operation, a plurality of memory cells 100 connected to the selected word line (for example, WL1) can be collectively reset.

次に、図6に示す本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法について説明する。読み出し対象のメモリセル100は、ワード線WL1及びビット線BL1に接続されたメモリセル100である。   Next, the reading method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment shown in FIG. 6 will be explained. The memory cell 100 to be read is a memory cell 100 connected to the word line WL1 and the bit line BL1.

まず、ワード線WL1に所定の電圧を印加し、セル選択トランジスタ101をオン状態にする。ソース線SL1は、基準電位、例えば接地電位である0Vに接続する。   First, a predetermined voltage is applied to the word line WL1, and the cell selection transistor 101 is turned on. The source line SL1 is connected to a reference potential, for example, 0 V that is a ground potential.

次いで、ビット線BL1に、所定のバイアス電圧を印加する。このバイアス電圧は、抵抗変化型記憶素子1がいずれの抵抗状態にあるときも印加電圧によってセットやリセットが生じないように設定する。   Next, a predetermined bias voltage is applied to the bit line BL1. This bias voltage is set so that no set or reset is caused by the applied voltage when the resistance change storage element 1 is in any resistance state.

ビット線BL1にこのようなバイアス電圧を印加すると、ビット線BL1には抵抗変化型記憶素子1の抵抗値に応じた電流が流れる。したがって、ビット線BL1に流れるこの電流値を検出することにより、抵抗変化型記憶素子1がどのような抵抗状態にあるかを読み出すことができる。   When such a bias voltage is applied to the bit line BL1, a current corresponding to the resistance value of the resistance change storage element 1 flows through the bit line BL1. Therefore, by detecting this current value flowing through the bit line BL1, it is possible to read out what resistance state the resistance change type storage element 1 is in.

以上より、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態によれば、抵抗変化型記憶膜13を多結晶にすることで、抵抗変化型記憶膜13と電極膜12a、12bとの間に形成された界面だけでなく、その多結晶同士の結晶界面にも電子の流れを不連続にする領域が形成され、その分、CER値を高めることができる。また、結晶の粒径を揃えることで、結晶が均一化される分、CER値のばらつきを抑制することができる。   As described above, according to the first embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention, the resistance change type memory film 13 and the electrode films 12a and 12b are obtained by making the resistance change type memory film 13 polycrystalline. A region where the flow of electrons is discontinuous is formed not only at the interface formed between them but also at the crystal interface between the polycrystals, and the CER value can be increased accordingly. In addition, by making the crystal grain sizes uniform, variations in CER values can be suppressed as the crystals are made uniform.

ここで、上述した抵抗変化型記憶膜13は、酸化物からなる複数の結晶が半導体基板11上に同一の粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなるものであってもよい。以下の実施例においても、同様とする。   Here, the above-described resistance change type memory film 13 is made of a polycrystal in which a plurality of crystals made of oxide grow on the semiconductor substrate 11 with the same grain size and adjacent crystal interfaces are formed in close contact with each other. It may be a thing. The same applies to the following embodiments.

以上で、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の説明を終了し、次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態について説明する。   Above, description of 1st Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention is complete | finished, Next, 2nd Embodiment of the 1st resistance change type memory element of this invention is described.

なお、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態と本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態とでは、構造が一部異なるが、それ以外は同様の構造を有するため、同じ要素については同じ符号を付して説明を省略し、相違点について主に説明する。   The first embodiment of the first resistance change type storage element of the present invention and the second embodiment of the first resistance change type storage element of the present invention are partially different in structure, but otherwise the same Since they have a structure, the same elements are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences are mainly described.

図8は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態の断面図である。   FIG. 8 is a cross-sectional view of a second embodiment of the first resistance change memory element of the present invention.

本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態と第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態との相違は、この第2実施形態において、大きさが異なる不揃いの多結晶からなる電極膜12c、12dを採用している点である。また、抵抗変化型記憶膜と電極膜との間に、後述する表面張力調整膜を設けた点である。   The difference between the first embodiment of the first resistance change type storage element of the present invention and the second embodiment of the first resistance change type storage element is that, in this second embodiment, the polycrystals having different sizes are different. The electrode films 12c and 12d made of are used. In addition, a surface tension adjusting film described later is provided between the resistance change memory film and the electrode film.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態の製造方法について説明する。   Next, a manufacturing method of the second embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention will be described.

図9は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態の製造方法の工程を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing a process of a manufacturing method according to the second embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention.

第1の工程として、半導体基板11上に電極膜12cを真空製膜法により成長させる(図9(a))。図9では、電極膜12cは大きさが異なる不揃いの多結晶から構成されている。   As a first step, an electrode film 12c is grown on the semiconductor substrate 11 by a vacuum film forming method (FIG. 9A). In FIG. 9, the electrode film 12 c is composed of irregular polycrystals having different sizes.

第2の工程として、電極膜12cの上面(下地膜)の表面エネルギを調整するため、表面張力調整膜16a(例えば、酸化物膜、窒化物膜、炭化物膜、弗化物膜、および硼化物などのセラミックス膜の群の中から選択される膜)を真空製膜法により、膜厚0.5〜2.0nmに形成する。   As a second step, a surface tension adjusting film 16a (for example, an oxide film, a nitride film, a carbide film, a fluoride film, a boride, etc.) is used to adjust the surface energy of the upper surface (underlayer film) of the electrode film 12c. A film selected from the group of ceramic films is formed to a thickness of 0.5 to 2.0 nm by a vacuum film forming method.

第3の工程として、真空製膜法により電極膜12cに島状成長核14を形成する(図9(c))。   As a third step, island-like growth nuclei 14 are formed on the electrode film 12c by vacuum film formation (FIG. 9C).

第4の工程として、真空製膜法により島状成長核にシード15を形成させる(図9(d))。   As a fourth step, seeds 15 are formed on the island-like growth nuclei by a vacuum film forming method (FIG. 9D).

第5の工程として、シード15の形成後、抵抗変化型記憶膜を構成する材料を用いて、真空製膜法により膜厚20〜50nmの抵抗変化型記憶膜13を形成する(図9(e))。   As a fifth step, after the seed 15 is formed, the resistance variable memory film 13 having a film thickness of 20 to 50 nm is formed by a vacuum film forming method using a material constituting the variable resistance memory film (FIG. 9E). )).

これらの工程を経て、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態が製造される。   Through these steps, the second embodiment of the first resistance change memory element of the present invention is manufactured.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態を採用した不揮発性半導体記憶装置の動作について説明する。なお、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態との相違点について説明する。   Next, the operation of the nonvolatile semiconductor memory device adopting the second embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention will be described. The difference between the first resistance change type storage element of the present invention and the first embodiment will be described.

本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態では、表面張力調整膜を積層したが、表面張力調整膜を積層せずに抵抗変化型記憶素子を作製してもよい。   In the second embodiment of the first resistance change type storage element of the present invention, the surface tension adjustment film is laminated. However, the resistance change type storage element may be produced without laminating the surface tension adjustment film.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態について説明する。   Next, a third embodiment of the first variable resistance memory element according to the present invention will be described.

図10は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態の断面図である。   FIG. 10 is a cross-sectional view of a third embodiment of the first resistance change memory element of the present invention.

本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態の特徴は、同一形状の多結晶からなる電極膜12eを採用している点である。   A feature of the third embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention is that an electrode film 12e made of polycrystal having the same shape is employed.

次に、第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態の製造方法について説明する。   Next, a manufacturing method of the third embodiment of the first resistance change type storage element will be described.

図11は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態の製造方法の工程を示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing a process of the manufacturing method of the third embodiment of the first resistance change memory element according to the present invention.

第1の工程として、真空製膜法により半導体基板11上に電極膜を形成するための島状成長核14を形成する(図11(a))。   As a first step, island-like growth nuclei 14 for forming an electrode film on the semiconductor substrate 11 are formed by a vacuum film-forming method (FIG. 11A).

第2の工程として、真空製膜法により島状成長核14にシード15を形成させる(図11(b))。   As a second step, seeds 15 are formed on the island-like growth nuclei 14 by a vacuum film-forming method (FIG. 11B).

第3の工程として、シード15を起点として、真空製膜法により、電極膜となる結晶が半導体基板11上に同一の粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなる電極膜12eを形成させる。   As a third step, a crystal forming an electrode film is grown on the semiconductor substrate 11 with the same grain size by the vacuum film forming method starting from the seed 15, and adjacent crystal interfaces are closely formed. An electrode film 12e made of crystals is formed.

第4の工程として、抵抗変化型記憶膜を構成する材料を用いて、真空製膜法により膜厚20〜50nmの抵抗変化型記憶膜13を形成する(図11(d))。   As a fourth step, the resistance variable memory film 13 having a thickness of 20 to 50 nm is formed by a vacuum film-forming method using the material constituting the variable resistance memory film (FIG. 11D).

第5の工程として、真空製膜法により抵抗変化型記憶膜13上に電極膜12fを成長させる(図11(e))。   As a fifth step, an electrode film 12f is grown on the resistance change memory film 13 by a vacuum film forming method (FIG. 11E).

これらの工程を経て、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態が製造される。   Through these steps, the third embodiment of the first resistance change memory element of the present invention is manufactured.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態を採用した不揮発性半導体記憶装置の動作に関し、特徴的な点について説明する。   Next, characteristic points of the operation of the nonvolatile semiconductor memory device adopting the third embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention will be described.

本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態では、電極膜12eを同一形状の多結晶構造としている。   In the third embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention, the electrode film 12e has a polycrystalline structure of the same shape.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態について説明する。   Next, a fourth embodiment of the first resistance change memory element of the present invention will be described.

図12は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態の断面図である。   FIG. 12 is a sectional view of the fourth embodiment of the first resistance change memory element according to the present invention.

第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態では、第3実施形態と比較して、新たに酸化Si層11bを設けた。   In the fourth embodiment of the first resistance change type storage element, a Si oxide layer 11b is newly provided as compared with the third embodiment.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態の製造方法について説明する。   Next, a manufacturing method of the fourth embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention will be described.

図13は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態の製造方法の工程を示す。   FIG. 13 shows the steps of the manufacturing method of the fourth embodiment of the first resistance change memory element according to the present invention.

第1の工程として、シリコン単結晶からなるSi基板11a上に、フォトリソグラフィの技術を用いて、レジストパターニングを行う。続いて、緩衝フッ酸水溶液を用いてSi基板11aをエッチングすることにより、Si結晶面上におけるエッチング速度の違いを反映した三角錐状のエッチングピットが形成される(図13(a))。   As a first step, resist patterning is performed on the Si substrate 11a made of silicon single crystal by using a photolithography technique. Subsequently, by etching the Si substrate 11a using a buffered hydrofluoric acid aqueous solution, triangular pyramid-shaped etching pits reflecting the difference in the etching rate on the Si crystal plane are formed (FIG. 13A).

第2の工程として、レジストを除去した後、Si基板11aの表面に熱酸化Si層11bを形成することで、島状成長核材料のシリサイド化を防ぐ(図13(b))。   As a second step, after removing the resist, a thermally oxidized Si layer 11b is formed on the surface of the Si substrate 11a to prevent silicidation of the island-like growth nucleus material (FIG. 13B).

第3の工程として、Si基板11aに、電極膜を形成するための島状成長核14を形成する(図13(c))。   As a third step, island-like growth nuclei 14 for forming an electrode film are formed on the Si substrate 11a (FIG. 13C).

第4の工程として、島状成長核14にシード15を形成させる(図13(d))。   As a fourth step, seeds 15 are formed on the island-like growth nuclei 14 (FIG. 13D).

第5の工程として、シード15を起点として、真空製膜法により電極膜12gを形成させる(図13(e))。   As a fifth step, the electrode film 12g is formed by a vacuum film forming method starting from the seed 15 (FIG. 13E).

第6の工程として、抵抗変化型記憶膜を構成する材料を用いて、真空製膜法により膜厚20〜50nmの抵抗変化型記憶膜13を形成する(図13(f))。   As a sixth step, a resistance-change memory film 13 having a thickness of 20 to 50 nm is formed by a vacuum film-forming method using a material constituting the resistance-change memory film (FIG. 13F).

第7工程として、真空製膜法により抵抗変化型記憶膜13上に電極膜12hを成長させる(図13(g))。   As a seventh step, an electrode film 12h is grown on the resistance change memory film 13 by a vacuum film forming method (FIG. 13G).

なお、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態を採用した不揮発性半導体記憶装置の動作は第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態を採用した不揮発性半導体記憶装置の動作と同様であるので、説明を省略する。   The operation of the nonvolatile semiconductor memory device adopting the fourth embodiment of the first resistance change type storage element of the present invention is the same as the operation of the nonvolatile semiconductor memory device adopting the third embodiment of the first resistance change type storage element. Since the operation is the same as that in FIG.

本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態によっても、第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態と同様の効果を得ることができる。   According to the fourth embodiment of the first resistance change type storage element of the present invention, the same effect as that of the third embodiment of the first resistance change type storage element can be obtained.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第5実施形態について説明する。   Next, a fifth embodiment of the first resistance change memory element of the present invention will be described.

図14は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第5実施形態の断面図である。   FIG. 14 is a sectional view of a fifth embodiment of the first resistance change memory element according to the present invention.

本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第5実施形態では、第4実施形態と比較して、島状形成核を形成させる工程を省略して電極膜12iを形成させている。   In the fifth embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention, the step of forming island-shaped nuclei is omitted and the electrode film 12i is formed as compared with the fourth embodiment.

次に、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態の製造方法について説明する。   Next, a manufacturing method of the fourth embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention will be described.

図15は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態の製造方法の工程を示す。   FIG. 15 shows the steps of the manufacturing method of the fourth embodiment of the first resistance change memory element according to the present invention.

第1の工程として、シリコン単結晶からなるSi基板11a上に、フォトリソグラフィの技術を用いて、レジストパターニングを行う。続いて、緩衝フッ酸水溶液を用いてSi基板11aをエッチングすることにより、Si結晶面上におけるエッチング速度の違いを反映した三角錐状のエッチングピットが形成される(図15(a))。   As a first step, resist patterning is performed on the Si substrate 11a made of silicon single crystal by using a photolithography technique. Subsequently, by etching the Si substrate 11a using a buffered hydrofluoric acid aqueous solution, triangular pyramid-shaped etching pits reflecting the difference in the etching rate on the Si crystal plane are formed (FIG. 15A).

第2の工程として、レジストを除去した後、Si基板の表面に熱酸化Si層を形成する(図15(b))。   As a second step, after removing the resist, a thermally oxidized Si layer is formed on the surface of the Si substrate (FIG. 15B).

第3の工程として、真空製膜法により、同じ大きさの電極膜12iを形成させる(図15(c))。   As a third step, an electrode film 12i having the same size is formed by a vacuum film forming method (FIG. 15C).

第4の工程として、抵抗変化型記憶膜を構成する材料を用いて、真空製膜法により膜厚20〜50nmの抵抗変化型記憶膜を形成する(図15(d))。   As a fourth step, a resistance change type memory film having a thickness of 20 to 50 nm is formed by a vacuum film forming method using a material constituting the resistance change type memory film (FIG. 15D).

第5工程として、上述した第4実施例の第1〜第3工程を繰り返すことで、電極膜12jを成長させる(図15(e))。   As the fifth step, the electrode film 12j is grown by repeating the first to third steps of the fourth embodiment described above (FIG. 15E).

なお、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第5実施形態を採用した不揮発性半導体記憶装置の動作は、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態を採用した不揮発性半導体記憶装置の動作と同様であるので、説明を省略する。   The operation of the nonvolatile semiconductor memory device adopting the fifth embodiment of the first resistance change memory element of the present invention is the same as the operation of the nonvolatile semiconductor memory device adopting the third embodiment of the first resistance change memory element of the present invention. Since the operation is the same as that of the conductive semiconductor memory device, description thereof is omitted.

本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第5実施形態によっても、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態と同様の効果を得ることができる。   Also according to the fifth embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention, the same effect as that of the third embodiment of the first resistance change type memory element of the present invention can be obtained.

以上で、本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第5実施形態の説明を終了し、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態について説明する。   Above, description of 5th Embodiment of the 1st resistance change type | mold memory element of this invention is complete | finished, and 1st Embodiment of 2nd resistance change type | mold memory element of this invention is described.

図16は、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態および第2実施形態の断面図である。   FIG. 16 is a cross-sectional view of the first and second embodiments of the second resistance change type storage element of the present invention.

この抵抗変化型記憶素子2は、上述した、印加電圧に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とが切り替わる酸化物の単結晶で形成された抵抗変化型記憶膜23とその抵抗変化型記憶膜23とは異なる電気抵抗率を有する積層膜24とが交互に積層している構造を有している。さらに、半導体基板21上に形成されて、交互に積層された抵抗変化型記憶膜23および積層膜24からなる積層構造の全体を挟んで配備された、抵抗変化型記憶膜23および積層膜24に電圧を印加する一対の電極膜22a、22bとが備えられている(図16(a))。   The resistance change type storage element 2 includes the above-described resistance change type storage film 23 formed of a single crystal of an oxide that switches between a high resistance state and a low resistance state according to an applied voltage, and the resistance change type storage film 23. It has a structure in which laminated films 24 having different electrical resistivity are laminated alternately. Furthermore, the resistance change type memory film 23 and the laminated film 24 formed on the semiconductor substrate 21 and disposed across the entire laminated structure composed of the resistance change type memory film 23 and the laminated film 24 which are alternately laminated. A pair of electrode films 22a and 22b for applying a voltage is provided (FIG. 16A).

次に、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の製造方法について説明する。   Next, a manufacturing method of the first embodiment of the second resistance change type memory element of the present invention will be described.

第1の工程として、半導体基板21上に電極膜22aを真空製膜法により成長させる。   As a first step, an electrode film 22a is grown on the semiconductor substrate 21 by a vacuum film forming method.

第2の工程として、抵抗変化型記憶膜を構成する酸化物の単結晶材料を用いて、真空製膜法により抵抗変化型記憶膜23を電極膜22a上に形成する。   As a second step, the resistance variable memory film 23 is formed on the electrode film 22a by a vacuum film forming method using an oxide single crystal material constituting the resistance variable memory film.

第3の工程として、真空製膜法により、抵抗変化型記憶膜23とは異なる電気抵抗率を有する積層膜24を抵抗変化型記憶膜23上に形成する。
その後は、真空製膜法により、抵抗変化型記憶膜23と積層膜24とを交互に積層させる。
As a third step, a laminated film 24 having an electrical resistivity different from that of the resistance change type memory film 23 is formed on the resistance change type memory film 23 by a vacuum film forming method.
Thereafter, the resistance change memory film 23 and the laminated film 24 are alternately laminated by a vacuum film forming method.

第4の工程として、真空製膜法により電極膜22bを積層させる。   As a fourth step, the electrode film 22b is laminated by a vacuum film forming method.

これらの工程を経て、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態が製造される。   Through these steps, the first embodiment of the second resistance change memory element of the present invention is manufactured.

次に、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の動作について説明する。   Next, the operation of the first embodiment of the second resistance change type storage element of the present invention will be described.

先ず第1に、積層膜24として、抵抗変化型記憶膜23よりも電気抵抗率が高い膜を用いた場合について述べる。   First, the case where a film having a higher electrical resistivity than the resistance change memory film 23 is used as the laminated film 24 will be described.

ここで、この積層膜24は、印加電圧に応じて電子がトンネル現象によってこの積層膜24を通過できる厚さ(数nm)の膜である。   Here, the laminated film 24 is a film having a thickness (several nm) that allows electrons to pass through the laminated film 24 by a tunnel phenomenon according to an applied voltage.

以上より、抵抗変化型記憶膜23と電気抵抗率が高い積層膜24との界面を多くすることで、抵抗変化型記憶膜23と積層膜24の界面に生じるトンネリング効果に伴う界面領域の電子の流れが抑制される。すなわち、抵抗変化型記憶膜23と積層膜24との間の界面で生じるショットキー障壁の高さや幅を制御したり、電子をトラップする界面トラップ準位を制御することができ、CER値を高めることができる。   As described above, by increasing the interface between the resistance change memory film 23 and the laminated film 24 having a high electrical resistivity, electrons in the interface region due to the tunneling effect generated at the interface between the resistance change memory film 23 and the laminated film 24 can be obtained. Flow is suppressed. That is, the height and width of the Schottky barrier generated at the interface between the resistance change memory film 23 and the laminated film 24 can be controlled, and the interface trap level for trapping electrons can be controlled, thereby increasing the CER value. be able to.

次に、積層膜24として抵抗変化型記憶膜23よりも電気抵抗率が低い膜を用いた場合について述べる。   Next, a case where a film having a lower electrical resistivity than the resistance change memory film 23 is used as the laminated film 24 will be described.

電気抵抗率が低い膜を積層膜24に用いた場合、印加電圧に応じて伝導電子が抵抗変化型記憶膜および積層膜24内を膜厚方向に流れるが、抵抗変化型記憶膜とその抵抗変化型記憶膜よりも電気抵抗の低い膜が周期的に存在するためホッピング伝導によって流れる。したがって、抵抗変化型記憶膜と積層膜24との間の界面で生じるショットキー障壁の高さや幅を制御したり、電子をトラップする界面トラップ準位を制御することができ、CER値を高めることができる。   When a film having a low electrical resistivity is used for the laminated film 24, conduction electrons flow in the film thickness direction in the resistance change type memory film and the laminated film 24 according to the applied voltage, but the resistance change type memory film and its resistance change Since a film having a lower electric resistance than the type memory film periodically exists, the film flows by hopping conduction. Therefore, the height and width of the Schottky barrier generated at the interface between the resistance change memory film and the laminated film 24 can be controlled, and the interface trap level for trapping electrons can be controlled, thereby increasing the CER value. Can do.

以上より、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態によれば、抵抗変化型記憶膜と積層膜とを交互に積層することで、抵抗変化型記憶膜と電極膜との間に形成される界面だけでなく、抵抗変化型記憶膜と積層膜との間に形成される異種材料による接合界面を多く配備することができる。その結果、ショットキー障壁や電子をトラップする領域が増える分、CER値を高めることができる。   As described above, according to the first embodiment of the second resistance change type memory element of the present invention, the resistance change type memory film and the electrode film are formed by alternately laminating the resistance change type memory film and the laminated film. In addition to the interface formed between them, a large number of bonding interfaces formed of different materials formed between the resistance change memory film and the laminated film can be provided. As a result, the CER value can be increased as the Schottky barrier and the region for trapping electrons increase.

以上で、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の説明を終了し、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態について説明する。   Above, description of 1st Embodiment of the 2nd resistance change memory element of this invention is complete | finished, and 2nd Embodiment of 2nd resistance change type memory element of this invention is described.

図16(b)は、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態の断面図である。   FIG. 16B is a cross-sectional view of the second embodiment of the resistance change memory element of the present invention.

本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態との差異点は、抵抗変化型記憶膜を酸化物の単結晶ではなく、酸化物からなる複数の結晶が前記半導体基板上に同一の粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶にしている点である。   The difference from the first embodiment of the second resistance change type memory element of the present invention is that the resistance change type memory film is not an oxide single crystal, but a plurality of oxide crystals are the same on the semiconductor substrate. It grows with a grain size of 2 mm and is a polycrystal formed by closely adjoining adjacent crystal interfaces.

次に、第2の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態の製造方法について説明する。   Next, a manufacturing method of the second embodiment of the second resistance change type storage element will be described.

第1〜第4の工程は、既に上述した、図5(a)〜図5(d)と同様であるので説明を省略する。   Since the first to fourth steps are the same as those already described above with reference to FIGS. 5A to 5D, description thereof will be omitted.

第5の工程として、電極膜でなく、積層膜34を真空製膜法により成長させる。   As a fifth step, not the electrode film but the laminated film 34 is grown by a vacuum film forming method.

第6の工程として、その後は、第1〜第4の工程と同様にして、真空製膜法により、抵抗変化型記憶膜33を積層させる。そして、任意に抵抗変化型記憶膜33と積層膜34を交互に積層する。   As the sixth step, thereafter, the resistance change memory film 33 is laminated by a vacuum film forming method in the same manner as in the first to fourth steps. Then, the resistance change memory film 33 and the laminated film 34 are alternately laminated.

第7の工程として、真空製膜法により、電極膜32bを積層させる。   As a seventh step, the electrode film 32b is laminated by a vacuum film forming method.

これらの工程を経て、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態が製造される。   Through these steps, the second embodiment of the second resistance change memory element of the present invention is manufactured.

ここで、本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態で説明したように、積層膜として、電気抵抗率の低い膜、電気抵抗率の高い膜、あるいは酸化膜を用いた場合については同様であるので、積層膜34の効果については説明を省略する。   Here, as described in the first embodiment of the second resistance change type memory element of the present invention, a film having a low electrical resistivity, a film having a high electrical resistivity, or an oxide film is used as the laminated film. Since this is the same, the description of the effect of the laminated film 34 is omitted.

以上より、第2の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態によれば、抵抗変化型記憶膜を多結晶にすることで、その多結晶同士の結晶界面に電子の流れを不連続にする領域が形成され、その分、CER値を高めることができる。また、結晶の大きさを均一に揃えることで、CER値のばらつきを抑制することができる。   As described above, according to the second embodiment of the second resistance change memory element, the resistance change memory film is made polycrystalline so that the electron flow is discontinuous at the crystal interface between the polycrystals. And the CER value can be increased accordingly. In addition, variation in CER values can be suppressed by making the crystal sizes uniform.

以上説明したように、本発明によれば、CER値のばらつきを抑制するとともにCER値を高める工夫が施された抵抗変化型記憶素子を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a resistance change type storage element in which a contrivance for increasing the CER value while suppressing variations in the CER value is provided.

本発明は以下の付記を有する。
(付記1)
印加電圧に応じて、高抵抗状態と該高抵抗状態よりも電流が流れやすい低抵抗状態とに切り替わり、該高抵抗状態と該低抵抗状態とを選択的に保持する抵抗変化型記憶素子において、
半導体基板上に形成されて、印加電圧に応じて前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とに切り替わる酸化物の結晶で形成された抵抗変化型記憶膜と、
前記抵抗変化型記憶膜と交互に積層された、前記抵抗変化型記憶膜とは異なる電気抵抗率を有する積層膜と、
前記抵抗変化型記憶膜および前記積層膜からなる積層構造の全体を挟んで配備された、該抵抗変化型記憶膜および該積層膜に電圧を印加する一対の電極膜とを備えたことを特徴とする抵抗変化型記憶素子。
(付記2)
前記抵抗変化型記憶膜は、前記酸化物の単結晶からなるものであることを特徴とする付記1記載の抵抗変化型記憶素子。
(付記3)
前記抵抗変化型記憶膜は、酸化物からなる複数の結晶が前記半導体基板上に同一の粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなるものであることを特徴とする付記1記載の抵抗変化型記憶素子。
(付記4)
前記積層膜は、前記抵抗変化型記憶膜よりも電気抵抗率が低い膜であること特徴とする付記1記載の抵抗変化型記憶素子。
(付記5)
前記積層膜は、前記抵抗変化型記憶膜よりも電気抵抗率が高い膜であること特徴とする付記1記載の抵抗変化型記憶素子。
(付記6)
印加電圧に応じて、高抵抗状態と該高抵抗状態よりも電流が流れやすい低抵抗状態とに切り替わり、該高抵抗状態と該低抵抗状態とを選択的に保持する抵抗変化型記憶素子において、
半導体基板上に形成されて、酸化物からなる複数の結晶が前記半導体基板上に同一の粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなる抵抗変化型記憶膜と、
前記抵抗変化型記憶膜を挟んで配備された、該抵抗変化型記憶膜に電圧を印加する一対の電極膜とを備えたことを特徴とする抵抗変化型記憶素子。
(付記7)
前記電極膜が、単結晶若しくは多結晶からなるものであることを特徴とする付記1又は5記載の抵抗変化型記憶素子。
The present invention has the following supplementary notes.
(Appendix 1)
In the resistance change type storage element that switches between a high resistance state and a low resistance state in which current flows more easily than the high resistance state according to an applied voltage, and selectively holds the high resistance state and the low resistance state.
A resistance change type memory film formed on a semiconductor substrate and formed of an oxide crystal that switches between the high resistance state and the low resistance state according to an applied voltage;
A laminated film alternately laminated with the resistance change type memory film and having an electric resistivity different from that of the resistance change type memory film;
The resistance variable memory film and a pair of electrode films for applying a voltage to the multilayer film, provided across the entire laminated structure including the resistance variable memory film and the multilayer film, A resistance change memory element.
(Appendix 2)
The resistance-change memory element according to appendix 1, wherein the resistance-change memory film is made of a single crystal of the oxide.
(Appendix 3)
The resistance change type memory film is made of a polycrystal in which a plurality of crystals made of an oxide are grown on the semiconductor substrate with the same grain size and adjacent crystal interfaces are formed in close contact with each other. The variable resistance memory element according to Supplementary Note 1, wherein
(Appendix 4)
The resistance change type memory element according to appendix 1, wherein the laminated film is a film having an electric resistivity lower than that of the resistance change type memory film.
(Appendix 5)
The resistance change memory element according to appendix 1, wherein the stacked film is a film having a higher electrical resistivity than the resistance change memory film.
(Appendix 6)
In the resistance change type storage element that switches between a high resistance state and a low resistance state in which current flows more easily than the high resistance state according to an applied voltage, and selectively holds the high resistance state and the low resistance state.
A resistance change type memory film made of a polycrystal formed on a semiconductor substrate, wherein a plurality of crystals made of an oxide grow on the semiconductor substrate with the same grain size, and adjacent crystal interfaces are formed in close contact with each other When,
A resistance change type storage element, comprising: a pair of electrode films disposed across the resistance change type storage film to apply a voltage to the resistance change type storage film.
(Appendix 7)
6. The resistance change memory element according to appendix 1 or 5, wherein the electrode film is made of single crystal or polycrystal.

双極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子の電流―電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of the resistance change memory element using a bipolar resistance change memory film. 単極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子の電流―電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of the resistance change type memory element using a unipolar resistance change type memory film. 図2の場合と同じ単極性抵抗変化型記憶膜を用いた抵抗変化型記憶素子のフォーミング処理を説明する電流―電圧特性を示すグラフである。3 is a graph showing current-voltage characteristics for explaining a forming process of a resistance change type storage element using the same unipolar resistance change type storage film as in FIG. 2. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の断面図である。It is sectional drawing of 1st Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態の製造方法の工程を示す図である。It is a figure which shows the process of the manufacturing method of 1st Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態を採用した不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの概要図である。1 is a schematic diagram of a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device adopting a first embodiment of a first variable resistance memory element according to the present invention. 図6に示すメモリセルをマトリクス状に配置したメモリセルアレイの一例を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a memory cell array in which the memory cells shown in FIG. 6 are arranged in a matrix. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態の断面図である。It is sectional drawing of 2nd Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第2実施形態の製造方法の工程を示す図である。It is a figure which shows the process of the manufacturing method of 2nd Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態の断面図である。It is sectional drawing of 3rd Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第3実施形態の製造方法の工程を示す図である。It is a figure which shows the process of the manufacturing method of 3rd Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態の断面図である。It is sectional drawing of 4th Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第4実施形態の製造方法の工程を示す図である。It is a figure which shows the process of the manufacturing method of 4th Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第5実施形態の断面図である。It is sectional drawing of 5th Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第1の抵抗変化型記憶素子の第5実施形態の製造方法の工程を示す図である。It is a figure which shows the process of the manufacturing method of 5th Embodiment of the 1st resistance change memory element of this invention. 本発明の第2の抵抗変化型記憶素子の第1実施形態および第2実施形態の断面図である。It is sectional drawing of 1st Embodiment and 2nd Embodiment of the 2nd resistance change memory element of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、2、3 抵抗変化型記憶素子
11、21、31 半導体基板
11a Si基板
11b エッチングピット
12a、12b、12c、12d、12e、12f 電極膜
12g、12h、12i、12j 電極膜
13、23、33 抵抗変化型記憶膜
14 島状成長核
15 シード
16a 表面張力調整膜
24、34 積層膜
100 メモリセル
101 セル選択トランジスタ
101a、101b ドレイン端子
101c ゲート端子
BL、BL1、BL2、BL3、BL4 ビット線
SL、SL1、SL2、バーSL1、バーSL2 ソース線
WL、WL1、WL2、バーWL1、バーWL2 ワード線
1, 2, 3 Resistance change memory element 11, 21, 31 Semiconductor substrate 11a Si substrate 11b Etching pits 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f Electrode films 12g, 12h, 12i, 12j Electrode films 13, 23, 33 Resistance change type memory film 14 Island-like growth nucleus 15 Seed 16a Surface tension adjusting film 24, 34 Laminated film
100 Memory cell 101 Cell selection transistor 101a, 101b Drain terminal 101c Gate terminal BL, BL1, BL2, BL3, BL4 Bit lines SL, SL1, SL2, Bar SL1, Bar SL2 Source lines WL, WL1, WL2, Bar WL1, Bar WL2 Word line

Claims (5)

印加電圧に応じて、高抵抗状態と該高抵抗状態よりも電流が流れやすい低抵抗状態とに切り替わり、該高抵抗状態と該低抵抗状態とを選択的に保持する抵抗変化型記憶素子において、
半導体基板上に形成されて、印加電圧に応じて前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とに切り替わる酸化物の結晶で形成された抵抗変化型記憶膜と、
前記抵抗変化型記憶膜と交互に積層された、前記抵抗変化型記憶膜とは異なる電気抵抗率を有する積層膜と、
前記抵抗変化型記憶膜および前記積層膜からなる積層構造の全体を挟んで配備された、該抵抗変化型記憶膜および該積層膜に電圧を印加する一対の電極膜とを備えたことを特徴とする抵抗変化型記憶素子。
In the resistance change type storage element that switches between a high resistance state and a low resistance state in which current flows more easily than the high resistance state according to an applied voltage, and selectively holds the high resistance state and the low resistance state.
A resistance change type memory film formed on a semiconductor substrate and formed of an oxide crystal that switches between the high resistance state and the low resistance state according to an applied voltage;
A laminated film alternately laminated with the resistance change type memory film and having an electric resistivity different from that of the resistance change type memory film;
The resistance variable memory film and a pair of electrode films for applying a voltage to the multilayer film, provided across the entire laminated structure including the resistance variable memory film and the multilayer film, A resistance change memory element.
前記抵抗変化型記憶膜は、前記酸化物の単結晶からなるものであることを特徴とする請求項1記載の抵抗変化型記憶素子。   2. The resistance change memory element according to claim 1, wherein the resistance change memory film is made of a single crystal of the oxide. 前記抵抗変化型記憶膜は、酸化物からなる複数の結晶が前記半導体基板上に同一粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなるものであることを特徴とする請求項1記載の抵抗変化型記憶素子。   The variable resistance memory film is made of a polycrystal in which a plurality of crystals made of an oxide are grown on the semiconductor substrate with the same grain size and adjacent crystal interfaces are formed in close contact with each other. The resistance change memory element according to claim 1. 印加電圧に応じて、高抵抗状態と該高抵抗状態よりも電流が流れやすい低抵抗状態とに切り替わり、該高抵抗状態と該低抵抗状態とを選択的に保持する抵抗変化型記憶素子において、
半導体基板上に形成されて、酸化物からなる複数の結晶が前記半導体基板上に同一の粒径で成長するとともに隣り合う結晶界面同士が密接して形成された多結晶からなる抵抗変化型記憶膜と、
前記抵抗変化型記憶膜を挟んで配備された、該抵抗変化型記憶膜に電圧を印加する一対の電極膜とを備えたことを特徴とする抵抗変化型記憶素子。
In the resistance change type storage element that switches between a high resistance state and a low resistance state in which current flows more easily than the high resistance state according to an applied voltage, and selectively holds the high resistance state and the low resistance state.
A resistance change type memory film made of a polycrystal formed on a semiconductor substrate, wherein a plurality of crystals made of an oxide grow on the semiconductor substrate with the same grain size, and adjacent crystal interfaces are formed in close contact with each other When,
A resistance change type storage element, comprising: a pair of electrode films disposed across the resistance change type storage film to apply a voltage to the resistance change type storage film.
前記電極膜が、単結晶若しくは多結晶からなるものであることを特徴とする請求項1又は4記載の抵抗変化型記憶素子。   5. The resistance change type memory element according to claim 1, wherein the electrode film is made of single crystal or polycrystal.
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