JP2008182154A - Memory device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a matrix type large capacity memory device employing a resistance change memory cell. <P>SOLUTION: A memory element 100 has an intermediate electrode layer 102, a metal oxide layer 103 and an upper electrode 104 on a semiconductor substrate 101 wherein an ohmic contact 105 is provided at a part of the semiconductor substrate 101. The metal oxide layer 103 is composed of bismuth (Bi), titanium (Ti) and oxygen, and formed to have a film thickness of 30-200 nm or formed on the intermediate electrode layer 102 in contact therewith. For example, the metal oxide layer 103 is composed of a base layer containing excessive Ti as compared with the stoichiometric composition of Bi<SB>4</SB>Ti<SB>3</SB>O<SB>12</SB>, and a plurality of microcrystal grains which are about 3-15 nm of the stoichiometric composition of Bi<SB>4</SB>Ti<SB>3</SB>O<SB>12</SB>diffused in the base layer. Since the memory cell M has rectification characteristics, sneak current to a nonselect memory cell can be suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気抵抗の変化によって情報を記憶する抵抗変化型のメモリセルを用いたメモリ装置に関するものである。   The present invention relates to a memory device using a resistance change type memory cell that stores information by a change in electric resistance.

従来、ネットワーク機器や情報端末に搭載されて情報を記憶する装置(メモリ)には、主に半導体材料が用いられてきた。半導体を用いたメモリの1つとして、DRAM(Dynamic Random Access Memory)が広く使用されている(非特許文献1参照)。DRAMの単位記憶素子(以下、メモリセルという)では、1個の蓄積容量と1個のMOSFET(Metal-oxide-semiconductor field effect transistor)からなり、選択されたメモリセルの蓄積容量に蓄えられた電荷の状態に対応する電圧を、受信用配線(ビット線)から電気的なデジタル信号の「on」あるいは「off」として取り出すことで、記憶されているデータを読み出すようにしている。   Conventionally, semiconductor materials have been mainly used for devices (memory) that are mounted on network devices and information terminals and store information. As one of the memories using a semiconductor, a DRAM (Dynamic Random Access Memory) is widely used (see Non-Patent Document 1). A unit storage element (hereinafter referred to as a memory cell) of a DRAM is composed of one storage capacitor and one MOSFET (Metal-oxide-semiconductor field effect transistor), and the charge stored in the storage capacitor of the selected memory cell. The voltage corresponding to the state is taken out as “on” or “off” of the electrical digital signal from the receiving wiring (bit line), so that the stored data is read out.

しかし、DRAMでは、電源を切ると蓄積容量の状態を維持することが不可能となり、蓄積された情報が消去されてしまう。言い換えると、DRAMは揮発性のメモリ素子である。また、よく知られているように、DRAMでは、データを再び書き込むリフレッシュ動作が必要となり、動作速度が低下するという欠点もある。   However, in the DRAM, when the power is turned off, it is impossible to maintain the state of the storage capacity, and the stored information is erased. In other words, DRAM is a volatile memory element. As is well known, a DRAM requires a refresh operation for rewriting data, and has a drawback that the operation speed is reduced.

昨今のマルチメディア情報化社会の拡大、さらには、ユビキタスサービスを実現するためには、より高機能なメモリが必要とされてきている。例えば、ユビキタス端末に搭載されるメモリに求められる機能として、高速,長期保持期間,環境耐性,低消費電力などがあり、さらに、電源を切っても蓄積された情報を保持し続ける不揮発性が必須とされている。不揮発性メモリとしては、ROM(Read only Memory)がよく知られているが、一度記憶された(書き込まれた)データは、消去不可能であり、また、再書き込みができないという大きな欠点を持っている。   In order to realize the recent expansion of the multimedia information society, and further to realize ubiquitous services, more sophisticated memories are required. For example, the functions required of the memory installed in ubiquitous terminals include high speed, long-term retention period, environmental resistance, low power consumption, and non-volatility that keeps stored information even when the power is turned off. It is said that. ROM (Read only Memory) is well known as a non-volatile memory, but once stored (written) data cannot be erased, and has a major disadvantage that it cannot be rewritten. Yes.

これに対し、ROMの一種ではあるが、限定された回数のデータ消去と書き込みとを可能としたEEPROM(Electrically erasable programmable read only memory)を用いたフラッシュメモリ(Flash memory)が開発されている(特許文献1,非特許文献1,2参照)。このフラッシュメモリは、実用的な不揮発性メモリとして、多くの分野で使用されている。   On the other hand, although it is a kind of ROM, a flash memory using an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) capable of erasing and writing a limited number of times has been developed (patent) Reference 1, Non-Patent Documents 1 and 2). This flash memory is used in many fields as a practical non-volatile memory.

代表的なフラッシュメモリのメモリセルは、MOSFETのゲート電極部が、制御ゲート電極と浮遊ゲート電極を有した複数の層からなるスタックゲート(Stack gate)構造となっている。フラッシュメモリでは、浮遊ゲートに蓄積された電荷の量により、MOSFETの閾値が変化することを利用して、データの記録を可能としている。   In a memory cell of a typical flash memory, a gate electrode portion of a MOSFET has a stack gate structure including a plurality of layers each having a control gate electrode and a floating gate electrode. In the flash memory, data can be recorded by utilizing the fact that the threshold value of the MOSFET changes depending on the amount of charge accumulated in the floating gate.

フラッシュメモリのデータの書き込みは、ドレイン領域に高電圧を印加して発生したホットキャリアがゲート絶縁膜のエネルギー障壁を乗り越えることで行う。また、ゲート絶縁膜に高電界を印加してF−N(Fowler-Nordheim)トンネル電流を流すことで、半導体基板から浮遊ゲートに電荷(一般的には電子)を注入することで、データの書き込みが行われる。データの消去は、ゲート絶縁膜に逆方向の高電界を印加することで、浮遊ゲートから電荷を引き抜くことにより行われる。   Writing data in the flash memory is performed by hot carriers generated by applying a high voltage to the drain region overcoming the energy barrier of the gate insulating film. In addition, data is written by injecting electric charges (generally electrons) from the semiconductor substrate to the floating gate by applying a high electric field to the gate insulating film to flow an FN (Fowler-Nordheim) tunnel current. Is done. Data is erased by extracting charges from the floating gate by applying a high electric field in the opposite direction to the gate insulating film.

フラッシュメモリは、DRAMのようなリフレッシュ動作が不要な反面、F−Nトンネル現象を用いるために18V程度の高電圧が必要となり、また、DRAMに比べてデータの書き込み及び消去に要する時間が桁違いに長くなってしまうというの問題がある。さらに、データの書き込み・消去を繰り返すと、ゲート絶縁膜が劣化するので、書き換え回数がある程度制限されているという問題もある。   A flash memory does not require a refresh operation like a DRAM, but requires a high voltage of about 18 V in order to use the FN tunnel phenomenon, and the time required for writing and erasing data is orders of magnitude higher than that of a DRAM. There is a problem of becoming longer. Further, when data writing / erasing is repeated, the gate insulating film deteriorates, so that the number of rewrites is limited to some extent.

上述したフラッシュメモリに対し、新たな不揮発性メモリとして、強誘電体の分極を用いた強誘電体メモリ(以下、FeRAM(Ferroelectric RAM)や、強磁性体の磁気抵抗を用いた強磁性体メモリ(以下、MRAM(Magnetoresist RAM)という)などが注目されており、盛んに研究されている。   In contrast to the flash memory described above, as a new non-volatile memory, a ferroelectric memory using ferroelectric polarization (hereinafter referred to as FeRAM (Ferroelectric RAM)) or a ferromagnetic memory using ferromagnetic resistance ( Hereinafter, MRAM (Magnetoresist RAM) and the like have attracted attention and are actively studied.

さらに、最近になり、電気抵抗の変化によって情報を記憶する抵抗変化型のメモリセルが提案されており、このような抵抗変化型のメモリセイルを用いてクロスポイント構造を形成すれば、大容量のメモリが実現できると期待されている(非特許文献3及び非特許文献4参照)。   Furthermore, recently, a resistance change type memory cell for storing information according to a change in electrical resistance has been proposed. If a cross-point structure is formed using such a resistance change type memory sail, a large capacity It is expected that a memory can be realized (see Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4).

図14は、抵抗変化型のメモリセルを用いた従来のメモリ装置の基本構成を示す等価回路図である。図14において、Mはマトリクス状に配置された抵抗変化型のメモリセル、W1〜Wmは各行のメモリセル毎に設けられたワード線、B1〜Bnは各列のメモリセル毎に設けられたビット線である。 FIG. 14 is an equivalent circuit diagram showing a basic configuration of a conventional memory device using resistance change type memory cells. In FIG. 14, M is a resistance change type memory cell arranged in a matrix, W 1 to W m are word lines provided for the memory cells in each row, and B 1 to B n are for each memory cell in each column. This is a provided bit line.

図14に示すメモリ装置においては、ワード線W1〜Wmとビット線B1〜Bnにより所望のメモリセルMを1つ選択すると、このメモリセルMに接続されたビット線に流れる電流値によりメモリセルMの抵抗値を読み出すことができる。各メモリセルMは、低抵抗の状態(例えば、データ「1」)又は高抵抗の状態(例えば、データ「0」)のいずれかの状態を維持している。選択されたメモリセルMが低抵抗の状態の場合にはビット線に大きい電流IH:LRSが流れ、メモリセルMが高抵抗の状態の場合には、ビット線に小さい電流IL:HRSが流れる。こうして、メモリセルMに保持された「1」又は「0」のいずれかの情報を読み出すことができる。 In the memory device shown in FIG. 14, when one desired memory cell M is selected by the word lines W 1 to W m and the bit lines B 1 to B n , the value of the current flowing through the bit line connected to the memory cell M Thus, the resistance value of the memory cell M can be read out. Each memory cell M maintains either a low resistance state (for example, data “1”) or a high resistance state (for example, data “0”). When the selected memory cell M is in a low resistance state, a large current I H: LRS flows through the bit line. When the selected memory cell M is in a high resistance state, a small current I L: HRS is applied through the bit line. Flowing. Thus, either “1” or “0” information held in the memory cell M can be read.

特開平8−031960号公報JP-A-8-031960 サイモン・ジー著、「フィジクス・オブ・セミコンダクター・デバイス」、1981年、(S.M.Sze,"Physics of Semiconductor Devices",John Wiley and Sons,Inc.)Simon G., Physics of Semiconductor Devices, 1981 (S.M.Sze, "Physics of Semiconductor Devices", John Wiley and Sons, Inc.) 舛岡富士雄著、「不揮発性メモリーの現状と展望」、応用物理、73巻、第9号、頁1166−1171、2004年。Fujio Tsujioka, “Current Status and Prospects of Non-Volatile Memory”, Applied Physics, Vol. 73, No. 9, pp. 1166-1171, 2004. 「不揮発性メモリに関する調査研究」、機械システム振興協会及び新機能素子研究開発協会著、平成16年3月。"Research on non-volatile memory", written by the Japan Society for the Promotion of Mechanical Systems and the New Functional Device Research and Development Association, March 2004. J.Campbell Scott, "Is There an Immortal Memory?", Science, Vol.304, pp.62-63, 2004.J. Campbell Scott, "Is There an Immortal Memory?", Science, Vol.304, pp.62-63, 2004.

ところで、図14に示したマトリクス構造のメモリ装置の場合、ワード線W1〜Wmとビット線B1〜Bnにより選択されたメモリセル(「選択メモリセル」という)に読み出すための所望の電圧Vを印加し、選択メモリセルを流れる電流値を観測することで選択メモリセルの状態を読み出すことになる。しかし、実際には、ワード線W1〜Wmとビット線B1〜Bnを介して各メモリセルが相互に接続されているため、選択メモリセルに読み出し電圧Vを印加した際に、選択されていないメモリセル(「非選択メモリセル」という)にも多少の電圧が印加されることになる。 By the way, in the case of the memory device having the matrix structure shown in FIG. 14, a desired memory cell for reading to a memory cell (referred to as a “selected memory cell”) selected by the word lines W 1 to W m and the bit lines B 1 to B n is used. The state of the selected memory cell is read by applying the voltage V and observing the value of the current flowing through the selected memory cell. However, in reality, since the memory cells are connected to each other via the word lines W 1 to W m and the bit lines B 1 to B n , the memory cell is selected when the read voltage V is applied to the selected memory cell. Some voltage is also applied to the memory cells that are not (referred to as “non-selected memory cells”).

従って、選択メモリセルの情報を読み出す際に、選択メモリセルだけでなく非選択メモリセルにも電流が流れてしまうことになる。このため、実際には、選択メモリセルを流れる電流と非選択メモリセルを流れる電流との合成電流で選択メモリセルの状態を識別しなければならない。非選択メモリセルを流れる電流は、非選択メモリセルの全てが低抵抗状態の場合に最大となり、非選択メモリセルの全てが高抵抗状態の場合に最小となる。   Therefore, when reading the information of the selected memory cell, a current flows not only to the selected memory cell but also to the unselected memory cell. Therefore, in practice, the state of the selected memory cell must be identified by a combined current of the current flowing through the selected memory cell and the current flowing through the non-selected memory cell. The current flowing through the unselected memory cells is maximized when all the unselected memory cells are in the low resistance state, and is minimized when all the unselected memory cells are in the high resistance state.

ここで、図15(a)に示すように、メモリセルM11からメモリセルM33を3行×3列のマトリクス状に配列したメモリ装置について、読み出し時に観測される電流値Ireadを求める。なお、図15において、Mij(i,jは整数)はメモリセルの各要素を示す。ここで説明のためにワード線W2に読み出し電圧Vを印加し、ビット線B3を接地電位(つまりV=0)としたとき、ビット線B3に流れる電流Ireadについて求める。ここでは3行2列目のM23が選択メモリセルになり、他のメモリセルM11,M12,M13,M21,M22,M31,M32,M33は非選択メモリセルとなる。 Here, as shown in FIG. 15 (a), the memory device having an array of memory cells M 11 to the memory cell M 33 in 3 rows × 3 columns of a matrix, obtaining the current value I read observed at the time of reading. In FIG. 15, Mij (i and j are integers) indicates each element of the memory cell. Here, for the sake of explanation, when the read voltage V is applied to the word line W 2 and the bit line B 3 is set to the ground potential (that is, V = 0), the current I read flowing through the bit line B 3 is obtained. Here, M 23 in the third row and the second column is the selected memory cell, and the other memory cells M 11 , M 12 , M 13 , M 21 , M 22 , M 31 , M 32 , and M 33 are unselected memory cells. Become.

情報読み出し可能条件を明らかにするため、非選択メモリセルが全て同じ抵抗値Rnsであり、選択メモリセルM23の抵抗値がRtgであるとする。回路の対称性より、選択しているビット線以外のビット線(B1とB2)の間での電位は同じとなる(VBとする)。同様に、選択しているワード線以外のワード線(W1とW2)の間も同じ電位となる(Vwとする)。これにより、メモリセルM11,M31,M12,M32の各々に流れる電流は、(VB−Vw)/Rns、となる。また、メモリセルM13及びメモリセルM33に流れる電流は、各々Vw/Rnsとなる。さらに、メモリセルM21及びメモリセルM22に流れる電流は、各々(V−VB)/Rnsとなる。なお、選択メモリセルM23にはV/Rtgの電流が流れる。 In order to clarify the information readable condition, it is assumed that all the non-selected memory cells have the same resistance value R ns and the resistance value of the selected memory cell M 23 is R tg . Due to the symmetry of the circuit, the potential between the bit lines (B 1 and B 2 ) other than the selected bit line is the same (referred to as V B ). Similarly, the same potential is set between the word lines (W 1 and W 2 ) other than the selected word line (referred to as Vw). As a result, the current flowing through each of the memory cells M 11 , M 31 , M 12 , and M 32 is (V B −V w ) / R ns . The current flowing through the memory cell M 13 and the memory cell M 33 is a respective V w / R ns. Further, the current flowing through the memory cell M 21 and the memory cell M 22 is a respective (V-V B) / R ns. Incidentally, current flows in V / R tg is applied to the selected memory cell M 23.

ところで、「1点に流れ込む電流の総和は0」というキルヒホッフの法則により、ワード線W2に流れ込む電流は、ビット線B3より流出する電流Ireadに等しくなる。つまり、Ireadは、メモリセルM23,M13,M33に流れる電流の総和、さらには、メモリセルM23、M21、M22に流れる電流の総和と等しくなり、以下の式(1)に示す等式が成り立つ。 Incidentally, the current flowing into the word line W 2 is equal to the current I read flowing out from the bit line B 3 according to Kirchhoff's law that “the sum of currents flowing into one point is 0”. That is, I read is equal to the sum of currents flowing through the memory cells M 23 , M 13 , and M 33 , and further to the sum of currents flowing through the memory cells M 23 , M 21 , and M 22. The equation shown below holds.

read=V/Rtg+2VW/Rns=V/Rtg+2(V−VB)/Rns・・・(1) I read = V / R tg + 2V W / R ns = V / R tg +2 (V−V B ) / R ns (1)

また、メモリセルM21に流れる電流は、メモリセルM11に流れる電流とメモリセルM31に流れる電流の和に等しくなり、以下の式(2)に示す等式が成り立つ。 The current flowing through the memory cell M 21 is equal to the sum of the current flowing through the current and the memory cell M 31 flowing through the memory cell M 11, holds the equation shown in the following equation (2).

(V−VB)/Rns=2(VB−VW)/Rns・・・(2) (V−V B ) / R ns = 2 (V B −V W ) / R ns (2)

さらに、メモリセルM13を流れる電流は、メモリセルM11に流れる電流とメモリセルM12に流れる電流の和に等しい。この関係により、以下の式(3)に示す等式が成り立つ。 Further, the current flowing through the memory cell M 13 is equal to the sum of the current flowing through the memory cell M 11 and the current flowing through the memory cell M 12 . By this relationship, the following equation (3) is established.

W/Rns=2(VB−VW)/Rns・・・(3) V W / R ns = 2 (V B −V W ) / R ns (3)

これらの連立方程式を解くと、VB及びVwの各々の電位は、VB=3/5V、Vw=2/5Vとなる。これより、ビット線B3に流れる電流Ireadは、次の式(4)に示されるものとなる。 When these simultaneous equations are solved, the potentials of V B and V w are V B = 3 / 5V and V w = 2 / 5V. Thus, the current I read flowing through the bit line B 3 is represented by the following equation (4).

read=V/Rtg+2VW/Rns=V/Rtg+(4/5)×(V/Rns)・・・(4) I read = V / R tg + 2V W / R ns = V / R tg + (4/5) × (V / R ns ) (4)

選択メモリセルM23が高抵抗状態(Rtg=RH)の場合の電流値(Iread=IL:HRS)は、他の非選択メモリセル(M11,M12,M13,M21,M22,M31,M32,M33)の抵抗分布に依存して変動するが、全ての非選択メモリセルが低抵抗状態(Rns=RL)と全ての非選択メモリセルが高抵抗状態(Rns=RH)の範囲内になり、次の式(5)に示す不等式が成り立つ。 The current value (I read = I L: HRS ) when the selected memory cell M 23 is in the high resistance state (R tg = R H ) is the other non-selected memory cells (M 11 , M 12 , M 13 , M 21 , M 22 , M 31 , M 32 , and M 33 ) vary depending on the resistance distribution, but all the unselected memory cells are in a low resistance state (R ns = R L ) and all the unselected memory cells are high. Within the range of the resistance state (R ns = R H ), the inequality shown in the following equation (5) holds.

V/RH+(4/5)×(V/RL)>IL:HRS>V/RH+(4/5)×(V/RH)・・・(5) V / R H + (4/5) × (V / R L )> IL: HRS > V / R H + (4/5) × (V / R H ) (5)

式(5)において、V/RH+4V/5RLは、選択メモリセルM23が高抵抗状態で、かつ、全ての非選択メモリセルが低抵抗状態(Rns=RL)である場合の電流値Ireadであり、V/RH+4V/5RHは、選択メモリセルM23が高抵抗状態で、かつ、全ての非選択メモリセルが高抵抗状態(Rns、=RH)である場合の電流値Ireadである。 In Expression (5), V / R H + 4V / 5R L is the case where the selected memory cell M 23 is in the high resistance state and all the non-selected memory cells are in the low resistance state (R ns = R L ). The current value I read is V / R H + 4V / 5R H when the selected memory cell M 23 is in the high resistance state and all the unselected memory cells are in the high resistance state (R ns , = R H ). The current value I read in this case.

一方、選択メモリセルM23が低抵抗状態(Rtg=RL)の場合の電流値(Iread=IH:LRS)は、全ての非選択メモリセルが低抵抗状態(Rns,=RL)と全ての非選択メモリセルが高抵抗状態(Rns=RH)の範囲内になり、次の式(6)に示す不等式が成り立つ。 On the other hand, when the selected memory cell M 23 is in the low resistance state (R tg = R L ), the current value (I read = I H: LRS ) indicates that all the unselected memory cells are in the low resistance state (R ns , = R L ) and all unselected memory cells are in the high resistance state (R ns = R H ), and the inequality shown in the following equation (6) is established.

V/RL+(4/5)×(V/RL)>IH:LRS>V/RL+(4/5)×(V/RH)・・・(6) V / R L + (4/5) × (V / R L )> I H: LRS > V / R L + (4/5) × (V / R H ) (6)

式(6)において、V/RL+4V/5RLは、選択メモリセルM23が低抵抗状態で、かつ、全ての非選択メモリセルが低抵抗状態(Rns=RL)である場合の電流値Ireadであり、V/RL+4V/5RHは、選択メモリセルM23が低抵抗状態で、かつ、全ての非選択メモリセルが高抵抗状態(Rns=RH)である場合の電流値Ireadである。 In Expression (6), V / R L + 4V / 5R L is the case where the selected memory cell M 23 is in the low resistance state and all the unselected memory cells are in the low resistance state (R ns = R L ). The current value I read is V / R L + 4V / 5R H when the selected memory cell M 23 is in the low resistance state and all the unselected memory cells are in the high resistance state (R ns = R H ). Current value Iread .

電流値Ireadを用いて選択メモリセルが高抵抗状態か低抵抗状態かを判別できるためには、IH:LRS>IL:HRSが成り立つことが要求されるので、「{V/RL+(4/5)×(V/RL)>IH:LRS>V/RL+(4/5)×(V/RH)}>{V/RH+(4/5)×(V/RL)>IL:HRS>V/RH+(4/5)×(V/RH)}」となり、常にIH:LRSとIL:HRSを判別するためには、次の式(7)が成立する必要がある。 In order to be able to determine whether the selected memory cell is in the high resistance state or the low resistance state using the current value I read , it is required that I H: LRS > I L: HRS holds, so “{V / R L + (4/5) × (V / R L )> I H: LRS > V / R L + (4/5) × (V / R H )}> {V / R H + (4/5) × (V / R L )> IL: HRS > V / R H + (4/5) × (V / R H )} ”, and in order to always distinguish between I H: LRS and I L: HRS , The following equation (7) needs to be satisfied.

V/RL+(4/5)×(V/RH)>V/RH+(4/5)×(V/RL)・・・(7) V / R L + (4/5) × (V / R H )> V / R H + (4/5) × (V / R L ) (7)

式(7)より、RH>RLであれば、常に成立することがわかる。従って、図15(a)の3行×3列のマトリクス状に配列したメモリ装置では、選択メモリセルM23の状態を識別できることがわかる。 From equation (7), it can be seen that R H > R L always holds. Thus, the memory device arranged in 3 rows × 3 columns of a matrix of FIG. 15 (a), it can be seen that identify the state of the selected memory cell M 23.

次に、図15(b)に示すように、3行×4列のマトリクス状に配列したメモリ装置について読み出し時に観測される電流Ireadを上述と同様の手法で求めることについて説明する。ワード線W2とビット線B3の交点に位置する選択メモリセルM23を選択するために、ワード線W2に読み出し電圧Vを印加し、ビット線B2を接地電位にしたとき、ビット線B2に流れる電流Ireadについて、次の式(8),式(9),及び式(10)に示す連立方程式が成り立つ。 Next, as shown in FIG. 15B, a description will be given of obtaining a current I read observed at the time of reading for a memory device arranged in a matrix of 3 rows × 4 columns by the same method as described above. To select the selected memory cell M 23 located at the intersection of the word line W 2 and the bit line B 3, the read voltage V is applied to the word line W 2, when the bit line B 2 to the ground potential, the bit line For the current I read flowing through B 2 , simultaneous equations shown in the following equations (8), (9), and (10) hold.

read=V/Rtg+2VW/Rns=V/Rtg+3(V−VB)/Rns・・・(8)
(V−VB)/Rns=2(VB−VW)/Rns・・・(9)
W/Rns=3(VB−VW)/Rns・・・(10)
I read = V / R tg + 2V W / R ns = V / R tg +3 (V−V B ) / R ns (8)
(V−V B ) / R ns = 2 (V B −V W ) / R ns (9)
V W / R ns = 3 (V B −V W ) / R ns (10)

これらの連立方程式を解くと、VB及びVWの各々の電位は、VB=2/3V、VW=1/3Vとなる。これより、ビット線B3に流れる電流Ireadは、式(8)より次の式(11)に示すものとなる。 When these simultaneous equations are solved, the potentials of V B and V W are V B = 2 / 3V and V W = 1 / 3V. Thus, the current I read flowing through the bit line B 3 is expressed by the following equation (11) from the equation (8).

read=V/Rtg+V/Rns・・・(11) I read = V / R tg + V / R ns (11)

式(5)と同様に選択メモリセルM23が高抵抗状態であるときの電流IL:HRSを求めると、次の式(12)となる。 When the current I L: HRS when the selected memory cell M 23 is in the high resistance state is obtained as in the equation (5), the following equation (12) is obtained.

V/RH+V/RL>IL:HRS>V/RH+V/RH・・・(12) V / R H + V / R L > I L: HRS > V / R H + V / R H (12)

また、式(6)と同様に選択メモリセルM23が低抵抗状態であるときの電流IH:LRSを求めると、次の式(13)となる。 Further, when the current I H: LRS when the selected memory cell M 23 is in the low resistance state is obtained as in the equation (6), the following equation (13) is obtained.

V/RL+V/RL>IH:LRS>V/RH+V/RL・・・(13)
ところで、式(12)と式(13)より、「V/RH+V/RL=V/RL+V/RH・・・(14)」となる。これは、選択メモリセルが高抵抗状態時の電流IL:HRSの最高値(選択メモリセルが高抵抗状態で全ての非選択メモリセルが低抵抗状態の場合の電流値)と選択メモリセルが低抵抗状態時の電流IH:LRSの最低値(選択メモリセルが低抵抗状態で全ての非選択メモリセルが高抵抗状態の場合の電流値)とが等しくなり、選択メモリセルが高抵抗状態か低抵抗状態かを判別することが不可能となることを示している。
V / R L + V / R L > I H: LRS > V / R H + V / R L (13)
By the way, from Expression (12) and Expression (13), “V / R H + V / R L = V / R L + V / R H (14)”. This is because the maximum value of the current IL: HRS when the selected memory cell is in the high resistance state (current value when the selected memory cell is in the high resistance state and all the unselected memory cells are in the low resistance state) and the selected memory cell The current I H: LRS in the low resistance state is equal to the minimum value (the current value when the selected memory cell is in the low resistance state and all the unselected memory cells are in the high resistance state), and the selected memory cell is in the high resistance state. This indicates that it is impossible to determine whether the resistance state is low.

従って、図15(b)に示すメモリ装置では、選択メモリセルM23の状態を誤ることなく識別することが、非常に困難である。以上のように、抵抗変化型のメモリセルを用いた従来のメモリ装置では、情報の読み出し時に誤りが発生する可能性があった。この情報読み出しに誤りが発生する現象は、3行×3列のマトリクスでは現れなかいが、3行×4列より大規模なマトリクスで発現し、行数と列数が多くなればなるほど顕著になってくる。 Thus, the memory device shown in FIG. 15 (b), it is extremely difficult to identify without erroneous state of the selected memory cell M 23. As described above, in the conventional memory device using the resistance change type memory cell, there is a possibility that an error occurs when reading information. This phenomenon of error in reading information does not appear in a matrix of 3 rows × 3 columns, but appears in a matrix larger than 3 rows × 4 columns, and becomes more prominent as the number of rows and columns increases. Come.

次に、上述したような読み出し誤りが発生しない、より汎用的なマトリクス構造のメモリ装置の例を次に示す。図16は、抵抗変化型メモリセルを用いた2次元マトリクス構造のメモリ装置において、読み出しを行う場合の各点における電圧分布を示す図である。図16は、各メモリセルを抵抗変化素子の形で等価的に表している。先ず、図16に示すようにメモリセルをm行×n列(m,nは2以上の整数)のマトリクス状に配列したメモリ装置にいて電流分布を求める。図16において、2行×(n−1)列目のメモリセルを選択メモリセルMtgとし、他の全てのメモリセルは非選択メモリセルMnsとする。また、Itgは選択メモリセルMtgを流れる電流であり、Insは非選択メモリセルMnsを流れる電流である。さらに、W1〜Wmは、各行のメモリセル毎に設けられたワード線、B1〜Bnは、各列のメモリセル毎に設けられたビット線を示している。 Next, an example of a memory device having a more general matrix structure that does not cause the above-described read error will be described below. FIG. 16 is a diagram illustrating a voltage distribution at each point when reading is performed in a memory device having a two-dimensional matrix structure using resistance change memory cells. FIG. 16 equivalently represents each memory cell in the form of a resistance change element. First, as shown in FIG. 16, a current distribution is obtained in a memory device in which memory cells are arranged in a matrix of m rows × n columns (m and n are integers of 2 or more). In FIG. 16, the memory cell in the 2nd row × (n−1) th column is a selected memory cell M tg, and all other memory cells are unselected memory cells M ns . Also, I tg is the current flowing in the selected memory cell M tg, I ns is the current through the non-selected memory cells M ns. Further, W 1 to W m indicate word lines provided for the memory cells in each row, and B 1 to B n indicate bit lines provided for the memory cells in each column.

非選択メモリセルMnsに接続された配線が開放状態にある場合、回路の対称性により列間あるいは行間の配線の電位は同じになる。また、キルヒホッフの法則により、各々の電位は、図16のような値となる。すなわち、ワード線W2に読み出し電圧Vを印加し、ビット線Bn-1を接地電位にすると、ワード線W1,W3〜Wmの電位は、(n−1)V/(m+n−1)となり、ビット線B1〜Wn-2、Wnの電位は、(n)V/(m+n−1)となる。 When the wiring connected to the non-selected memory cell Mns is in an open state, the potentials of the wiring between columns or rows are the same due to the symmetry of the circuit. Further, according to Kirchhoff's law, each potential has a value as shown in FIG. That is, when the read voltage V is applied to the word line W 2 and the bit line B n−1 is set to the ground potential, the potentials of the word lines W 1 , W 3 to W m are (n−1) V / (m + n−). 1), and the potential of the bit line B1 ~W n-2, W n , a (n) V / (m + n-1).

選択メモリセルMtgに接続されたビット線Bn-1より流れる電流Ireadは、ビット線Bn-1に接続された各メモリセルより流れ込む電流の和である。このメモリセルを流れる電流は、ワード線の電位をメモリセルの抵抗で割ることで求められる。選択メモリセルMtgの抵抗値をRtgとすると、選択メモリセルMtgに流れる電流Itgは、Itg=V/Rtgとなる。また、非選択メモリセルMnsは、全て同じ抵抗を持つと仮定しているので、非選択メモリセルMnsの抵抗値をRnsとすると、非選択メモリセルMnsの寄与分は各メモリセルの電流(n−1)V/{(m+n−1)Rns}にメモリセルの数(m−1)を乗じたもの、すなわち、(m−1)(n−1)V/{(m+n−1)Rns}となる。 The current I read flowing from the bit line B n−1 connected to the selected memory cell M tg is the sum of the current flowing from each memory cell connected to the bit line B n−1 . The current flowing through the memory cell can be obtained by dividing the potential of the word line by the resistance of the memory cell. When the resistance value of the selected memory cell M tg and R tg, current I tg flowing through the selected memory cell M tg becomes I tg = V / R tg. Since it is assumed that the non-selected memory cells M ns all have the same resistance, if the resistance value of the non-selected memory cell M ns is R ns , the contribution of the non-selected memory cell M ns Current (n-1) V / {(m + n-1) R ns } multiplied by the number of memory cells (m-1), that is, (m-1) (n-1) V / {(m + n -1) R ns }.

電流Ireadは、ビット線Bn-1に接続された各メモリセルより流れ込む電流の和であるから、以下の式(15)に示されるものとなる。 Since the current I read is the sum of the currents flowing from the memory cells connected to the bit line B n−1 , the current I read is expressed by the following equation (15).

read=V/Rtg+(m−1)(n−1)V/{(m+n−1)Rns}・・・(15) I read = V / R tg + (m−1) (n−1) V / {(m + n−1) R ns } (15)

また、選択メモリセルMtgが低抵抗状態(Rtg=RL)の場合にビット線Wn-1より流れ出る電流IH:LRSが最小値を持つためには、非選択メモリセルMnsが高抵抗状態(Rns=RH)の場合である。すなわち次の式(16)が成り立つ。 Also, the selected memory cell M tg current I H flows from the bit line W n-1 in the case of low-resistance state (R tg = R L): in order to have a LRS minimum value, the non-selected memory cells M ns This is a case of a high resistance state (R ns = R H ). That is, the following equation (16) is established.

H:LRS>V/RL+(m−1)(n−1)V/{(m+n−1)RH}・・・(16)
一方、選択メモリセルMtgが高抵抗状態(Rtg=RH)の場合に、ビット線Wn-1より流れ出る電流IL:HRSが最大値を持つためには、非選択メモリセルMnsが低抵抗状態(Rns=RL)の場合である。すなわち次の式(17)が成り立つ。
I H: LRS > V / R L + (m−1) (n−1) V / {(m + n−1) R H } (16)
On the other hand, when the selected memory cell M tg is in the high resistance state (R tg = R H ), in order for the current I L: HRS flowing out from the bit line W n-1 to have the maximum value, the unselected memory cell M ns In the low resistance state (R ns = R L ). That is, the following equation (17) is established.

L:HRS<V/RH+(m−1)(n−1)V/{(m+n−1)RL}・・・(17) I L: HRS <V / R H + (m−1) (n−1) V / {(m + n−1) R L } (17)

選択メモリセルMtgの状態を正しく識別するためには、常にIH:LRS>IL:HRSが成立しなければならない。すなわち、次の式(18)に示す不等式が成立する。 In order to correctly identify the state of the selected memory cell M tg , I H: LRS > I L: HRS must always be satisfied. That is, the inequality shown in the following equation (18) is established.

H:LRS>V/RL+(m−1)(n−1)V/{(m+n−1)RH}>V/RH+(m−1)(n−1)V/{(m+n−1)RL}>IL:HRS・・・(18) I H: LRS > V / R L + (m−1) (n−1) V / {(m + n−1) R H }> V / R H + (m−1) (n−1) V / { (M + n−1) R L }> I L: HRS (18)

式(18)において、RLは、低抵抗状態の選択メモリセルMtg及び非選択メモリセルMnsの抵抗値を示し、RHは、高抵抗状態の選択メモリセルMtg及び非選択メモリセルMnsの抵抗値を示している。 In Expression (18), R L represents the resistance value of the selected memory cell M tg and the non-selected memory cell M ns in the low resistance state, and R H represents the selected memory cell M tg and the non-selected memory cell in the high resistance state. The resistance value of M ns is shown.

式(18)をまとめると、次の式(19)が成立する。   Summarizing equation (18), the following equation (19) is established.

{1−(m−1)(n−1)/(m+n−1)}RH>{1−(m−1)(n−1)/(m+n−1)}RL・・・(19) {1- (m-1) (n-1) / (m + n-1)} R H > {1- (m-1) (n-1) / (m + n-1)} R L (19 )

これにより、選択メモリセルMtgの状態を正しく識別するためには、式(19)における{}の中が正となる必要があり、次の式(20)の条件が要求される。 Thus, in order to correctly identify the state of the selected memory cell M tg , the inside of {} in the equation (19) needs to be positive, and the condition of the following equation (20) is required.

{1−(m−1)(n−1)/(m+n−1)}>0,
2(m+n−1)>mn・・・(20)
なお、式(20)において、mとnは各々正の整数である。
{1- (m-1) (n-1) / (m + n-1)}> 0,
2 (m + n-1)> mn (20)
In the formula (20), m and n are each a positive integer.

m=1又はm=2の場合、いかなるnを持ってきても式(20)が成立するため、選択メモリセルMtgの状態を識別することができる。また、m=3、n=1〜3の場合も、式(20)が成立するため状態を識別できる。しかしながら、m=3、n=1〜3を超える規模になると、式(20)は成立せず、選択メモリセル毎の状態識別に誤りが生じてしまう状況となる。 When m = 1 or m = 2, equation (20) is established regardless of what n is brought, so that the state of the selected memory cell M tg can be identified. Also, in the case of m = 3 and n = 1 to 3, the state can be identified because Expression (20) is established. However, when the scale exceeds m = 3 and n = 1 to 3, Equation (20) is not satisfied, and an error occurs in state identification for each selected memory cell.

加えて、従来の抵抗変化型メモリセルを用いたメモリ装置では、書き込みを行う場合にも問題が生じていた。非選択メモリセルMnsに接続された配線が開放状態であると、直列に接続された3つの非選択メモリセルMns(例えばビット線B2とワード線W2の交点に位置する非選択メモリセルMnsと、ビット線B2とワード線W1の交点に位置する非選択メモリセルMnsと、ビット線Bn-1とワード線W1の交点に位置する非選択メモリセルMnsのうち1つだけが高抵抗状態で他の2つが低抵抗状態であれば、高抵抗状態の非選択メモリセルMnsにも選択メモリセルMtgとほぼ同じ電圧が加わり、この高抵抗状態の非選択メモリセルMnsの状態が書き換えられてしまう可能性があった。従って、単純に低抵抗状態と高抵抗状態との抵抗比を大きくしても、メモリセルの行と列の数を増やすことはできず、メモリの大容量化は図れなかった。 In addition, in the memory device using the conventional resistance change type memory cell, there is a problem even when writing is performed. When the wiring connected to the non-selected memory cell M ns is in an open state, three non-selected memory cells M ns connected in series (for example, the non-selected memory located at the intersection of the bit line B 2 and the word line W 2 ) and the cell M ns, and the non-selected memory cells M ns located at the intersection of the bit line B 2 and the word line W 1, the non-selected memory cells M ns located at the intersection of the bit line B n-1 and the word line W 1 If only one of them is in the high resistance state and the other two are in the low resistance state, almost the same voltage as that of the selected memory cell M tg is applied to the non-selected memory cell M ns in the high resistance state. There is a possibility that the state of the selected memory cell M ns is rewritten, so that the number of rows and columns of memory cells can be increased even if the resistance ratio between the low resistance state and the high resistance state is simply increased. The memory capacity could not be increased.

このような読み出し時と書き込み時の問題を解決するには、メモリ装置の基本構成を示す等価回路図(図17)のように、メモリセル毎に選択スイッチとなるトランジスタ(例えばMOSFET)を設け1トランジスタ1抵抗素子(1T1R)の構造を採用することで、選択メモリセルのみに電流が流れるようにし、選択メモリセルの状態識別を可能としていた。しかしながらメモリセル毎にトランジスタを設ける必要があるために、メモリセルに占めるトランジスタの面積が大きくなり、メモリの大容量化が難しいという問題があった。   In order to solve such a problem at the time of reading and writing, a transistor (for example, MOSFET) serving as a selection switch is provided for each memory cell as shown in an equivalent circuit diagram (FIG. 17) showing a basic configuration of the memory device. By adopting the structure of the transistor 1 resistance element (1T1R), the current flows only in the selected memory cell, and the state of the selected memory cell can be identified. However, since it is necessary to provide a transistor for each memory cell, the area of the transistor occupying the memory cell is increased, and it is difficult to increase the capacity of the memory.

図16で示されて式(20)が成り立つような従来の抵抗変化型メモリセルは、ある電圧を印加した場合のワード線からビット線へ流れる電流と、ビット線からワード線へ流れる電流とがほぼ等しいものであった。つまり、メモリセルに整流特性はなく、ワード線からビット線への方向を正(順方向)、その逆を負(逆方向)とすると、正負電圧印加により流れる電流は、メモリセルが高抵抗状態の場合と低抵抗状態の場合とがほぼ同じであった。このため、式(20)を満たさないマトリクス構造において、選択メモリセルMtgの状態を識別するために電圧を印加したときに、非選択メモリセルMnsに選択メモリセルの状態識別に無関係な回り込み電流が流れてしまい、選択メモリセルMtgの状態を識別できなくなる。これに加えて、非選択メモリセルMnsの状態を書き換えてしまう場合があった。 In the conventional resistance change type memory cell shown in FIG. 16 and satisfying the equation (20), a current flowing from the word line to the bit line and a current flowing from the bit line to the word line when a certain voltage is applied are obtained. It was almost equal. In other words, the memory cell has no rectification characteristics. If the direction from the word line to the bit line is positive (forward direction) and the opposite is negative (reverse direction), the memory cell is in a high resistance state due to the current flowing by applying positive and negative voltages. And the low resistance state were almost the same. For this reason, in a matrix structure that does not satisfy Equation (20), when a voltage is applied to identify the state of the selected memory cell M tg , the unselected memory cell M ns wraps around regardless of the state identification of the selected memory cell. A current flows, and the state of the selected memory cell M tg cannot be identified. In addition to this, the state of the unselected memory cell Mns may be rewritten.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、抵抗変化型メモリセルを用いたメモリ装置における大容量化の実現を目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to realize a large capacity in a memory device using a resistance change type memory cell.

本発明に係るメモリ装置は、電気抵抗の変化により情報が記憶される複数のメモリ素子より構成されたメモリ装置であって、メモリ素子は、半導体から構成された半導体基板と、この半導体基板の上に形成された中間電極層と、この中間電極層の上に形成されて電気抵抗が変化する金属酸化物層と、この金属酸化物層の上に形成された上部電極とから構成されている。このメモリ装置において、メモリ素子は、一方の方向への電流が、他方の方向への電流より流れやすい整流特性を備える。このように構成されたメモリ素子によれば、例えばp型とされた半導体基板を用いれば、上部電極に正電圧を印加した場合に電流は流れやすく、負電圧を印加した場合に電流は流れにくいという整流特性を備える。また、n型とされた半導体を用いれば、逆の整流特性を持つ。   A memory device according to the present invention is a memory device including a plurality of memory elements in which information is stored by a change in electrical resistance. The memory element includes a semiconductor substrate formed of a semiconductor and an upper surface of the semiconductor substrate. The intermediate electrode layer is formed on the intermediate electrode layer, the metal oxide layer is formed on the intermediate electrode layer, and the electric resistance is changed. The upper electrode is formed on the metal oxide layer. In this memory device, the memory element has a rectifying characteristic in which a current in one direction flows more easily than a current in the other direction. According to the memory device configured as described above, when a p-type semiconductor substrate is used, for example, current flows easily when a positive voltage is applied to the upper electrode, and current hardly flows when a negative voltage is applied. It has a rectifying characteristic. Further, if an n-type semiconductor is used, it has reverse rectification characteristics.

上記メモリ装置において、各々のメモリ素子の一端に接続する複数のワード線と、各々のメモリ素子の他端に接続する複数のビット線と、選択されたワード線に対して読み出し電圧又は書き込み電圧を印加するワード線選択手段と、選択されたビット線に対して読み出し電圧又は書き込み電圧を印加するビット線選択手段と、選択されたワード線と選択されたビット線とに接続するメモリ素子の抵抗値を選択されたビット線に流れる電流値で読み取る読み出し手段とを備える。例えば、読み出し手段は、メモリ素子を流れる電流とメモリ素子に発生する電圧とを同時に検出し、検出した電圧と電流とを比較することでメモリ素子の抵抗値を読み出すものであればよい。   In the memory device, a plurality of word lines connected to one end of each memory element, a plurality of bit lines connected to the other end of each memory element, and a read voltage or a write voltage for the selected word line Word line selection means to be applied, bit line selection means for applying a read voltage or a write voltage to the selected bit line, and resistance values of memory elements connected to the selected word line and the selected bit line Reading means for reading a current value flowing through the selected bit line. For example, the reading means only needs to read the resistance value of the memory element by simultaneously detecting the current flowing through the memory element and the voltage generated in the memory element and comparing the detected voltage and current.

上記メモリ装置において、金属酸化物層は、少なくとも第1金属,及び酸素から構成された基部層と、第1金属,第2金属,及び酸素から構成されて基部層の中に分散された複数の微粒子とから構成されているとよい。例えば、微粒子は非結晶である。また、基部層は、第1金属,第2金属,及び酸素から構成され、化学量論的組成に比較して第2金属の組成比が小さい。また、基部層は、第1金属,第2金属,及び酸素から構成されて非結晶である。なお、金属酸化物層は、第1電圧値を超える電圧印加により第1抵抗値を持つ第1状態となり、第1電圧とは極性の異なる第2電圧値を超える電圧印加により第1抵抗値より高い第2抵抗値を持つ第2状態となるものである。   In the memory device, the metal oxide layer includes a base layer composed of at least a first metal and oxygen, and a plurality of layers composed of the first metal, the second metal, and oxygen and dispersed in the base layer. It may be composed of fine particles. For example, the fine particles are amorphous. Further, the base layer is composed of the first metal, the second metal, and oxygen, and the composition ratio of the second metal is smaller than the stoichiometric composition. The base layer is made of a first metal, a second metal, and oxygen and is amorphous. The metal oxide layer is in a first state having a first resistance value when a voltage exceeding the first voltage value is applied, and from the first resistance value when a voltage exceeding a second voltage value having a polarity different from that of the first voltage is applied. A second state having a high second resistance value is obtained.

上記メモリ装置において、例えば、金属酸化物層は、スパッタ法により30℃以上180℃未満で形成されたものであるとよい。また、第1金属はチタンであり、第2金属はビスマスであり、基部層は、化学量論的組成に比較して過剰なチタンを含む層からなる非晶質状態であればよい。   In the memory device, for example, the metal oxide layer may be formed at 30 ° C. or higher and lower than 180 ° C. by a sputtering method. The first metal is titanium, the second metal is bismuth, and the base layer may be in an amorphous state composed of a layer containing excess titanium as compared with the stoichiometric composition.

以上説明したように、本発明によれば、メモリ装置を構成するメモリ素子を、半導体から構成された半導体基板と、この半導体基板の上に形成された中間電極層と、この中間電極層の上に形成されて電気抵抗が変化する金属酸化物層と、この金属酸化物層の上に形成された上部電極とから構成したので、抵抗変化型メモリセルを用いたメモリ装置の大容量化が実現できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, a memory element constituting a memory device includes a semiconductor substrate made of a semiconductor, an intermediate electrode layer formed on the semiconductor substrate, and an upper surface of the intermediate electrode layer. Since the metal oxide layer formed on the metal oxide layer changes its electric resistance and the upper electrode formed on the metal oxide layer, the capacity of the memory device using the resistance change type memory cell can be increased. An excellent effect that it can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1(a)は、本実施の形態におけるメモリ装置の構成を等価的に示す回路図であり、図1(b)は、メモリセルMを構成するメモリ素子100の構成を模式的に示す断面図である。図1に示す本実施の形態におけるメモリ装置は、整流特性を備えて抵抗値が変化するメモリ素子100よりなるメモリセルMをマトリクス状に配列したメモリセルアレイから構成されたものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A is a circuit diagram equivalently showing the configuration of the memory device according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the memory element 100 constituting the memory cell M. FIG. The memory device according to the present embodiment shown in FIG. 1 is composed of a memory cell array in which memory cells M each including a memory element 100 having a rectifying characteristic and having a variable resistance value are arranged in a matrix.

各メモリセルMの一端は、対応するワード線W1〜Wmに接続され、メモリセルM(メモリ素子100)の他端は、対応するビット線B1〜Bnに接続されている。また、ワード線選択回路110により、選択されたワード線に対して読み出し電圧又は書き込み電圧が印加され、ビット線選択回路111により、選択されたビット線に読み出し電圧又は書き込み電圧が印加される。また、読み出し回路112により、選択されたメモリセルMに記憶された情報(抵抗値)が、選択されたビット線を流れる電流値で読み出される。 One end of each memory cell M is connected to the corresponding word line W 1 to W m, and the other end of the memory cell M (memory element 100) is connected to the corresponding bit line B 1 to B n . In addition, a read voltage or a write voltage is applied to the selected word line by the word line selection circuit 110, and a read voltage or a write voltage is applied to the selected bit line by the bit line selection circuit 111. Further, the information (resistance value) stored in the selected memory cell M is read by the read circuit 112 as a current value flowing through the selected bit line.

次に、メモリ素子100について説明すると、p型の半導体基板101の上に、中間電極層102と、金属酸化物層103と、上部電極104とを備え、また、半導体基板101の一部にオーミックコンタクト105を備えるようにしたものである。金属酸化物層103は、ビスマス(Bi)とチタン(Ti)と酸素とから構成され、例えば膜厚30〜200nmに形成され、また、中間電極層102の上に接して形成されている。また、ワード線Wとなる配線が、例えば図示しない層間絶縁層を介して上部電極104に接続し、ビット線Bとなる配線が、図示しない層間絶縁膜を介してオーミックコンタクト105に接続する。また、図1(a)に示す本実施の形態のメモリ装置では、複数のメモリ素子100が配列されるが、半導体基板101において、各々のメモリ素子100の間が、素子分離用領域によって絶縁分離されている。   Next, the memory element 100 will be described. The p-type semiconductor substrate 101 includes an intermediate electrode layer 102, a metal oxide layer 103, and an upper electrode 104, and a part of the semiconductor substrate 101 is ohmic. A contact 105 is provided. The metal oxide layer 103 is composed of bismuth (Bi), titanium (Ti), and oxygen, and is formed to have a thickness of 30 to 200 nm, for example, and is in contact with the intermediate electrode layer 102. Further, a wiring that becomes the word line W is connected to the upper electrode 104 via an interlayer insulating layer (not shown), for example, and a wiring that becomes the bit line B is connected to the ohmic contact 105 via an interlayer insulating film (not shown). In the memory device of this embodiment shown in FIG. 1A, a plurality of memory elements 100 are arranged. In the semiconductor substrate 101, each memory element 100 is insulated and isolated by an element isolation region. Has been.

半導体基板101は、例えばp型とされた単結晶シリコンである。また、半導体基板101は、シリコンに限らず、ゲルマニウム(Ge)及びダイヤモンドなどの半導体や、GaAs,InP,及びGaNなどの化合物半導体のいずれから構成されていても良い。なお、オーミックコンタクト105は、例えば、シリサイドなどの合金層が形成されている領域である。上部電極104とオーミックコンタクト105との間に電源による電圧を印加することで、半導体基板101と上部電極104とに挟まれた金属酸化物層103に電圧を印加することができる。従って、半導体基板101が、上部電極104と対になる一方の電極となる。   The semiconductor substrate 101 is, for example, p-type single crystal silicon. Further, the semiconductor substrate 101 is not limited to silicon, and may be composed of any of semiconductors such as germanium (Ge) and diamond, and compound semiconductors such as GaAs, InP, and GaN. The ohmic contact 105 is a region where an alloy layer such as silicide is formed. By applying a voltage from a power source between the upper electrode 104 and the ohmic contact 105, a voltage can be applied to the metal oxide layer 103 sandwiched between the semiconductor substrate 101 and the upper electrode 104. Therefore, the semiconductor substrate 101 becomes one electrode paired with the upper electrode 104.

なお、上部電極104は、例えば、白金(Pt),Ru,金(Au),銀(Ag)などの貴金属やタングステン(W)を含む遷移金属から構成されていればよい。また、窒化チタン(TiN),窒化ハフニウム(HfN),窒化タンタル(TaN),ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO2),酸化亜鉛(ZnO),鉛酸錫(IZO)、フッ化ランタン(LaF3)などの遷移金属の窒化物や酸化物、フッ化物などの化合物、さらに、これらを積層した複合層であっても良い。 The upper electrode 104 may be made of a noble metal such as platinum (Pt), Ru, gold (Au), silver (Ag), or a transition metal including tungsten (W). In addition, titanium nitride (TiN), hafnium nitride (HfN), tantalum nitride (TaN), strontium ruthenate (SrRuO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin lead oxide (IZO), lanthanum fluoride (LaF 3 ), etc. Compounds such as transition metal nitrides, oxides, and fluorides, and composite layers obtained by laminating these may also be used.

メモリセルMは、後に詳細を説明するが、印加される電圧に対する整流特性を持ち、ワード線(上部電極104)からビット線(半導体基板101)の方向(順方向)には電流は流れやすく、逆にビット線からワード線の方向(逆方向)には電流は流れにくいものとなっている。なお、半導体基板101の導電型がn型の場合は、逆の整流特性となる。かつ、各メモリセルMは、抵抗変化型メモリセルであり、高抵抗状態(HRS)と低抵抗状態(LRS)の2つの状態を持つ。この2つの抵抗状態は、電圧を印加しない場合安定して存在し、ビット線又はワード線から供給される電圧により、2つのいずれかの抵抗状態を繰り返しスイッチさせ、状態を変化させることができる。   As will be described in detail later, the memory cell M has a rectifying characteristic with respect to an applied voltage, and current easily flows in the direction (forward direction) from the word line (upper electrode 104) to the bit line (semiconductor substrate 101). Conversely, current does not easily flow from the bit line to the word line (reverse direction). Note that when the conductivity type of the semiconductor substrate 101 is n-type, reverse rectification characteristics are obtained. Each memory cell M is a resistance change type memory cell and has two states of a high resistance state (HRS) and a low resistance state (LRS). These two resistance states exist stably when no voltage is applied, and either of the two resistance states can be repeatedly switched by the voltage supplied from the bit line or the word line to change the state.

上述したように、整流特性を持った抵抗変化型メモリセルを抵抗変化型メモリセルとして用いることで、従来方法ではできなかった非選択メモリセルへの回り込み電流の抑制が可能となり、式(20)の制限を超えるマトリクス構造においても選択メモリセルの状態を正しく識別することができる。   As described above, by using the resistance change type memory cell having the rectifying characteristic as the resistance change type memory cell, it becomes possible to suppress the sneak current to the non-selected memory cell which cannot be achieved by the conventional method, and the equation (20) Even in a matrix structure exceeding the above limit, the state of the selected memory cell can be correctly identified.

以上で説明した、中間電極層102,金属酸化物層103,及び上部電極104は、具体的な製法については後述するが、図2に示すようなECRスパッタ装置により金属ターゲットや金属ターゲットを、アルゴンガス、キセノンガス、酸素ガス、窒素ガスからなるECRプラズマをプラズマ源で発生させ、発生させたプラズマ中の粒子を用いてスパッタリングして形成すればよい。   The intermediate electrode layer 102, the metal oxide layer 103, and the upper electrode 104 described above will be described in detail later, but a metal target or a metal target is formed by using an ECR sputtering apparatus as shown in FIG. ECR plasma composed of gas, xenon gas, oxygen gas, and nitrogen gas may be generated by a plasma source and sputtered using particles in the generated plasma.

ここで、ECRスパッタ装置について、図2の概略的な断面図を用いて説明する。このECRスパッタ装置は、先ず、処理室201とこれに連通するプラズマ生成室202とを備えている。処理室201は、図示していない真空排気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室202とともに内部が真空排気される。   Here, the ECR sputtering apparatus will be described with reference to the schematic cross-sectional view of FIG. The ECR sputtering apparatus first includes a processing chamber 201 and a plasma generation chamber 202 communicating with the processing chamber 201. The processing chamber 201 communicates with an evacuation device (not shown), and the inside of the processing chamber 201 and the plasma generation chamber 202 is evacuated by the evacuation device.

処理室201には、膜形成対象の半導体基板101が固定される基板ホルダ204が設けられている。基板ホルダ204は、図示しない回転機構により所望の角度に傾斜し、かつ回転可能とされている。基板ホルダ204を傾斜して回転させることで、堆積させる材料による膜の面内均一性と段差被覆性とを向上させることが可能となる。また、処理室201内のプラズマ生成室202からのプラズマが導入される開口領域において、開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット205が備えられている。   The processing chamber 201 is provided with a substrate holder 204 to which the semiconductor substrate 101 to be film-formed is fixed. The substrate holder 204 is inclined at a desired angle by a rotation mechanism (not shown) and is rotatable. By tilting and rotating the substrate holder 204, it is possible to improve the in-plane uniformity of the film and the step coverage with the material to be deposited. Further, a ring-shaped target 205 is provided so as to surround the opening region in the opening region into which the plasma from the plasma generation chamber 202 in the processing chamber 201 is introduced.

ターゲット205は、絶縁体からなる容器205a内に載置され、内側の面が処理室201内に露出している。また、ターゲット205には、マッチングユニット221を介して高周波電源222が接続され、例えば、13.56MHzの高周波が印加可能とされている。ターゲット205が導電性材料の場合、直流を印加するようにしても良い。なお、ターゲット205は、上面から見た状態で、円形状だけでなく、多角形状態であっても良い。   The target 205 is placed in a container 205 a made of an insulator, and the inner surface is exposed in the processing chamber 201. Further, a high frequency power source 222 is connected to the target 205 via a matching unit 221 so that, for example, a high frequency of 13.56 MHz can be applied. When the target 205 is a conductive material, direct current may be applied. Note that the target 205 may be not only a circular shape but also a polygonal state as viewed from above.

プラズマ生成室202は、真空導波管206に連通し、真空導波管206は、石英窓207を介して導波管208に接続されている。導波管208は、図示していないマイクロ波発生部に連通している。また、プラズマ生成室202の周囲及びプラズマ生成室202の上部には、磁気コイル(磁場形成手段)210が備えられている。これら、マイクロ波発生部、導波管208,石英窓207,真空導波管206により、マイクロ波供給手段が構成されている。なお、導波管208の途中に、モード変換器を設けるようにする構成もある。   The plasma generation chamber 202 communicates with the vacuum waveguide 206, and the vacuum waveguide 206 is connected to the waveguide 208 through a quartz window 207. The waveguide 208 communicates with a microwave generation unit (not shown). In addition, a magnetic coil (magnetic field forming means) 210 is provided around the plasma generation chamber 202 and on the upper portion of the plasma generation chamber 202. These microwave generator, waveguide 208, quartz window 207, and vacuum waveguide 206 constitute microwave supply means. There is a configuration in which a mode converter is provided in the middle of the waveguide 208.

図2に一部を示すECRスパッタ装置の動作例について説明すると、先ず、処理室201及びプラズマ生成室202内を真空排気して内部の圧力を10-5〜10-4Paとした後、不活性ガス導入部211より不活性ガスであるArガス又はXeガスを導入し、また、反応性ガス導入部212より反応性ガスを導入し、プラズマ生成室202内を例えば10-3〜10-2Pa程度の圧力にする。この状態で、磁気コイル210よりプラズマ生成室202内に0.0875T(テスラ)の磁場を発生させた後、導波管208,石英窓207,及び真空導波管206を介してプラズマ生成室202内に2.45GHzのマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマを発生させる。なお、1T=10000ガウスである。 An operation example of the ECR sputtering apparatus partially shown in FIG. 2 will be described. First, the processing chamber 201 and the plasma generation chamber 202 are evacuated to an internal pressure of 10 −5 to 10 −4 Pa, Ar gas or Xe gas, which is an inert gas, is introduced from the active gas introduction unit 211, and a reactive gas is introduced from the reactive gas introduction unit 212. The inside of the plasma generation chamber 202 is, for example, 10 −3 to 10 −2. The pressure is about Pa. In this state, a magnetic field of 0.0875 T (Tesla) is generated in the plasma generation chamber 202 from the magnetic coil 210, and then the plasma generation chamber 202 is passed through the waveguide 208, the quartz window 207, and the vacuum waveguide 206. A 2.45 GHz microwave is introduced into the inside, and an electron cyclotron resonance (ECR) plasma is generated. Note that 1T = 10000 Gauss.

ECRプラズマは、磁気コイル210からの発散磁場により、基板ホルダ204の方向にプラズマ流を形成する。生成されたECRプラズマのうち、電子は磁気コイル210で形成される発散磁場によりターゲット205の中を貫通して半導体基板101の側に引き出され、半導体基板101の表面に照射される。このとき同時に、ECRプラズマ中のプラスイオンが、電子による負電荷を中和するように、すなわち、電界を弱めるように半導体基板101側に引き出され、成膜している層の表面に照射される。このように各粒子が照射される間に、プラスイオンの一部は電子と結合して中性粒子となる。   The ECR plasma forms a plasma flow in the direction of the substrate holder 204 by the divergent magnetic field from the magnetic coil 210. Of the generated ECR plasma, electrons penetrate through the target 205 by the divergent magnetic field formed by the magnetic coil 210 and are extracted toward the semiconductor substrate 101 and are irradiated onto the surface of the semiconductor substrate 101. At the same time, positive ions in the ECR plasma are drawn out to the semiconductor substrate 101 side so as to neutralize the negative charge due to electrons, that is, to weaken the electric field, and are irradiated on the surface of the layer being formed. . Thus, while each particle is irradiated, some of the positive ions are combined with electrons to become neutral particles.

なお、上述したECRスパッタ装置では、図2には示していないマイクロ波発生部より供給されたマイクロ波電力を、導波管208において一旦分岐し、プラズマ生成室202上部の真空導波管206に、プラズマ生成室202の側方から石英窓207を介して結合させている。このようにすることで、石英窓207に対するターゲット205からの飛散粒子の付着が、防げるようになり、ランニングタイムを大幅に改善できるようになる。また、処理対象の基板とターゲット205との間にシャッターなどを設け、基板に対する原料の到達を制御してもよい。   In the ECR sputtering apparatus described above, the microwave power supplied from the microwave generation unit (not shown in FIG. 2) is once branched in the waveguide 208, and is supplied to the vacuum waveguide 206 above the plasma generation chamber 202. They are coupled from the side of the plasma generation chamber 202 through a quartz window 207. By doing so, it becomes possible to prevent the scattered particles from adhering to the quartz window 207 from the target 205, and the running time can be greatly improved. In addition, a shutter or the like may be provided between the substrate to be processed and the target 205 to control the arrival of the raw material with respect to the substrate.

次に、本実施の形態におけるメモリ素子100の製造方法例について、図3を用いて説明する。先ず、図3(a)に示すように、主表面が面方位(100)で抵抗率が1〜2Ω−cmのp型のシリコンよりなる半導体基板101を用意し、半導体基板101の表面を硫酸と過酸化水素水の混合液、及び純水と希フッ化水素水の混合液により洗浄し、この後で乾燥させる。   Next, an example of a method for manufacturing the memory element 100 in this embodiment will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 3A, a semiconductor substrate 101 made of p-type silicon having a main surface with a plane orientation (100) and a resistivity of 1 to 2 Ω-cm is prepared, and the surface of the semiconductor substrate 101 is made of sulfuric acid. And a mixture of pure water and hydrogen peroxide, and a mixture of pure water and dilute hydrogen fluoride water, followed by drying.

次いで、図3(b)に示すように、洗浄・乾燥した半導体基板101の上に、前述した中間電極層102となる金属薄膜302が形成された状態とする。金属薄膜302の形成では、上述したECRスパッタ装置を用い、処理室201内の基板ホルダ204に半導体基板101を固定し、ターゲット205として純ルテニウム(Ru)を用い、プラズマガスとしてキセノン(Xe)を用いたECRスパッタ法により、表面を覆う程度にRu膜(金属薄膜302)が形成された状態とする。   Next, as shown in FIG. 3B, the above-described metal thin film 302 to be the intermediate electrode layer 102 is formed on the cleaned and dried semiconductor substrate 101. In forming the metal thin film 302, the above-described ECR sputtering apparatus is used, the semiconductor substrate 101 is fixed to the substrate holder 204 in the processing chamber 201, pure ruthenium (Ru) is used as the target 205, and xenon (Xe) is used as the plasma gas. By the ECR sputtering method used, the Ru film (metal thin film 302) is formed so as to cover the surface.

上記Ru膜の形成について詳述すると、前述したECRスパッタ装置において、先ず、プラズマ生成室202の内部を10-4〜10-5Pa台の高真空状態に真空排気した後、プラズマ生成室202内に、不活性ガス導入部211より、例えばXeガスを流量26sccm導入し、プラズマ生成室202内の圧力を例えば10-1〜10-2Pa台に設定する。なお、sccmは流量の単位であり、0℃で1気圧の流体が1分間に1cm3流れることを示す。また、プラズマ生成室202内には、磁気コイル210にコイル電流を例えば26Aで供給することで電子サイクロトロン共鳴条件の磁場を与える。 The formation of the Ru film will be described in detail. In the ECR sputtering apparatus described above, first, the inside of the plasma generation chamber 202 is evacuated to a high vacuum state of about 10 −4 to 10 −5 Pa, and then the plasma generation chamber 202 is filled. Then, for example, Xe gas is introduced at a flow rate of 26 sccm from the inert gas introduction unit 211, and the pressure in the plasma generation chamber 202 is set to, for example, 10 −1 to 10 −2 Pa. Note that sccm is a unit of flow rate and indicates that 1 cm 3 of fluid at 1 atm flows at 0 ° C. per minute. In addition, a magnetic field of electron cyclotron resonance condition is provided in the plasma generation chamber 202 by supplying a coil current to the magnetic coil 210 at 26 A, for example.

加えて、図示していないマイクロ波発生部より、例えば2.45GHzのマイクロ波(例えば800W)を供給し、これを導波管208,石英窓207,真空導波管206を介してプラズマ生成室202内に導入し、このマイクロ波の導入により、プラズマ生成室202にプラズマが生成された状態とする。   In addition, a 2.45 GHz microwave (for example, 800 W) is supplied from a microwave generation unit (not shown), and this is supplied to the plasma generation chamber via the waveguide 208, the quartz window 207, and the vacuum waveguide 206. It introduce | transduces in 202, It is set as the state by which the plasma was produced | generated in the plasma production chamber 202 by introduction of this microwave.

この生成されたプラズマは、磁気コイル210の発散磁場によりプラズマ生成室202より処理室201の側に放出される。また、プラズマ生成室202の出口に配置されたターゲット205に、高周波電源222より高周波電力(例えば500W)を供給する。このことにより、ターゲット205にXe粒子が衝突してスパッタリング現象が起こり、Ru粒子がターゲット205より飛び出す。ターゲット205より飛び出したRu粒子は、半導体基板101に到達し、このことにより、半導体基板101の上にRuが堆積して金属薄膜302が形成される。   The generated plasma is emitted from the plasma generation chamber 202 to the processing chamber 201 side by the divergent magnetic field of the magnetic coil 210. Further, high frequency power (for example, 500 W) is supplied from the high frequency power supply 222 to the target 205 disposed at the outlet of the plasma generation chamber 202. As a result, Xe particles collide with the target 205 to cause a sputtering phenomenon, and Ru particles jump out of the target 205. The Ru particles that have jumped out of the target 205 reach the semiconductor substrate 101, whereby Ru is deposited on the semiconductor substrate 101 to form a metal thin film 302.

以上に説明したECRスパッタ法によるRuの堆積で、例えば、膜厚20nm程度の金属薄膜302が形成された状態が得られる(図3(b))。この後、前述したシャッターを閉じた状態としてスパッタされた原料が半導体基板101に到達しないようにすることで、成膜を停止する。この後、マイクロ波電力の供給を停止することなどによりプラズマ照射を停止し、各ガスの供給を停止し、半導体基板101の温度を所定の値までに低下させ、処理室201の内部より金属薄膜302が形成された半導体基板101を搬出する。なお、金属薄膜302の膜厚は、20nmに限るものではない。また、中間電極層102を形成する金属薄膜302は、Ruに限らず、例えば、金,白金,窒化チタンなど、他の金属材料や導電性材料から構成してもよい。   By the Ru deposition by the ECR sputtering method described above, for example, a state in which the metal thin film 302 with a film thickness of about 20 nm is formed (FIG. 3B). Thereafter, the film formation is stopped by preventing the sputtered raw material from reaching the semiconductor substrate 101 with the aforementioned shutter closed. Thereafter, the plasma irradiation is stopped by stopping the supply of microwave power, the supply of each gas is stopped, the temperature of the semiconductor substrate 101 is lowered to a predetermined value, and a metal thin film is formed from the inside of the processing chamber 201. The semiconductor substrate 101 on which the 302 is formed is carried out. The film thickness of the metal thin film 302 is not limited to 20 nm. The metal thin film 302 forming the intermediate electrode layer 102 is not limited to Ru, and may be composed of other metal materials or conductive materials such as gold, platinum, and titanium nitride.

ところで、上述したECRスパッタ法によるRu膜の形成では、基板を加熱しないが、これに限るものではなく、基板を過熱した状態でRu膜などの金属薄膜を形成するようにしてもよい。例えば、加熱を行わずにRu膜を形成する場合、Ru膜のに酸化シリコンへの密着性が低下し、Ru膜に剥がれが生じる場合があるが、基板を加熱して形成することで、この問題を抑制できるようになる。   By the way, in the formation of the Ru film by the above-described ECR sputtering method, the substrate is not heated. However, the present invention is not limited to this, and a metal thin film such as a Ru film may be formed while the substrate is overheated. For example, when the Ru film is formed without heating, the adhesion of the Ru film to the silicon oxide may be reduced and the Ru film may be peeled off. The problem can be suppressed.

以上のようにして、所望の膜厚に金属薄膜302が形成された状態とした後、図3(c)に示すように、金属薄膜302の上に接して金属酸化物層103が形成された状態とする。金属酸化物層103の形成では、上述同様のECRスパッタ装置を用い、処理室201内の基板ホルダ204に半導体基板101を固定し、ターゲット205としてBiとTiの割合が4:3の焼結体(Bi−Ti−O)を用い、プラズマガスとしてArと酸素(O2)を用いたECRスパッタ法により、金属薄膜302の表面を覆う程度に金属酸化物層103が形成された状態とする。 As described above, after the metal thin film 302 was formed in a desired thickness, the metal oxide layer 103 was formed on and in contact with the metal thin film 302 as shown in FIG. State. In the formation of the metal oxide layer 103, an ECR sputtering apparatus similar to that described above is used, the semiconductor substrate 101 is fixed to the substrate holder 204 in the processing chamber 201, and a Bi / Ti ratio of 4: 3 is used as the target 205. The metal oxide layer 103 is formed so as to cover the surface of the metal thin film 302 by ECR sputtering using (Bi—Ti—O) and using Ar and oxygen (O 2 ) as plasma gases.

金属酸化物層103の形成について詳述すると、前述したECRスパッタ装置において、先ず、プラズマ生成室202の内部を10-4〜10-5Pa台の高真空状態に真空排気した後、半導体基板101が30℃〜700℃に加熱された状態とし、また、プラズマ生成室202内に、不活性ガス導入部211より、例えばArガスを流量20sccm導入し、プラズマ生成室202内の圧力を例えば10-2〜10-3Pa台に設定する。また、プラズマ生成室202内には、磁気コイル210にコイル電流を例えば27Aで供給することで電子サイクロトロン共鳴条件の磁場を与える。 The formation of the metal oxide layer 103 will be described in detail. In the above-described ECR sputtering apparatus, first, the inside of the plasma generation chamber 202 is evacuated to a high vacuum state on the order of 10 −4 to 10 −5 Pa, and then the semiconductor substrate 101. Is heated to 30 ° C. to 700 ° C., and, for example, Ar gas is introduced at a flow rate of 20 sccm from the inert gas introduction unit 211 into the plasma generation chamber 202, and the pressure in the plasma generation chamber 202 is set at 10 Set to 2 to 10 -3 Pa. In addition, a magnetic field under electron cyclotron resonance conditions is provided in the plasma generation chamber 202 by supplying a coil current to the magnetic coil 210 at 27 A, for example.

加えて、図示していないマイクロ波発生部より、例えば2.45GHzのマイクロ波(例えば500W)を供給し、これを導波管208,石英窓207,真空導波管206を介してプラズマ生成室202内に導入し、このマイクロ波の導入により、プラズマ生成室202にプラズマが生成された状態とする。   In addition, a 2.45 GHz microwave (for example, 500 W) is supplied from a microwave generation unit (not shown), and this is supplied to the plasma generation chamber via the waveguide 208, the quartz window 207, and the vacuum waveguide 206. It introduce | transduces in 202, It is set as the state by which the plasma was produced | generated in the plasma production chamber 202 by introduction of this microwave.

この生成されたプラズマは、磁気コイル210の発散磁場によりプラズマ生成室202より処理室201の側に放出される。また、プラズマ生成室202の出口に配置されたターゲット205に、高周波電源222より高周波電力(例えば500W)を供給する。このことにより、ターゲット205にAr粒子が衝突してスパッタリング現象を起こし、Bi粒子とTi粒子がターゲット205より飛び出す。   The generated plasma is emitted from the plasma generation chamber 202 to the processing chamber 201 side by the divergent magnetic field of the magnetic coil 210. Further, high frequency power (for example, 500 W) is supplied from the high frequency power supply 222 to the target 205 disposed at the outlet of the plasma generation chamber 202. As a result, Ar particles collide with the target 205 to cause a sputtering phenomenon, and Bi particles and Ti particles jump out of the target 205.

ターゲット205より飛び出したBi粒子とTi粒子は、プラズマ生成室202より放出されたプラズマ、及び、反応性ガス導入部212より導入されてプラズマにより活性化した酸素ガスとともに、金属薄膜302の表面に到達し、活性化された酸素により酸化される。酸素ガスは、反応性ガス導入部212より、例えば1sccm程度で導入されていればよい。ターゲット205は焼結体であり、酸素が含まれるが、酸素を供給することにより堆積している膜中の酸素不足を防ぐことができる。なお、後述するように、半導体基板101の温度条件を、30〜180℃としてもよい。   Bi particles and Ti particles jumping out from the target 205 reach the surface of the metal thin film 302 together with the plasma released from the plasma generation chamber 202 and the oxygen gas introduced from the reactive gas introduction unit 212 and activated by the plasma. And oxidized by the activated oxygen. The oxygen gas may be introduced at about 1 sccm from the reactive gas introduction unit 212, for example. The target 205 is a sintered body and contains oxygen, but oxygen supply can prevent oxygen deficiency in the deposited film. As will be described later, the temperature condition of the semiconductor substrate 101 may be 30 to 180 ° C.

以上に説明したECRスパッタ法による膜の形成で、例えば、膜厚30nm程度の金属酸化物層103が、金属薄膜302の上に形成された状態が得られる(図3(b))。この後、前述したシャッターを閉じた状態としてスパッタされた原料が半導体基板101に到達しないようにすることで、成膜を停止する。この後、マイクロ波電力の供給を停止することなどによりプラズマ照射を停止し、各ガスの供給を停止し、半導体基板101温度を所定の値までに低下させ、処理室201の内部より金属酸化物層103が形成された半導体基板101を搬出する。   By forming the film by the ECR sputtering method described above, for example, a state in which the metal oxide layer 103 having a film thickness of about 30 nm is formed on the metal thin film 302 is obtained (FIG. 3B). Thereafter, the film formation is stopped by preventing the sputtered raw material from reaching the semiconductor substrate 101 with the aforementioned shutter closed. Thereafter, the plasma irradiation is stopped by stopping the supply of the microwave power, the supply of each gas is stopped, the temperature of the semiconductor substrate 101 is lowered to a predetermined value, and the metal oxide is supplied from the inside of the processing chamber 201. The semiconductor substrate 101 on which the layer 103 is formed is unloaded.

次いで、図3(c)に示すように、金属酸化物層103の上に所定の面積のRuからなる上部電極104が形成された状態とする。例えば、よく知られたフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とによりパターニングでRu膜を加工することで、所定の面積の上部電極104が形成可能である。なお、上部電極104は、Ruに限らず、例えば金、白金、窒化チタンなどの他の金属材料や導電性材料から構成してもよい。   Next, as shown in FIG. 3C, the upper electrode 104 made of Ru having a predetermined area is formed on the metal oxide layer 103. For example, the upper electrode 104 having a predetermined area can be formed by processing the Ru film by patterning using a well-known photolithography technique and etching technique. Note that the upper electrode 104 is not limited to Ru, and may be made of another metal material such as gold, platinum, titanium nitride, or a conductive material.

この後、金属酸化物層103及び金属薄膜302の一部を除去して半導体基板101の一部を露出させ、図3(d)に示すように、中間電極層102が形成されてこの上に金属酸化物層103が配置され、また、一方の電極となる半導体基板101に配線などを接続するためのオーミックコンタクト105が形成された状態とする。以上のことにより、金属酸化物層103を用いたメモリ素子100が得られる。   Thereafter, a part of the metal oxide layer 103 and the metal thin film 302 is removed to expose a part of the semiconductor substrate 101, and an intermediate electrode layer 102 is formed thereon as shown in FIG. The metal oxide layer 103 is disposed, and an ohmic contact 105 for connecting a wiring or the like is formed on the semiconductor substrate 101 serving as one electrode. Thus, the memory element 100 using the metal oxide layer 103 is obtained.

次に、上述したようにECRスパッタ法により形成される金属酸化物層103について、より詳細に説明する。発明者らは、ECRスパッタ法を用いたBiとTiと酸素からなる金属酸化物層の形成について注意深く観察を繰り返すことで、温度によって形成される金属酸化物層の膜特性が制御できることを見い出した。なお、このスパッタ成膜では、BiとTiが4:3の組成を持つように形成された酸化物焼結体ターゲットを用いている。   Next, the metal oxide layer 103 formed by ECR sputtering as described above will be described in more detail. The inventors have found that the film characteristics of the metal oxide layer formed by temperature can be controlled by carefully observing the formation of the metal oxide layer composed of Bi, Ti, and oxygen using the ECR sputtering method. . In this sputtering film formation, an oxide sintered body target formed so that Bi and Ti have a composition of 4: 3 is used.

図4に示す特性は、上記スパッタ成膜における基板温度に対する成膜速度と屈折率の変化を示したものである。図4には、前述したECRスパッタ法による金属酸化物層103の形成時と同じガス条件で成膜した場合が示してある。図4に示すように、成膜速度と屈折率が、温度とともに変化することがわかる。   The characteristics shown in FIG. 4 indicate changes in the deposition rate and refractive index with respect to the substrate temperature in the sputter deposition. FIG. 4 shows a case where the film is formed under the same gas conditions as those for forming the metal oxide layer 103 by the ECR sputtering method described above. As shown in FIG. 4, it can be seen that the deposition rate and the refractive index change with temperature.

先ず、屈折率に注目すると、約250℃程度までの低温領域では、屈折率は約2と小さくアモルファス的な特性を示している。300℃〜600℃での中間領域では、屈折率は約2.6と論文などで報告されているバルクに近い値となり、Bi4Ti312の結晶化が進んでいることがわかる。これらの数値に関しては、例えば、山口らのジャパニーズ・ジャーナル・アプライド・フィジクス、第37号、5166−5170頁、1998年、(M. Yamaguchi, et al. "Effect of Grain Size on Bi4Ti3O12 Thin Film Properties",Jpn.J.Appl.Phys.,37,pp.5166-5170,(1998).)などを参考にしていただきたい。 First, paying attention to the refractive index, the refractive index is as small as about 2 in the low temperature region up to about 250 ° C., and shows amorphous characteristics. In the intermediate region at 300 ° C. to 600 ° C., the refractive index is about 2.6, which is close to the bulk reported in the paper, and it can be seen that the crystallization of Bi 4 Ti 3 O 12 is progressing. Regarding these figures, for example, Yamaguchi et al., Japanese Journal Applied Physics, No. 37, 5166-5170, 1998, (M. Yamaguchi, et al. “Effect of Grain Size on Bi 4 Ti 3 O 12 Thin Film Properties ", Jpn. J. Appl. Phys., 37, pp. 5166-5170, (1998)).

しかし、約600℃を超える温度領域では、屈折率が大きくなり、表面モフォロジ(表面凹凸)が大きくなってしまい、結晶性が変化しているものと思われる。この温度はBi4Ti312のキュリー温度である675℃よりも低いが、成膜している基板表面にECRプラズマが照射されることでエネルギーが供給され、基板表面の温度が上昇して酸素欠損などの結晶性が悪化しているとすれば、上述した結果に矛盾はないものと考える。 However, in a temperature region exceeding about 600 ° C., the refractive index increases, the surface morphology (surface irregularities) increases, and the crystallinity seems to change. This temperature is lower than the Bi 4 Ti 3 O 12 Curie temperature of 675 ° C., but energy is supplied by irradiating the surface of the substrate on which the film is formed with ECR plasma, and the temperature of the substrate surface rises. If crystallinity such as oxygen deficiency is deteriorated, it is considered that there is no contradiction in the above results.

成膜速度の温度依存性についてみると、約180℃までは、温度とともに成膜速度が上昇する。しかし、約180℃から300℃の領域で、急激に成膜速度が低下する。約300℃に達すると成膜速度は600℃まで一定となる。この時の各酸素領域における成膜速度は、酸素領域Cが約3nm/minであった。   Looking at the temperature dependence of the deposition rate, the deposition rate increases with temperature up to about 180 ° C. However, the film formation rate rapidly decreases in the region of about 180 ° C. to 300 ° C. When the temperature reaches about 300 ° C., the deposition rate becomes constant up to 600 ° C. The film formation rate in each oxygen region at this time was about 3 nm / min in the oxygen region C.

次に、X線回折により、各温度領域で形成された膜の結晶性の解析を行った。室温約30℃から180℃までの低温領域においては、アモルファス(非晶質)であることが確認された。また、180℃から300℃の温度領域では、微結晶より構成されていることが確認された。また、300℃以上の温度領域では、(117)方向に配向した膜であることがわかった。   Next, the crystallinity of the film formed in each temperature region was analyzed by X-ray diffraction. In a low temperature range from room temperature of about 30 ° C. to 180 ° C., it was confirmed to be amorphous. Further, it was confirmed that the crystal was composed of microcrystals in a temperature range of 180 ° C. to 300 ° C. It was also found that the film was oriented in the (117) direction in the temperature range of 300 ° C. or higher.

300℃以上の温度領域における金属酸化物層の状態について、透過型電子顕微鏡により断面形状を観察すると、図5の構成図及び図6の顕微鏡写真に示すような結果を得た。観察した膜の形成では、420℃の成膜温度で、Si基板501の上に直接BiとTiと酸素からなる金属酸化物を堆積した。   When the cross-sectional shape of the state of the metal oxide layer in the temperature region of 300 ° C. or higher was observed with a transmission electron microscope, the results shown in the configuration diagram of FIG. 5 and the micrograph of FIG. 6 were obtained. In the formation of the observed film, a metal oxide composed of Bi, Ti, and oxygen was directly deposited on the Si substrate 501 at a deposition temperature of 420 ° C.

図5及び図6に示す結果から、形成された金属酸化物層504は、Bi4Ti312の化学量論的組成に比較して過剰なTiを含む基部層の中に、Bi4Ti312の化学量論的組成の3nm〜15nm程度の複数の微結晶粒が分散して構成されていることがわかった。微結晶粒への電子線回折により、微結晶粒はBi4Ti312の(117)面を持つことが確認された。なお、金属酸化物層504が、図1(b)に示すメモリ素子100の金属酸化物層103に対応する。言い換えると、金属酸化物層103も、Bi4Ti312の化学量論的組成に比較して過剰なTiを含む基部層と、この中に分散して配置されたBi4Ti312の化学量論的組成の3nm〜15nm程度の複数の微結晶粒とから構成されている。 From the results shown in FIGS. 5 and 6, the metal oxide layer 504 is formed, in the base layer containing excess Ti as compared to the stoichiometric composition of Bi 4 Ti 3 O 12, Bi 4 Ti It was found that a plurality of microcrystalline grains having a stoichiometric composition of 3 O 12 of about 3 nm to 15 nm were dispersed. Electron diffraction on the fine crystal grains confirmed that the fine crystal grains had a (117) plane of Bi 4 Ti 3 O 12 . Note that the metal oxide layer 504 corresponds to the metal oxide layer 103 of the memory element 100 illustrated in FIG. In other words, the metal oxide layer 103 may, Bi 4 Ti 3 O 12 and the base layer containing excess Ti as compared to the stoichiometric composition of, arranged dispersed in the Bi 4 Ti 3 O 12 And a plurality of microcrystalline grains having a stoichiometric composition of about 3 nm to 15 nm.

しかし、図6の写真を詳細に観察することで、金属酸化物層504とシリコン基板501と界面には、シリコン基板501が酸化されて形成された界面酸化層502と、BiとTiがシリコンと反応して形成された界面反応層503が存在することがわかった。界面酸化層502及び界面反応層503などの界面層が形成されると、低誘電率の膜が形成されることになり、リーク電流が多く流れる原因となるなど、素子の性能を低下させる可能性がある。   However, by observing the photograph in FIG. 6 in detail, an interface oxide layer 502 formed by oxidizing the silicon substrate 501 and Bi and Ti are formed on the interface between the metal oxide layer 504 and the silicon substrate 501. It was found that there was an interface reaction layer 503 formed by the reaction. When an interface layer such as the interface oxide layer 502 and the interface reaction layer 503 is formed, a film having a low dielectric constant is formed, which may cause a large amount of leakage current to be deteriorated. There is.

そこで、発明者らは、界面酸化層及び界面反応層が形成されないほどの十分低い温度領域での金属酸化物層の成膜について検討した。具体的には、図4に示した30℃から180℃の低温領域、つまり、屈折率は約2.0〜2.1で、成膜速度が温度上昇により大きくなる領域である。ただし、基板温度が30℃の場合、つまり、基板加熱を行わない場合、成膜される基板表面の実際の温度は、エネルギーを持ったECRプラズマが照射するため、約100℃まで上昇することが確認されている。しかし、基板温度を100℃〜150℃とした場合は、基板加熱する温度とプラズマにより加熱される温度が同程度となり、温度コントローラーの制御により基板加熱が抑制され、基板表面の温度は、約130℃〜180℃程度となる。   Therefore, the inventors examined the formation of a metal oxide layer in a sufficiently low temperature region such that the interface oxide layer and the interface reaction layer are not formed. Specifically, it is a low temperature region of 30 ° C. to 180 ° C. shown in FIG. 4, that is, a region in which the refractive index is about 2.0 to 2.1 and the film formation rate increases as the temperature rises. However, when the substrate temperature is 30 ° C., that is, when the substrate is not heated, the actual temperature of the substrate surface on which the film is formed may rise to about 100 ° C. because the ECR plasma with energy is irradiated. It has been confirmed. However, when the substrate temperature is set to 100 ° C. to 150 ° C., the substrate heating temperature and the plasma heating temperature are approximately the same, and the substrate heating is suppressed by the control of the temperature controller. It becomes about 180 ° C to 180 ° C.

この低温領域において、ECRスパッタ法を用いてBiとTiと酸素からなる金属酸化物層をシリコン基板上に形成した。この時の透過型電子顕微鏡の断面観察したものを図7の顕微鏡写真に示す。具体的には、基板加熱は行わず、上記に示したECRスパッタ法を用いた金属酸化物層のガス条件を用いて成膜した。図7に示すように、基板加熱を行わずに堆積したにも拘わらず、形成された金属酸化物層の中に3nm〜5nmの微粒子が存在していることがわかる。   In this low temperature region, a metal oxide layer made of Bi, Ti, and oxygen was formed on the silicon substrate using ECR sputtering. A micrograph of FIG. 7 shows a cross-sectional observation of the transmission electron microscope at this time. Specifically, the substrate was not heated, and the film was formed using the gas conditions of the metal oxide layer using the ECR sputtering method described above. As shown in FIG. 7, it can be seen that fine particles of 3 nm to 5 nm are present in the formed metal oxide layer despite being deposited without heating the substrate.

上記微粒子とこの周辺部分について、電子線を照射して照射箇所から発生した特性X線を、直接半導体検出器で検出し、電気信号に変えて分析する手法により組成を分析した結果、基部層(微粒子ではないところ)は、Bi4Ti312の化学量論的組成よりもTiが過剰に含まれていること、微粒子は、基部層よりもBiが多く含まれており、Bi4Ti312の化学量論的組成に近いことがわかった。測定した微粒子は、3nm〜5nmと極めて小さいために電子線回折での正確な組成を同定するのは難しいが、300℃以上の高温領域において観測された基部層及び微結晶と同様の構造が確認できた。 As a result of analyzing the composition of the fine particles and the peripheral portion by a technique in which characteristic X-rays generated from the irradiated portion by direct irradiation with an electron beam are directly detected by a semiconductor detector and converted into an electrical signal, the base layer ( Where the particles are not fine particles), Ti is contained more excessively than the stoichiometric composition of Bi 4 Ti 3 O 12 , and the fine particles contain more Bi than the base layer, and Bi 4 Ti 3 it was found close to the stoichiometric composition of O 12. The measured fine particles are very small, 3nm to 5nm, so it is difficult to identify the exact composition by electron diffraction, but the same structure as the base layer and microcrystals observed in the high temperature region above 300 ° C is confirmed. did it.

前述に図4を用いて説明したように、XRDの結果から、低温で成膜したものについては、アモルファス(非結晶)状態であることが確認されている。このような、低温成膜で微粒子が確認されることは今までになく、10〜30eV程度の適度なエネルギーを持つECRスパッタ法により成膜したために観測されたものと考えている。BiとTiと酸素からなる金属酸化物層を30℃〜180℃の低温領域でシリコン基板の上に成膜した場合、図5及び図6に見られたような、界面酸化層502と界面反応層503は観測されない。このように低温で成膜した場合、図8の模式的な断面図に示すように、シリコン801と形成された金属酸化物層804との界面は、良好な状態であった。   As described above with reference to FIG. 4, the results of XRD confirm that the film formed at a low temperature is in an amorphous (non-crystalline) state. It is considered that the fine particles have not been confirmed in such a low temperature film formation, and it was observed because the film was formed by the ECR sputtering method having an appropriate energy of about 10 to 30 eV. When a metal oxide layer composed of Bi, Ti, and oxygen is formed on a silicon substrate in a low temperature range of 30 ° C. to 180 ° C., the interface oxide layer 502 and the interface reaction as seen in FIGS. Layer 503 is not observed. When the film was formed at such a low temperature, the interface between the silicon 801 and the formed metal oxide layer 804 was in a good state as shown in the schematic cross-sectional view of FIG.

さらに、発明者らは、上述したような低温領域で成膜したBiとTiと酸素からなる金属酸化物層を用いた図1(b)に示す構成のメモリ素子100の電気的特性を詳細に調べることによって、新しい現象が現れることを発見した。言い換えると、前述したような低温のスパッタ法により形成され、Bi4Ti312の化学量論的組成に比較して過剰なTiを含む基部層の中に、Bi4Ti312の化学量論的組成の3nm〜15nm程度の複数の微結晶粒が分散して構成された金属酸化物層を用いた素子(メモリ素子100)によれば、後に説明するように、2つの状態が保持される機能素子が実現できることが判明した。 Further, the inventors have described in detail the electrical characteristics of the memory element 100 configured as shown in FIG. 1B using the metal oxide layer made of Bi, Ti, and oxygen formed in the low temperature region as described above. By investigating, I discovered that a new phenomenon appears. In other words, the chemistry of Bi 4 Ti 3 O 12 is formed in the base layer formed by the low-temperature sputtering method as described above and containing excess Ti compared to the stoichiometric composition of Bi 4 Ti 3 O 12 . According to an element (memory element 100) using a metal oxide layer in which a plurality of microcrystalline grains having a stoichiometric composition of about 3 nm to 15 nm are dispersed, two states are maintained as will be described later. It has been found that a functional element can be realized.

図1(b)に示すメモリ素子100の特性について説明する。この特性は、半導体基板101(オーミックコンタクト105)と上部電極104との間に、適度な電圧を印加することで調査されたものである。オーミックコンタクト105と上部電極104との間に電源により電圧を印加し、電圧を印加したときの電流を電流計により観測すると、図9に示す結果が得られた。図9において、横軸に上部電極104に印加した電圧値を取り、縦軸に電流値の絶対値を対数表示してある。   Characteristics of the memory element 100 illustrated in FIG. 1B will be described. This characteristic has been investigated by applying an appropriate voltage between the semiconductor substrate 101 (ohmic contact 105) and the upper electrode 104. When a voltage was applied between the ohmic contact 105 and the upper electrode 104 by a power source and the current when the voltage was applied was observed with an ammeter, the result shown in FIG. 9 was obtained. In FIG. 9, the horizontal axis represents the voltage value applied to the upper electrode 104, and the vertical axis represents the absolute value of the current value in logarithm.

以下、図9を用いて図1に示すメモリ素子100の特性について説明するが、ここで説明する電圧値や電流値は、実際の素子で観測されたものを例として使用している。従って、本現象は、以下に示す数値に限るものではない。実際に素子に用いる膜の材料や膜厚、その他の条件により、他の数値が観測されることがある。また、以下では、上部電極104に対する電圧印加を基準に、正の電圧印加と負の電圧印加を説明しているが、半導体基板101に対する電圧印加を基準とした場合は、正と負との関係が逆転する。   Hereinafter, the characteristics of the memory element 100 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. 9, but the voltage value and current value described here are used as an example observed in an actual element. Therefore, this phenomenon is not limited to the following numerical values. Other numerical values may be observed depending on the material and thickness of the film actually used for the element and other conditions. In the following, positive voltage application and negative voltage application are described with reference to voltage application to the upper electrode 104. However, when voltage application to the semiconductor substrate 101 is used as a reference, the relationship between positive and negative is described. Is reversed.

先ず、素子を作製した時点(当初)の初期状態では、金属酸化物層103の抵抗は高い状態にある。図9中の[1]に示すように、上部電極104に対する−0.1Vの電圧印加に対し、測定される電圧値は10-11A程度である。しかし、上部電極104に、−1Vを超える負の電圧を印可すると、図9中の[2]に示すように、急に電流が流れるようになる。これは、「electrofoaming」及び「foaming」と呼ばれる現象である。この急激な電流の流れが起きた後に、可逆的な抵抗変化現象が現れる。 First, in the initial state when the device is manufactured (initial), the resistance of the metal oxide layer 103 is high. As shown in [1] in FIG. 9, the measured voltage value is about 10 −11 A with respect to the voltage application of −0.1 V to the upper electrode 104. However, when a negative voltage exceeding −1 V is applied to the upper electrode 104, a current suddenly flows as indicated by [2] in FIG. This is a phenomenon called “electrofoaming” and “foaming”. After this rapid current flow occurs, a reversible resistance change phenomenon appears.

上述した「electrofoaming」現象が現れた後に、上部電極104に負の電圧を印可すると、図9中の[3]に示すように、0〜−2Vでは、−0.1Vに対して10-5A程度の電流が流れ、低抵抗状態になっていることがわかる。また、上部電極104に正の電圧を印可しても、図9中の[4]に示すように、低抵抗状態である。 When a negative voltage is applied to the upper electrode 104 after the above-described “electrofoaming” phenomenon appears, as shown by [3] in FIG. 9, 10 −5 to −0.1 V at 0 to −2 V. It can be seen that a current of about A flows and the resistance state is low. Further, even when a positive voltage is applied to the upper electrode 104, as shown in [4] in FIG.

しかし、図9中の[5]に示すように、上部電極104に0.8Vを超える正の電圧を印可すると(第2電圧を超える電圧印加)、急に正電流が流れにくくなり高抵抗状態(第2状態)となる。しかしながら、0〜0.8Vの電圧を印可している状態では、図9中の[4]に示すように、金属酸化物層103は低抵抗状態を維持する。また、0.8Vを超える正の電圧を印可することで高抵抗状態となった後、再び上部電極104に正電圧を印可すると、図9中の[6]に示すように、1×10-6A程度の電流が流れ(測定され)て高抵抗状態であることがわかる。 However, as shown in [5] in FIG. 9, when a positive voltage exceeding 0.8 V is applied to the upper electrode 104 (voltage application exceeding the second voltage), it becomes difficult for the positive current to flow suddenly and the high resistance state. (Second state). However, in a state where a voltage of 0 to 0.8 V is applied, the metal oxide layer 103 maintains a low resistance state as indicated by [4] in FIG. When a positive voltage exceeding 0.8 V is applied to achieve a high resistance state and then a positive voltage is applied to the upper electrode 104 again, as shown by [6] in FIG. 9, 1 × 10 − It can be seen that a current of about 6 A flows (measured) and is in a high resistance state.

続いて、図9中の[7]に示すように上部電極104に負電圧を印可すると、0〜−0.8V程度までは高抵抗の状態が維持されるが、上部電極104に−0.9Vを超える負電圧を印可すると(第1電圧を超える電圧印加)、図9中の[8]に示すように、急激に電流が流れ、低抵抗状態(第1状態)へと遷移する。この後、図9中の[3]に示すように上部電極104に負電圧を印可しても、−0.1V程度で10-5A程度の低抵抗状態が維持される。さらに続いて、上部電極104に正電圧を印可すると、図9中の[4]に示すように、印加電圧が+0.8V程度までは低抵抗状態であるが、印加電圧が+0.8Vを超えると(第2電圧を超える電圧印加)、図9中の[5]に示すように、高抵抗状態(第2状態)へと遷移する。このように、本実施の形態のメモリ素子100によれば、高抵抗状態と低抵抗状態とが、可逆的にスイッチする現象が安定に観測される。 Subsequently, when a negative voltage is applied to the upper electrode 104 as shown in [7] in FIG. 9, a high resistance state is maintained up to about 0 to −0.8 V, but −0. When a negative voltage exceeding 9 V is applied (voltage application exceeding the first voltage), as shown in [8] in FIG. 9, a current flows rapidly and the state transitions to the low resistance state (first state). Thereafter, even if a negative voltage is applied to the upper electrode 104 as indicated by [3] in FIG. 9, a low resistance state of about 10 −5 A is maintained at about −0.1V. Subsequently, when a positive voltage is applied to the upper electrode 104, as shown in [4] in FIG. 9, the applied voltage is in a low resistance state up to about + 0.8V, but the applied voltage exceeds + 0.8V. (Application of a voltage exceeding the second voltage) makes a transition to the high resistance state (second state) as indicated by [5] in FIG. As described above, according to the memory element 100 of the present embodiment, a phenomenon that the high resistance state and the low resistance state are switched reversibly is stably observed.

加えて、図1(b)に示した本実施の形態のメモリ素子100によれば、中間電極層102を設け、この上に金属酸化物層103を形成するようにしたので、半導体基板101の表面に上述した界面層などの低誘電率の膜が形成されることがほぼ抑制されることになる。このため、上述した抵抗値の変化が、より安定した状態で発現されるようになる。   In addition, according to the memory element 100 of the present embodiment shown in FIG. 1B, the intermediate electrode layer 102 is provided, and the metal oxide layer 103 is formed thereon. The formation of a low dielectric constant film such as the above-described interface layer on the surface is substantially suppressed. For this reason, the above-described change in resistance value is expressed in a more stable state.

ここで注目すべきは、上部電極104に、負の電圧を印加したときの低抵抗状態の電流値と、正の電圧を印加した時の低抵抗状態の電圧値とが、大きく異なる整流特性が、メモリ素子100にみられることである。図9に示されているように、正電圧印加時の低抵抗状態([4]低抵抗モード)の電流値が、負電圧印加時の低抵抗状態([3]低抵抗モード)の電流値よりも大きいことがわかる。言い換えると、負電圧印加時の低抵抗状態の抵抗値は、正電圧印加時の低抵抗状態の抵抗値よりも大きい。   It should be noted here that the rectifying characteristic is greatly different between the current value in the low resistance state when a negative voltage is applied to the upper electrode 104 and the voltage value in the low resistance state when a positive voltage is applied. This is seen in the memory element 100. As shown in FIG. 9, the current value in the low resistance state ([4] low resistance mode) when a positive voltage is applied is the current value in the low resistance state ([3] low resistance mode) when a negative voltage is applied. You can see that it is bigger than In other words, the resistance value in the low resistance state when the negative voltage is applied is larger than the resistance value in the low resistance state when the positive voltage is applied.

整流特性を示す素子としては、一般的にダイオードが知られている。ダイオードは電流を片方向のみ流す半導体素子である。半導体には、もともとこの性質があるが、ダイオードは特にこのような片方向に電流を流す目的に作製された素子である。半導体の材料としてはシリコンが多いが、他にゲルマニウムやセレンなどを用いたダイオードがある。   A diode is generally known as an element exhibiting rectification characteristics. A diode is a semiconductor element that allows current to flow only in one direction. A semiconductor originally has this property, but a diode is an element manufactured especially for the purpose of flowing a current in one direction. As a semiconductor material, there are many silicon, but there are other diodes using germanium or selenium.

一般的なシリコンダイオードの電気特性を図10に示す。図10(a)は縦軸を線形表示したもので、図10(b)は縦軸を対数表示したものである。一般的に整流特性は、半導体と金属とのショットキー障壁から現れるもので、図10も順方向電圧印加時には電流は流れやすく、逆方向電圧印加時には流れ難い特性が表れている。しかしながら、図9に示した特性は、このダイオードの整流特性とは全く異なり、図9で示した電圧電流特性は、ダイオードの電気特性には見られない、電圧印加により抵抗値の変化が起きていることが決定的に異なる。   The electrical characteristics of a general silicon diode are shown in FIG. FIG. 10A shows a linear display of the vertical axis, and FIG. 10B shows a logarithmic display of the vertical axis. In general, the rectification characteristic appears from a Schottky barrier between a semiconductor and a metal, and FIG. 10 also shows a characteristic that current easily flows when a forward voltage is applied and hardly flows when a reverse voltage is applied. However, the characteristics shown in FIG. 9 are completely different from the rectification characteristics of the diode, and the voltage-current characteristics shown in FIG. 9 are not seen in the electrical characteristics of the diode. It is decisively different.

図1(a)で示した本実施の形態のメモリ装置の抵抗変化型メモリセルとして、図1(b)に示すメモリ素子100を用いることで、図9に示す抵抗変化特性を用いることができる。   The resistance change characteristic shown in FIG. 9 can be used by using the memory element 100 shown in FIG. 1B as the resistance change type memory cell of the memory device of the present embodiment shown in FIG. .

以下、図9の一部を示す図11を用いてメモリ素子100の動作について説明する。先ず、V- H-Lを超える負電圧を印加することにより、上記メモリ素子100の抵抗変化膜である金属酸化物層103は低抵抗状態に遷移する。一方、V+ L-Hを超える正電圧を印加することにより、金属酸化物層103は高抵抗状態に遷移する。 Hereinafter, the operation of the memory element 100 will be described with reference to FIG. 11 showing a part of FIG. First, when a negative voltage exceeding V HL is applied, the metal oxide layer 103 which is a resistance change film of the memory element 100 transitions to a low resistance state. On the other hand, when a positive voltage exceeding V + LH is applied, the metal oxide layer 103 transitions to a high resistance state.

金属酸化物層103には、これらの低抵抗状態と高抵抗状態の2つの安定状態が存在し、各々の状態は、前述した抵抗状態が変化しない程度の電圧を印加しない限り、いずれかの状態を維持する。また、V- H-Lを超えない十分小さい電圧(−V又は+V)を印加した場合、選択されたメモリセルが高抵抗状態では小さい電流値IL:HRSが流れ、低抵抗状態では大きい電流値IH:LRSが流れる。このようにして、読み取り電圧Vを印加し、読み取り電圧を印加したときの電流値を観測することで、メモリされた状態を抵抗値として読み出すことができる。 The metal oxide layer 103 has two stable states, a low resistance state and a high resistance state, and each state is in any state unless a voltage is applied to the extent that the resistance state does not change. To maintain. In addition, when a sufficiently small voltage (−V or + V) not exceeding V HL is applied, a small current value I L: HRS flows when the selected memory cell is in a high resistance state, and a large current value I in a low resistance state. H: LRS flows. In this way, by applying the read voltage V and observing the current value when the read voltage is applied, the memorized state can be read as the resistance value.

このような電流電圧特性を持つ金属酸化物層103により、本実施の形態のメモリ装置の構成では、読み出し時における非選択メモリセルに流れる回り込み電流の寄与は、次に説明するように問題ではなくなる。例えば、ワード線W2とビット線Wn-1の交点に位置する選択メモリセルMtg=M2,n-1の情報を読み出す場合、図12(a)に示すように、ワード線選択回路(不図示)からワード線W2に読み出し電圧Vを印加し、ビット線選択回路(不図示)からビット線Bn-1に読み出し電圧−Vを印加し、これ以外のワード線W1,W3〜Wmとビット線B1〜Bn-2,Bnを接地電位にすると、ビット線Bn-1に流れる電流Ireadは、選択メモリセルMtg(ワード線W2とビット線Bn-1の交点のメモリセル)と非選択メモリセル(選択メモリセルMtg以外の全てのメモリセル)に流れる電流の和で決められる。 Due to the metal oxide layer 103 having such current-voltage characteristics, in the configuration of the memory device of this embodiment, the contribution of the sneak current flowing in the non-selected memory cell at the time of reading is not a problem as described below. . For example, when reading the information of the selected memory cell M tg = M 2, n−1 located at the intersection of the word line W 2 and the bit line W n−1 , as shown in FIG. A read voltage V is applied to the word line W 2 (not shown), a read voltage −V is applied to the bit line B n-1 from the bit line selection circuit (not shown), and the other word lines W 1 , W 1 When 3 to W m and the bit lines B 1 to B n-2 and B n are set to the ground potential, the current I read flowing through the bit line B n-1 is changed to the selected memory cell M tg (the word line W 2 and the bit line B n-1 intersection memory cells) and unselected memory cells (all memory cells other than the selected memory cell M tg ).

この時、図12に示されるように非選択メモリセルに流れる電流は、回り込む電流の向きによりIns -とIns +とがある。Ins +は順方向電流であり、Ins -は逆方向電流である。しかし、非選択メモリセルの電位は、選択メモリセルMtgに直接接続されている配線に比べて電圧が抑制される。このため、非選択メモリセルの抵抗状態の如何に関わらず、選択メモリセルMtgの状態は、容易に判別可能である。さらに、例えば、選択メモリセルが低抵抗状態の場合、図11(図9)の特性図に示されるように、整流特性から順方向時の抵抗値(Rns +)は、逆方向時の抵抗値(Rns -)に比較して小さい。このため、回り込む電流の経路に一か所でも逆方向が存在すると、この経路での抵抗値が桁的に大きくなり、電流は流れ難くなる。実際には、m行×n列のマトリクス構造において、選択メモリセルMtg以外の非選択メモリセルを通る電流の経路には、必ず逆方向電流があり非選択メモリセルの情報を無視でき、正しく選択メモリセルMtgの情報を識別することが可能となる。 At this time, as shown in FIG. 12, the current flowing through the non-selected memory cell has I ns and I ns + depending on the direction of the sneak current. I ns + is a forward current, and I ns is a reverse current. However, the voltage of the non-selected memory cell is suppressed as compared with the wiring directly connected to the selected memory cell M tg . Therefore, the state of the selected memory cell M tg can be easily discriminated regardless of the resistance state of the non-selected memory cell. Further, for example, when the selected memory cell is in a low resistance state, as shown in the characteristic diagram of FIG. 11 (FIG. 9), the resistance value (R ns + ) in the forward direction from the rectification characteristic is the resistance in the reverse direction. Smaller than the value (R ns ). For this reason, if there is a reverse direction even at one place in the path of the current that wraps around, the resistance value in this path increases by a digit, making it difficult for the current to flow. Actually, in a matrix structure of m rows × n columns, there is always a reverse current in the path of current passing through non-selected memory cells other than the selected memory cell M tg , and information on the non-selected memory cells can be ignored. It becomes possible to identify the information of the selected memory cell M tg .

一方、ワード線W2とビット線Bn-1の交点に位置する選択メモリセルMtg=M2,n-1に情報を書き込む場合を考える。図12(b)に示すように、ワード線選択回路(不図示)からワード線W2に書き込み電圧−VHLを印加し、ビット選択回路(不図示)からビット線Bn-1に書き込み電圧VHLを印加し、これ以外のワード線W1,W3〜Wmとビット線B1〜Bn-2,Bnを接地電位にすると、選択メモリセルMtgを、例えば、低抵抗状態とすることができる。この時、VHLは、図11(図9)で示される特性図において、低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移するV- H-Lの半分程度の電圧である。この場合、非選択メモリセルに印加される電圧を選択メモリセルMtgに印加される電圧VLHの半分とすることができ、誤って非選択メモリセルの情報を書き換えることが防止できる。 On the other hand, consider a case where information is written to the selected memory cell M tg = M 2, n−1 located at the intersection of the word line W 2 and the bit line B n−1 . As shown in FIG. 12B, a write voltage −V HL is applied from the word line selection circuit (not shown) to the word line W2, and the write voltage V is applied from the bit selection circuit (not shown) to the bit line B n−1. When HL is applied and the other word lines W 1 , W 3 to W m and bit lines B 1 to B n-2 and B n are set to the ground potential, the selected memory cell M tg is brought into, for example, a low resistance state. can do. At this time, V HL is about half the voltage of V HL which changes from the low resistance state to the high resistance state in the characteristic diagram shown in FIG. 11 (FIG. 9). In this case, the voltage applied to the non-selected memory cell can be made half of the voltage V LH applied to the selected memory cell M tg , and information on the non-selected memory cell can be prevented from being erroneously rewritten.

また、ワード線選択回路(不図示)からワード線W2に書き込み電圧VLHを印加し、ビット選択回路(不図示)からビット線Bn-1に書き込み電圧−VLHを印加し、これ以外のワード線W1,W3〜Wmとビット線B1〜Bn-2,Bnを接地電位にすると、選択メモリセルMtgを、例えば、高抵抗状態とすることができる。この時、VLHは、図11(図9)で示される特性図において、高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移するV+ L-Hの半分程度の電圧である。 Further, the write voltage V LH is applied from the word line selection circuit (not shown) to the word line W 2, a write voltage -V LH is applied from the bit selection circuit (not shown) to the bit line B n-1, other When the word lines W 1 , W 3 to W m and the bit lines B 1 to B n−2 and B n are set to the ground potential, the selected memory cell M tg can be brought into a high resistance state, for example. At this time, V LH is a voltage about half of V + LH that makes a transition from the high resistance state to the low resistance state in the characteristic diagram shown in FIG. 11 (FIG. 9).

以上のように、本実施の形態のメモリ装置によれば、選択されたメモリセルMに記憶された情報を正しく読み出すことができる。また、トランジスタなどの選択素子を設ける必要がないので、チップ面積をメモリセルに効率よく割り当てられ、メモリを大容量化することが可能となる。また、図1に示すメモリ装置によれば、メモリセルMに記憶された情報を正しく読み出すことができ、メモリ装置を大容量化することが可能となる。なお、図1に示すメモリ装置では、メモリ素子100の上部電極104の側にワード線を接続し、半導体基板101の側にビット線を接続するようにしたが、これに限るものではなく、これらを逆に接続してもよいことはいうまでもない。   As described above, according to the memory device of the present embodiment, information stored in the selected memory cell M can be read correctly. Further, since there is no need to provide a selection element such as a transistor, the chip area can be efficiently allocated to the memory cell, and the capacity of the memory can be increased. Further, according to the memory device shown in FIG. 1, the information stored in the memory cell M can be read correctly, and the capacity of the memory device can be increased. In the memory device shown in FIG. 1, the word line is connected to the upper electrode 104 side of the memory element 100 and the bit line is connected to the semiconductor substrate 101 side. However, the present invention is not limited to this. Needless to say, may be connected in reverse.

ところで、抵抗変化型メモリセルを用いたメモリ装置では、配線抵抗がメモリセルに直列に接続されているため、配線抵抗により選択メモリセルの読み出しが不可能となる可能性があった。メモリセルの電流はメモリセルに接続されたワード線やビット線、あるいはプレート電極線を通じて流れるため、読み出し回路で観測される電流値は、これらの配線抵抗が加わった状態で観測される。メモリサイズは配線の幅にも影響されるため、メモリの大容量化による配線の細線化は、配線の高抵抗化を引き起こし、読み出し回路で観測される抵抗値における配線抵抗の割合はより大きくなる。   By the way, in the memory device using the resistance change type memory cell, since the wiring resistance is connected in series to the memory cell, there is a possibility that the selected memory cell cannot be read due to the wiring resistance. Since the current of the memory cell flows through the word line, the bit line, or the plate electrode line connected to the memory cell, the current value observed in the read circuit is observed with these wiring resistances added. Since the memory size is also affected by the width of the wiring, the thinning of the wiring due to the increased capacity of the memory causes an increase in the resistance of the wiring, and the ratio of the wiring resistance to the resistance value observed in the readout circuit becomes larger .

例えば、50nmのパターン幅で厚み100nmの銅配線では、メモリの占める長さを1cmとすると、配線抵抗は40kΩとなってしまう。また、選択メモリセルと読み出し回路との距離が遠いほど配線抵抗は大きくなる。結果として、配線抵抗は、選択メモリセルの位置に応じて、例えば、0から40kΩの範囲で変化することになり、メモリセル本体の抵抗値測定が難しくなり、読み出しが不正確になる可能性がある。   For example, in a copper wiring having a pattern width of 50 nm and a thickness of 100 nm, if the length occupied by the memory is 1 cm, the wiring resistance is 40 kΩ. Further, the wiring resistance increases as the distance between the selected memory cell and the reading circuit increases. As a result, the wiring resistance changes depending on the position of the selected memory cell, for example, in the range of 0 to 40 kΩ, which makes it difficult to measure the resistance value of the memory cell body and may lead to inaccurate reading. is there.

この問題を解消するためには、例えば、4端子法の原理を活用することにより、配線抵抗の影響を除去すればよい。図13(a)は、読み出し回路の原理を説明するための回路図である。選択ワード線Wにはワード線選択回路(不図示)から読み出し電圧−Vが印加され、選択ビット線Bにはビット線選択回路(不図示)から読み出し電圧Vが印加される。読み出しにおいては、選択メモリセルMtgを流れる電流を電流計1301により測定し、選択メモリセルMtgの両端に生じる電圧を電圧計1302により測定する。電圧計1302の入力抵抗は、例えば、1MΩ以上と配線抵抗より大きい。このため、選択メモリセルMtgと電圧計1302との間の選択ワード線W及び選択ビット線Bには電流はほとんど流れない。結果として、選択メモリセルMtgの両端に生じる電圧を正確に求めることができる。この電圧を電流計1301で測定した電流値で除することにより、選択メモリセルMtgの抵抗値を配線抵抗に影響されることなく、正確に測定することができる。 In order to solve this problem, for example, the influence of the wiring resistance may be removed by utilizing the principle of the four-terminal method. FIG. 13A is a circuit diagram for explaining the principle of the readout circuit. A read voltage −V is applied to the selected word line W from a word line selection circuit (not shown), and a read voltage V is applied to the selected bit line B from a bit line selection circuit (not shown). In reading, the current flowing through the selected memory cell M tg is measured by the ammeter 1301, and the voltage generated across the selected memory cell M tg is measured by the voltmeter 1302. The input resistance of the voltmeter 1302 is, for example, 1 MΩ or more, which is larger than the wiring resistance. For this reason, almost no current flows through the selected word line W and the selected bit line B between the selected memory cell M tg and the voltmeter 1302. As a result, the voltage generated across the selected memory cell M tg can be accurately obtained. By dividing this voltage by the current value measured by the ammeter 1301, the resistance value of the selected memory cell M tg can be accurately measured without being affected by the wiring resistance.

また、図13(b)のように構成することで、図13(a)の構成と同様の効果を得ることができる。選択ワード線Wには、ワード線選択回路(不図示)により電圧を印加してトランジスタTをオンし、選択ビット線Bにはビット線選択回路(不図示)から読み出し電圧−Vが印加され、選択プレート電極線Pにはプレート電極線選択回路(不図示)から読み出し電圧Vが印加される。読み出し回路(不図示)は、選択メモリセルMtgを流れる電流を電流計1301により測定し、選択メモリセルMtgの両端に生じる電圧を電圧計1302により測定し、電圧計1302で測定した電圧を電流計1301で測定した電流で除することにより選択メモリセルMtgの抵抗値を求めることができる。このように、4端子法の原理を活用することにより、配線抵抗の影響を除去することができ、選択メモリセルの状態を正しく識別することができる。 Further, by configuring as shown in FIG. 13B, the same effect as the configuration of FIG. 13A can be obtained. A voltage is applied to the selected word line W by a word line selection circuit (not shown) to turn on the transistor T, and a read voltage −V is applied to the selected bit line B from the bit line selection circuit (not shown). A read voltage V is applied to the selected plate electrode line P from a plate electrode line selection circuit (not shown). The read circuit (not shown) measures the current flowing through the selected memory cell M tg with the ammeter 1301, measures the voltage generated at both ends of the selected memory cell M tg with the voltmeter 1302, and calculates the voltage measured with the voltmeter 1302. By dividing by the current measured by the ammeter 1301, the resistance value of the selected memory cell M tg can be obtained. Thus, by utilizing the principle of the four-terminal method, the influence of the wiring resistance can be removed, and the state of the selected memory cell can be correctly identified.

ところで、上述した例では、金属酸化物層103を、主にBi4Ti312(チタン酸ビスマス)よりなるBiとTiと酸素とから構成されたものとしたが、これに限るものではない。例えば、ペロブスカイト構造を持つ材料、又は、擬イルメナイト構造を持つ材料、さらに、タングステン・プロンズ構造を持つ材料、ビスマス層状構造を持つ材料、パイロクロア構造を持つ、少なくとも2つの金属を含む金属酸化物から構成されたものでもよい。 In the above-described example, the metal oxide layer 103 is composed of Bi, Ti, and oxygen mainly composed of Bi 4 Ti 3 O 12 (bismuth titanate), but is not limited thereto. . For example, a material with a perovskite structure, a material with a pseudo-ilmenite structure, a material with a tungsten bronze structure, a material with a bismuth layer structure, or a metal oxide containing at least two metals with a pyrochlore structure It may be done.

詳細には、ランタンとチタンと酸素からなる金属酸化物(La2Ti27),バリウムとチタンと酸素からなる金属酸化物(BaTiO3),鉛とチタンと酸素からなる金属酸化物(PbTiO3),鉛とジルコニアとチタンと酸素からなる金属酸化物(Pb(Zr1-xTix)O3),鉛とランタンとジルコニアとチタンと酸素からなる金属酸化物((Pb1-yLay)(Zr1-xTix)O3)などが挙げられる。 Specifically, a metal oxide composed of lanthanum, titanium, and oxygen (La 2 Ti 2 O 7 ), a metal oxide composed of barium, titanium, and oxygen (BaTiO 3 ), a metal oxide composed of lead, titanium, and oxygen (PbTiO 3 ). 3 ), a metal oxide composed of lead, zirconia, titanium and oxygen (Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 ), a metal oxide composed of lead, lanthanum, zirconia, titanium and oxygen ((Pb 1-y La y ) (Zr 1-x Ti x ) O 3 ) and the like.

また、図3を用いた製造方法の説明では、金属酸化物層103を形成した後、一旦大気に取り出していたが、金属酸化物層103と上部電極104となる層を形成する処理室を、連続的な処理により真空搬送室でつなげてもよい。これらのことにより、処理対象の半導体基板101を真空中で搬送できるようになり、水分などの外乱の影響を受けづらくなり、膜質と界面の特性の向上につながる。   In the description of the manufacturing method using FIG. 3, after forming the metal oxide layer 103, the processing chamber for forming the metal oxide layer 103 and the layer serving as the upper electrode 104 was once taken out to the atmosphere. You may connect with a vacuum conveyance chamber by continuous processing. As a result, the semiconductor substrate 101 to be processed can be transported in a vacuum, and is less susceptible to disturbances such as moisture, leading to improved film quality and interface characteristics.

また、特開2003−077911号公報に示されているように、各層を形成した後、形成した層の表面にECRプラズマを照射し、特性を改善するようにしても良い。また、各層を形成した後に、特開2004−273730号公報に示されているように、適当なガス雰囲気でアニールし、形成した層の特性を改善してもよい。なお、発明者らの実験の結果、金属酸化物層103の厚さが10〜100nmであれば、図1(b)に示すメモリ素子100における2つの状態が保持される機能(メモリの動作)が確認された。   Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-077911, after each layer is formed, the surface of the formed layer may be irradiated with ECR plasma to improve the characteristics. Further, after forming each layer, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-273730, annealing may be performed in an appropriate gas atmosphere to improve the characteristics of the formed layer. As a result of experiments by the inventors, if the thickness of the metal oxide layer 103 is 10 to 100 nm, the function of maintaining two states in the memory element 100 shown in FIG. 1B (memory operation) Was confirmed.

本発明の実施の形態に係るメモリ装置の構成を等価的に示す回路図(a)及びメモリ素子100の構成を示す構成図(b)である。1A is a circuit diagram equivalently showing a configuration of a memory device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a configuration diagram showing a configuration of a memory element 100; ECRスパッタ装置の構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of an ECR sputtering apparatus. 実施の形態におけるメモリ素子100の製造方法例を説明するための工程図である。FIG. 10 is a process diagram for describing the manufacturing method example of the memory element 100 in the embodiment. スパッタ成膜における基板温度に対する金属酸化物層の成膜速度と屈折率の変化を示した特性図である。It is the characteristic view which showed the film-forming speed | rate and refractive index change of the metal oxide layer with respect to the substrate temperature in sputtering film-forming. 300℃以上の温度領域で形成した金属酸化物層の状態について、透過型電子顕微鏡により断面形状を観察した結果を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the result of having observed the cross-sectional shape with the transmission electron microscope about the state of the metal oxide layer formed in the temperature range of 300 degreeC or more. 300℃以上の温度領域で形成した金属酸化物層の状態について、透過型電子顕微鏡により断面形状を観察した結果を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the result of having observed the cross-sectional shape with the transmission electron microscope about the state of the metal oxide layer formed in the temperature range of 300 degreeC or more. 180℃以下の低温領域において、ECRスパッタ法を用いてシリコン基板の上に形成したBiとTiと酸素からなる金属酸化物層の透過型電子顕微鏡による断面観察で得られた顕微鏡写真である。It is the microscope picture obtained by the cross-sectional observation by the transmission electron microscope of the metal oxide layer which consists of Bi, Ti, and oxygen formed on the silicon substrate using the ECR sputtering method in a low temperature region of 180 ° C. or lower. 図7に示す顕微鏡写真の状態を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the state of the microscope picture shown in FIG. 実施の形態におけるメモリ素子100の半導体基板101と上部電極104との間に電圧を印加したときの電流を電流計により観測した結果を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a result of observing a current when a voltage is applied between the semiconductor substrate 101 and the upper electrode 104 of the memory element 100 according to the embodiment using an ammeter. シリコンダイオードの電気特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the electrical property of a silicon diode. 実施の形態におけるメモリ素子100の半導体基板101と上部電極104との間に電圧を印加したときの電流を電流計により観測した結果を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a result of observing a current when a voltage is applied between the semiconductor substrate 101 and the upper electrode 104 of the memory element 100 according to the embodiment using an ammeter. 本発明の実施の形態に係るメモリ装置の構成を等価的に示す回路図である。3 is a circuit diagram equivalently showing the configuration of the memory device according to the exemplary embodiment of the present invention; FIG. 読み出し回路の原理を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the principle of a read-out circuit. 抵抗変化型のメモリセルを用いた従来のメモリ装置の基本構成を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram showing a basic configuration of a conventional memory device using a resistance change type memory cell. 図13に示す回路構成としたメモリ装置の動作例を説明するための説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram for describing an operation example of the memory device having the circuit configuration illustrated in FIG. 13. 図13に示す回路構成としたメモリ装置の動作例を説明するための説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram for describing an operation example of the memory device having the circuit configuration illustrated in FIG. 13. 1トランジスタ1抵抗素子により構成された従来よりあるメモリ装置の基本構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a basic configuration of a conventional memory device including one transistor and one resistance element. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

100…メモリ素子、101…半導体基板、102…中間電極層、103…金属酸化物層、104…上部電極、105…オーミックコンタクト、110…ワード線選択回路、111…ビット線選択回路、112…読み出し回路112、M…メモリセル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Memory element, 101 ... Semiconductor substrate, 102 ... Intermediate electrode layer, 103 ... Metal oxide layer, 104 ... Upper electrode, 105 ... Ohmic contact, 110 ... Word line selection circuit, 111 ... Bit line selection circuit, 112 ... Reading Circuit 112, M... Memory cell.

Claims (11)

電気抵抗の変化により情報が記憶される複数のメモリ素子より構成されたメモリ装置であって、
前記メモリ素子は、
半導体から構成された半導体基板と、
この半導体基板の上に形成された中間電極層と、
この中間電極層の上に形成されて電気抵抗が変化する金属酸化物層と、
この金属酸化物層の上に形成された上部電極と
から構成されている
ことを特徴とするメモリ装置。
A memory device composed of a plurality of memory elements in which information is stored by a change in electrical resistance,
The memory element is
A semiconductor substrate composed of a semiconductor;
An intermediate electrode layer formed on the semiconductor substrate;
A metal oxide layer that is formed on the intermediate electrode layer and changes its electrical resistance;
A memory device comprising: an upper electrode formed on the metal oxide layer.
請求項1記載のメモリ装置において、
前記メモリ素子は、一方の方向への電流が、他方の方向への電流より流れやすい整流特性を備える
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 1.
The memory device has a rectifying characteristic in which a current in one direction flows more easily than a current in the other direction.
請求項1又は2記載のメモリ装置において、
各々の前記メモリ素子の一端に接続する複数のワード線と、
各々の前記メモリ素子の他端に接続する複数のビット線と、
選択された前記ワード線に対して読み出し電圧又は書き込み電圧を印加するワード線選択手段と、
選択された前記ビット線に対して読み出し電圧又は書き込み電圧を印加するビット線選択手段と、
選択された前記ワード線と選択された前記ビット線とに接続する前記メモリ素子の抵抗値を選択された前記ビット線に流れる電流値で読み取る読み出し手段と
を備えることを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 1 or 2,
A plurality of word lines connected to one end of each of the memory elements;
A plurality of bit lines connected to the other end of each of the memory elements;
Word line selection means for applying a read voltage or a write voltage to the selected word line;
Bit line selection means for applying a read voltage or a write voltage to the selected bit line;
A memory device, comprising: a reading unit that reads a resistance value of the memory element connected to the selected word line and the selected bit line with a current value flowing through the selected bit line.
請求項3記載のメモリ装置において、
前記読み出し手段は、前記メモリ素子を流れる電流と前記メモリ素子に発生する電圧とを同時に検出し、検出した電圧と電流とを比較することで前記メモリ素子の抵抗値を読み出す
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 3.
The reading means simultaneously detects a current flowing through the memory element and a voltage generated in the memory element, and reads a resistance value of the memory element by comparing the detected voltage and current. apparatus.
請求項1〜4のいずれか1項に記載のメモリ装置において、
前記金属酸化物層は、少なくとも第1金属,及び酸素から構成された基部層と、前記第1金属,第2金属,及び酸素から構成されて前記基部層の中に分散された複数の微粒子と
から構成されている
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 1,
The metal oxide layer includes a base layer composed of at least a first metal and oxygen, and a plurality of fine particles composed of the first metal, the second metal, and oxygen and dispersed in the base layer. A memory device comprising:
請求項5記載のメモリ装置において、
前記微粒子は非結晶である
ことを特徴とするメモリ装置。
6. The memory device according to claim 5, wherein
The memory device, wherein the fine particles are amorphous.
請求項5又は6記載のメモリ装置において、
前記基部層は、前記第1金属,前記第2金属,及び酸素から構成され、化学量論的組成に比較して第2金属の組成比が小さい
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 5 or 6,
The memory device, wherein the base layer is composed of the first metal, the second metal, and oxygen, and has a smaller composition ratio of the second metal compared to the stoichiometric composition.
請求項5又は6記載のメモリ装置において、
前記基部層は、前記第1金属,前記第2金属,及び酸素から構成されて非結晶である
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 5 or 6,
The memory device, wherein the base layer is made of the first metal, the second metal, and oxygen and is amorphous.
請求項1〜8のいずれか1項に記載のメモリ装置において、
前記金属酸化物層は、
第1電圧値を超える電圧印加により第1抵抗値を持つ第1状態となり、
前記第1電圧とは極性の異なる第2電圧値を超える電圧印加により前記第1抵抗値より高い第2抵抗値を持つ第2状態となる
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 1,
The metal oxide layer is
When a voltage exceeding the first voltage value is applied, the first state having the first resistance value is obtained.
The memory device, wherein a second state having a second resistance value higher than the first resistance value is obtained by applying a voltage exceeding a second voltage value having a polarity different from that of the first voltage.
請求項1〜9のいずれか1項に記載のメモリ装置において、
前記金属酸化物層は、スパッタ法により30℃以上180℃未満で形成されたものである
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 1,
The memory device, wherein the metal oxide layer is formed at 30 ° C. or higher and lower than 180 ° C. by a sputtering method.
請求項1〜9のいずれか1項に記載のメモリ装置において、
前記第1金属はチタンであり、前記第2金属はビスマスであり、前記基部層は、化学量論的組成に比較して過剰なチタンを含む層からなる非晶質状態である
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 1,
The first metal is titanium, the second metal is bismuth, and the base layer is in an amorphous state composed of a layer containing excess titanium compared to the stoichiometric composition. Memory device.
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