JP2008034441A - 不揮発性記憶素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 抵抗変化物質層の薄膜化が可能で、かつ駆動電力の低減が可能な不揮発性記憶素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 下部導体層２と、下部導体層２より上方に形成された上部導体層４と、下部導体層２と上部導体層４との間に形成された抵抗変化物質層３と、を備え、抵抗変化物質層３はその下面３ａが下部導体層２の上面２ａと接触しかつその上面３ｂが上部導体層４の下面４ａと接触しており、抵抗変化物質層３の下面３ａの下部導体層２の上面２ａとの接触領域３２と抵抗変化物質層３の上面３ｂの上部導体層４の下面４ａとの接触領域３３とが、下部導体層２と上部導体層４とが該下部導体層２の主面に平行な方向に相対的に微小平行移動したと仮定した場合に下部導体層２の厚み方向から見て互いに重なる領域の面積が実質的に変化するような態様で、下部導体層２の厚み方向から見て部分的に重なっている（３１）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気的パルスの印加によって抵抗値が可逆的に変化する材料を用いてデータを記憶する不揮発性記憶素子及びその製造方法に関する。

近年、電子機器におけるデジタル技術の進展に伴い、音楽、画像、情報等のデーを保存するために、さらに大容量で、かつ不揮発性の記憶素子の要求が高まってきている。こうした要求に応えるための１つの方策として、与えられた電気的パルスによって抵抗値が変化し、その状態を保持し続ける材料を用いた記憶素子が注目されている。

図１８は、このような不揮発性記憶素子の第１の従来例（例えば、特許文献１参照）を示す要部断面図である。この不揮発性記憶素子は、図１８に示すように、基板１１０の主面にトランジスタ１６０と不揮発性記憶部２００が形成されている。トランジスタ１６０は不揮発性記憶部２００のビット線への導通を制御する回路を構成するもので、ソース領域１２０、ドレイン領域１３０、ゲート絶縁膜１４０及びゲート電極１５０で構成されている。不揮発性記憶部２００は、ドレイン領域１３０に接続された下部電極１７０と、電圧パルス又は電流パルスによって抵抗が可逆的に変化する抵抗変化物質層１８０と、上部電極１９０とを備えている。さらに、基板１１０上に形成されたトランジスタ１６０及び不揮発性記憶部２００は層間絶縁層２１０により覆われ、上部電極１９０は電極配線２２０に接続されている。

抵抗変化物質層１８０を構成する物質としては、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）、バナジウム酸化物（Ｖ₂Ｏ₅）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）、ニオブ酸化物（Ｎｂ₂Ｏ₅）、チタン酸化物（ＴｉＯ₂）、タングステン酸化物（ＷＯ₃）、又はコバルト酸化物（ＣｏＯ）等が用いられている。このような遷移金属酸化物は閾値以上の電圧又は電流が印加されたときに特定の抵抗値を示し、その抵抗値は新たに電圧又は電流が印加されるまでは、その抵抗値を維持しつづけることが知られている。

図１９は、このような不揮発性記憶素子の第２の従来例（例えば、特許文献２参照）の構成を示す図である。図１９において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXIX-XIX線に沿った断面を示す断面図である。図１８に示す第１の従来例が、１トランジスタ／１不揮発性記憶部の構成になっているのに対して、図１９に示す第２の従来例は、ワード線とビット線の交点（立体交差点）にアクティブ層を介在させたクロスポイント型である。

図１９（ａ）に示すように、基板２３０には下部電極２４０が形成され、その上にアクティブ層２５０が形成されている。アクティブ層２５０の上には、下部電極２４０に直交するように上部電極２６０が形成されている。図１９（ｂ）に示すように、下部電極２４０と上部電極２６０が立体交差している領域が記憶領域２７０になっており、下部電極２４０と上部電極２６０とはそれぞれワード線又はビット線のいずれかとして機能する。この例においては、記憶領域２７０は便宜上示した領域であって、その組成は全くその他の領域と同じである。基板２３０は、ＬａＡｌＯ₃、Ｓｉ、ＴｉＮなどのアモルファス、多結晶又は単結晶で構成されている。下部電極２４０の材料としては、ＹＢＣＯ（ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇）が、またアクティブ層２５０の材料としては、印加される電気信号に応答して抵抗が変化する材料が用いられる。
特開２００４−３６３６０４号公報 特開２００３−６８９８４号公報

上記第１の従来例では、電圧又は電流によって抵抗値が可逆的に変化する抵抗変化物質層（本発明の抵抗変化物質層と同じ）が上部電極及び下部電極に挟まれた領域に形成されている。この抵抗変化物質層の周囲は、通常、半導体デバイスに用いられる層間絶縁層（例えば、二酸化シリコン膜）２１０で囲まれている。この場合、電極間の領域以外の領域の抵抗変化物質層をエッチング除去する場合、レジスト膜と抵抗変化物質層の選択比を十分に確保する必要があり、かつエッチング後残存ずる抵抗変化物質層にテーパがつくなど形状を保つことが難しいので、抵抗変化物質層をさらに薄膜化しなければならない。しかし、抵抗変化物質層のさらなる薄膜化は、抵抗変化物質層の低抵抗化を招き、抵抗値を可逆的に変化させる電圧又は電流を増加させなければならず、駆動電力が増加する。

また、上記第２の従来例では、下部電極２４０と上部電極２６０とのクロスポイントをすべて含んでアクティブ層（本発明の抵抗変化物質層に同じ）２５０が形成されており、加工の困難さは無い。しかしながら、アクティブ層２５０を高抵抗化し駆動電力を低減させるために、アクティブ層２５０の膜厚を厚くすると、膜厚の面内バラツキが顕著に現れてくるようになり、特性のバラツキにもなり、信頼性に欠ける。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、抵抗変化物質層の薄膜化が可能で、かつ駆動電力の低減が可能な不揮発性記憶素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の不揮発性記憶素子は、導体からなる下部導体層と、前記下部導体層より上方に形成され導体からなる上部導体層と、前記下部導体層と前記上部導体層との間に形成され抵抗変化物質からなる抵抗変化物質層と、を備え、前記抵抗変化物質層はその下面が前記下部導体層の上面と接触しかつその上面が前記上部導体層の下面と接触しており、前記抵抗変化物質層の下面の前記下部導体層の上面との接触領域と前記抵抗変化物質層の上面の前記上部導体層の下面との接触領域とが、前記下部導体層と前記上部導体層とが該下部導体層の主面に平行な方向に相対的に微小平行移動したと仮定した場合に前記下部導体層の厚み方向から見て互いに重なる領域の面積が実質的に変化するような態様で、前記下部導体層の厚み方向から見て部分的に重なっている。

このような構成とすると、抵抗変化物質層の厚みを薄くしても、抵抗変化物質層の下面の下部導体層の上面との接触領域と抵抗変化物質層の上面の上部導体層の下面との接触領域との下部導体層の厚み方向から見た重なり領域を狭くすることにより、記憶領域の断面積が小さくなり、従来例に比べて、記憶領域が高抵抗であり、駆動電力が小さく、かつ加工が容易である不揮発性記憶素子が得られる。

前記不揮発性記憶素子は、基板と、前記基板に形成された導体パターンと、配線パターンと、をさらに備え、前記導体パターンの上に前記下部導体層としての下部電極層が形成され、前記下部電極層の上に前記抵抗変化物質層が形成され、前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層としての上部電極層が形成され、前記上部電極層の上方に該上部電極に接続された前記配線パターンが形成されていてもよい。

前記不揮発性記憶素子は、基板と、前記基板に形成された導体パターンと、配線パターンと、をさらに備え、前記導体パターンの上に前記下部導体層としての不純物半導体層が形成され、前記不純物半導体層の上に前記抵抗変化物質層が形成され、前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層としての上部電極層が形成され、前記上部電極層の上方に該上部電極に接続された前記配線パターンが形成されていてもよい。

前記不揮発性記憶素子は、基板と、前記基板の上に互い平行に形成され複数の第１の電極配線と、前記複数の第１の電極配線の上方に前記基板の主面に平行な面内において互いに平行にかつ前記複数の第１の電極配線に立体交差するように形成された複数の第２の電極配線と、をさらに備え、前記複数の第１の電極配線と前記複数の第２の電極配線との立体交差点の各々において、前記第１の電極配線の上に前記下部導体層としての下部電極層が形成され、前記下部電極層の上に前記抵抗変化物質層が形成され、前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層としての上部電極層が形成され、前記上部電極層の上に前記第２の電極配線が形成されていてもよい。

前記不揮発性記憶素子は、基板と、前記基板の上に互い平行に形成され複数の第１の電極配線と、前記複数の第１の電極配線の上方に前記基板の主面に平行な面内において互いに平行にかつ前記複数の第１の電極配線に立体交差するように形成された複数の第２の電極配線と、をさらに備え、前記複数の第１の電極配線と前記複数の第２の電極配線との立体交差点の各々において、前記第１の電極配線が前記下部導体層を構成しており、前記第１の電極配線の上に前記抵抗変化物質層が形成され、前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層としての上部電極層が形成され、前記上部電極層の上に前記第２の電極配線が形成されていてもよい。

前記不揮発性記憶素子は、基板と、前記基板の上に互い平行に形成され複数の第１の電極配線と、前記複数の第１の電極配線の上方に前記基板の主面に平行な面内において互いに平行にかつ前記複数の第１の電極配線に立体交差するように形成された複数の第２の電極配線と、をさらに備え、前記複数の第１の電極配線と前記複数の第２の電極配線との立体交差点の各々において、前記第１の電極配線の上に前記下部導体層としての下部電極層が形成され、前記下部電極層の上に前記抵抗変化物質層が形成され、前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層として前記第２の電極配線が形成されていてもよい。

前記抵抗変化物質層が前記立体交差点毎に設けられていてもよい。このような構成とすると、高密度に抵抗変化物質層を配置してもクロストークを確実に防止することができ、かつ大容量の不揮発性記憶素子を実現できる。

前記抵抗変化物質層が全ての前記立体交差点を含んで１つ設けられていてもよい。このような構成とすると、抵抗変化物質層を立体交差点ごとに分離するためのパターン形成工程を不要とすることができるので、製造工程を簡略化可能な大容量の不揮発性記憶素子を実現できる。

前記抵抗変化物質層は、遷移金属酸化物材料からなることが好ましい。このような構成とすると、抵抗変化物質層の経時変化の少ない、より動作が安定した不揮発性記憶素子を実現できる。

前記遷移金属酸化物が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）であることが好ましい。このような構成とすると、抵抗変化物質層の抵抗値の変化特性を安定させることができる。その結果、特性が良好で、かつ大容量化が可能な不揮発性記憶素子を得ることができる。

また、本発明の不揮発性記憶素子の製造方法は、導体からなる下部導体層を形成する工程Ａと、前記下部導体層の上に抵抗変化物質からなる抵抗変化物質層を形成する工程Ｂと、前記抵抗変化物質層の上に導体からなる上部導体層を形成する工程Ｃと、を有し、前記工程Ｂにおいて、前記抵抗変化物質層はその下面が前記下部導体層の上面と接触するように形成され、前記工程Ｃにおいて、前記上部導体層はその下面が前記抵抗変化物質層の上面と接触するように形成され、かつ前記工程Ｃにおいて、前記上部導体層は、前記抵抗変化物質層の下面の前記下部導体層の上面との接触領域と前記抵抗変化物質層の上面の前記上部導体層の下面との接触領域とが、前記下部導体層と前記上部導体層とが該下部導体層の主面に平行な方向に相対的に微小平行移動したと仮定した場合に前記下部導体層の厚み方向から見て互いに重なる領域の面積が実質的に変化するような態様で、前記下部導体層の厚み方向から見て部分的に重なるように形成される。

本発明は以上に説明した構成を有し、抵抗変化物質層の薄膜化が可能で、かつ駆動電力の低減が可能な不揮発性記憶素子及びその製造方法を提供できる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面を通じて、同じ要素には同じ符号を付しており、その説明を省略する場合がある。

（本発明の概念）
最初に本発明の不揮発性記憶素子の概念を説明する。

図１は、本発明の不揮発性記憶素子の概念を示す模式図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のIB-IB線に沿った断面を示す断面図である。

図１に示すように、本発明の不揮発性記憶素子１は、下部導体層２と、下部導体層２より上方に該下部導体層２に実質的に平行に延在するように形成された上部導体層４と、下部導体層２と上部導体層４との間に形成された抵抗変化物質層３とを備えている。抵抗変化物質層３はその下面３ａが下部導体層２の上面２ａと接触しかつその上面３ｂが上部導体層４の下面４ａと接触している。抵抗変化物質層３の下面３ａの下部導体層２の上面２ａとの接触領域（以下、下面接触領域という）３２と抵抗変化物質層３の上面３ｂの上部導体層４の下面４ａとの接触領域（以下、上面接触領域という）３３とは所定の態様で、下部導体層２の厚み方向から見た場合（以下、平面視という）において部分的に重なっている。この所定の態様については後で詳しく説明する。下面接触領域３２と上面接触領域３３とが平面視において互いに重なる領域（以下、単に重なり領域という）３１に位置する抵抗変化物質層３の部分（以下、記憶部という）１０１が不揮発性記憶部を構成する。

抵抗変化物質層３は、例えば、平面視において、その中に下部導体層２及び上部導体層４が位置するように形成される。このようにすると、抵抗変化物質層３の下面接触領域３２及び上面接触領域３３がそれぞれ下部電極２及び上部電極４のサイズ（広さ）によって一義的に定まる。その結果、上述の重なり領域３１の面積、換言すれば記憶部１０１の断面積（ひいては抵抗値）を設計し易くなる。もちろん、抵抗変化物質層３は、平面視において、それから下部導体層２又は上部導体層４がはみ出すように形成されてもよい（実施の形態３及び４参照）。抵抗変化物質層３、下部導体層２、及び上部導体層４の平面視における形状（平面形状）は任意であるが、矩形であることが好ましい。矩形である方が重なり領域３１の面積を設計し易いからである。以下では、抵抗変化物質層３、下部導体層２、及び上部導体層４の平面形状が矩形である場合を例に取って説明する。

ここでは、下部導体層２と上部導体層４とは、同一の矩形の平面形状を有し、平面視において、互いに全部重なり合った状態から所定の１辺に沿った方向（図１（ａ）のＸ方向）に所定距離だけ相対的に平行移動して部分的に重なり合っているような位置関係にある。なお、Ｘ方向は下部導体層２の主面に平行な方向である。図１（ｂ）において、下部導体層２の所定の１辺の長さ（以下、幅という）Ｄ１と上部導体層４の所定の１辺の長さ（以下、幅という）Ｄ２とは同じであり、Ｘ方向にずれた距離（以下、ずれ幅という）はＤ２−Ｄ３である。Ｄ３は重なり領域３１の幅（記憶部１０１の幅：以下、残り幅という）である。このずれ幅は、下部導体層２及び上部導体層４の加工精度以上であることが好ましい。加工精度以上であってこそ、実際にずれた製品を得ることができるからである。具体的には、このずれ幅は、下部導体層２の幅Ｄ１又は上部導体層４の幅Ｄ２の約１０％以上であることが好ましい。１０％以上であると、性能（特に電流駆動力）が顕著に向上するからである。

抵抗変化物質層３は、酸化鉄等の遷移金属酸化物材料で構成されている。具体的には、抵抗変化物質層３は、例えば、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）で構成されている。

下部導体層２及び上部導体層４は導体で構成されている。ここで、本発明において、導体とは、通常の意味における導体の他、真性半導体及び不純物をドープされて導電性を付与された不純物半導体を指す。

下部導体層２及び上部導体層４は、導体からなる層であればよく、例えば、電極、ビット線又はワード線、後述するダイオードの不純物半導体、電気配線等が該当する。

次に、抵抗変化物質層３の下面接触領域３ａ及び上面接触領域３ｂの平面視における部分的重なりの態様について説明する。

図２は図１の不揮発性記憶素子の抵抗変化物質層３の下面接触領域３２及び上面接触領域３３の平面視における部分的重なりの態様を模式的に示す図であって、（ａ）は現実の状態を示す図、（ｂ）及び（ｃ）は下面接触領域及び上面接触領域を相対的に微小平行移動させた状態を示す図である。

図２（ａ）に示すように、不揮発性記憶素子１では、抵抗変化物質層３の下面接触領域３２と上面接触領域３３とが、平面視において、互いに全部が重なり合った状態からＸ方向に相対的にずれて部分的に重なり合っている。換言すると、下面接触領域３２と上面接触領域３３とは、平面視において、双方の外周が２箇所で交差する又は重なるようにして、部分的に重なり合っている。

図２（ｂ）に示すように、この状態から、Ｘ方向にΔＬだけ下面接触領域３２が平行移動したと仮定する。すると、重なり領域３１は図２（ａ）の状態に比べて減少する。また、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）の状態から、Ｙ方向（下部導体層２の主面に平行な面内においてＸ方向に垂直な方向）にΔＬだけ下面接触領域３２が平行移動したと仮定する。すると、重なり領域３１は図１の状態に比べて減少する。これらのことから、図２（ａ）の状態から、下面接触領域３２と上面接触領域３３とが、下部導体層２の主面に平行な面内における任意の方向に相対的に微小距離だけ平行移動すると、重なり領域３１の面積が変化することは明らかである。本発明における下面接触領域３２と上面接触領域３３との平面視における部分的重なりの態様は、このように、下面接触領域３２と上面接触領域３３とが、下部導体層２の主面に平行な方向に相対的に微小平行移動すると、重なり領域３１の面積が実質的に変化するような態様に限定される。このような態様であってこそ、下面接触領域３２及び上面接触領域３３、すなわち下部動体層２及び上部導体層４の面積を小さくしなくても、平面視における両者の重なり量を小さくする（ずれ量を大きくする）ことにより、記憶部１０１の断面積を小さくしてその抵抗値を大きくすることができるからである。なお、「実質的に」とは、下部導体層２、抵抗変化物質層３、上部電極層４等の加工誤差によって重なり領域３１の面積が変化するような場合を含まないという意味である。

図３は抵抗変化物質層３の下面接触領域３２及び上面接触領域３３の平面視における部分的重なりの他の態様を模式的に示す図であって、（ａ）は現実の状態を示す図、（ｂ）は下面接触領域及び上面接触領域を相対的に微小平行移動させた状態を示す図である。

図３（ａ）に示すように、この態様においては、矩形の下面接触領域３２と矩形の上面接触領域３３とが、互いに全て重なり合った状態から、相対的に４５度回転したような状態で互いに部分的に重なり合っている。換言すると、下面接触領域３２と上面接触領域３３とは、平面視において、双方の外周が４以上（ここでは８）の箇所で交差する又は重なるようにして、部分的に重なり合っている。

そして、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の状態から、Ｘ方向にΔＬだけ下面接触領域３２が平行移動したと仮定すると、重なり領域３１は図３（ａ）の状態に比べて減少する。また、図３（ａ）示された下面接触領域３２と上面接触領域３３との重なり状態の形状上の対称性から、図３（ａ）の状態から、下面接触領域３２と上面接触領域３３とが、下部導体層２の主面に平行な面内における任意の方向に相対的に微小距離だけ平行移動すると、重なり領域３１の面積が変化することは明らかである。

従って、このような態様も、本発明における下面接触領域３２と上面接触領域３３との平面視における部分的重なりの態様に含まれる。

図４は抵抗変化物質層の下面接触領域及び上面接触領域の平面視における部分的重なりであって本発明に含まれない態様を模式的に示す図であって、（ａ）は現実の状態を示す図、（ｂ）は下面接触領域及び上面接触領域を相対的に微小平行移動させた状態を示す図である。

図４（ａ）に示すように、この態様においては、細長い矩形（両端を図示せず）の下面接触領域３３２と細長い矩形（両端を図示せず）の上面接触領域３３３とが、平面視において互いに直交するようにして、部分的に重なり合っている。換言すると、下面接触領域３３２と上面接触領域３３３とは、平面視において、双方の外周が４以上（ここでは４）の箇所で交差する又は重なるようにして、部分的に重なり合っている。

そして、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の状態から、Ｙ方向にΔＬだけ下面接触領域３３２が平行移動したと仮定すると、重なり領域３３１は図４（ａ）の状態に比べて変化しない。また、図４（ａ）の状態から、下面接触領域３３２と上面接触領域３３３とが、下部導体層の主面に平行な面内における任意の方向に相対的に微小距離だけ平行移動しても、重なり領域３３１の面積が変化しないことは明らかである。さらに、下面接触領域３３２と上面接触領域３３３とが平面視において交差していれば、直交していなくても、重なり領域３３１の面積が変化しないことは明らかである。

従って、このような態様は、本発明における下面接触領域と上面接触領域との平面視における部分的重なりの態様には含まれない。

このような態様では、下面接触領域３３２及び上面接触領域３３３、すなわち下部動体層及び上部導体層の幅（短辺の長さ）を小さくしないと、平面視における両者の重なり量を小さくする、すなわち、記憶部１０１の断面積を小さくしてその抵抗値を大きくすることができない。図１９の第２の従来例では、下部電極２４０とアクティブ層（本発明の抵抗変化物質層に相当）２５０と上部電極２６０とが、このような態様に配置されている。従って、図１９の第２の従来例においては、本発明の効果を全く得ることができない。

図５は抵抗変化物質層の下面接触領域及び上面接触領域の平面視における部分的重なりであって本発明に含まれない他の態様を模式的に示す図であって、（ａ）は現実の状態を示す図、（ｂ）は下面接触領域及び上面接触領域を相対的に微小平行移動させた状態を示す図である。

図５（ａ）に示すように、この態様においては、矩形の下面接触領域４３２とこの下面接触領域４３２より大きい面積の矩形の上面接触領域４３３とが、平面視において、下面接触領域４３２が上面接触領域４３３の中に位置するようにして、部分的に重なり合っている。換言すると、下面接触領域３３２と上面接触領域３３３とは、平面視において、一方が他方を含むようにして、部分的に重なり合っている。

そして、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）の状態から、Ｘ方向にΔＬだけ下面接触領域３３２が平行移動したと仮定すると、重なり領域４３１は図５（ａ）の状態に比べて変化しない。また、図５（ａ）の状態から、下面接触領域４３２と上面接触領域４３３とが、下部導体層の主面に平行な面内における任意の方向に相対的に微小距離だけ平行移動しても、重なり領域３３１の面積が変化しないことは明らかである。さらに、図５（ａ）の状態とは逆に、上面接触領域４３３と上面接触領域３３３とが、平面視面視において、上面接触領域４３３が下面接触領域４３２の中に位置するようにして、部分的に重なり合っていても、重なり領域３３１の面積が変化しないことは明らかである。

従って、このような態様は、本発明における下面接触領域と上面接触領域との平面視における部分的重なりの態様には含まれない。

このような態様では、下面接触領域３３２及び上面接触領域３３３、すなわち下部動体層及び上部導体層のうちの面積の小さい方の面積をさらに小さくしないと、平面視における両者の重なり量を小さくする、すなわち、記憶部１０１の断面積を小さくしてその抵抗値を大きくすることができない。

なお、以上では、下部導体層２及び上部導体層４が、平面視において抵抗変化物質層３の中に位置する場合を前提としている。従って、下部導体層２と上部導体層４との相対的移動は、下面接触領域３２と上面接触領域３３との相対的移動と同じである。それ故、下面接触領域３２と上面接触領域３３とが相対的移動するものとして説明した。しかし、後述する実施の形態３（図１３（ａ），（ｂ））及び実施の形態４（図１４（ａ），（ｂ））では、下部導体層２又は上部導体層４が、平面視において抵抗変化物質層３からはみ出している。しかし、このような場合には、下部導体層２と上部導体層４とが相対的に移動すると、下面接触領域３２又は上面接触領域３３の面積が変化する。従って、このような場合も、本発明における下面接触領域３２と上面接触領域３３との平面視における部分的重なりの態様には含まれることに変わりはない。

次に、以上のように構成された不揮発性記憶素子１の動作を説明する。

この不揮発性記憶素子１においては、下部導体層２と上部導体層４との間に第１の所定の電気パルス（電流パルス又は電圧パルス）を印加すると抵抗変化物質層３のうち、平面視において重なり領域３１に位置する部分、すなわち、記憶部１０１に実質的にこの電気パルスが印加される。抵抗変化物質層３の記憶部１０１以外の部分は下部導体層２と上部導体層４とに挟まれていないからである。これにより、この記憶部１０１の抵抗値が第１の所定の抵抗値となり、その状態を維持する。そして、この状態において、下部導体層２と上部導体層４との間に第２の所定の電気パルスを印加すると抵抗変化物質層３の記憶部１０１の抵抗値が第２の所定の抵抗値となり、その状態を維持する。従って、第１の所定の抵抗値と第２の所定の抵抗値とを、例えば２値データの２つの値にそれぞれ対応させることにより、第１又は第２の所定の電気パルスを印加して不揮発性記憶素子１に２値データを書き込むことができる。また、不揮発性記憶素子１にその抵抗値が変化しないような電圧又は電流を供給して、その抵抗値を検出することにより、不揮発性記憶素子１に書き込まれた２値データを読み出すことができる。

次に、以上に説明した本発明の不揮発性記憶素子１の作用効果を従来例と対比して説明する。

図１８に示すように、第１の従来例の不揮発性記憶素子では記憶部は抵抗変化物質層１８０であり、図１に示す概念を用いると、抵抗変化物質層３の下面接触領域３２と上面接触領域３３とが全く重なる。この場合、記憶部１０１となる領域は下面接触領域３２及び上面接触領域３３と同じである。従って、記憶部１０１（抵抗変化物質層１８０）の断面積を小さくしてその抵抗値を大きくしようとすると、下部電極１７０及び上部電極１０の面積を小さくしなければならない。また、図１９に示すように、第２の従来例の不揮発性記憶素子では、記憶部は、アクティブ層２５０の、下部電極２４０と上部電極２６０との平面視における交差領域に位置する部分である。従って、記憶部の断面積を小さくしてその抵抗値を大きくしようとすると、図４を用いて上述したように、下部電極２４０及び上部電極２６０の幅を小さくしなければならない。

これに対し、本発明の不揮発性記憶素子１においては、上述のように、電極等の導体層２の形状を変えることなく、従来の不揮発性記憶素子の記憶部より断面積が小さく記憶部１０１を形成することができる。その結果、抵抗変化物質層３の厚みを薄くしても、下部導体層２及び上部導体層４の形状を変えないで、下部導体層２及び上部導体層４の配置を変えることによって、重なり領域３１を小さくして、記憶部１０１の抵抗値を高くすることができる。この場合、薄くした抵抗変化物質層３の厚みの従来の厚みに対する比率が、重なり領域３１の面積の下面接触領域３２又は上面接触領域３３の面積に対する比率（上下導体層の重なり割合）より大きければ、記憶部１０１の抵抗が従来より高くなってその駆動電力を低減することができる。抵抗変化物質層３は薄ければ、それだけ加工が容易であり、バラツキを低減することができる。これらのことにより、加工が容易であり、かつ駆動電力の小さい不揮発性記憶素子１が得られる。

また、従来の不揮発性記憶素子における記憶部の形成プロセスを、ほとんど変更をほとんどせずに本発明の不揮発性記憶素子１の記憶部１０１の形成に適用することができる。その結果、より高性能で安定な不揮発性記憶素子１を安価に得ることができる。

以下、このような本発明の不揮発性記憶素子１の具体的な実施の形態を順に説明する。

（実施の形態１）
図６は本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子１の構成を示す断面図である。なお、通常、不揮発性記憶素子１は多数の記憶部を有するが、図６においては図面の簡略化のために１つの記憶部のみ示している。また、記憶部の形状を、図示しやすいように部分的に拡大して示している。

図６に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子１は、例えば半導体集積回路が形成されているシリコン半導体等の基板５上に形成されている。基板５上には導体パターン６が形成されている。導体パターン６の上には、図１の下部導体層２としての下部電極層２が形成されている。下部電極層２の上には、抵抗変化物質層３が形成されている。抵抗変化物質層３の上には、図１の上部導体層４としての上部電極層４が形成されている。そして、これら導体パターン６、下部電極層２、抵抗変化物質層３、上部電極層４を覆うように絶縁体層７が形成されている。絶縁体層７の上面には配線パターン８が形成されている。そして、絶縁体層７を貫通するようコンタクト８ａが形成され、このコンタクト８ａによって上部電極層４が配線パターン８に接続されている。

導体パターン６、下部電極層２、抵抗変化物質層３、上部電極層４、及びコンタクト８ａは、隣接するもの同士が互いに接触するように形成されている。そして、下部電極層２、抵抗変化物質層３、及び上部電極層４は図１における下部導体層２、抵抗変化物質層３、及び上部電極層４と同様に配置されている。従って、抵抗変化物質層３の下面の下部電極層２の上面との接触領域が図１における下面接触領域３２を構成し、抵抗変化物質層３の上面の上部電極層４の下面との接触領域が図１における上面接触領域３３を構成している。そして、この下面接触領域３２とこの上面接触領域３３との平面視における重なり領域３１に位置する部分が記憶部１０１を構成している。

下部電極層２及び上部電極層４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は白金（Ｐｔ）等、半導体素子や従来の不揮発性記憶素子で用いられている電極材料で構成されている。抵抗変化物質層３は、遷移金属酸化物材料で構成されている。具体的には、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化クロム（ＣｒＯ₂）、酸化マンガン（Ｍｎ₂Ｏ₃）、酸化銅（ＣｕＯ₂）等の遷移金属酸化物を用いることができる。

次に、以上のように構成された不揮発性記憶素子１の製造方法を説明する。

図７は図６の不揮発性記憶素子１の製造方法の工程を示す図であって、（ａ−１）〜（ｄ−１）は断面図、（ａ−２）〜（ｄ−２）は平面図である。図８は図６の不揮発性記憶素子１の製造方法の工程を示す図であって、（ａ−１）〜（ｄ−１）は断面図、（ａ−２）〜（ｄ−２）は平面図である。図９は図６の不揮発性記憶素子１の製造方法の工程を示す図であって、（ａ−１）〜（ｄ−１）は断面図、（ａ−２）〜（ｄ−２）は平面図である。図１０は図６の不揮発性記憶素子１の製造方法の工程を示す図であって、（ａ−１）〜（ｄ−１）は断面図、（ａ−２）〜（ｄ−２）は平面図である。

図７（ａ−１）、図７（ａ−２）に示す工程において、基板５が準備される。

次に、図７（ｂ−１）、図７（ｂ−２）に示す工程において、基板５上にフォトリソグラフィを用いて導体パターン６が形成される。

次に、図７（ｃ−１）、図７（ｃ−２）に示す工程において、スパッタリングにより、基板５の全面に金属からなる下部電極膜２’が形成される。

次に、図７（ｄ−１）、図７（ｄ−２）に示す工程において、基板５の全面に塗工によりフォトレジスト膜を形成し、下部電極層を形成すべき箇所に開口を有する第１の露光マスクを用いてこのフォトレジストを感光させた後、現像する。これにより、下部電極膜２’の下部電極層を形成すべき領域上にフォトレジストからなるマスク５１が形成される。

次に、図８（ａ−１）、図８（ａ−２）に示す工程において、下部電極膜２’をエッチングし、その後、マスク５１をアッシングにより除去する。これにより、導体パターン６の所定位置に下部電極層２が形成される。

次に、図８（ｂ−１）、図８（ｂ−２）に示す工程において、基板５の全面にＣＶＤにより絶縁体層７を形成し、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）により絶縁体層７の表面に下部電極層２を露出させる。

次に、図８（ｃ−１）、図８（ｃ−２）に示す工程において、基板５の全面にスパッタリングにより抵抗変化物膜３’を形成する。

次に、図８（ｄ−１）、図８（ｄ−２）に示す工程において、基板５の全面に塗工によりフォトレジスト膜を形成し、抵抗変化物質層を形成すべき箇所に開口を有する第２の露光マスクを用いてこのフォトレジストを感光させた後、現像する。これにより、抵抗変化物質膜３’の抵抗変化物質層を形成すべき領域上にフォトレジストからなるマスク５２が形成される。

次に、図９（ａ−１）、図９（ａ−２）に示す工程において、抵抗変化物質膜３’をエッチングし、その後、マスク５２をアッシングにより除去する。これにより、絶縁体層７及び下部電極層２の所定領域上に抵抗変化物質層３が形成される。

次に、図９（ｂ−１）、図９（ｂ−２）に示す工程において、基板５の全面にＣＶＤにより絶縁体層７を形成し、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）により絶縁体層７の表面に抵抗変化物質層３を露出させる。

次に、図９（ｃ−１）、図９（ｃ−２）に示す工程において、スパッタリングにより、基板５の全面に金属からなる上部電極膜４’が形成される。

次に、図９（ｄ−１）、図９（ｄ−２）に示す工程において、基板５の全面に塗工によりフォトレジスト膜を形成し、上部電極層を形成すべき箇所に開口を有する第３の露光マスクを用いてこのフォトレジストを感光させた後、現像する。これにより、上部電極膜４’の上部電極層を形成すべき領域上にフォトレジストからなるマスク５３が形成される。ここで、第３の露光マスクは、図９（ｄ−２）から判るように、平面視において、その開口が下部電極層２に対しＸ方向に所定量ずれた位置に形成されている。その結果、マスク５３は、平面視において、下部電極層２に対しＸ方向にこの所定量ずれた位置に形成される。

次に、図１０（ａ−１）、図１０（ａ−２）に示す工程において、上部電極膜４’をエッチングし、その後、マスク５３をアッシングにより除去する。これにより、絶縁体層７及び抵抗変化物質層３の所定領域上に上部電極層４が形成される。この上部電極層４は、平面視において、下部電極層２に対しＸ方向に上記所定量ずれた位置に形成される。

次に、図１０（ｂ−１）、図１０（ｂ−２）に示す工程において、基板５の全面にＣＶＤにより絶縁体層７を形成する。

次に、図１０（ｃ−１）、図１０（ｃ−２）に示す工程において、フォトリソグラフィを用いたエッチングにより、絶縁体層７にその表面から上部電極層４に至るようにコンタクトホール５４を形成する。

次に、図１０（ｄ−１）、図１０（ｄ−２）に示す工程において、スパッタリングとフォトリソグラフィにより、絶縁体層７の表面の所定位置に、コンタクトホール５４を埋めるようにして配線パターン８を形成する。これにより、コンタクトホール５４を埋めるコンタクト８ａにより上部電極層４に接続された配線パターン８が形成される。

かくして、図６に示す不揮発性記憶素子１が製造される。

以上に説明した不揮発性記憶素子１の製造方法においては、図９（ｄ−１）及び図９（ｄ−２）に示す工程において、第３の露光マスクとして、平面視において、その開口が下部電極層２に対しＸ方向に所定量ずれた位置に形成されているマスクが用いられる。一方、従来の不揮発性記憶素子の製造方法では、平面視において、その開口が下部電極層２に一致する位置に形成されている第３の露光マスクが用いられる。従って、この点で、本実施の形態の不揮発性記憶素子１の製造方法は従来の不揮発性記憶素子の製造方法と相違するが、基本的に相違点はこの点だけである。それ故、本実施の形態の不揮発性記憶素子１の製造方法は、従来の不揮発性記憶素子の製造方法におけるプロセスをほとんど変更せずに適用することができる。

次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子１の構成上の作用効果を具体的に説明する。

本実施の形態の不揮発性記憶素子１において、例えば、抵抗変化物質層３の厚みを従来の抵抗変化物質層の厚みの１／２にしたと仮定する。この場合、例えば、図１（ｂ）の重なり領域３１の面積の下面接触領域３２又は上面接触領域３３の面積に対する比率が１／１０であると、上部電極層２及び下部電極４の形状を変えることなく、従来の不揮発性記憶素子の抵抗変化物質層の抵抗値よりも５倍の抵抗値を有する記憶部１０１を形成することができ、かつ従来の不揮発性記憶素子の駆動電力の１／５の駆動電力を有する不揮発性記憶素子１を得ることができる。また、抵抗変化物質層３が薄ければ、それだけ加工が容易であり、バラツキを低減することができる。これらのことにより、加工が容易であり、かつ駆動電力の小さい不揮発性記憶素子１が得られる。

なお、本実施の形態の不揮発性記憶素子１において抵抗変化物質層３の厚みを従来の抵抗変化物質層の厚みの任意の比率で薄くしてもよく、この場合には、その比率が、重なり領域３１の面積の下面接触領域３２又は上面接触領域３３の面積に対する比率より大きければ、記憶部１０１の抵抗が従来より高くなってその駆動電力を低減することができる。

（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXIB-XIB線に沿った断面を示す断面図である。本実施の形態は、クロスポイント型の不揮発性記憶素子へ本発明を適用した例を示す。なお、図１１（ａ），（ｂ）においては、不揮発性記憶素子１０の要部のみを模式的に示しており、基板や層間絶縁膜等は図示を省略している。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子１０では、基板（図示せず）の上に、複数の第１の電極配線１１が形成されている。この複数の第１の電極配線１１は、各々が細長い矩形（一定の幅及び所定の長さを有する帯状）に形成され、基板の主面に平行な第１の平面（図示せず）内において互いに平行に形成されている。また、基板の上には、複数の第２の電極配線１５が形成されている。この複数の第２の電極配線１５は、各々が細長い矩形（一定の幅及び所定の長さを有する帯状）に形成され、第１の平面より上方に位置し第１の平面に実質的に平行な第２の平面（図示せず）内において互いに平行に形成されている。従って、複数の第１の電極配線１１と複数の第２の電極配線１５とは、平面視において、互いに直交している（直角に立体交差している）。各々の第１の電極配線１１と第２の電極配線１５との立体交差点においては、第１の配線１１の上に下部電極層１２が形成され、下部電極層１２の上に抵抗変化物質層３が形成され、抵抗変化物質層３の上に上部電極層１４が形成され、上部電極層１４の上に第２の電極配線１５が形成されている。これにより、この各々の第１の電極配線１１と第２の電極配線１５との立体交差点にメモリセル７１が形成されている。そして、基板の上に、第１の電極配線１１、下部電極層１２、抵抗変化物質層３、及び上部電極層１４の間隙を埋めるように絶縁体層７が形成されている。

第１の電極配線１１、下部電極層１２、抵抗変化物質層３、上部電極層１４、及び第２の電極配線１５は、隣接するもの同士が互いに接触するように形成されている。そして、下部電極層１２、抵抗変化物質層３、及び上部電極層１４は図１における下部導体層２、抵抗変化物質層３、及び上部電極層４と同様に配置されている。従って、抵抗変化物質層３の下面の下部電極層２の上面との接触領域が図１における下面接触領域３２を構成し、抵抗変化物質層３の上面の上部電極２の下面との接触領域が図１における上面接触領域３３を構成している。そして、この下面接触領域３２とこの上面接触領域３３との平面視における重なり領域３１に位置する部分が記憶部１０１を構成している。

下部電極層２及び上部電極層４は、実施の形態１の下部電極層２及び上部電極層４と同様の材料で構成されている。

第１の電極配線１１及び第２の電極配線１５は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は白金（Ｐｔ）等の半導体素子や従来の不揮発性記憶素子で用いられている電極材料で構成されている。

なお、第１の電極配線１１及び第２の電極配線１５は、その一方がワード線として機能し、その他方がビット線として機能する。

また、本実施の形態の不揮発性記憶素子１０の製造においては、実際には半導体基板を用い、不揮発性記憶素子１０を動作させるために必要な種々の回路を半導体基板に形成し、その形成工程において不揮発性記憶素子１０が形成される。しかし、集積回路形成工程は従来の工程と基本的に同じでよいのでその説明を省略する。

次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子１０の作用効果を説明する。

図１９に示す第２の従来例のクロスポイント型の不揮発性記憶素子は、記憶領域２７０の断面積を小さくしてその抵抗値を高めようとすると、図４を用いて前述したように、下部電極２４０及び上部電極２６０の幅を小さくしなければならない。これに対し、本実施の形態の不揮発性記憶素子１０においては、抵抗変化物質層３と第１の電極配線１１（第２の従来例の下部電極２４０に相当）との間に下部電極層１２を設け、抵抗変化物質層３と第２の電極配線１５（第２の従来例の上部電極２４０に相当）との間に上部電極層１４を設けたので、クロスポイント型であっても、第１の電極配線１１及び第２の電極配線１５の幅を小さくすることなく、平面視において下部電極層１２と上部電極層１４とをずらして配置することにより、記憶領域１０１の断面積を小さくしてその抵抗値を高めることができる。また、この他、実施の形態１と同様に、加工が容易であり、かつ駆動電力の小さい不揮発性記憶素子１０が得られる。また、本実施の形態の不揮発性記憶素子１０の製造方法には、従来の不揮発性記憶素子の製造方法におけるプロセスをほとんど変更せずに適用することができる。

次に、本実施の形態の変形例を説明する。

図１２は本発明の実施の形態２の変形例の不揮発性記憶素子１０の構成を模式的に示す断面図である。

図１２に示すように、本変形例では、図１１の下部電極層１２が不純物半導体層６１で置換されている。不純物半導体層１６は、例えば、ｎ型半導体層で構成されている。このように、本発明では、抵抗変化物質層３に接触する導体層は不純物半導体で構成されていてもよい。この不純物半導体層６１と第１の電極配線１１とでショットキーダイオードが形成され、これにより、クロストークや読み出しエラーが防止される。これ以外の点は、図１１の構成と同じである。

なお、抵抗変化物質層３と第１の電極配線１１との間に形成する整流素子はｐｎ接合タイプのダイオードであってもよく、他のタイプの整流素子であってもよい。また、整流素子を抵抗変化物質層３と第２の電極配線１５との間に形成してもよい。従って、本発明では、整流素子のタイプによっては、抵抗変化物質層３に接触する導体層が真性半導体で構成されていてもよい。

（実施の形態３）
図１３は、本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXIIIB-XIIIB線に沿った断面を示す断面図である。

図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子１０では、上部電極層１４が省略されている。そして、抵抗変化物質層３が第２の電極配線１５の側縁に揃った幅を有する矩形に形成されている。そして、下部電極層１２が第１の電極配線１１の長さ方向にずれて配置されている。従って、抵抗変化物質層３の下面接触領域３２は、抵抗変化物質層３の下面の、下部電極層１２の上面の第１の電極配線１２の長さ方向における端部と接触する領域によって構成されている。また、抵抗変化物質層３の下面接触領域３２と上面接触領域３３との平面視における重なり領域３１は、本実施の形態では、平面視において下面接触領域３２と一致している。このような態様も、本発明の下面接触領域３２と上面接触領域３３との部分的重なりの態様に含まれる。下面接触領域３２と上面接触領域３３とが、下部導体層１２の主面に平行な方向（例えば図１２のＸ１方向）に相対的に微小平行移動すると、重なり領域３１の面積が変化するからである。

本実施の形態によれば、簡略化された構成で実施の形態２の不揮発性記憶素子１０と同様の効果を奏する不揮発性記憶素子１０を得ることができる。

（実施の形態４）
図１４は本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXIVB-XIVB線に沿った断面を示す断面図である。

図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子１０では、下部電極層１２が省略されている。そして、抵抗変化物質層３が第１の電極配線１１の側縁に揃った幅を有する矩形に形成されている。そして、上部電極層１４が第２の電極配線１５の長さ方向にずれて配置されている。従って、抵抗変化物質層３の上面接触領域３３は、抵抗変化物質層３の上面の、上部電極層１４の上面の第２の電極配線１５の長さ方向における端部と接触する領域によって構成されている。また、抵抗変化物質層３の下面接触領域３２と上面接触領域３３との平面視における重なり領域３１は、本実施の形態では、平面視において上面接触領域３３と一致している。このような態様も、本発明の下面接触領域３２と上面接触領域３３との部分的重なりの態様に含まれる。下面接触領域３２と上面接触領域３３とが、下部導体層１２の主面に平行な方向（例えば図１２のＹ１方向）に相対的に微小平行移動すると、重なり領域３１の面積が変化するからである。

本実施の形態によれば、簡略化された構成で実施の形態２の不揮発性記憶素子１０と同様の効果を奏する不揮発性記憶素子１０を得ることができる。

（実施の形態５）
図１５は本発明の実施の形態５に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXVB-XVB線に沿った断面を示す断面図である。

図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子２０では、抵抗変化物質層３が、複数の第１の電極配線１１と複数の第２の電極配線１５との全ての立体交差点に渡るように形成されている。これ以外の点は実施の形態２と同じである。

このような構成とすると、１つの抵抗変化物質層３を形成すれば済むので、不揮発性記憶素子２０の製造方法を簡略化することができる。

（実施の形態６）
図１６は本発明の実施の形態６に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXVIB-XVIB線に沿った断面を示す断面図である。

図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子２０は、実施の形態３（図１３（ａ）及び図１３（ｂ））の不揮発性記憶素子１０において、抵抗変化物質層３が、複数の第１の電極配線１１と複数の第２の電極配線１５との全ての立体交差点に渡るように形成されたものである。これ以外の点は実施の形態３と同じである。

このような構成とすると、１つの抵抗変化物質層３を形成すれば済むので、不揮発性記憶素子２０の製造方法をさらに簡略化することができる。

（実施の形態７）
図１７は本発明の実施の形態７に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXVIIB-XVIIB線に沿った断面を示す断面図である。

図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子２０は、実施の形態４（図１４（ａ）及び図１４（ｂ））の不揮発性記憶素子１０において、抵抗変化物質層３が、複数の第１の電極配線１１と複数の第２の電極配線１５との全ての立体交差点に渡るように形成されたものである。これ以外の点は実施の形態４と同じである。

このような構成とすると、１つの抵抗変化物質層３を形成すれば済むので、不揮発性記憶素子１の製造方法をさらに簡略化することができる。

本発明の不揮発性記憶素子は、抵抗変化物質層の薄膜化が可能で、かつ駆動電力の低減が可能であり、パーソナルコンピュータや携帯電話等の種々の電子機器に用いられる不揮発性記憶素子等として有用である。

本発明の不揮発性記憶素子の製造方法は、抵抗変化物質層の薄膜化が可能でかつ駆動電力の低減が可能であり、パーソナルコンピュータや携帯電話等の種々の電子機器に用いられる不揮発性記憶素子の製造方法として有用である。

本発明の不揮発性記憶素子の概念を示す模式図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のIB-IB線に沿った断面を示す断面図である。 図１の不揮発性記憶素子の抵抗変化物質層の下面接触領域及び上面接触領域の平面視における部分的重なりの態様を模式的に示す図であって、（ａ）は現実の状態を示す図、（ｂ）及び（ｃ）は下面接触領域及び上面接触領域を相対的に微小平行移動させた状態を示す図である。 抵抗変化物質層の下面接触領域及び上面接触領域の平面視における部分的重なりの他の態様を模式的に示す図であって、（ａ）は現実の状態を示す図、（ｂ）は下面接触領域及び上面接触領域を相対的に微小平行移動させた状態を示す図である。 抵抗変化物質層の下面接触領域及び上面接触領域の平面視における部分的重なりであって本発明に含まれない他の態様を模式的に示す図であって、（ａ）は現実の状態を示す図、（ｂ）は下面接触領域及び上面接触領域を相対的に微小平行移動させた状態を示す図である。 抵抗変化物質層の下面接触領域及び上面接触領域の平面視における部分的重なりであって本発明に含まれない態様を模式的に示す図であって、（ａ）は現実の状態を示す図、（ｂ）は下面接触領域及び上面接触領域を相対的に微小平行移動させた状態を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子１の構成を示す断面図である。 図６の不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す図であって、（ａ−１）〜（ｄ−１）は断面図、（ａ−２）〜（ｄ−２）は平面図である。 図６の不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す図であって、（ａ−１）〜（ｄ−１）は断面図、（ａ−２）〜（ｄ−２）は平面図である。 図６の不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す図であって、（ａ−１）〜（ｄ−１）は断面図、（ａ−２）〜（ｄ−２）は平面図である。 図６の不揮発性記憶素子１の製造方法の工程を示す図であって、（ａ−１）〜（ｄ−１）は断面図、（ａ−２）〜（ｄ−２）は平面図である。 本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXIB-XIB線に沿った断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態３の変形例の不揮発性記憶素子の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXIIIB-XIIIB線に沿った断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXIVB-XIVB線に沿った断面を示す断面図である。 図１５は本発明の実施の形態５に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXVB-XVB線に沿った断面を示す断面図である。 図１６は本発明の実施の形態６に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXVIB-XVIB線に沿った断面を示す断面図である。 図１７は本発明の実施の形態７に係る不揮発性記憶素子の要部の構成を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXVIIB-XVIIB線に沿った断面を示す断面図である。 従来の不揮発性記憶素子の構成を示す要部断面図である。 従来の不揮発性記憶素子の要部の構成を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のXIX-XIX線に沿った断面を示す断面図である。

符号の説明

１，１０，２０ 不揮発性記憶素子
２，１２ 下部導体層、下部電極層
２ａ 下部電極層の上面
３ 抵抗変化物質層
３ａ 抵抗変化物質層の下面
３ｂ 抵抗変化物質層の上面
４，１４ 上部導体層、上部電極層
４ａ 上部導体層の下面
５ 基板
６ 導体パターン
７ 絶縁体層
８ 配線パターン
８ａ コンタクト
１１ 第１の電極配線
１５ 第２の電極配線
１２，１４，２２，２４ 接続層
３１，３３１，４３１ 重なり領域
３２，３３２，４３２ 下面接触領域
３３，３３３，４３３ 上面接触領域
６１ 不純物半導体層
１０１ 記憶部
１２０ ソース領域
１３０ ドレイン領域
１４０ ゲート絶縁膜
１５０ ゲート電極
１６０ トランジスタ
１７０，２４０ 下部電極
１８０ 抵抗変化物質層
１９０，２６０ 上部電極
２００ 不揮発性記憶部
２１０ 層間絶縁層
２２０ 電極配線
２５０ アクティブ層
２７０ 記憶領域
Ｄ１ 下部導体層の幅
Ｄ２ 上部導体層の幅
Ｄ３ 重なり領域の幅

Claims (11)

1. 導体からなる下部導体層と、前記下部導体層より上方に形成され導体からなる上部導体層と、前記下部導体層と前記上部導体層との間に形成され抵抗変化物質からなる抵抗変化物質層と、を備え、
   前記抵抗変化物質層はその下面が前記下部導体層の上面と接触しかつその上面が前記上部導体層の下面と接触しており、
   前記抵抗変化物質層の下面の前記下部導体層の上面との接触領域と前記抵抗変化物質層の上面の前記上部導体層の下面との接触領域とが、前記下部導体層と前記上部導体層とが該下部導体層の主面に平行な方向に相対的に微小平行移動したと仮定した場合に前記下部導体層の厚み方向から見て互いに重なる領域の面積が実質的に変化するような態様で、前記下部導体層の厚み方向から見て部分的に重なっている、不揮発性記憶素子。
2. 基板と、前記基板に形成された導体パターンと、配線パターンと、をさらに備え、
   前記導体パターンの上に前記下部導体層としての下部電極層が形成され、
   前記下部電極層の上に前記抵抗変化物質層が形成され、
   前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層としての上部電極層が形成され、
   前記上部電極層の上方に該上部電極に接続された前記配線パターンが形成されている、請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
3. 基板と、前記基板に形成された導体パターンと、配線パターンと、をさらに備え、
   前記導体パターンの上に前記下部導体層としての不純物半導体層が形成され、
   前記不純物半導体層の上に前記抵抗変化物質層が形成され、
   前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層としての上部電極層が形成され、
   前記上部電極層の上方に該上部電極に接続された前記配線パターンが形成されている、請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
4. 基板と、前記基板の上に互い平行に形成され複数の第１の電極配線と、前記複数の第１の電極配線の上方に前記基板の主面に平行な面内において互いに平行にかつ前記複数の第１の電極配線に立体交差するように形成された複数の第２の電極配線と、をさらに備え、
   前記複数の第１の電極配線と前記複数の第２の電極配線との立体交差点の各々において、前記第１の電極配線の上に前記下部導体層としての下部電極層が形成され、前記下部電極層の上に前記抵抗変化物質層が形成され、前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層としての上部電極層が形成され、前記上部電極層の上に前記第２の電極配線が形成されている、請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
5. 基板と、前記基板の上に互い平行に形成され複数の第１の電極配線と、前記複数の第１の電極配線の上方に前記基板の主面に平行な面内において互いに平行にかつ前記複数の第１の電極配線に立体交差するように形成された複数の第２の電極配線と、をさらに備え、
   前記複数の第１の電極配線と前記複数の第２の電極配線との立体交差点の各々において、前記第１の電極配線が前記下部導体層を構成しており、前記第１の電極配線の上に前記抵抗変化物質層が形成され、前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層としての上部電極層が形成され、前記上部電極層の上に前記第２の電極配線が形成されている、請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
6. 基板と、前記基板の上に互い平行に形成され複数の第１の電極配線と、前記複数の第１の電極配線の上方に前記基板の主面に平行な面内において互いに平行にかつ前記複数の第１の電極配線に立体交差するように形成された複数の第２の電極配線と、をさらに備え、
   前記複数の第１の電極配線と前記複数の第２の電極配線との立体交差点の各々において、前記第１の電極配線の上に前記下部導体層としての下部電極層が形成され、前記下部電極層の上に前記抵抗変化物質層が形成され、前記抵抗変化物質層の上に前記上部導体層として前記第２の電極配線が形成されている、請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
7. 前記抵抗変化物質層が前記立体交差点毎に設けられている、請求項４乃至６のいずれかに記載の不揮発性記憶素子。
8. 前記抵抗変化物質層が全ての前記立体交差点を含んで１つ設けられている、請求項４乃至６のいずれかに記載の不揮発性記憶素子。
9. 前記抵抗変化物質層は、遷移金属酸化物材料からなる、請求項1乃至８のいずれかに記載の不揮発性記憶素子。
10. 前記遷移金属酸化物が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）である、請求項９に記載の不揮発性記憶素子。
11. 導体からなる下部導体層を形成する工程Ａと、
    前記下部導体層の上に抵抗変化物質からなる抵抗変化物質層を形成する工程Ｂと、
    前記抵抗変化物質層の上に導体からなる上部導体層を形成する工程Ｃと、を有し、
    前記工程Ｂにおいて、前記抵抗変化物質層はその下面が前記下部導体層の上面と接触するように形成され、
    前記工程Ｃにおいて、前記上部導体層はその下面が前記抵抗変化物質層の上面と接触するように形成され、かつ
    前記工程Ｃにおいて、前記上部導体層は、前記抵抗変化物質層の下面の前記下部導体層の上面との接触領域と前記抵抗変化物質層の上面の前記上部導体層の下面との接触領域とが、前記下部導体層と前記上部導体層とが該下部導体層の主面に平行な方向に相対的に微小平行移動したと仮定した場合に前記下部導体層の厚み方向から見て互いに重なる領域の面積が実質的に変化するような態様で、前記下部導体層の厚み方向から見て部分的に重なるように形成される、不揮発性記憶素子の製造方法。

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