JP2008235704A - Semiconductor element and semiconductor integrated circuit - Google Patents

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野 恒 洋 井
Masato Koyama
山 正 人 小
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element capable of programming a logic operation and being operated as a nonvolatile memory element as well. <P>SOLUTION: The semiconductor element comprises: a substrate 2; a first insulation film 4 provided on the substrate; an electric resistance change film 6 provided on the first insulation film; a first electrode 8 provided on the first insulation film on the side of one of both side faces of the electric resistance change film in contact with one side face of the electric resistance change film; a second electrode 10 provided on the first insulation film on the side of the other one of both side faces of the electric resistance change film in contact with the other side face of the electric resistance change film; a second insulation film 12 provided on the electric resistance change film; and a third electrode 14 provided on the second insulation film. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体素子および半導体集積回路に関する。   The present invention relates to a semiconductor element and a semiconductor integrated circuit.

各種製品に組み込むロジック用集積回路は、異なる製品についてそれぞれ専用の集積回路を用意する必要がある。大量に需要がある製品であれば、そのような各製品に最適化したような専用の半導体集積回路を設計し、動作確認を行い、半導体製造ラインで量産するのが低コストである。しかしながら少量しか需要が無いような製品向けの集積回路の場合、上記のような手法で製造しては、1チップあたりのコストが膨大になってしまう問題点がある。   As for the logic integrated circuit incorporated in various products, it is necessary to prepare dedicated integrated circuits for different products. For products that are in great demand, it is low-cost to design a dedicated semiconductor integrated circuit optimized for each such product, check its operation, and mass-produce it on a semiconductor manufacturing line. However, in the case of an integrated circuit for a product for which there is only a small amount of demand, there is a problem that the cost per chip becomes enormous if it is manufactured by the above method.

一方、マイクロコンピュータを用い、全てのロジック動作をソフトウェアで設計する装置では、装置が大規模になってしまう。この装置には、ロジック回路であるCPU(Central Processing Unit)やバス制御回路などに加え、ロジック回路とは製造方法が異なるメモリ回路などを用意しなければならない。また、動作速度も遅いので、例えば携帯電話機などのRF(Radio Frequency)回路に接続するような実時間動作が必要なロジック回路は作ることが難しい。   On the other hand, in a device that uses a microcomputer and designs all logic operations by software, the device becomes large-scale. In this device, in addition to a CPU (Central Processing Unit) and a bus control circuit, which are logic circuits, a memory circuit having a manufacturing method different from that of the logic circuit must be prepared. Also, since the operation speed is slow, it is difficult to make a logic circuit that requires real-time operation such as connecting to an RF (Radio Frequency) circuit such as a mobile phone.

したがって、例えばFPGA(Field Programmable Gate Array)といった、ユーザーがロジック回路の動作プログラムを変更できるような半導体集積回路が提案され(例えば、特許文献1参照)、年々需要が増している現状がある。   Therefore, a semiconductor integrated circuit that allows a user to change an operation program of a logic circuit, such as an FPGA (Field Programmable Gate Array), has been proposed (see, for example, Patent Document 1), and the demand is increasing year by year.

しかしながらユーザーがロジック回路の動作プログラムを変更できるような半導体集積回路にも問題点がある。   However, there is a problem in the semiconductor integrated circuit in which the user can change the operation program of the logic circuit.

例えば、ロジック回路の動作プログラムの設定を記録する回路部分にSRAM(Static Random Access Memory)を用いるような半導体集積回路であると、次の二つの問題がある。それは、第一にSRAMは広大なチップ面積を必要とするためにコストが非常に高くなること、第二に電源投入後に上記SRAM上へロジック動作の設定を書き込むためのブートROM(Read Only Memory)が必要となり、すぐには立ち上がらないことである。   For example, a semiconductor integrated circuit that uses an SRAM (Static Random Access Memory) for a circuit portion that records the setting of an operation program for a logic circuit has the following two problems. First, SRAM requires a very large chip area, so the cost is very high. Second, a boot ROM (Read Only Memory) for writing logic operation settings onto the SRAM after power-on. Is necessary and does not stand up immediately.

また、例えば、ロジック回路の動作プログラムの設定を記録する回路部分にフラッシュメモリを用いるような半導体集積回路であると、ロジック回路の製造プロセスと、メモリ回路の製造プロセスが異なるため、第一にマスクが数枚追加で必要となりコストが高くなること、第二にロジック回路の製造に適した半導体プロセス条件は、メモリ回路の製造に適した半導体製造プロセス条件と異なるため、双方のプロセス条件が重なるような非常に狭い範囲のプロセス条件を選択せざるを得ず、しかもそういったプロセス条件は必ずしも双方の製造に対しての最適な製造プロセスではないため、高い素子のパフォーマンスや歩留まりを得ることが困難である。   In addition, for example, in a semiconductor integrated circuit that uses a flash memory in a circuit portion that records setting of an operation program of a logic circuit, the manufacturing process of the logic circuit is different from the manufacturing process of the memory circuit. As a result, the semiconductor process conditions suitable for the logic circuit manufacturing are different from the semiconductor manufacturing process conditions suitable for the memory circuit manufacturing, so that both process conditions overlap. However, it is difficult to obtain high device performance and yield because it is necessary to select a very narrow range of process conditions, and such process conditions are not necessarily the optimum manufacturing processes for both manufactures. .

また、例えば、ロジック回路の動作プログラムの設定を記録する回路部分にアンチヒューズ、すなわち初期状態では電気的に絶縁状態であるが、高い電圧を加えることで不可逆な絶縁破壊を発生させ電気的に導通状態となるような素子を用いる半導体集積回路であると、ロジック回路動作の設定を書き込むことは1回しか出来ない。したがって第一に、ロジック回路の設計時には頻繁に回路の動作確認を繰り返す必要があるが、その度に新品の集積回路を用いざるを得ないため開発コストが高くなる。第二に、製品として販売された後に見つかった回路動作の問題点を修正するためには、半導体集積回路ごと交換せざるをえない、といった問題がある。   In addition, for example, an antifuse in a circuit portion that records the setting of an operation program of a logic circuit, that is, an electrically insulated state in an initial state, but an irreversible dielectric breakdown is generated by applying a high voltage and electrically conducted. In the case of a semiconductor integrated circuit using an element that enters a state, the setting of the logic circuit operation can be written only once. Therefore, first, it is necessary to frequently check the operation of the circuit when designing the logic circuit, but a new integrated circuit must be used each time, so that the development cost increases. Second, in order to correct the problem of circuit operation found after being sold as a product, there is a problem that the semiconductor integrated circuit must be replaced.

一方、近年、フラッシュメモリやFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory、強誘電体メモリ)などの電源を切っても記憶が消えないような不揮発メモリとして、最近ReRAM(Resistivity Random Access Memory)の検討が進んでいる。   On the other hand, recently, ReRAM (Resistivity Random Access Memory) has been studied as a non-volatile memory that does not lose its memory even when power is turned off, such as flash memory and FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory). .

しかしながら、ReRAMに用いられる記憶素子は基本的にはNiOなどの電源を切っても不揮発に電気抵抗値の履歴が残る抵抗変化材料を2つの電極で挟み込んで、その2つの電極間の抵抗変化を記録し読み取るような動作原理であり、2端子素子である。2端子素子ではメモリとしての産業上の応用はあるが、それ以上の発展に乏しい傾向がある。   However, the memory element used in ReRAM basically has a resistance change material that retains a history of electrical resistance in a non-volatile manner even when the power is turned off, such as NiO, and sandwiches the resistance change between the two electrodes. The operation principle is such as recording and reading, and it is a two-terminal element. Two-terminal elements have industrial applications as memories, but tend to be poorly developed.

抵抗変化材料に対して、2端子以上を付加したような素子は、例えば、特許文献2に示されている。   An element in which two or more terminals are added to the resistance change material is disclosed in Patent Document 2, for example.

しかしながら、特許文献2に記載の素子は、記憶素子としての動作を改良することを目論んで3端子あるいは4端子にしているものの、記憶素子としての動作することを意図したものであり、この記憶素子をロジック用集積回路に用いることは意図されていない。   However, although the element described in Patent Document 2 is intended to improve the operation as a memory element and has three terminals or four terminals, it is intended to operate as a memory element. Is not intended for use in logic integrated circuits.

また、非特許文献1には、抵抗変化物質中の導電性フィラメントの形成といった抵抗変化物質の抵抗変化の原理が開示されている。
特開平6−295233号公報 特開2006−120702号公報 藤原宏平、根本匠、中村吉伸、高木英典、第67回応用物理学会学術講演会講演予稿集31p−RA−3
Non-Patent Document 1 discloses a principle of resistance change of a resistance change material such as formation of a conductive filament in the resistance change material.
JP-A-6-295233 JP 2006-120702 A Kohei Fujiwara, Taku Nemoto, Yoshinobu Nakamura, Hidenori Takagi, Proceedings of the 67th Japan Society of Applied Physics, 31p-RA-3

非特許文献1に記載された抵抗変化の原理によれば、特許文献2に記載された素子は、フィラメントを形成した電極間とは異なる電極間の抵抗変化を検出しているため、抵抗変化量が非常に僅かであり、特許文献2に記載の技術の目論見である記憶素子としての動作すら困難であるといった問題点があることがわかる。   According to the principle of resistance change described in Non-Patent Document 1, the element described in Patent Document 2 detects a resistance change between electrodes different from that between the electrodes on which the filament is formed. It is found that there is a problem that even the operation as a memory element, which is the prospect of the technique described in Patent Document 2, is difficult.

以上説明したように、ロジック用集積回路に用いることのできるように繰り返し可逆的にプログラム可能でしかもそのロジック回路の動作プログラムは電源を切っても不揮発であり、かつ不揮発性の記憶素子としても用いることのできる半導体素子は知られていない。   As described above, it can be repeatedly and reversibly programmed so that it can be used in an integrated circuit for logic, and the operation program of the logic circuit is non-volatile even when the power is turned off, and is also used as a non-volatile memory element. There is no known semiconductor element that can be used.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、ロジック動作が繰り返し可逆的にプログラム可能でしかもそのロジック回路の動作プログラムは電源を切っても不揮発であり、かつ不揮発性記憶素子としても動作することが可能な半導体素子およびこの半導体素子を論理回路素子として有する半導体集積回路を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and the logic operation can be repeatedly and reversibly programmed, and the operation program of the logic circuit is non-volatile even when the power is turned off, and as a non-volatile memory element An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can operate as well as a semiconductor integrated circuit having the semiconductor device as a logic circuit device.

本発明の第1の態様による半導体素子は、対向する第1および第2の面と、前記第1および第2の面と異なる第3の面とを有する電気抵抗変化膜と、前記電気抵抗変化膜の前記第1の面に接して設けられた第1電極と、前記電気抵抗変化膜の前記第2の面に接して設けられた第2電極と、前記電気抵抗変化膜の前記第3の面に接して設けられた絶縁膜と、前記電気抵抗変化膜の前記第3の面に前記絶縁膜を挟んで設けられた第3電極と、を備えていることを特徴とする。   The semiconductor device according to the first aspect of the present invention includes an electrical resistance change film having first and second surfaces facing each other, and a third surface different from the first and second surfaces, and the electrical resistance change. A first electrode provided in contact with the first surface of the film; a second electrode provided in contact with the second surface of the electric resistance change film; and the third electrode of the electric resistance change film. And an insulating film provided in contact with the surface, and a third electrode provided with the insulating film sandwiched between the third surface of the electric resistance change film.

また、本発明の第2の態様による半導体素子は、基板と、前記基板上に設けられた第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に設けられた電気抵抗変化膜と、前記電気抵抗変化膜の両側面のうちの一方の側面側の前記第1絶縁膜上に、前記電気抵抗変化膜の前記一方の側面に接して設けられた第1電極と、前記電気抵抗変化膜の両側面のうちの他方の側面側の前記第1絶縁膜上に、前記電気抵抗変化膜の前記他方の側面に接して設けられた第2電極と、前記電気抵抗変化膜上に設けられた第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上に設けられた第3電極と、を備えていることを特徴とする。   The semiconductor device according to the second aspect of the present invention includes a substrate, a first insulating film provided on the substrate, an electric resistance change film provided on the first insulating film, and the electric resistance change. A first electrode provided on and in contact with the one side surface of the electric resistance change film on the first insulating film on one side surface of the both side surfaces of the film; A second electrode provided in contact with the other side surface of the electric resistance change film on the first insulating film on the other side surface; and a second insulating film provided on the electric resistance change film. And a third electrode provided on the second insulating film.

また、本発明の第3の態様による半導体素子は、基板と、前記基板上に設けられた第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に設けられた第1電極と、前記第1電極上に設けられた電気抵抗変化膜と、前記電気抵抗変化膜上に設けられた第2電極とを有する積層膜と、前記積層膜の側面を覆う第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜を挟むように、前記積層膜の側面に設けられた第3電極と、を備えていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a third aspect of the present invention includes a substrate, a first insulating film provided on the substrate, a first electrode provided on the first insulating film, and the first electrode. A laminated film having an electric resistance change film provided on the first electrode, a second electrode provided on the electric resistance change film, a second insulating film covering a side surface of the laminated film, and sandwiching the second insulating film Thus, the third electrode provided on the side surface of the laminated film is provided.

また、本発明の第4の態様による半導体集積回路は、上記のいずれかに記載の半導体素子を、動作プログラムが再構築可能な論理回路素子として用いたことを特徴とする。   A semiconductor integrated circuit according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that any of the semiconductor elements described above is used as a logic circuit element whose operation program can be reconstructed.

本発明によれば、ロジック動作がプログラム可能でかつ不揮発性記憶素子としても動作することが可能な半導体素子およびこの半導体素子を論理回路素子として有する半導体集積回路を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor element that can be programmed as a logic operation and that can also operate as a nonvolatile memory element, and a semiconductor integrated circuit that includes this semiconductor element as a logic circuit element.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による半導体素子の断面を図1に示す。本実施形態の半導体素子1は、基板上2上に絶縁膜4が形成され、この絶縁膜4の一部の領域に電気抵抗変化膜6が形成されている。この電気抵抗変化膜6の両側の絶縁膜2上に電気抵抗変化膜6の側面に接するようにソース電極8をおよびドレイン電極10が設けられている。電気抵抗変化膜6中にはソース電極8からドレイン電極10に通じる一本の低抵抗フィラメント7が形成されている。この低抵抗フィラメント7は、後述するフォーミングによって形成される。また、電気抵抗変化膜6上にはゲート絶縁膜12が設けられ、このゲート絶縁膜12上にはゲート電極が設けられている。ソース電極8、ドレイン電極10、およびゲート電極14を覆うように、層間絶縁膜16が設けられ、この層間絶縁膜16には、ゲート電極14、ソース電極8、およびドレイン電極10とそれぞれ接続するためのコンタクト18a、18b、および18cが設けられている。
(First embodiment)
A cross section of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. In the semiconductor element 1 of this embodiment, an insulating film 4 is formed on a substrate 2, and an electric resistance change film 6 is formed in a part of the insulating film 4. A source electrode 8 and a drain electrode 10 are provided on the insulating film 2 on both sides of the electric resistance change film 6 so as to be in contact with the side surface of the electric resistance change film 6. In the electric resistance change film 6, a single low resistance filament 7 that leads from the source electrode 8 to the drain electrode 10 is formed. The low resistance filament 7 is formed by forming described later. A gate insulating film 12 is provided on the electric resistance change film 6, and a gate electrode is provided on the gate insulating film 12. An interlayer insulating film 16 is provided so as to cover the source electrode 8, the drain electrode 10, and the gate electrode 14, and the interlayer insulating film 16 is connected to the gate electrode 14, the source electrode 8, and the drain electrode 10, respectively. Contacts 18a, 18b and 18c are provided.

次に、本実施形態の半導体素子1の製造方法を、図2乃至図5を参照して説明する。まず、図2に示すように、シリコン単結晶の(001)面が露出しているシリコン基板2に対して、希フッ酸処理によって自然酸化膜を剥離した。続いて、シリコン基板2上に、絶縁膜4としてHfSiON膜を約4nm成膜した。成膜手法としては、本実施形態においては、HfとSiのターゲットを用いてアルゴンと酸素と窒素中でコスパッタするような方法を採用した。しかし、Hf[N(CHとSiH[N(CHとHOなどを原料としてCVD(Chemical Vapor Deposition)法も用いて形成する手法も良く知られており、他の方法を用いて形成しても良い。また、本実施形態では、絶縁膜4の材料として、HfSiONを用いたが、例えば、SiO、SiON、Al、またはHfAlO、LaAlO等を用いても良い。絶縁膜4としては高い電圧を加えてもリーク電流があまり流れないような絶縁膜が好ましく、そのような条件を満たす材料であれば絶縁膜4の材料としては種々可能であるが、LSIプロセスにて必要となるような800℃以上の熱処理に耐えうるような絶縁膜であることが好ましい。 Next, a method for manufacturing the semiconductor element 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2, the natural oxide film was peeled off by dilute hydrofluoric acid treatment on the silicon substrate 2 from which the (001) plane of the silicon single crystal was exposed. Subsequently, an HfSiON film as an insulating film 4 was formed on the silicon substrate 2 with a thickness of about 4 nm. As a film forming method, in this embodiment, a method is used in which co-sputtering is performed in argon, oxygen, and nitrogen using Hf and Si targets. However, a method of forming by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method using Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 , SiH [N (CH 3 ) 2 ] 3 and H 2 O as raw materials is also well known. Alternatively, other methods may be used. In the present embodiment, HfSiON is used as the material of the insulating film 4. However, for example, SiO 2 , SiON, Al 2 O 3 , HfAlO, LaAlO 3 , or the like may be used. The insulating film 4 is preferably an insulating film in which a leak current does not flow much even when a high voltage is applied. Various materials can be used as the insulating film 4 as long as the material satisfies such conditions. It is preferable that the insulating film can withstand heat treatment at 800 ° C. or higher as required.

次に、図2に示すように、HfSiON膜4上に電源を切っても不揮発に電気抵抗値の履歴が残る電気抵抗変化膜6としてHfON膜を約20nm成膜する。成膜方法はHfSiON膜4の成膜方法と同様であるが、Siを含む原材料を使わない点が異なる。電源を切っても不揮発に電気抵抗値の履歴が残る電気抵抗変化膜6としては、例えばNi-O、Fe-O、Co-O、Cu-O、Zr-O、Hf-O、Ti-O、Nb-O、CrドープSTO、NbドープSTO、PCMO(CaドープPrMnO)、BIT(チタン酸ビスマス)、HfON、ZrON、TiON、NiON、FeON、CoON、CuON、NbONなどのいわゆるRRAM(抵抗変化メモリ)に用いられる材料を用いることが可能である。本実施形態の半導体素子は、抵抗変化メモリと同様の材料を用いるものの、抵抗変化素子ではなく、ロジック回路にも用いることができるプログラム可能な素子である。 Next, as shown in FIG. 2, an Hf 2 ON 2 film is formed on the HfSiON film 4 as an electrical resistance change film 6 that retains a history of electrical resistance values in a nonvolatile manner even when the power is turned off. The film forming method is the same as the film forming method of the HfSiON film 4 except that a raw material containing Si is not used. Examples of the electrical resistance change film 6 that retains a history of electrical resistance values in a nonvolatile manner even when the power is turned off include Ni—O, Fe—O, Co—O, Cu—O, Zr—O, Hf—O, and Ti—O. , Nb-O, Cr-doped STO, Nb-doped STO, PCMO (Ca-doped PrMnO 3 ), BIT (bismuth titanate), HfON, ZrON, TiON, NiON, FeON, CoON, CuON, NbON, etc. It is possible to use materials used for memory. Although the semiconductor element of the present embodiment uses the same material as that of the resistance change memory, the semiconductor element is not a resistance change element but a programmable element that can also be used for a logic circuit.

次に、HfON膜6上に多結晶シリコン膜(図示せず)を約50nm成膜した。成膜手法はSiターゲットをアルゴン中でスパッタする方法を採用したが、CVD法でも可能なのは上述したと同様である。HfON膜6および多結晶シリコン膜からなる積層膜を1100℃にてスパイクアニールを施すことにより、HfON膜6を結晶化させた。HfON膜6の結晶は111方向を膜厚方向に向けるような形で配向し、面内方向の結晶粒径は50nm以上であった。上記積層膜から、CClやCFなどのガスを使うCDE(Chemical Dry Etching)によって多結晶シリコン膜を除去し、結晶化したHfON膜6を露出させた。他にも水酸化カリウム溶液やあるいはフッ硝酸に浸すような方法が可能である。このような結晶配向が生じるのはHfON膜6の特徴であることを本願発明者らは見出しており、HfとZrが互いに極めて化学的性質が類似していることからZrON膜でも類似の手段で同様の配向を実現可能と容易に予想され、他の抵抗変化材料で同様の配向を実現する方法は今後の研究が待たれる。ただし、本実施形態のようにHfON膜6のような配向を実現させることが後述のフォーミング動作上最も好ましいものの、HfON膜やZrON膜以外の抵抗変化材料でそのような配向を実現できなくても、ロジック回路に用いるには差し支えない。HfON膜やZrON膜のような結晶配向を実現できないような抵抗変化材料の場合、上記多結晶シリコン膜を成膜後にスパイクアニールを施した後に、多結晶シリコン膜を除去するような、結晶配向のための工程は不要となる。 Next, a polycrystalline silicon film (not shown) was formed on the Hf 2 ON 2 film 6 to a thickness of about 50 nm. As a film forming method, a method in which a Si target is sputtered in argon is adopted, but the CVD method is also possible as described above. The laminated film composed of the Hf 2 ON 2 film 6 and the polycrystalline silicon film was subjected to spike annealing at 1100 ° C. to crystallize the Hf 2 ON 2 film 6. The crystals of the Hf 2 ON 2 film 6 were oriented so that the 111 direction was oriented in the film thickness direction, and the crystal grain size in the in-plane direction was 50 nm or more. The polycrystalline silicon film was removed from the laminated film by CDE (Chemical Dry Etching) using a gas such as CCl 4 or CF 4 to expose the crystallized Hf 2 ON 2 film 6. In addition, a method of immersing in a potassium hydroxide solution or hydrofluoric acid is possible. The inventors of the present application have found that such a crystal orientation is a characteristic of the Hf 2 ON 2 film 6, and since Zf 2 ON 2 has extremely similar chemical properties to each other. It is easily predicted that the same orientation can be realized by a similar means in the film, and a method for realizing the same orientation with other variable resistance materials is expected to be studied in the future. However, it is most preferable in the forming operation to be described later that the orientation like the Hf 2 ON 2 film 6 is realized as in the present embodiment, but the resistance change material other than the Hf 2 ON 2 film or the Zr 2 ON 2 film is used. Even if such an orientation cannot be realized, it can be used for a logic circuit. In the case of a resistance change material that cannot realize crystal orientation such as an Hf 2 ON 2 film or a Zr 2 ON 2 film, the polycrystalline silicon film is removed after performing the spike annealing after the polycrystalline silicon film is formed. Such a step for crystal orientation becomes unnecessary.

次に、図2に示すように、電気抵抗変化膜6上にゲート絶縁膜12としてHfSiON膜を約4nm成膜した。成膜手法はHfSiON膜4と同様である。続いて、ゲート絶縁膜12上にゲート電極膜14としてTaC膜を約100nm成膜した。成膜方法はTaCターゲットをアルゴン雰囲気中でスパッタするような手法を用いた(図2)。なお、図2は模式的に示す断面図であり、実際の膜厚を示すものではない。   Next, as shown in FIG. 2, an HfSiON film having a thickness of about 4 nm was formed on the electric resistance change film 6 as the gate insulating film 12. The film forming method is the same as that of the HfSiON film 4. Subsequently, a TaC film as a gate electrode film 14 was formed on the gate insulating film 12 to a thickness of about 100 nm. As a film forming method, a method of sputtering a TaC target in an argon atmosphere was used (FIG. 2). FIG. 2 is a schematic cross-sectional view and does not show the actual film thickness.

なお、ゲート電極膜14としてはTaC以外に、RuOやSrRuOやReOやLaCuOなどの酸素を含む電気伝導体を用いることも可能である。また、例えば単一金属酸化物のIrO,NbO,MoO,OsO,RhO,PtOなどや、ペロブスカイト類似複合金属酸化物のLaTiO,LaVO,SrFeO,CaVO,SrMoO,SrIrO,BaMoO,BaIrO,BaRuO,CaMoO,CaNbO,SrNbO,BaNbO,KMoO,LaMnO,LaNiO,SrCrO,Pb,LiTi,YCoO,ErCoO,LaCoO,LnNiO(ここで、Lnはランタノイド元素を示す),LaBaCu13,LaSrCu15,BiSeCu19+yなどや、パイロクロア複合酸化物のA7−x(ここで、AはY,Ln(Lnはランタノイド元素),Tl,In,Pb,Bi,B,Cdなどのいずれか示し、BはTi,V,Cr,Mn,Nb,Mo,Zr,Tc,Hf,Re,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,Si,Ge,Sn,Ga,Sbなどのいずれかを示す)や、銅酸化物系高温超電導体のLa(2−x)BaCuO(xは超伝導発現組成または過剰ドープ組成領域となる値),La(2−x)SrCuO(xは超伝導発現組成または過剰ドープ組成領域となる値),YBaCu,YmBaCu(YmはYb,Lu,Tm,Hoなど),BiSrCa(n−1)Cu(2n+4)(n=1,2,3),TlMCa(n−1)Cu(2n+2.5)(nは1から5までの整数,MはBaまたはSr),TlCa(n−1)Cu(2n+4)(nは1から3までの整数,MはBaまたはSr),HgBaCa(n−1)Cu(2n+2)(nは1から3までの整数),Nd(2−x)CeCuO,Sr(1−x)NdCuO,Sr(1−x)BaCuO(xは超伝導発現組成または過剰ドープ組成領域となる値),La1.6Sr0.4CaCu,La1.7Ca1.3Cuなどや、酸化物超伝導体のBa(1−x)BiO(xは超伝導発現組成または過剰ドープ組成領域となる値),SrRuO,BaPb(1−x)Bi,Bi(2−x)GdRu,La(1−x)SrMnO,Zn(1−x)Liなどや、組成ずれ酸化物半導体のSnO,TiO,CuO,AgO,In,Tl,ZnO,BaTi(Nb)O,SrTi(Nb)O,LaCrO,WO,TlOFなどや、ドープされることで金属的な電気伝導を示すようになったモット絶縁体のNiO,CoO,CuO,Cr,MnO,(V(1−x)Cr,Fe,VO,Ti,Ti(2n−1)(nは3から6までの整数)などや、f電子系電気伝導体のEuO(Gd)(xは1.5以上2以下の値)なども可能である。上記ゲート電極として例えばHfAlN,HfN,ZrN,ZrAlN,TiN、TiAlN、HfB,HfC,TaB,TaC,TaN,WB,WC,WN,ReB,ReC,ReN,OsB,OsC,OsN,IrB,IrC,IrN,PtB,PtC,PtN,RuB,RuC,RuN,RhB,RhC,RhN,PdB,PdC,PdN,LnB(Lnはランタノイド元素),LnC(Lnはランタノイド元素),LnN(Lnはランタノイド元素),ZrB,ZrC,NbB,NbC,NbN,MoB,MoC,MoN,TiB,TiC,VB,VC,VN,CrB,CrC,CrN,MnB,MnC,MnN,FeB,FeC,FeN,CoB,CoC,CoN,NiB,NiC,NiN,HfSi,ZrSi,TiSi,TaSi,WSi,ReSi,OsSi,IrSi,PtSi,NbSi,MoSi,RuSi,RhSi,PdSi,VSi,CrSi,MnSi,FeSi,CoSi,NiSi,LnSi(Lnはランタノイド元素),Hf,Zr,Ti,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,V,Cr,Mn,Fe,Co,Niなどを用いることも可能である。これらのゲート電極は、半導体プロセスに必要な概ね800℃の熱処理温度に耐えられることが必要条件である。 As the gate electrode film 14, it is possible to use an electrical conductor containing oxygen such as RuO 2 , SrRuO 3 , ReO 3, or LaCuO 3 in addition to TaC. Further, for example, single metal oxides such as IrO 2 , NbO, MoO 2 , OsO 2 , RhO 2 , and PtO 2 , and perovskite-like composite metal oxides LaTiO 3 , LaVO 3 , SrFeO 3 , CaVO 3 , SrMoO 3 , SrIrO 3, BaMoO 3, BaIrO 3 , BaRuO 3, CaMoO 3, CaNbO 3, SrNbO 3, BaNbO 3, KMoO 3, LaMnO 3, LaNiO 3, SrCrO 3, Pb 2 M 2 O 7, LiTi 2 O 4, YCoO 3 , ErCoO 3 , LaCoO 3 , Ln 2 NiO 4 (where Ln represents a lanthanoid element), La 4 BaCu 5 O 13 , La 5 SrCu 6 O 15 , Bi 4 Se 4 Cu 5 O 19 + y, etc., pyrochlore composite oxide a 2 B 2 O 7- (Wherein, A is Y, Ln (Ln is a lanthanoid element), Tl, In, Pb, Bi, B, indicates any of such Cd, B is Ti, V, Cr, Mn, Nb, Mo, Zr, Tc , Hf, Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Si, Ge, Sn, Ga, Sb or the like) or La (2-x) Ba of a copper oxide high-temperature superconductor. x CuO 4 (x is a value that becomes a superconducting expression composition or an excessively doped composition region), La (2-x) Sr x CuO 4 (x is a value that becomes a superconducting expression composition or an excessively doped composition region), YBa 2 Cu 3 O 7, YmBa 2 Cu 3 O 7 (Ym is Yb, Lu, Tm, Ho, etc.), Bi 2 Sr 2 Ca ( n-1) Cu n O (2n + 4) (n = 1,2,3), TlM 2 Ca (n-1) Cu n O (2n + 2.5) n is an integer from 1 to 5, M is Ba or Sr), Tl 2 M 2 Ca (n-1) Cu n O (2n + 4) ( n is an integer from 1 to 3, M is Ba or Sr), HgBa 2 Ca (n-1) Cu n O (2n + 2) ( n is an integer from 1 to 3), Nd (2-x ) Ce x CuO 4, Sr (1-x) Nd x CuO 2, Sr (1- x) Ba x CuO 2 (x is a value that becomes a superconducting expression composition or an overdoped composition region), La 1.6 Sr 0.4 CaCu 2 O 6 , La 1.7 Ca 1.3 Cu 2 O 6, etc. Ba (1-x) K x BiO 3 (x is a value that is a superconducting expression composition or an overdoped composition region), Sr 2 RuO 4 , BaPb (1-x) Bi x O 3 , Bi (2-x) Gd x Ru 2 O 7, La (1- ) Sr x MnO 3, Zn ( 1-x) Li x V 2 O 4 and the like, SnO 2, TiO 2, Cu 2 O of composition deviation oxide semiconductor, Ag 2 O, In 2 O 3, Tl 2 O 3 , ZnO, BaTi (Nb) O 3 , SrTi (Nb) O 3 , LaCrO 3 , WO 3 , TlOF, and the like, and Mott insulator NiO, CoO that has been made to exhibit metallic electrical conduction by being doped. , CuO, Cr 2 O 3, MnO, from (V (1-x) Cr x) 2 O 3, Fe 3 O 4, VO 2, Ti 2 O 3, Ti n O (2n-1) (n is 3 An integer up to 6) or EuO x (Gd) of an f-electron electric conductor (x is a value of 1.5 or more and 2 or less) is also possible. For example, HfAlN, HfN, ZrN, ZrAlN, TiN, TiAlN, HfB, HfC, TaB, TaC, TaN, WB, WC, WN, ReB, ReC, ReN, OsB, OsC, OsN, IrB, IrC, IrN. , PtB, PtC, PtN, RuB, RuC, RuN, RhB, RhC, RhN, PdB, PdC, PdN, LnB 6 (Ln is a lanthanoid element), LnC (Ln is a lanthanoid element), LnN (Ln is a lanthanoid element), ZrB, ZrC, NbB, NbC, NbN, MoB, MoC, MoN, TiB, TiC, VB, VC, VN, CrB, CrC, CrN, MnB, MnC, MnN, FeB, FeC, FeN, CoB, CoC, CoN, NiB, NiC, NiN, HfSi, ZrSi, TiSi, aSi, WSi, ReSi, OsSi, IrSi, PtSi, NbSi, MoSi, RuSi, RhSi, PdSi, VSi, CrSi, MnSi, FeSi, CoSi, NiSi, LnSi (Ln is a lanthanoid element), Hf, Zr, Ti, Ta, It is also possible to use W, Re, Os, Ir, Pt, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, or the like. These gate electrodes are required to withstand a heat treatment temperature of approximately 800 ° C. required for semiconductor processes.

次に、TaCからなるゲート電極膜14上にハードマスク(図示せず)を作製後、CDEを用いて、ゲート電極膜14、ゲート絶縁膜12、電気抵抗変化膜6からなる積層膜をゲート形状にパターニングし、ゲート電極膜14、ゲート絶縁膜12、電気抵抗変化膜6からなるゲート構造を形成した(図3参照)。このパターニングによってHfONからなる電気抵抗変化膜6は膜厚の半分以上までエッチング除去された。 Next, after forming a hard mask (not shown) on the gate electrode film 14 made of TaC, the stacked film made of the gate electrode film 14, the gate insulating film 12, and the electric resistance change film 6 is formed into a gate shape by using CDE. Then, a gate structure including the gate electrode film 14, the gate insulating film 12, and the electric resistance change film 6 was formed (see FIG. 3). By this patterning, the electrical resistance change film 6 made of Hf 2 ON 2 was removed by etching to half or more of the film thickness.

次に、例えばコリメートスパッタ法でPtを成膜することで、電気抵抗変化膜6の側部にソース電極8およびドレイン電極10を作製した(図4参照)。続いて、ソース電極8、ドレイン電極10、および上記ゲート構造を覆うように基板2の全面に層間絶縁膜16を形成した。その後、層間絶縁膜16に、ゲート電極14、ソース電極8、およびドレイン電極10へのコンタクトホールをそれぞれ形成し、これらのコンタクトホールに金属を埋め込み、コンタクト18a、18b、18cを形成した(図5参照)。その後のプロセスは、通常の半導体集積回路の配線工程以降と同様である。   Next, a source electrode 8 and a drain electrode 10 were formed on the side portion of the electrical resistance change film 6 by depositing Pt by, for example, a collimated sputtering method (see FIG. 4). Subsequently, an interlayer insulating film 16 was formed on the entire surface of the substrate 2 so as to cover the source electrode 8, the drain electrode 10, and the gate structure. Thereafter, contact holes to the gate electrode 14, the source electrode 8, and the drain electrode 10 are formed in the interlayer insulating film 16, and metal is buried in these contact holes to form contacts 18a, 18b, and 18c (FIG. 5). reference). Subsequent processes are the same as those after the wiring process of a normal semiconductor integrated circuit.

上記方法によって作製した半導体素子のチップに対してパッケージを形成後、チップ上の各素子におけるソース電極8とドレイン電極10との間に、約20Vのフォーミング電圧を加えることで、フォーミングを行った。フォーミングを終了することで、本実施形態の半導体素子は本来の機能を発揮できるようになる。このフォーミングプロセスにおいて、HfON膜6を配向した状態で結晶化した効果が顕れる。すなわちフォーミングとは、初期状態では電気抵抗率が高い抵抗変化材料の内部におけるソース電極8とドレイン電極10との間に電気抵抗率の低いフィラメント7を形成する作業である(図1参照)。このフィラメント7は、図6(a)に示すようにソース電極8およびドレイン電極10から延びるように形成され、これらの延びたフィラメントが図6(b)に示すように、径が約1nm以下の細線部によって接続される構成となっている。 After forming a package on the chip of the semiconductor element manufactured by the above method, forming was performed by applying a forming voltage of about 20 V between the source electrode 8 and the drain electrode 10 in each element on the chip. By ending the forming, the semiconductor element of this embodiment can exhibit its original function. In this forming process, the effect of crystallizing the Hf 2 ON 2 film 6 in an oriented state appears. That is, forming is an operation of forming a filament 7 having a low electrical resistivity between the source electrode 8 and the drain electrode 10 in the variable resistance material having a high electrical resistivity in the initial state (see FIG. 1). The filament 7 is formed so as to extend from the source electrode 8 and the drain electrode 10 as shown in FIG. 6A, and the extended filament has a diameter of about 1 nm or less as shown in FIG. 6B. It becomes the structure connected by a thin wire | line part.

フォーミングによって一旦フィラメント7が形成された後は、フィラメント7の両端に加える電圧、すなわちソース電極8とドレイン電極10との間に印加する電圧によって、フィラメント7が高抵抗状態と低抵抗状態をスイッチングするようになる。ここでの高抵抗状態は、フィラメント7の形成前の電気抵抗率よりは抵抗率が低い特徴がある。   Once the filament 7 is formed by forming, the filament 7 switches between a high resistance state and a low resistance state by a voltage applied to both ends of the filament 7, that is, a voltage applied between the source electrode 8 and the drain electrode 10. It becomes like this. The high resistance state here is characterized in that the resistivity is lower than the electrical resistivity before the filament 7 is formed.

上記HfON膜は電気抵抗変化膜6として機能するが、HfONの結晶構造の特徴上、図7(a)、7(b)に示したように絶縁破壊の生じやすい向きがある。本実施形態のHfONの結晶構造の作製法を用いると、図8に示したようにHfON結晶の111方向が膜厚方向に配向するため、図7(a)に幾何学的な配置を示したように111方向に対して約71度の角度を成す11−1方向など111方向と結晶構造上等価な方向が面内方向に対して約19度の角度を持つ状態となり、すなわち絶縁破壊の容易な経路がソース電極8とドレイン電極10を繋ぐ向きとなり、意図しない方向へのフィラメント7の形成を抑制することができるといった利点がある。すなわち、電気抵抗変化膜6の第1の面に接して設けられた第1電極(ソース電極)8と、電気抵抗変化膜の第1の面に対向する第2の面に接して設けられた第2電極(ドレイン電極)10と、を結ぶ方向が絶縁破壊の容易な方向となり、この方向にフィラメント7が形成される。この際、ソース電極8とドレイン電極10の膜厚にと比較してソース電極8とドレイン電極10との間の距離が約3倍すなわち1/tan−1(19°)倍を超えて離れすぎている場合は絶縁破壊の容易な方向が膜面方向に対して約19度の角度を持つため、上記幾何学的な制限により絶縁破壊容易経路がソース電極8とドレイン電極10とを結ぶ方向に形成されない。このため、HfONを抵抗変化膜として用いる場合はソース電極8とドレイン電極10の間の距離は電極膜厚の3倍以下である必要がある。 The Hf 2 ON 2 film functions as the electric resistance change film 6, but due to the characteristics of the crystal structure of Hf 2 ON 2 , the direction in which dielectric breakdown is likely to occur as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b). is there. When the method for producing the crystal structure of Hf 2 ON 2 of this embodiment is used, the 111 direction of the Hf 2 ON 2 crystal is oriented in the film thickness direction as shown in FIG. As shown, the 111 direction, such as the 11-1 direction, which forms an angle of about 71 degrees with respect to the 111 direction, and an equivalent direction on the crystal structure have an angle of about 19 degrees with respect to the in-plane direction. That is, there is an advantage that the path where the dielectric breakdown is easy becomes the direction connecting the source electrode 8 and the drain electrode 10 and the formation of the filament 7 in the unintended direction can be suppressed. That is, the first electrode (source electrode) 8 provided in contact with the first surface of the electric resistance change film 6 and the second surface opposite to the first surface of the electric resistance change film are provided. The direction connecting the second electrode (drain electrode) 10 is an easy dielectric breakdown direction, and the filament 7 is formed in this direction. At this time, the distance between the source electrode 8 and the drain electrode 10 is about three times that of the film thickness of the source electrode 8 and the drain electrode 10, that is, more than 1 / tan −1 (19 °) times. In this case, since the easy breakdown direction has an angle of about 19 degrees with respect to the film surface direction, the easy breakdown path is in the direction connecting the source electrode 8 and the drain electrode 10 due to the geometric limitation. Not formed. For this reason, when Hf 2 ON 2 is used as the resistance change film, the distance between the source electrode 8 and the drain electrode 10 needs to be three times or less of the electrode film thickness.

HfSiON膜4およびHfSiON膜12は、フォーミングの際にソース電極8からゲート電極14へ、あるいはドレイン電極10からゲート電極14へ加わる電界を緩和する作用がある。これらのHfSiON膜4,12の存在によって意図しないこれら電極間のフィラメント形成を確実に抑制することが可能となる。   The HfSiON film 4 and the HfSiON film 12 have an action of relaxing an electric field applied from the source electrode 8 to the gate electrode 14 or from the drain electrode 10 to the gate electrode 14 during forming. By the presence of these HfSiON films 4 and 12, unintended filament formation between these electrodes can be reliably suppressed.

フォーミングのための電圧を加えることによって生じる回路の動作を図9に示す。図5示す構造において、ソース電極8とドレイン電極10との間に、図9に示すフォーミング電圧V=20Vを加える。ただし20Vというのは膜厚などの素子のサイズや材料や周辺回路などによってフォーミング電圧Vの最適値は変化する。それでもV>V>V>Vといった大小関係はデバイスのサイズによらない。ここでVとは低抵抗状態へセットする電圧、Vとは高抵抗状態へリセットする電圧、Vとはロジック動作に使用する電圧の意味である。それぞれ素子のサイズや材料や周辺回路などによって変化する値である。 FIG. 9 shows the operation of the circuit caused by applying a voltage for forming. In the structure shown in FIG. 5, a forming voltage V F = 20 V shown in FIG. 9 is applied between the source electrode 8 and the drain electrode 10. However the optimum value of the forming voltage V F by size and material and the peripheral circuit elements, such as thickness because 20V is changed. Nevertheless, the magnitude relationship of V F > V S > V R > V U does not depend on the size of the device. Here the voltage setting to the low resistance state to the V S, the voltage for resetting the V R to the high resistance state, the V U is the voltage sense to use for logic operation. Each of these values varies depending on the element size, material, peripheral circuit, and the like.

フォーミング電圧V=20Vを加えることにより、図9における初期状態Sから経路r1を辿って電気抵抗変化膜6中にフィラメントが発生し低抵抗化する。その後、ソース電極8とドレイン電極10との間にフォーミング電圧V=20Vを加えることを止めると、ソース電極8とドレイン電極10との間に、図1に示す低抵抗なフィラメント7を残したまま電気抵抗変化膜6が低抵抗状態になる。すなわち、図9に示す状態Lとなる。 By applying the forming voltage V F = 20 V, a filament is generated in the electric resistance change film 6 along the path r1 from the initial state S in FIG. Thereafter, when the application of the forming voltage V F = 20 V between the source electrode 8 and the drain electrode 10 is stopped, the low resistance filament 7 shown in FIG. 1 is left between the source electrode 8 and the drain electrode 10. The electric resistance change film 6 remains in a low resistance state. That is, the state L shown in FIG.

このように作製した半導体素子を、フォーミングが終了した段階すなわち図1に示す状態あるいは図9に示すL状態で、各製品専用のロジック回路の開発者へ提供することが可能であるし、そのまま何らかの基本的あるいは一般的なロジック回路を予め設定した上で各製品専用のロジック回路の開発者へ提供することも可能であるし、あるいは図9のS状態すなわちフォーミングを行わない状態のままロジック回路の開発者に提供しフォーミング動作はロジック回路の開発者に行わせることも可能である。この際フォーミング動作用の回路をあらかじめ本願素子の周辺回路として組み込んでおいても良いし、フォーミング動作専用の回路を持つような専用器具を別に提供しても良い。前者の場合は専用器具が不要といった利点があるが、フォーミングに耐えるような回路設計が複雑である。後者の場合は本願素子を含む回路の設計が容易で低コストになる利点があるが、開発者がフォーミングの手間がかかる上に専用器具が必要といった点から開発頻度の低い開発者にはコストアップとなる。   The semiconductor element thus manufactured can be provided to the developer of the logic circuit dedicated to each product in the stage where the forming is completed, that is, in the state shown in FIG. 1 or the L state shown in FIG. A basic or general logic circuit can be set in advance and then provided to the developer of the logic circuit dedicated to each product, or the logic circuit can be provided in the S state of FIG. 9, that is, without forming. It is also possible for the developer of the logic circuit to perform the forming operation provided to the developer. At this time, a circuit for forming operation may be incorporated in advance as a peripheral circuit of the element of the present application, or a dedicated instrument having a circuit dedicated to forming operation may be provided separately. In the former case, there is an advantage that a dedicated instrument is unnecessary, but the circuit design that can withstand forming is complicated. In the latter case, there is an advantage that the design of the circuit including the element of the present application is easy and low cost, but the cost is increased for developers with low development frequency because the developer takes time and effort to form, and special equipment is required. It becomes.

各製品専用のロジック回路の開発者は、スイッチとして動作させたくない、すなわち切断したいトランジスタに対しては、ソース電極8とドレイン電極10との間に例えば高抵抗状態へのリセット電圧として例えばV=0.6Vを加えた後、電圧を下げると、図9における状態Lから経路r2を辿って状態Hへと遷移する。このようなリセット電圧を加えるような操作を行うと、ソース電極8とドレイン電極10との間が高抵抗化する。この際、ソース電極8とドレイン電極10との間のフィラメント7が消滅することはないが、一部断線することにより高抵抗化するものである。 Developer of each product only logic circuits, do not want to operate as a switch, i.e. for a transistor to be cut, for example, V R as for example a reset voltage to the high resistance state between the source electrode 8 and the drain electrode 10 When the voltage is lowered after adding = 0.6 V, the state L in FIG. When an operation for applying such a reset voltage is performed, the resistance between the source electrode 8 and the drain electrode 10 is increased. At this time, the filament 7 between the source electrode 8 and the drain electrode 10 does not disappear, but the resistance is increased by partially disconnecting.

必ずしも必要ではないが、ソース電極8とドレイン電極10との間にセット電圧V=1.8Vを加えた後、電圧を下げると、図9のフォーミング後の状態Lから辿って経路r2を辿って高抵抗化した後、経路r3を辿って再度低抵抗化し、V=1.8Vにおける低抵抗状態を保ったまま状態Lへと戻ってくる。この場合、ソース電極8とドレイン電極10との間は低抵抗状態のままであり、フィラメント7には変化が無い。 Although not always necessary, when the set voltage V S = 1.8 V is applied between the source electrode 8 and the drain electrode 10 and then the voltage is lowered, the path r2 is traced from the state L after forming in FIG. After increasing the resistance, the resistance is decreased again by following the path r3, and the state returns to the state L while maintaining the low resistance state at V S = 1.8V. In this case, the low resistance state remains between the source electrode 8 and the drain electrode 10, and the filament 7 remains unchanged.

このように、本実施形態の半導体素子をロジック回路の動作に用いて設定した後は、可逆的ではあるが不揮発であるため、いったんロジック動作が設定された半導体素子は、フィラメント7の抵抗値が代わるような高い電圧を、ソース電極8とドレイン電極10との間にリセット電圧V(=0.6V)以上加えて、再度ロジック動作の設定を行わない限りは、ロジック回路としての動作が変わることはない。すなわち電源を切っても不揮発なロジック回路のプログラミングができたことになる。 As described above, after the semiconductor element of the present embodiment is set for use in the operation of the logic circuit, it is reversible but non-volatile. Therefore, the semiconductor element once set for the logic operation has a resistance value of the filament 7. The operation as a logic circuit changes unless a high voltage such as an alternative is applied between the source electrode 8 and the drain electrode 10 at a reset voltage V R (= 0.6 V) or more and the logic operation is set again. There is nothing. In other words, the nonvolatile logic circuit can be programmed even when the power is turned off.

ロジック回路の再プログラミングあるいはプログラム修正を行いたい場合、ソース電極8とドレイン電極10との間に再びセット電圧またはリセット電圧を加える。すなわちスイッチとして動作しないようプログラミングされていたトランジスタに対して、スイッチとして動作をするようプログラミングをしたい場合は、ソース電極8とドレイン電極10との間に例えば低抵抗状態へのセット電圧として例えばV=1.8Vを加えると、図9の状態Hから経路r3を辿って低抵抗化し、電圧を下げるにしたがって低抵抗状態のまま状態Lへと遷移し、スイッチとして動作するようになる。 When reprogramming or program correction of the logic circuit is desired, a set voltage or a reset voltage is again applied between the source electrode 8 and the drain electrode 10. That is, when a transistor that has been programmed not to operate as a switch is to be programmed to operate as a switch, for example, V S is set as a set voltage to a low resistance state between the source electrode 8 and the drain electrode 10. When = 1.8 V is applied, the resistance decreases from the state H of FIG. 9 by following the path r3, and as the voltage is lowered, the state transitions to the state L in the low resistance state and operates as a switch.

スイッチとして動作するようプログラミングされていた本実施形態の半導体素子に対して、スイッチとして動作をしないようプログラミングをしたい場合は、電極8と電極10との間に例えば高抵抗状態へのリセット電圧として例えばV=0.6Vを加えると、図9における状態Lから経路r2を辿って高抵抗化し、電圧を下げるにしたがって高抵抗状態のまま状態Hへと遷移し、スイッチとして動作しないようになる。 When programming the semiconductor element of the present embodiment that has been programmed to operate as a switch so as not to operate as a switch, for example, as a reset voltage to the high resistance state between the electrode 8 and the electrode 10, for example, When V R = 0.6 V is applied, the resistance increases from the state L in FIG. 9 along the path r2, and as the voltage is lowered, the state transitions to the state H while remaining in the high resistance state, and does not operate as a switch.

スイッチとして動作するようプログラミングされていた本実施形態の半導体素子に対して、スイッチとして動作をするようプログラミングをする場合は、セット電圧もリセット電圧も加える必要はない。しかし、ソース電極8とドレイン電極10との間に例えば低抵抗状態へのセット電圧として例えばV=1.8Vを加えると、図9における状態Lから経路r2を辿って高抵抗化した後、経路r3を辿って再度低抵抗化し、電圧を下げるにしたがって低抵抗状態のまま状態Lへと遷移し、スイッチとして動作する状態のままである。 When programming the semiconductor device of this embodiment that has been programmed to operate as a switch to operate as a switch, it is not necessary to add a set voltage or a reset voltage. However, when, for example, V S = 1.8 V is applied as a set voltage to the low resistance state between the source electrode 8 and the drain electrode 10, after increasing the resistance from the state L in FIG. Following the path r3, the resistance is lowered again, and as the voltage is lowered, the state transitions to the state L in the low resistance state and remains in the state of operating as a switch.

同様にスイッチとして動作しないようプログラミングされていた本実施形態の半導体素子に対して、スイッチとして動作をしないようプログラミングをする場合は、セット電圧もリセット電圧も加える必要はない。しかし、ソース電極8とドレイン電極10との間に例えば高抵抗状態へのリセット電圧として例えばV=0.6Vを加えた後、電圧を下げると、図9における高抵抗状態である状態Hから辿ってV=0.6Vにて折り返し、高抵抗状態のまま状態Hへと戻ってきて、スイッチとして動作しない状態のままである。すなわち電源を切っても不揮発なロジック回路の再プログラミングができたことになる。 Similarly, when programming the semiconductor device of the present embodiment programmed not to operate as a switch so as not to operate as a switch, it is not necessary to add a set voltage or a reset voltage. However, if, for example, V R = 0.6 V is applied as a reset voltage to the high resistance state between the source electrode 8 and the drain electrode 10, for example, if the voltage is lowered, the state from the state H in the high resistance state in FIG. It traces back at V R = 0.6 V, returns to the state H in the high resistance state, and remains in a state where it does not operate as a switch. That is, even if the power is turned off, the non-volatile logic circuit can be reprogrammed.

このようなロジック回路を設定するための半導体素子へ電圧を加える作業のために、本発明の一実施形態の素子の周辺回路を作成したり、あるいは集積回路専用の書き込み装置を準備し、コンピュータ上のソフトウェアの制御のみで行うようなシステムを作製してもかまわない。   For the operation of applying a voltage to the semiconductor element for setting such a logic circuit, a peripheral circuit of the element according to the embodiment of the present invention is created, or a writing device dedicated to the integrated circuit is prepared. It is also possible to create a system that performs only by controlling the software.

このようにロジック動作を設定した本実施形態の半導体素子を、ロジック回路として動作させるためには、ソース電極8とドレイン電極との間に、上記のような抵抗値のスイッチングが起こらない程度の例えばV=0.3V以下の使用電圧を加えつつ、ゲート電極14に加える電圧を変化させることで、ソース電極8とドレイン電極10との間の電流を制御し、可逆的かつ揮発的にスイッチングさせることが可能となる。このような状態で使用すれば、現行で入手可能な一般的ロジック回路との違いを、製品の使用者に意識させる必要がない。 In order to operate the semiconductor element of the present embodiment in which the logic operation is set as described above as a logic circuit, for example, switching of the resistance value as described above does not occur between the source electrode 8 and the drain electrode. By changing the voltage applied to the gate electrode 14 while applying a working voltage of V U = 0.3V or less, the current between the source electrode 8 and the drain electrode 10 is controlled to switch reversibly and volatilely. It becomes possible. When used in such a state, it is not necessary for the user of the product to be aware of the difference from the currently available general logic circuits.

ソース電極8とドレイン電極10との間に例えばV=0.3V以下の使用電圧を加えた場合、スイッチとして動作する状態にある本実施形態の半導体素子は、図9における経路r4Aの範囲を辿り、ソース・ドレイン間すなわちソース電極8とドレイン電極10との間の抵抗が不揮発に再プログラミングされてしまうことは無い。スイッチとして動作する状態にない本実施形態の半導体素子は、図9における経路r4Bの範囲を辿り、ソース・ドレイン間すなわちソース電極8とドレイン電極10との間の抵抗が不揮発に再プログラミングされてしまうことは無い。 For example, when a working voltage of V U = 0.3 V or less is applied between the source electrode 8 and the drain electrode 10, the semiconductor element of the present embodiment in a state of operating as a switch has a range of the path r4A in FIG. The resistance between the source and the drain, that is, between the source electrode 8 and the drain electrode 10 is not reprogrammed to be non-volatile. The semiconductor element of the present embodiment that is not in a state of operating as a switch follows the range of the path r4B in FIG. 9, and the resistance between the source and drain, that is, between the source electrode 8 and the drain electrode 10, is reprogrammed to be non-volatile. There is nothing.

スイッチとして動作しないようプログラミングした本実施形態の半導体素子におけるゲート電極14に電圧を加えようが加えまいが、ソース・ドレイン間すなわちソース電極8とドレイン電極10との間に例えばV=0.3V以下の電圧がかかっている限りにおいてはソース電極8とドレイン電極10との間に電流が1×10−4A以下しか流れず、すなわちスイッチとしては動作しない。 Whether or not a voltage is applied to the gate electrode 14 in the semiconductor device of the present embodiment programmed not to operate as a switch, for example, V U = 0.3 V between the source and drain, that is, between the source electrode 8 and the drain electrode 10. As long as the following voltage is applied, current flows only between 1 × 10 −4 A and below between the source electrode 8 and the drain electrode 10, that is, it does not operate as a switch.

スイッチとして動作するようプログラミングした本実施形態の半導体素子におけるゲート電極14に電圧を加えた場合、ソース・ドレイン間すなわちソース電極8とドレイン電極10との間に例えばV=0.3V以下の一定の範囲の電圧がかかっている限りにおいては、図10に示すように、ソース電極8とドレイン電極10との間に流れる電流が変化して、すなわちスイッチとして動作する。 When a voltage is applied to the gate electrode 14 in the semiconductor device of the present embodiment programmed to operate as a switch, a constant voltage of, for example, V U = 0.3 V or less is applied between the source and drain, that is, between the source electrode 8 and the drain electrode 10. As long as a voltage in the range is applied, as shown in FIG. 10, the current flowing between the source electrode 8 and the drain electrode 10 changes, that is, it operates as a switch.

本実施形態の半導体素子の動作特性は、例えば図11に示すように、ソース電極8とドレイン電極10との間にフォーミングによって作製したフィラメント7の太さの違いによって変化する。フィラメントが細いものが生成されるような場合では、図11に示すようにゲート電圧を変化させることによってソース・ドレイン間の電流が振動するような振る舞いを見せることがある。   For example, as shown in FIG. 11, the operating characteristics of the semiconductor element of the present embodiment vary depending on the difference in the thickness of the filament 7 formed by forming between the source electrode 8 and the drain electrode 10. In the case where a thin filament is generated, it may behave as if the current between the source and the drain is oscillated by changing the gate voltage as shown in FIG.

したがって、各製品専用のロジック回路の開発者は、このような手法によって、本実施形態の個別の半導体素子に対してスイッチ動作をプログラミングしたロジック回路を、製品に搭載することが可能となる。   Therefore, the developer of the logic circuit dedicated to each product can mount the logic circuit in which the switch operation is programmed on the individual semiconductor element of this embodiment in the product by such a method.

各製品専用のロジック回路の開発者は、いったん製品に搭載したロジック回路の動作に後日問題点が見つかった場合、半導体素子を替えることなしに、ソース電極8とドレイン電極10の間に再度プログラミング電圧を加え直すだけで、ロジック回路の動作を修正することが可能であるといった、大きな利点がある。昨今は製品の製造責任が大きく問われるので、ハードウェアを交換することなく製品の問題点を低コストで修正できるのは大きな利点と言えよう。   When a developer of a logic circuit dedicated to each product finds a problem later in the operation of the logic circuit installed in the product, the programming voltage is again applied between the source electrode 8 and the drain electrode 10 without changing the semiconductor element. There is a great advantage that it is possible to modify the operation of the logic circuit by simply reapplying. Nowadays, the responsibility for manufacturing the product is greatly questioned, so it can be said that it is a great advantage that the problem of the product can be corrected at a low cost without replacing the hardware.

このように作製した本実施形態の半導体素子は、細線であるところのフィラメントによってチャネルが形成されている。したがって一次元的な電気伝導を示すチャネルとなっている。一般的に電気伝導体が低次元化することにより、電荷同士の相互作用が減少することはダランベール方程式の性質として一般的に示せるが、電荷同士の相互作用の減少によりキャリアのコヒーレンスを乱すような散乱が発生しにくくなる。すなわちチャネル移動度の上昇が見込まれ、より高速で動作するロジック回路を作製できるようになる。このことから本実施形態による半導体素子の構造は、スケーリング上有利である。   In the semiconductor element of this embodiment manufactured as described above, a channel is formed by a filament that is a thin line. Therefore, the channel shows one-dimensional electrical conduction. In general, it can be generally shown as a property of the D'Alembert equation that the interaction between electric charges decreases as the electrical conductor is reduced in dimension, but the coherence of carriers is disturbed due to the decrease in electric charge interactions. Scattering is less likely to occur. That is, an increase in channel mobility is expected, and a logic circuit that operates at higher speed can be manufactured. Therefore, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment is advantageous in terms of scaling.

さらにチャネル部分におけるキャリアの平均自由行程よりもチャネル長が短くなるようなスケーリングがなされることで、コヒーレントなキャリア伝導が生じるため量子力学的な電気特性が発現するようになる。このような電気特性を示すデバイスは一般的に量子細線トランジスタとして知られ、その動作原理自体は同業者には公知である。   Further, scaling is performed so that the channel length is shorter than the mean free path of carriers in the channel portion, so that coherent carrier conduction occurs and quantum mechanical electrical characteristics are developed. A device exhibiting such electrical characteristics is generally known as a quantum wire transistor, and its operating principle is known to those skilled in the art.

しかしながら、従来の量子細線トランジスタは、いったん回路を構成した後に、回路を組みかえるといった、リコンフィギュアラビリティ(再構成可能性)を備えていなかった。   However, the conventional quantum wire transistor has not provided reconfigurability (reconfigurability) such that the circuit is reconfigured after the circuit is configured once.

一方、本実施形態による半導体素子(量子細線トランジスタ)は、その動作原理からリコンフィギュアラブルであって、その実用上の価値は大きい。   On the other hand, the semiconductor device (quantum wire transistor) according to the present embodiment is reconfigurable due to its operation principle and has great practical value.

図12に本実施形態の半導体素子を用いて作製する半導体集積回路の例として、再構築可能な論理回路素子、例えばFPGA(Field Programming Gate Array)の例を示す。FPGAの内部は、複数のCLB(Configuration Logic Block)を配線によって結合するようになっている。例えば本実施形態の半導体素子を、配線の結合を決める点に用いることも可能である。   FIG. 12 shows an example of a reconfigurable logic circuit element, for example, an FPGA (Field Programming Gate Array), as an example of a semiconductor integrated circuit manufactured using the semiconductor element of this embodiment. Inside the FPGA, a plurality of CLBs (Configuration Logic Blocks) are coupled by wiring. For example, the semiconductor element of this embodiment can also be used for determining the coupling of wiring.

また、CLBは、図13に示すように、ルックアップテーブル(LUT)やマルチプレクサ(MUX)やフリップフロップ(FF)を備えており、ルックアップテーブル内部にロジック回路としての機能が記録されている。従来は巨大なメモリ回路とロジック回路の組み合わせであるルックアップテーブルは大きなチップ面積を必要としていたが、このルックアップテーブルにメモリ回路とロジック回路が一体不可分である本実施形態の半導体素子を用いることで、チップ面積の大幅な縮小が可能となる。   Further, as shown in FIG. 13, the CLB includes a lookup table (LUT), a multiplexer (MUX), and a flip-flop (FF), and a function as a logic circuit is recorded in the lookup table. Conventionally, a lookup table, which is a combination of a huge memory circuit and a logic circuit, requires a large chip area. The semiconductor device of this embodiment, in which the memory circuit and the logic circuit are inseparable, is used for this lookup table. Thus, the chip area can be greatly reduced.

また本実施形態の半導体素子はトランジスタとして動作するので、マルチプレクサやフリップフロップ内部のトランジスタとして用いることも可能である。   Further, since the semiconductor element of this embodiment operates as a transistor, it can be used as a transistor in a multiplexer or flip-flop.

以上説明したように、本実施形態によれば、ロジック動作がプログラム可能でかつ不揮発性記憶素子としても動作することができる半導体素子およびその製造方法をえることができる。また、ロジック回路の製造プロセスのみで半導体素子を製造することが可能になり、しかも素子の動作原理上、微細化を進めやすいといった利点がある。また、本実施形態の半導体素子は、電源を切っても不揮発な記憶素子として使うこともできる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain a semiconductor element that can be programmed as a logic operation and that can also operate as a nonvolatile memory element, and a manufacturing method thereof. In addition, it is possible to manufacture a semiconductor element only by a process for manufacturing a logic circuit, and there is an advantage that miniaturization can be easily promoted due to the operation principle of the element. Further, the semiconductor element of this embodiment can also be used as a nonvolatile memory element even when the power is turned off.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による半導体素子を説明する。本実施形態の半導体素子は、第1実施形態において、電気抵抗変化膜6としてHfON膜の代わりにZrON膜を用いた構成となっている。HfON膜とZrON膜は互いに非常に良く似た物理的および化学的性質を示す。僅かな違いはHfON膜の方がZrON膜より融点が約100℃高いことにより、第1実施形態においてHfONの結晶を配向させるために用いたアニールにおいて、アニール温度を若干低下させれば同様の配向を作製できる。また、ZrON膜をスパッタ法にて作製する場合、ZrのスパッタレートはHfのスパッタレートよりも若干低いことは各種専門的な文献にて公表されており、それゆえターゲットに加える電力が余計に必要になることも同業者であれば容易に推測可能である。結晶構造もHf原子をZr原子で置換したのみでO原子やN原子の位置は変わらないので、絶縁破壊容易方向も同様で電気抵抗変化膜として作用することが容易に推測できる。
(Second Embodiment)
Next, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the semiconductor element of the present embodiment has a configuration in which a Zr 2 ON 2 film is used as the electric resistance change film 6 instead of the Hf 2 ON 2 film. Hf 2 ON 2 and Zr 2 ON 2 films exhibit very similar physical and chemical properties to each other. The slight difference is that the melting point of the Hf 2 ON 2 film is higher than that of the Zr 2 ON 2 film by about 100 ° C., so that in the annealing used for orienting the crystals of Hf 2 ON 2 in the first embodiment, the annealing temperature A similar orientation can be produced by slightly lowering. In addition, when producing a Zr 2 ON 2 film by sputtering, it has been published in various specialized literatures that the sputtering rate of Zr is slightly lower than the sputtering rate of Hf. It can be easily estimated by a person skilled in the art that it is necessary. In the crystal structure, the position of O atoms and N atoms does not change only by replacing Hf atoms with Zr atoms, so that it can be easily assumed that the direction of easy dielectric breakdown is the same and acts as an electric resistance change film.

このようなHfONにおいて出来たことがCeON膜についてもできるであろうことは同様に容易に推測可能である。すなわち結晶構造がHf原子をCe原子で置換したのみで同型であり、融点も200℃低い程度で近い値であることなど、物理的および化学的な性質が類似しているので、作製方法もほぼ同じであり、しかも絶縁破壊容易方向も同様で電気抵抗変化膜として作用することが容易に推測できる。 It can also be easily estimated that what can be done with such Hf 2 ON 2 will also be possible with the Ce 2 ON 2 film. That is, the crystal structure is the same type only by replacing the Hf atom with Ce atom, and the physical and chemical properties are similar, such as a melting point that is close to 200 ° C. It is the same, and the direction of easy dielectric breakdown is the same, and it can be easily estimated that it acts as an electric resistance change film.

本実施形態の半導体素子も、第1実施形態と同様に、ロジック動作がプログラム可能でかつ不揮発性記憶素子としても動作することができる半導体素子およびその製造方法をえることができる。   Similarly to the first embodiment, the semiconductor element of this embodiment can provide a semiconductor element that can be programmed as a logic operation and can also operate as a nonvolatile memory element, and a manufacturing method thereof.

(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による半導体素子を説明する。
(Third embodiment)
Next, a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described.

第1実施形態または第2実施形態の半導体素子で用いた電気抵抗変化膜は、膜の内部に低抵抗なフィラメントを形成するような電気抵抗変化膜であれば、動作原理上どのような材料を用いてもよい。そこで、本実施形態においては、第1実施形態において、電気抵抗変化膜の材料として、電気伝導度の異方性があるような材料を用いた構成となっている。この場合、フォーミング時に好ましからぬ方向へフィラメントが生成してしまうような不具合の割合を減らすことが可能となる。さらに好ましくは、絶縁破壊が起こりやすい向きが、ソース電極8とドレイン電極10とを結ぶ向きと一致する材料を電気抵抗変化膜に用いれば、なお良い。   The electrical resistance change film used in the semiconductor element of the first embodiment or the second embodiment may be any material in terms of operation principle as long as it is an electrical resistance change film that forms a low resistance filament inside the film. It may be used. Therefore, in this embodiment, the first embodiment uses a material having an electric conductivity anisotropy as the material of the electric resistance change film. In this case, it is possible to reduce the proportion of defects that cause filaments to be generated in an unfavorable direction during forming. More preferably, a material in which the direction in which dielectric breakdown is likely to occur matches the direction connecting the source electrode 8 and the drain electrode 10 is used for the electric resistance change film.

このような絶縁破壊が容易な向きを有する材料として、例えばHfON以外にも一軸方向に絶縁破壊が容易な材料は例えばCuIr(S1−xSe(0.05<x≦1)などの準一次元材料が知られており、例えば準一次元材料の代表的な物質であるCDW現象を示すような候補物質の中から抵抗変化する材料を選ぶことが好ましい。また面内方向への絶縁破壊が生じやすいような例えばLa2−xSrCuO(0<x≦0.05)などのアンダードープ領域で抵抗が高い状態の層状材料なども抵抗変化材料の候補となる。層状材料の場合は絶縁破壊が生じやすい面内方向が膜面方向と一致するような配向が好ましい。 As a material having such a direction that facilitates dielectric breakdown, for example, other than Hf 2 ON 2 , a material that can easily break down in a uniaxial direction is, for example, CuIr 2 (S 1-x Se x ) 4 (0.05 <x A quasi-one-dimensional material such as ≦ 1) is known. For example, it is preferable to select a material that changes resistance from candidate substances that exhibit the CDW phenomenon, which is a typical substance of the quasi-one-dimensional material. In addition, a layered material having a high resistance in an under-doped region such as La 2-x Sr x CuO 4 (0 <x ≦ 0.05) that is likely to cause dielectric breakdown in the in-plane direction is also a variable resistance material. Be a candidate. In the case of a layered material, an orientation in which the in-plane direction in which dielectric breakdown is likely to occur coincides with the film surface direction is preferable.

本実施形態の半導体素子も、第1実施形態と同様に、ロジック動作がプログラム可能でかつ不揮発性記憶素子としても動作することができる半導体素子およびその製造方法をえることができる。   Similarly to the first embodiment, the semiconductor element of this embodiment can provide a semiconductor element that can be programmed as a logic operation and can also operate as a nonvolatile memory element, and a manufacturing method thereof.

(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による半導体素子を説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention will be described.

第1実施形態乃至第3実施形態において、ソース電極8とドレイン電極10とゲート電極14の相互配置は重要である。すなわちフォーミングにおいて、ソース電極8とドレイン電極10との間に低抵抗なフィラメントが形成されることが望ましいが、ゲート電極14がソース電極8に近すぎた場合、フォーミング時にゲート電極14を完全にフローティング状態としない限り、フィラメントがソース電極8あるいはドレイン電極12と、ゲート電極14との間に形成されてしまう恐れが高くなる。そうなれば素子としては動作しない。   In the first to third embodiments, the mutual arrangement of the source electrode 8, the drain electrode 10, and the gate electrode 14 is important. That is, in forming, it is desirable to form a low-resistance filament between the source electrode 8 and the drain electrode 10, but when the gate electrode 14 is too close to the source electrode 8, the gate electrode 14 is completely floated during forming. Unless it is in a state, there is a high risk that a filament will be formed between the source electrode 8 or the drain electrode 12 and the gate electrode 14. If so, the device does not operate.

一方、ゲート電極14が、ソース電極8あるいはドレイン電極10から離れすぎている場合、上記のようなフォーミングの失敗は発生しづらくなるが、ロジック動作をさせる際にゲート電極14へ加える電圧によってオンとオフを切り替えることが難しくなる。すなわちゲート電極14へ加える電圧をより高くするか、低いオン/オフ比を周辺回路で補うような対策が必要となり、スケーリングに反する状況となる。   On the other hand, if the gate electrode 14 is too far away from the source electrode 8 or the drain electrode 10, it is difficult for the above-described forming failure to occur. However, when the logic operation is performed, the gate electrode 14 is turned on by the voltage applied to the gate electrode 14. It becomes difficult to switch off. In other words, it is necessary to take measures to increase the voltage applied to the gate electrode 14 or to compensate for the low on / off ratio by the peripheral circuit, which is contrary to scaling.

そこで、本実施形態の半導体素子においては、ソース電極8とゲート電極10との間の距離と、ドレイン電極10とゲート電極14との間の距離と、ゲート電極14とソース電極8との距離が、ほぼ同じである配置にした構成となっている。このように構成することにより上記問題点を避ける最適な配置となる。   Therefore, in the semiconductor element of this embodiment, the distance between the source electrode 8 and the gate electrode 10, the distance between the drain electrode 10 and the gate electrode 14, and the distance between the gate electrode 14 and the source electrode 8 are as follows. The arrangement is almost the same. By configuring in this way, an optimal arrangement is obtained that avoids the above problems.

なお、好ましくは、上記各電極間の距離として、単なる空間的な距離ではなくて、電極間に存在する材料の比誘電率で割った電気的な距離が、それぞれほぼ等しい構造が良い。 しかしながら、このような構造は、集積回路の製造方法としては難しい。現実的にはかならずしもこのような位置関係でなくて、ゲート電極14と他の2つの電極8、10との距離が近いような状況で使わざるを得ないであろう。   Preferably, the distance between the electrodes is not a mere spatial distance but an electrical distance divided by the relative dielectric constant of the material existing between the electrodes is substantially equal. However, such a structure is difficult as a method for manufacturing an integrated circuit. In reality, this positional relationship is not always necessary, and the gate electrode 14 must be used in a situation where the distance between the other two electrodes 8 and 10 is short.

それゆえ、集積回路として製造が容易でしかもフォーミングが容易であるといった二つの条件を満たすためには、電気抵抗変化膜6に電気伝導度、さらには絶縁破壊の異方性があることが大変好ましい。   Therefore, in order to satisfy the two conditions of being easy to manufacture as an integrated circuit and easy to form, it is very preferable that the electric resistance change film 6 has an electric conductivity and anisotropy of dielectric breakdown. .

本実施形態の半導体素子も、第1実施形態と同様に、ロジック動作がプログラム可能でかつ不揮発性記憶素子としても動作することができる半導体素子およびその製造方法をえることができる。   Similarly to the first embodiment, the semiconductor element of this embodiment can provide a semiconductor element that can be programmed as a logic operation and can also operate as a nonvolatile memory element, and a manufacturing method thereof.

(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態による半導体素子の断面を図14に示す。
(Fifth embodiment)
Next, FIG. 14 shows a cross section of a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.

第1乃至第4実施形態の半導体素子は、電気抵抗変化膜6の横方向、すなわち膜面方向にソース電極8およびドレイン電極10が配置された横型の構造であった。本実施形態の半導体素子1Aは、電気抵抗変化膜6の縦方向、すなわち膜厚方向にソース電極8およびドレイン電極10が配置された縦型の構造を有している。しかし、その動作は第1乃至第4実施形態の横型の半導体素子と同様である。   The semiconductor elements of the first to fourth embodiments have a lateral structure in which the source electrode 8 and the drain electrode 10 are arranged in the lateral direction of the electrical resistance change film 6, that is, the film surface direction. The semiconductor element 1 </ b> A of this embodiment has a vertical structure in which the source electrode 8 and the drain electrode 10 are arranged in the vertical direction of the electric resistance change film 6, that is, in the film thickness direction. However, the operation is the same as that of the lateral semiconductor element of the first to fourth embodiments.

本実施形態の半導体素子1Aは、半導体基板2上に絶縁膜4が形成され、この絶縁膜4中にソース電極配線20bおよびこのソース電極配線20bに接続するコンタクト18bが形成されている。絶縁膜4上にコンタクト18bと電気的に接続するように、ソース電極8が形成され、このソース電極8上に電気抵抗変化膜6が形成されている。電気抵抗変化膜6上にドレイン電極10が形成されている。ソース電極8、電気抵抗変化膜6、およびドレイン電極10からなる積層膜の側面を覆うように、ゲート絶縁膜12が設けられている。また、このゲート絶縁膜12を挟むように、ソース電極8、電気抵抗変化膜6、およびドレイン電極10からなる積層膜の側面にゲート電極14が設けられている。ソース電極8、電気抵抗変化膜6、およびドレイン電極10からなる積層膜、ゲート絶縁膜12、およびゲート電極14の上面を覆うように層間絶縁膜16が形成され、この層間絶縁膜16には、ドレイン電極10およびゲート電極14にそれぞれ接続するコンタクト18cおよびコンタクト18aが設けられている。そして、ドレイン電極10およびゲート電極14は、層間絶縁膜16上に設けられたドレイン電極配線20cおよびゲート電極配線20aに、コンタクト18cおよびコンタクト18aを介して接続される。なお、本実施形態においては、第1実施形態と同様に、電気抵抗変化膜6中に、ソース電極8とドレイン電極10とを結ぶ細線構造のフィラメント7が形成されている。このフィラメント7はフォーミングによって形成される。   In the semiconductor element 1A of this embodiment, an insulating film 4 is formed on a semiconductor substrate 2, and a source electrode wiring 20b and a contact 18b connected to the source electrode wiring 20b are formed in the insulating film 4. A source electrode 8 is formed on the insulating film 4 so as to be electrically connected to the contact 18 b, and an electric resistance change film 6 is formed on the source electrode 8. A drain electrode 10 is formed on the electric resistance change film 6. A gate insulating film 12 is provided so as to cover the side surface of the laminated film including the source electrode 8, the electric resistance change film 6, and the drain electrode 10. Further, a gate electrode 14 is provided on the side surface of the laminated film including the source electrode 8, the electric resistance change film 6, and the drain electrode 10 so as to sandwich the gate insulating film 12. An interlayer insulating film 16 is formed so as to cover the upper surface of the laminated film including the source electrode 8, the electric resistance change film 6, and the drain electrode 10, the gate insulating film 12, and the gate electrode 14. A contact 18c and a contact 18a connected to the drain electrode 10 and the gate electrode 14 are provided. The drain electrode 10 and the gate electrode 14 are connected to the drain electrode wiring 20c and the gate electrode wiring 20a provided on the interlayer insulating film 16 through the contact 18c and the contact 18a. In the present embodiment, as in the first embodiment, a filament 7 having a thin line structure connecting the source electrode 8 and the drain electrode 10 is formed in the electrical resistance change film 6. The filament 7 is formed by forming.

次に、本実施形態の半導体素子1Aの製造方法を、図15乃至図19を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor element 1A of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、図15に示すように、基板2上にソース電極配線20bを埋め込んだ絶縁膜4を作製する。その作成手順は以下の通りである。基板2上に第1絶縁膜を成膜する。この第1絶縁膜は堆積膜でも良いし、基板の酸化膜でも良い。上記第1絶縁膜上に配線用のマスクパターンを形成し、第1絶縁膜のマスクされていない部分を、プラズマなどを用いるドライエッチングなどで掘ることによって配線用の溝を作製する。続いて、配線材料を堆積するが、その際、上記マスクを残したまま配線材料を堆積することも可能であるし、上記マスクを除去して絶縁膜を露出させた後に配線材料を堆積することも可能である。配線材料はコリメートスパッタのような方式を採用して上記溝の側壁には堆積されないように成膜することが後のプロセスを容易にする。しかし、CVD法などを採用して上記溝の側壁にも堆積されていても、後のプロセスに支障が出るわけではない。   First, as shown in FIG. 15, the insulating film 4 in which the source electrode wiring 20 b is embedded on the substrate 2 is produced. The creation procedure is as follows. A first insulating film is formed on the substrate 2. This first insulating film may be a deposited film or an oxide film of the substrate. A wiring mask pattern is formed on the first insulating film, and an unmasked portion of the first insulating film is dug by dry etching using plasma or the like to form a wiring groove. Subsequently, the wiring material is deposited. At this time, the wiring material can be deposited while leaving the mask, and the wiring material is deposited after removing the mask and exposing the insulating film. Is also possible. The wiring material employs a method such as collimated sputtering, and forming a film so as not to be deposited on the side wall of the groove facilitates the subsequent process. However, even if it is deposited on the side wall of the groove by employing a CVD method or the like, it does not hinder the subsequent process.

例えば、マスクを残したまま配線材料をコリメートスパッタ法によって溝の底に成膜した場合、引き続いてコリメートスパッタ法などによって第2絶縁膜を溝に堆積した後、マスクを除去するようなリフトオフ法を用いることで簡便に配線20bを埋め込んだ形の絶縁膜を作製することができる。しかしこの場合、リフトオフ法によって剥離された材料がパーティクル汚染の原因になるため、その除去に手間がかかる欠点がある。   For example, when the wiring material is formed on the bottom of the groove by the collimated sputtering method while leaving the mask, the lift-off method is used to remove the mask after the second insulating film is deposited on the groove by the collimated sputtering method or the like. By using it, it is possible to easily form an insulating film in which the wiring 20b is embedded. However, in this case, since the material peeled off by the lift-off method causes particle contamination, there is a drawback that it takes time to remove the material.

一方、マスクを除去した後に配線材料をCVD法などによって成膜した場合は、成膜後にCMP(Chemical Mechanical Polishing)により表面を平坦化することで溝の部分にのみ配線材料が埋め込まれている状態にすることができる。その後、第2絶縁膜を堆積すれば、配線を埋め込んだ形の絶縁膜4を作製することが可能である。このプロセスは、マスクを除去しない場合に比べて、工程数が増えるので製造コストが上昇するが、パーティクル汚染の問題が少ないので、微細加工に向いている面がある。   On the other hand, if the wiring material is formed by CVD after removing the mask, the surface is flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing) after film formation, so that the wiring material is embedded only in the groove portion. Can be. After that, if a second insulating film is deposited, it is possible to produce the insulating film 4 in the form of embedded wiring. This process increases the manufacturing cost because the number of steps is increased as compared with the case where the mask is not removed, but it is suitable for microfabrication because there are few problems of particle contamination.

次に、図15に示すように、絶縁膜4上に、ゲート電極となる低抵抗の多結晶シリコン膜14を成膜する。低抵抗の多結晶シリコン膜の成膜方法として、例えばシランガスなどを用いるCVD法により多結晶シリコンを成膜後、イオンインプラ法などによってドーパントを注入し、800℃以上の熱処理によって活性化させる方法を用いてもよい。また、ドーパントが固溶限上限あるいは固溶限以上に含まれたシリコンターゲットからアモルファスシリコンをスパッタ成膜し、600℃程度の熱処理によって活性化させる方法を用いてもよい。   Next, as shown in FIG. 15, a low resistance polycrystalline silicon film 14 to be a gate electrode is formed on the insulating film 4. As a method of forming a low-resistance polycrystalline silicon film, for example, a method of forming a polycrystalline silicon film by a CVD method using silane gas or the like, implanting a dopant by an ion implantation method, etc., and activating it by a heat treatment at 800 ° C. or higher. It may be used. Alternatively, a method may be used in which amorphous silicon is sputter-deposited from a silicon target in which the dopant is contained at the upper limit of the solid solubility limit or above the solid solubility limit, and activated by heat treatment at about 600 ° C.

次に、多結晶シリコン膜14上にマスクパターン(図示せず)を作製し、ドライエッチングなどで多結晶シリコン膜をエッチングすることにより、底面に絶縁膜4が露出する開口15を形成する(図15参照)。開口15は本実施形態の半導体素子の素子領域となる。   Next, a mask pattern (not shown) is formed on the polycrystalline silicon film 14, and the polycrystalline silicon film is etched by dry etching or the like, thereby forming an opening 15 through which the insulating film 4 is exposed on the bottom surface (FIG. 15). The opening 15 becomes an element region of the semiconductor element of this embodiment.

次に、図16に示すように、多結晶シリコン膜14の露出した表面を酸化することで、多結晶シリコン膜14上面および開口側の側面に、ゲート絶縁膜12となるSiO酸化膜を形成するとともに低抵抗の多結晶シリコンからなるゲート電極14を形成する。 Next, as shown in FIG. 16, the exposed surface of the polycrystalline silicon film 14 is oxidized to form a SiO 2 oxide film to be the gate insulating film 12 on the upper surface of the polycrystalline silicon film 14 and the side surface on the opening side. At the same time, a gate electrode 14 made of low-resistance polycrystalline silicon is formed.

次に、図17に示すように、開口15の底面から絶縁膜4中のソース電極配線20bに達するコンタクト18bおよびソース電極8を形成する。コンタクト18bは、開口15の底面から絶縁膜4中のソース電極配線20bに達する孔形成し、この孔に金属例えばPtを埋め込むことにより形成する。その後、金属膜を堆積することによりソース電極8を形成する。また、例えば、マスクパターンを形成後、ソース電極配線20bに到達するコンタクトホールをドライエッチングなどの方法でまで形成した後、マスクパターンを除去し、その後、例えばコリメートスパッタ法によってPt金属膜を成膜すると、ソース電極配線20bに接続するコンタクト18bと、ソース電極8が同時に形成される。   Next, as shown in FIG. 17, the contact 18 b and the source electrode 8 that reach the source electrode wiring 20 b in the insulating film 4 from the bottom surface of the opening 15 are formed. The contact 18b is formed by forming a hole reaching the source electrode wiring 20b in the insulating film 4 from the bottom surface of the opening 15, and filling the hole with a metal, for example, Pt. Thereafter, the source electrode 8 is formed by depositing a metal film. Further, for example, after forming a mask pattern, after forming a contact hole reaching the source electrode wiring 20b by a method such as dry etching, the mask pattern is removed, and then a Pt metal film is formed by, for example, collimated sputtering. Then, the contact 18b connected to the source electrode wiring 20b and the source electrode 8 are formed simultaneously.

なお、コンタクト18bの形成は低抵抗多結晶シリコン膜14の成膜前に行うことも可能である。その場合CMPにより平坦化する手法が使える利点がある。ただし低抵抗多結晶シリコン膜14の活性化のための熱処理において、コンタクト18bを構成する金属とシリコンが反応してシリサイドを形成してしまう問題があるため、低抵抗シリコン膜は上記スパッタ法によってアモルファスシリコンを形成後、600℃程度の低温で活性化するような手法がより好ましい。   The contact 18b can be formed before the low-resistance polycrystalline silicon film 14 is formed. In that case, there is an advantage that a method of flattening by CMP can be used. However, in the heat treatment for activating the low-resistance polycrystalline silicon film 14, there is a problem that the metal constituting the contact 18b reacts with silicon to form silicide, so that the low-resistance silicon film is made amorphous by the above sputtering method. A method of activating at a low temperature of about 600 ° C. after forming silicon is more preferable.

このように、コンタクト18b上のソース電極8を形成した後、抵抗変化材料を、コリメートスパッタ法などによって、ソース電極8上に堆積し、電気抵抗変化膜6を形成する(図17参照)。続いて、例えばPtからなる金属膜を、コリメートスパッタ法などで、多結晶シリコン膜14の上面より十分高くなるよう成膜する(図17参照)。   After forming the source electrode 8 on the contact 18b in this way, a resistance change material is deposited on the source electrode 8 by a collimated sputtering method or the like to form the electrical resistance change film 6 (see FIG. 17). Subsequently, a metal film made of, for example, Pt is formed so as to be sufficiently higher than the upper surface of the polycrystalline silicon film 14 by a collimated sputtering method or the like (see FIG. 17).

次に、CMPによって平坦化し、図18に示すように、ゲート電極14の上面を露出させる。これにより、電気抵抗変化膜6上にドレイン電極10が形成される。   Next, it is planarized by CMP, and the upper surface of the gate electrode 14 is exposed as shown in FIG. Thereby, the drain electrode 10 is formed on the electric resistance change film 6.

次に、図19に示すように、ゲート電極14、ゲート絶縁膜12、ドレイン電極10の上面を覆うように層間絶縁膜16を堆積し、この層間絶縁膜16に、ゲート電極14およびドレイン電極10に接続するコンタクト18a、18cを形成する。その後、これらのコンタクト18a、18cに接続するゲート電極配線20a、ドレイン電極配線20cを層間絶縁膜16上に形成する(図19参照)。その後、フォーミングを行うことにより、電気抵抗変化膜6中に、ソース電極8とドレイン電極10とを結ぶ細線構造のフィラメント7を形成し、図14に示す本実施形態の縦型の半導体素子を完成する。   Next, as shown in FIG. 19, an interlayer insulating film 16 is deposited so as to cover the upper surfaces of the gate electrode 14, the gate insulating film 12, and the drain electrode 10, and the gate electrode 14 and the drain electrode 10 are formed on the interlayer insulating film 16. The contacts 18a and 18c connected to are formed. Thereafter, a gate electrode wiring 20a and a drain electrode wiring 20c connected to the contacts 18a and 18c are formed on the interlayer insulating film 16 (see FIG. 19). Thereafter, forming is performed to form a filament 7 having a thin wire structure connecting the source electrode 8 and the drain electrode 10 in the electrical resistance change film 6, thereby completing the vertical semiconductor device of this embodiment shown in FIG. 14. To do.

なお、本実施形態においては、ソース電極8が電気抵抗変化膜6の下側にドレイン電極10が電気抵抗変化膜6の上側に形成されていたが、ソース電極8を電気抵抗変化膜6の上側にドレイン電極10を電気抵抗変化膜6の下側に形成してもよい。   In the present embodiment, the source electrode 8 is formed below the electric resistance change film 6 and the drain electrode 10 is formed above the electric resistance change film 6. However, the source electrode 8 is formed above the electric resistance change film 6. Alternatively, the drain electrode 10 may be formed below the electric resistance change film 6.

本実施形態の半導体素子も、第1実施形態と同様に、ロジック動作がプログラム可能でかつ不揮発性記憶素子としても動作することができる半導体素子およびその製造方法をえることができる。また、ロジック回路の製造プロセスのみで半導体素子を製造することが可能になり、しかも素子の動作原理上、微細化を進めやすいといった利点がある。また、本実施形態の半導体素子は、電源を切っても不揮発な記憶素子として使うこともできる。   Similarly to the first embodiment, the semiconductor element of this embodiment can provide a semiconductor element that can be programmed as a logic operation and can also operate as a nonvolatile memory element, and a manufacturing method thereof. In addition, it is possible to manufacture a semiconductor element only by a process for manufacturing a logic circuit, and there is an advantage that miniaturization can be easily promoted due to the operation principle of the element. Further, the semiconductor element of this embodiment can also be used as a nonvolatile memory element even when the power is turned off.

本発明の第1実施形態による半導体素子を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 第1実施形態の半導体素子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor element of 1st Embodiment. 第1実施形態の半導体素子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor element of 1st Embodiment. 第1実施形態の半導体素子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor element of 1st Embodiment. 第1実施形態の半導体素子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor element of 1st Embodiment. 電気抵抗変化膜のフィラメントを説明する断面図。Sectional drawing explaining the filament of an electrical resistance change film. HfON膜の結晶構造を示す写真。Photograph showing the crystal structure of Hf 2 ON 2 film. HfON膜の結晶の(111)方向の断面を示す写真A photograph showing a cross section of the crystal of the Hf 2 ON 2 film in the (111) direction 第1実施形態の半導体素子の動作を説明する図。The figure explaining operation | movement of the semiconductor element of 1st Embodiment. 第1実施形態の半導体素子のゲート電圧に対するソース・ドレイン電流の特性示すグラフ。The graph which shows the characteristic of the source-drain current with respect to the gate voltage of the semiconductor element of 1st Embodiment. 第1実施形態の半導体素子のゲート電圧に対するソース・ドレイン電流の特性示すグラフ。The graph which shows the characteristic of the source-drain current with respect to the gate voltage of the semiconductor element of 1st Embodiment. FPGAの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of FPGA. 第1実施形態の半導体素子を用いたCLBの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of CLB using the semiconductor element of 1st Embodiment. 本発明の第2実施形態による半導体素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor element by 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態の半導体素子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor element of 2nd Embodiment. 第2実施形態の半導体素子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor element of 2nd Embodiment. 第2実施形態の半導体素子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor element of 2nd Embodiment. 第2実施形態の半導体素子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor element of 2nd Embodiment. 第2実施形態の半導体素子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor element of 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1、1A 半導体素子
2 基板
4 絶縁膜
6 電気抵抗変化膜
7 低抵抗のフィラメント
8 ソース電極
10 ドレイン電極
12 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
16 層間絶縁膜
18a、18b、18c コンタクト
20a、20b、20c 配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A Semiconductor element 2 Substrate 4 Insulating film 6 Electric resistance change film 7 Low resistance filament 8 Source electrode 10 Drain electrode 12 Gate insulating film 14 Gate electrode 16 Interlayer insulating films 18a, 18b, 18c Contacts 20a, 20b, 20c Wiring

Claims (9)

対向する第1および第2の面と、前記第1および第2の面と異なる第3の面とを有する電気抵抗変化膜と、
前記電気抵抗変化膜の前記第1の面に接して設けられた第1電極と、
前記電気抵抗変化膜の前記第2の面に接して設けられた第2電極と、
前記電気抵抗変化膜の前記第3の面に接して設けられた絶縁膜と、
前記電気抵抗変化膜の前記第3の面に前記絶縁膜を挟んで設けられた第3電極と、
を備えていることを特徴とする半導体素子。
An electrical resistance change film having first and second surfaces facing each other and a third surface different from the first and second surfaces;
A first electrode provided in contact with the first surface of the electrical resistance change film;
A second electrode provided in contact with the second surface of the electrical resistance change film;
An insulating film provided in contact with the third surface of the electrical resistance change film;
A third electrode provided across the insulating film on the third surface of the electrical resistance change film;
A semiconductor device comprising:
基板と、
前記基板上に設けられた第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に設けられた電気抵抗変化膜と、
前記電気抵抗変化膜の両側面のうちの一方の側面側の前記第1絶縁膜上に、前記電気抵抗変化膜の前記一方の側面に接して設けられた第1電極と、
前記電気抵抗変化膜の両側面のうちの他方の側面側の前記第1絶縁膜上に、前記電気抵抗変化膜の前記他方の側面に接して設けられた第2電極と、
前記電気抵抗変化膜上に設けられた第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に設けられた第3電極と、
を備えていることを特徴とする半導体素子。
A substrate,
A first insulating film provided on the substrate;
An electrical resistance change film provided on the first insulating film;
A first electrode provided on and in contact with the one side surface of the electric resistance change film on the first insulating film on one side surface of both side surfaces of the electric resistance change film;
A second electrode provided on and in contact with the other side surface of the electrical resistance change film on the first insulating film on the other side surface of both side surfaces of the electrical resistance change film;
A second insulating film provided on the electric resistance change film;
A third electrode provided on the second insulating film;
A semiconductor device comprising:
基板と、
前記基板上に設けられた第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に設けられた第1電極と、前記第1電極上に設けられた電気抵抗変化膜と、前記電気抵抗変化膜上に設けられた第2電極とを有する積層膜と、
前記積層膜の側面を覆う第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を挟むように、前記積層膜の側面に設けられた第3電極と、
を備えていることを特徴とする半導体素子。
A substrate,
A first insulating film provided on the substrate;
A laminated film having a first electrode provided on the first insulating film, an electrical resistance change film provided on the first electrode, and a second electrode provided on the electrical resistance change film;
A second insulating film covering a side surface of the laminated film;
A third electrode provided on a side surface of the laminated film so as to sandwich the second insulating film;
A semiconductor device comprising:
前記電気抵抗変化膜内には、前記電気抵抗変化膜内にて最も電気抵抗率が低くかつ前記第1電極と前記第2電極とを結ぶフィラメントがあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体素子。   The electrical resistance change film includes a filament that has the lowest electrical resistivity in the electrical resistance change film and connects the first electrode and the second electrode. The semiconductor element in any one. 前記電気抵抗変化膜は、絶縁破壊しやすさの異方性を有し、かつ前記電気抵抗変化膜の絶縁破壊の容易方向と、前記第1電極と前記第2電極とを結ぶような方向が、略一致していることを特徴とするような請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体素子。   The electrical resistance change film has anisotropy that facilitates dielectric breakdown, and has an easy direction of dielectric breakdown of the electrical resistance change film and a direction connecting the first electrode and the second electrode. 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor elements are substantially coincident with each other. 前記電気抵抗変化膜は、膜厚方向に111配向したHfON、ZrON、およびCeONのいずれかからなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体素子。 The electric resistance change film is made of any one of Hf 2 ON 2 , Zr 2 ON 2 , and Ce 2 ON 2 that are 111-oriented in the film thickness direction. Semiconductor element. 前記電気抵抗変化膜は、前記第1電極と前記第2電極間に、第1電圧値よりも高い電圧が印加された場合には低抵抗状態となり、前記第1電圧値よりも低くかつ第2電圧値よりも高い電圧が印加され場合には、高抵抗状態となることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体素子。   The electrical resistance change film is in a low resistance state when a voltage higher than the first voltage value is applied between the first electrode and the second electrode, and is lower than the first voltage value and second. The semiconductor element according to claim 1, wherein when a voltage higher than a voltage value is applied, the semiconductor element is in a high resistance state. 前記第1電極と前記第2電極間に一定の電圧を印加し、前記第3電極に印加する電圧に応じて前記第1電極と前記第2電極間に流れる電流が変化することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体素子。   A constant voltage is applied between the first electrode and the second electrode, and a current flowing between the first electrode and the second electrode changes according to a voltage applied to the third electrode. The semiconductor element according to claim 1. 請求項1乃至8のいずれかに記載の半導体素子を動作プログラムが再構築可能な論理回路の素子として用いたことを特徴とする半導体集積回路。   9. A semiconductor integrated circuit, wherein the semiconductor element according to claim 1 is used as an element of a logic circuit whose operation program can be reconstructed.
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