JP2007235139A - 二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子 - Google Patents
二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子を提供する。
【解決手段】可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子において、下部電極と、下部電極上に酸化状態の変化可能な酸化物から形成された形成された第１酸化層と、第１酸化層上に形成された第２酸化層と、第２酸化層上に形成された上部電極と、を備える二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子である。
【選択図】図２
【解決手段】可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子において、下部電極と、下部電極上に酸化状態の変化可能な酸化物から形成された形成された第１酸化層と、第１酸化層上に形成された第２酸化層と、第２酸化層上に形成された上部電極と、を備える二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子である。
【選択図】図２
Description
本発明は、不揮発性メモリ素子に係り、さらに詳細には、二つの酸化層を導入して安定したスイッチング特性を有し、別途に、ダイオードまたはトランジスタのような素子を形成させずとも動作可能な構造の二つの酸化層を有する不揮発性メモリ素子に関する。
現在、半導体メモリ素子は、単位面積当りメモリセルの数、すなわち、集積度が高く、動作速度が速く、かつ低電力で駆動可能であることが望ましいので、これに関する多くの研究が行われてきた。
一般的な半導体メモリ装置は、回路的に連結された多くのメモリセルを備える。代表的な半導体メモリ装置のＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）の場合、単位メモリセルは、一つのスイッチ及び一つのキャパシタから構成されることが一般的である。ＤＲＡＭは、集積度が高く、かつ動作速度が速いという利点がある。しかし、電源が切断された後には、保存されたデータが全て消失されるという短所がある。
不揮発性メモリ素子は、電源が切断された後にも、保存されたデータが保存されうるものであって、代表的にフラッシュメモリが挙げられる。フラッシュメモリは、揮発性メモリとは異なり、不揮発性の特性を有しているが、ＤＲＡＭに比べて集積度が低く、かつ動作速度が遅いという短所がある。
現在、多くの研究が行われている不揮発性メモリ素子として、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。
このうち、ＲＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は、主に遷移金属酸化物の電圧による抵抗値が変わる特性（抵抗変換特性）を利用したものであって、図１は、一般的な構造の抵抗変換物質を利用したＲＲＡＭ素子の構造を示す図面である。遷移金属酸化物（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ：ＴＭＯ）を利用したＲＲＡＭ素子の場合にも、メモリ素子として使用可能なスイッチング特性を有している。
図１に示すように、基板１０上に下部電極１２、酸化層１４及び上部電極１６が順次に形成されている。下部電極１２及び上部電極１６は、一般的な伝導性物質から形成されたものであり、酸化層１４は、抵抗変換（可変抵抗）特性を有する遷移金属酸化物から形成される。具体的に、酸化層１４は、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２またはＮｉＯなどを利用して形成させうる。
一般的に、ペロブスカイト−ＲＲＡＭの場合には、スイッチング物質群としてペロブスカイト酸化物を利用し、代表的に、ＰＣＭＯ（ＰｒＣａＭｎＯ３）またはＣｒ−ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）のような物質を酸化層として利用し、ショットキー障壁変形の原理を利用して、メモリノードに加えられる極性によってメモリ特性を具現した例がある。
本発明では、簡単な構成を有し、安定的に動作できるように、スイッチング特性に優れた二つの酸化層を利用した新たな構造の不揮発性メモリ素子を提供することを目的とする。
本発明は、前記目的を解決するために、可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子において、下部電極と、前記下部電極上に酸化状態の変化可能な酸化物から形成された第１酸化層と、前記第１酸化層上に形成された第２酸化層と、前記第２酸化層上に形成された上部電極と、を備える二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子を提供する。
本発明において、前記下部電極は、前記第１酸化層とショットキーコンタクトを行う金属または金属酸化物から形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記第１酸化層は、遷移金属酸化物から形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記遷移金属酸化物は、ＮｉＯ、ＣｅＯ２、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、またはＺｒＯ２から形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記第２酸化層は、非晶質酸化物から形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記非晶質酸化物は、ＩＺＯまたはＩＴＯであることを特徴とする。
本発明において、前記下部電極は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒまたはこれらの酸化物から形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記上部電極は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒまたはこれらの酸化物から形成されるか、ＴｉまたはＡｇから形成されたことを特徴とする。
本発明によれば、非常に簡単な構造の安定したスイッチング特性を有し、別途に、ダイオードまたはトランジスタのような素子を形成させないので、その製造コストの低い構造を有する不揮発性メモリ素子を提供できる。
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態による二つの酸化層を有する不揮発性メモリ素子についてさらに詳細に説明する。ここで、図面に示す各層や領域の厚さ及び幅は、説明のために誇張されて図示された。
図２は、本発明の実施形態による二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子の構造を示す図面である。
図２に示すように、本発明の実施形態による二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子は、基板２０、前記基板上に順次に形成された下部電極２１、第１酸化層２２、第２酸化層２３及び上部電極２４を備える構造を有している。
ここで、基板２０は、一般的に使用するＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＣなどを制限なしに利用できる。
下部電極２１は、金属または金属酸化物から形成され、具体的に、酸化物とショットキーコンタクトの可能な物質から形成され、ＴｉＯ２のようなｎ型酸化物から第１酸化層２２を形成させた場合には、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、ＩｒＯｘなどの仕事関数の高い物質から形成させうる。もし、第１酸化層２２をＮｉＯなどのｐ型酸化物を含んで形成させる場合、下部電極２１は、ＴｉまたはＡｇなどの低い仕事関数を有する物質から形成させることが望ましい。
第１酸化層２２は、低い電子伝導度を有し、高い酸素伝導度を有する物質から形成される。具体的に、第１酸化層２２は、二つの抵抗状態を有する物質から形成され、例えば、遷移金属酸化物であるＮｉＯ、ＣｅＯ２、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２等で形成させうる。
第２酸化層２３は、酸素イオンの濃度による実質的な抵抗変化がなく、酸素イオンを含有できる物質（酸素空孔の高い物質）から形成される。具体的に、ＩＺＯ（ＩｎＺｎＯ）またはＩＴＯ（ＩｎＳｎＯ）のように、比較的欠陥の多い非晶質酸化物から形成させうる。
上部電極２４は、金属または金属酸化物から形成され、具体的に、酸化物とオームコンタクトの可能な物質から形成されうる。例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、ＩｒＯｘなどの物質から形成させうる。
前述のような本発明の実施形態による二つの酸化層を有する不揮発性メモリ素子は、スパッタリングのようなＰＶＤ、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＣＶＤ工程などを利用して製造できる。ここで、各層の厚さは制限されず、数ｎｍないし数μｍに調節して形成可能である。図２では、不揮発性メモリ素子の単位構造のみを示したが、本発明の実施形態による二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子は、クロスポイント構造にアレイ形態に使用されうる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態による二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子の作動原理について詳細に説明する。
図３は、本発明の実施形態による二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子の作動原理を示すＩ−Ｖグラフである。ここでは、具体的に、第１酸化層２２は、ＴｉＯ２で形成させ、第２酸化層２３は、ＩＺＯから形成させ、下部電極２１及び上部電極２４は、ＩｒＯｘから形成させた試片を例として説明する。ここで、第２酸化層２３の材料であるＩＺＯをＩｒＯｘ下部電極とＩｒＯｘ上部電極との間に形成させた後、電流−電圧特性を測定した結果を図４に示した。また、第１酸化層２３の材料であるＴｉＯｘをＩｒＯｘ下部電極とＰｔ上部電極との間に形成させた後、電流−電圧特性を測定した結果を図５に示した。図４及び図５に示すように、ＩＺＯ及びＴｉＯｘは、何れも印加電圧に対して、電流値が状態によって変化（Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３→Ｂ４、Ｃ１→Ｃ２→Ｃ３→Ｃ４）する可変抵抗の特性を有しているということが分かる。
図３に示すように、上部電極２４に正（＋）電圧を順次に印加すれば、Ａ１曲線に沿って第１酸化層２２及び第２酸化層２３に流れる電流値は順次に大きくなる。ここで、特に、第１酸化層２２の場合、比較的に抵抗の高い状態であるので、第１酸化層２２に流れる電流値は小さい状態である。上部電極２４を通じて０ＶないしＭ２Ｖまで＋電圧を印加したので、第１酸化層２２であるＴｉＯ２から酸素イオンが抜け出て上部電極２４側に移動する。第１酸化層２２から酸素イオンが上部電極２４側に移動した状態であるので、第１酸化層２２は、ＴｉＯまたはＴｉ２Ｏ３のように、ＴｉＯ２に比べて低い抵抗値を有する物質状態となる。もし、第１酸化層２２がＶ２Ｏ５である場合には、ＶＯ２に、Ｎｂ２Ｏ５は、ＮｂＯ２などに酸素イオンが減少した構造となる。
第２酸化層２３を構成するＩＺＯは、非晶質物質であって、比較的に多い欠陥を含んでおり、第１酸化層２２から酸素イオンが移動してきても、抵抗値の変化が大きくなることはない。結果的に、図３のＭ２電圧まで０ＶないしＭ２Ｖを印加してＡ１過程を経つつ、本発明の実施形態による二つの酸化層を有する不揮発性メモリ素子は、高い抵抗状態（Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｔａｔｅ：ＨＲＳ）から低い抵抗状態（Ｌｏｗ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｔａｔｅ：ＬＨＳ）に変わる。
低い抵抗状態となった後、印加電圧の大きさを順次に低下させれば、Ａ２経路に第１酸化層２２及び第２酸化層２３に流れる電流値が変化する。結果的に、本発明の実施形態による二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子は、高い抵抗状態（ＨＲＳ）及び低い抵抗状態（ＬＲＳ）を有する。高い抵抗状態の値を“０”、低い抵抗状態の値を“１”に指定する場合、メモリ素子として使用可能であるということが確認できる。例えば、本発明の実施形態による二つの酸化層を有するメモリ素子に記録された情報を検出するためには、Ｍ１に該当する電圧を印加して、第１酸化層２２及び第２酸化層２３に流れる電流値を測定すればよい。
低い抵抗状態を高い抵抗状態に変換させるためには、上部電極２４を通じて負（−）電圧を印加する。この場合、低い抵抗状態であるので、上部電極２４により印加する−電圧を大きくする場合、第１酸化層２２及び第２酸化層２３に流れる電流値は、Ａ３の曲線に沿って変わる。そして、上部電極２４を通じて−電極を印加したので、第２酸化層２３に存在する酸素イオンは、第１酸化層２２に移動する。結果的に、上部電極２４を通じて−電圧を印加し、印加電圧の大きさを大きくする場合、第１酸化層２２は低い抵抗状態から高い抵抗状態に変わる。第１酸化層２２の抵抗状態を変化させた場合、再び−電圧を小さくすれば、Ａ４曲線に沿って抵抗値が変わる。
結果的に、本発明の実施形態による二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子に情報を記録する過程を説明すれば、次の通りである。情報“０”を記録する場合、−Ｍ２Ｖを印加して、第１酸化層２２を高い抵抗状態にし、情報“１”を記録する場合、＋Ｍ２Ｖを印加して第１酸化層２２を低い抵抗状態に変換させる。このとき、低い抵抗状態から高い抵抗状態に変換させる−電圧の大きさ、及び高い抵抗状態から低い抵抗状態に変換させる＋電圧の大きさは、各層の厚さ及び材料によって異なりうるが、簡単な電圧−電流の測定によって確認することができる。
前述のように、本発明の実施形態による二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子の場合、上部電極２４に＋電圧を印加することによって、第１酸化層２２の酸素イオンが第２酸化層２３に移動する。これは、第１酸化層２２がｎ−型半導体層であり、第２酸化層２３の下部領域は、ｐ−型半導体層であり、上部領域は、一般的な可変抵抗を有する酸化層の役割を行うものであって、本発明は、それ自体で１Ｄ１Ｒ構造のメモリ素子の形態になるということが分かる。したがって、別途に、スイッチング素子としてトランジスタやダイオードなどを形成する必要がない。
以上の説明では、多くの事項が具体的に記載されているが、これらは、発明の範囲を限定するものと言うより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。本発明は、単位素子及びクロスポイントの構造のアレイ形態に使用されうる。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まらず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決まらねばならない。
本発明は、不揮発性メモリ素子に関連した技術分野に好適に適用されうる。
１０、２０ 基板
１２、２１ 下部電極
１４ 酸化層
１６、２４ 上部電極
２２ 第１酸化層
２３ 第２酸化層
１２、２１ 下部電極
１４ 酸化層
１６、２４ 上部電極
２２ 第１酸化層
２３ 第２酸化層
Claims (9)
- 可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子において、
下部電極と、
前記下部電極上に酸化状態の変化可能な酸化物から形成された第１酸化層と、
前記第１酸化層上に形成された第２酸化層と、
前記第２酸化層上に形成された上部電極と、を備えることを特徴とする二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子。 - 前記下部電極は、前記第１酸化層とショットキーコンタクトを行う金属または金属酸化物から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子。
- 前記第１酸化層は、遷移金属酸化物から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子。
- 前記遷移金属酸化物は、ＮｉＯ、ＣｅＯ２、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、またはＺｒＯ２から形成されたことを特徴とする請求項３に記載の二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子。
- 前記第２酸化層は、非晶質酸化物から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子。
- 前記非晶質酸化物は、ＩＺＯまたはＩＴＯであることを特徴とする請求項５に記載の二つの酸化層を利用した不揮発性メモリ素子。
- 前記下部電極は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒまたはこれらの酸化物から形成されたことを特徴とする請求項２に記載の二つの酸化層を備える不揮発性メモリ素子。
- 前記下部電極は、ＴｉまたはＡｇから形成されたことを特徴とする請求項２に記載の二つの酸化層を備える不揮発性メモリ素子。
- 前記上部電極は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒまたはこれらの酸化物から形成されたことを特徴とする請求項３に記載の二つの酸化層を備える不揮発性メモリ素子。
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