JP2008277827A - Non-volatile memory element and its manufacturing method - Google Patents

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Shodai Lee
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-volatile memory element and its manufacturing method. <P>SOLUTION: The non-volatile memory element comprises a first electrode 12 and a second electrode 17 formed on the substrate 11, conductive organic layers 13 and 16 formed between the first electrode 12 and the second electrode 17, a unit cell formed between the conductive organic layers 13 and 16 and having a nano crystal layer 15 containing a plurality of nano crystals 15A surrounded by a barrier 15B of amorphous nature, and a driving means for applying a predetermined input voltage between the first electrode 12 and the second electrode 17 to drive the unit cell to output any one current out of currents of at least three levels. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体素子の製造技術に関し、特に、PoRAM(Polymer Random Access Memory)のように、上部電極と下部電極との間に導電性有機物を介在させた構造を有する不揮発性メモリ素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device manufacturing technique, and more particularly to a nonvolatile memory device having a structure in which a conductive organic material is interposed between an upper electrode and a lower electrode, such as a PoRAM (Polymer Random Access Memory), and its manufacture Regarding the method.

現在、メモリ素子に関しては、揮発性DRAM及び不揮発性フラッシュメモリが主流となっている。   At present, volatile DRAMs and nonvolatile flash memories are mainly used as memory devices.

DRAMは、ゲートへの印加電圧によりセルトランジスタのゲート下のチャネル幅を調整して、ソース端子及びドレイン端子間にチャネルを形成し、ソース端子に接続されたセルキャパシタにおいて電子を充電又は放電させる。セルキャパシタの充電及び放電状態に応じて、セルデータが読み取られる。このようなDRAMは、揮発性メモリ素子であるため、キャパシタを充電し続けなければならないことから、電力消費が多いという問題がある。また、電力が印加されていない場合は、リーク電流によって、素子に入力されたデータが消失するという問題がある。   The DRAM adjusts the channel width under the gate of the cell transistor by the voltage applied to the gate, forms a channel between the source terminal and the drain terminal, and charges or discharges electrons in the cell capacitor connected to the source terminal. Cell data is read according to the charge and discharge states of the cell capacitor. Since such a DRAM is a volatile memory element, the capacitor must be continuously charged, which causes a problem of high power consumption. In addition, when power is not applied, there is a problem that data input to the element is lost due to leakage current.

他方、NANDフラッシュメモリのような不揮発性フラッシュメモリ装置では、コントロールゲート及びチャネル領域に印加された電圧によりFN(Fowler-Nordheim)トンネリングが発生し、このFNトンネリングにより、フローティングゲート内において電子を充電又は放電させる。フローティングゲートの充電及び放電状態に応じて、チャネル領域のしきい値電圧が変化し、フラッシュメモリ装置は、しきい値電圧の変化を読み取ることで0と1のデータを区分する。このようなフラッシュメモリ装置は、FNトンネリングを用いるため、素子内で使用される電圧が極めて高いという問題がある。また、データの書き込み及び読み出しが、FNトンネリングにより、ポリシリコンで製造されたフローティングゲートに電子を充電又は放電する方式で行われるため、データ処理速度がμ秒水準で遅いという問題が発生する。   On the other hand, in a non-volatile flash memory device such as a NAND flash memory, FN (Fowler-Nordheim) tunneling is generated by a voltage applied to the control gate and the channel region, and this FN tunneling charges electrons in the floating gate. Discharge. The threshold voltage of the channel region changes according to the charge and discharge states of the floating gate, and the flash memory device discriminates 0 and 1 data by reading the change of the threshold voltage. Since such a flash memory device uses FN tunneling, there is a problem that the voltage used in the device is extremely high. Further, since data writing and reading are performed by charging or discharging electrons to a floating gate made of polysilicon by FN tunneling, there is a problem that the data processing speed is slow at the microsecond level.

上記のような従来のメモリ素子は、メモリセルのサイズがやや大きく(8F)、少なくとも数十の工程を経なければならないため、素子の集積度の向上、コスト低減及び製造歩留まりの維持が困難である。 The conventional memory device as described above has a slightly large memory cell size (8F 2 ) and must go through at least several tens of steps. Therefore, it is difficult to improve the integration degree of the device, reduce the cost, and maintain the manufacturing yield. It is.

したがって、現在、従来のDRAM及びフラッシュメモリが抱えている上記問題を克服し、同時に長所を兼ね備えた次世代メモリ素子を実現するため、各国の研究機関や企業では多くの研究が行われている。   Therefore, in order to overcome the above-mentioned problems of conventional DRAMs and flash memories and to realize a next-generation memory device having advantages at the same time, many research institutions and companies in various countries are conducting research.

次世代メモリ素子は、その内部の基本単位であるセルを構成する物質により、その研究分野が多岐に渡っている。例えば、相変化物質に電流を加えた後冷却したときの物質が、抵抗値が低い結晶質状態になるか又は抵抗値が高い非晶質状態になるかにより、その抵抗差を用いて0と1のデータを形成したり、導電性有機物への電圧の印加時に、同一電圧で高抵抗と低抵抗とが存在する双安定導電特性を利用したメモリ素子、又は強誘電体の性質を利用したメモリ素子として形成したり、N極及びS極の強磁性物質を用いてデータを格納するといった試みがなされている。また、平板状のシリコンの代わりに、金属、シリコン又は化合物半導体のナノ結晶を用いた平坦なフローティングゲートを備える不揮発性メモリ素子に関する研究も盛んに行われている。   Next-generation memory devices have a wide range of research fields depending on the materials constituting the cells, which are the basic units inside. For example, depending on whether the material when cooled after applying an electric current to the phase change material is in a crystalline state having a low resistance value or an amorphous state having a high resistance value, the resistance difference is set to 0. A memory element using a bistable conductive characteristic in which high-resistance and low-resistance exist at the same voltage when a voltage of 1 is formed or a voltage is applied to a conductive organic substance, or a memory using a ferroelectric property Attempts have been made to form data as elements and to store data using N-pole and S-pole ferromagnetic materials. In addition, research on non-volatile memory devices including flat floating gates using nanocrystals of metal, silicon, or compound semiconductors instead of flat silicon has been actively conducted.

しかし、これらの物質は、その特性を生かして、高集積化したメモリ素子に適用できるようにするための製造条件を見出すことが、次世代メモリ素子における共通の課題として残されている。   However, it is left as a common problem in next-generation memory devices that these materials make use of their characteristics to find manufacturing conditions that can be applied to highly integrated memory devices.

特に、次世代メモリのうち、導電性有機物を用いた不揮発性メモリ(例えば、PoRAM)は、実際の量産に適用されたことがない上に、これをメモリ素子として作製するための適正な製造条件を見出すことが困難である。つまり、導電性有機物中に均一なサイズ及び分布を有するナノ結晶を再現性良く形成することが難しいため、素子のしきい値電圧及び双安定導電特性(Ion/Ioff比)が不均一になるという問題がある。 In particular, among the next generation memories, a non-volatile memory using a conductive organic material (for example, PoRAM) has not been applied to actual mass production, and appropriate manufacturing conditions for manufacturing the non-volatile memory as a memory element. Is difficult to find. That is, since it is difficult to form nanocrystals having a uniform size and distribution in a conductive organic material with good reproducibility, the threshold voltage and bistable conductive characteristics (I on / I off ratio) of the device are not uniform. There is a problem of becoming.

本発明は、上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、電圧が印加されていない状態でもデータの消失がなく、低消費電力で、かつ高集積化(メモリセルサイズ:4F)が可能であり、処理速度が速いPoRAM素子の特性を維持するとともに、均一なサイズ及び分布を有するナノ結晶を様々な方法で形成することにより、同じ素子内のしきい値電圧及びIon/Ioff比を均一に維持することができる不揮発性メモリ素子及びその製造方法を提供することにある。さらに、別の目的は、双安定導電特性の中間状態を利用して単位セルが複数のレベルのデータを有するようにし、かつ単位セルの多重積層が可能な不揮発性メモリ素子及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art, and has an object of preventing loss of data even when no voltage is applied, low power consumption, and high integration ( Memory cell size: 4F 2 ) is possible, while maintaining the characteristics of a PoRAM device having a high processing speed and forming nanocrystals having a uniform size and distribution by various methods, the threshold within the same device can be obtained. It is an object of the present invention to provide a non-volatile memory device that can maintain a uniform value voltage and I on / I off ratio, and a method of manufacturing the same. Furthermore, another object is to provide a non-volatile memory device in which unit cells have multiple levels of data using an intermediate state of bistable conductive characteristics, and a unit cell can be stacked in multiple layers, and a method for manufacturing the same. There is to do.

上記課題を解決するための本発明に係る不揮発性メモリ素子は、基板上に形成された第1電極及び第2電極と、前記第1電極及び前記2電極の間に形成された導電性有機物層と、前記導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含むナノ結晶層を備える単位セル、及び該単位セルが少なくとも3つのレベルの電流のうち、いずれか1つの電流を出力するように、前記第1電極及び前記第2電極間に所定の入力電圧を印加して、前記単位セルを駆動する駆動手段を備えている。   In order to solve the above problems, a nonvolatile memory device according to the present invention includes a first electrode and a second electrode formed on a substrate, and a conductive organic material layer formed between the first electrode and the two electrodes. A unit cell including a nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals formed in the conductive organic material layer and surrounded by a non-crystalline barrier, and the unit cell has at least three levels of current Drive means for driving the unit cell by applying a predetermined input voltage between the first electrode and the second electrode so as to output one current.

上記課題を解決するための本発明に係る別の不揮発性メモリ素子は、基板上に形成された第1電極及び第2電極と、前記第1電極及び前記第2電極の間に形成された導電性有機物層と、該導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含むナノ結晶層とを備える単位セル、及び該単位セルが、高抵抗状態、低抵抗状態及び負性抵抗状態のいずれか1つの状態となるように、前記第1電極及び前記第2電極間に所定の入力電圧を印加して、前記単位セルを駆動する駆動手段を備えている。   Another non-volatile memory device according to the present invention for solving the above-described problems is provided with a first electrode and a second electrode formed on a substrate, and a conductive formed between the first electrode and the second electrode. A unit cell comprising a conductive organic layer and a nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals formed in the conductive organic layer and surrounded by an amorphous barrier, and the unit cell has a high resistance state, a low resistance Drive means for driving the unit cell by applying a predetermined input voltage between the first electrode and the second electrode so as to be in any one of a resistance state and a negative resistance state. .

上記課題を解決するための本発明に係るさらに別の不揮発性メモリ素子は、基板上に形成された第1電極及び第2電極と、前記第1電極及び前記第2電極の間に形成された導電性有機物層と、該導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含むナノ結晶層とを備え、前記第1電極及び前記第2電極間に印加される入力電圧が第1電圧範囲の場合、入力データの読み出し動作が行われ、前記入力電圧が前記第1電圧範囲より高い第2電圧範囲の場合、第1入力データの書き込み動作が行われ、前記入力電圧が前記第2電圧範囲より高い第3電圧範囲の場合、第2入力データの書き込み動作が行われ、前記入力電圧が前記第3電圧範囲より高い第4電圧範囲の場合、前記第1入力データ又は前記第2入力データの消去動作が行われるように構成されている。   Another nonvolatile memory device according to the present invention for solving the above problems is formed between a first electrode and a second electrode formed on a substrate, and the first electrode and the second electrode. A conductive organic material layer; and a nanocrystal layer formed in the conductive organic material layer and including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier, and is applied between the first electrode and the second electrode. When the input voltage is in the first voltage range, an input data read operation is performed. When the input voltage is in the second voltage range higher than the first voltage range, a first input data write operation is performed. When the input voltage is in a third voltage range higher than the second voltage range, a write operation of second input data is performed, and when the input voltage is in a fourth voltage range higher than the third voltage range, the first voltage Of the input data or the second input data Operate is configured to be performed.

上記課題を解決するための本発明に係るさらに別の不揮発性メモリ素子は、基板上に形成された第1電極及び第2電極と、前記第1電極及び前記第2電極の間に形成された第1導電性有機物層と、該第1導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含む第1ナノ結晶層とを備える第1セル、及び、前記第2電極及び第3電極と、前記第2電極及び前記第3電極の間に形成された第2導電性有機物層と、該第2導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含む第2ナノ結晶層とを備える第2セルで構成され、前記第1セルと前記第2セルとが積層されている。   Another nonvolatile memory device according to the present invention for solving the above problems is formed between a first electrode and a second electrode formed on a substrate, and the first electrode and the second electrode. A first cell comprising: a first conductive organic material layer; and a first nanocrystal layer formed in the first conductive organic material layer and including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier; and A second electrode and a third electrode; a second conductive organic layer formed between the second electrode and the third electrode; and a non-crystalline barrier formed in the second conductive organic layer. The second cell includes a second nanocrystal layer including a plurality of enclosed nanocrystals, and the first cell and the second cell are stacked.

上記課題を解決するための本発明に係るさらに別の不揮発性メモリ素子は、基板上に形成された下部電極及び上部電極と、前記下部電極及び前記上部電極の間に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶が分散したポリマー層とを備えている。   Another non-volatile memory device according to the present invention for solving the above problems is formed between a lower electrode and an upper electrode formed on a substrate and the lower electrode and the upper electrode, and is non-crystalline. And a polymer layer in which a plurality of nanocrystals surrounded by a barrier are dispersed.

上記課題を解決するための本発明に係るさらに別の不揮発性メモリ素子は、基板上に形成された第1電極及び第2電極と、前記第1電極及び前記第2電極の間に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶が分散した第1ポリマー層とを備える第1セル、及び、前記第2電極及び第3電極と、前記第2電極及び前記第3電極の間に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶が分散した第ポリマー層とを備える第2セルで構成され、前記第1セルと前記第2セルとが積層されている。   Another nonvolatile memory device according to the present invention for solving the above problems is formed between a first electrode and a second electrode formed on a substrate, and the first electrode and the second electrode. A first cell comprising a first polymer layer dispersed with a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier, and between the second electrode and the third electrode, and between the second electrode and the third electrode; The second cell includes a first polymer layer in which a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier are dispersed, and the first cell and the second cell are stacked.

また、上記課題を解決するための本発明に係る不揮発性メモリ素子の製造方法は、基板上に第1電極を形成するステップ、前記第1電極を含む前記基板上に第1導電性有機物層を形成するステップ、前記第1導電性有機物層上に、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含む第1ナノ結晶層を形成するステップ、前記第1ナノ結晶層を含む前記第1導電性有機物層上に第2導電性有機物層を形成するステップ、及び前記第2導電性有機物層を含む基板上に第2電極を形成するステップにより第1セルを形成するステップと、前記第2電極を含む前記基板上に第3導電性有機物層を形成するステップ、前記第3導電性有機物層上に、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含む第2ナノ結晶層を形成するステップ、前記第2ナノ結晶層を含む前記第3導電性有機物層上に第4導電性有機物層を形成するステップ、及び前記第4導電性有機物層を含む基板上に第3電極を形成するステップにより第2セルを形成するステップを含んでいる。   According to another aspect of the present invention, there is provided a non-volatile memory device manufacturing method comprising: forming a first electrode on a substrate; and forming a first conductive organic material layer on the substrate including the first electrode. Forming a first nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier on the first conductive organic material layer; and the first nanocrystal layer including the first nanocrystal layer. Forming a first cell by forming a second conductive organic material layer on the conductive organic material layer, and forming a second electrode on the substrate including the second conductive organic material layer; and Forming a third conductive organic layer on the substrate including an electrode; forming a second nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier on the third conductive organic layer; Performing the second nanostructure Forming a fourth cell by forming a fourth conductive organic layer on the third conductive organic layer including the layer, and forming a third electrode on the substrate including the fourth conductive organic layer. Includes steps.

上記課題を解決するための本発明に係る別の不揮発性メモリ素子の製造方法は、基板上に第1電極を形成するステップと、前記第1電極を含む前記基板上に第1導電性有機物層を形成するステップと、前記第1導電性有機物層上に第1バリア物質層を形成するステップと、前記第1バリア物質層上に所定の金属層を形成するステップと、前記所定の金属層上に第2バリア物質層を形成するステップと、前記第2バリア物質層を含む前記第1導電性有機物層上に第2導電性有機物層を形成するステップと、前記第2導電性有機物層を含む形成された積層体を硬化するステップと、前記第2導電性有機物層を含む前記基板上に第2電極を形成するステップとを含み、前記第1導電性有機物層と前記第2導電性有機物層との間に、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含むナノ結晶層を形成し、前記ナノ結晶が前記所定の金属層の金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記第1バリア物質及び前記第2バリア物質からなる。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a nonvolatile memory device, comprising: forming a first electrode on a substrate; and a first conductive organic material layer on the substrate including the first electrode. Forming a first barrier material layer on the first conductive organic material layer, forming a predetermined metal layer on the first barrier material layer, and on the predetermined metal layer Forming a second barrier material layer, forming a second conductive organic material layer on the first conductive organic material layer including the second barrier material layer, and including the second conductive organic material layer. Curing the formed laminate, and forming a second electrode on the substrate including the second conductive organic material layer, the first conductive organic material layer and the second conductive organic material layer. Between the non-crystalline barrier A nanocrystal layer including a plurality of enclosed nanocrystals is formed, the nanocrystals are made of metal of the predetermined metal layer, and the non-crystalline barrier is made of the first barrier material and the second barrier material. .

上記課題を解決するための本発明に係るさらに別の不揮発性メモリ素子の製造方法は、基板上に下部電極を形成するステップと、前記下部電極を含む基板上に、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶が分散したポリマー層を形成するステップと、前記ポリマー層を含む前記基板上に上部電極を形成するステップとを含んでいる。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nonvolatile memory device, comprising: forming a lower electrode on a substrate; and enclosing a non-crystalline barrier on the substrate including the lower electrode. Forming a polymer layer in which a plurality of nanocrystals are dispersed, and forming an upper electrode on the substrate including the polymer layer.

上記課題を解決するための本発明に係るナノ結晶層の形成方法は、基板上に第1バリア物質層を形成するステップと、前記第1バリア物質層上に金属層を形成するステップと、前記金属層上に第2バリア物質層を形成するステップと、前記第2バリア物質層を含む形成された積層体を硬化するステップとを含み、前記第1バリア物質及び前記第2バリア物質に囲まれた複数の金属ナノ結晶を形成する。   The method for forming a nanocrystal layer according to the present invention for solving the above-described problems includes a step of forming a first barrier material layer on a substrate, a step of forming a metal layer on the first barrier material layer, Forming a second barrier material layer on the metal layer; and curing the formed laminate including the second barrier material layer, and being surrounded by the first barrier material and the second barrier material. A plurality of metal nanocrystals are formed.

以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明に係る技術的思想を容易に実施できる程度に詳細に説明するため、本発明の好ましい実施の形態を添付の図面を参照して説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings in order to describe in detail to such an extent that a person having ordinary knowledge in the technical field of the present invention can easily implement the technical idea of the present invention. I will explain.

本明細書では、導電性有機物の種類に応じて、本発明の不揮発性メモリ素子、例えば、PoRAMを区別して説明する。具体的には、導電性有機物として、低分子物質(例えば、AIDCN、Alq、α−NPD)を用いる場合と、高分子物質(例えば、PVK)を用いる場合とに分けて説明する。これは、導電性有機物の種類に応じて、本発明の不揮発性メモリ素子の製造方法が異なることが好ましいからであり、製造方法の違いによって、製造される素子の構造も一部異なるからである。 In the present specification, the nonvolatile memory element of the present invention, for example, PoRAM will be described separately depending on the type of the conductive organic material. Specifically, the case where a low molecular substance (for example, AIDCN, Alq 3 , α-NPD) is used as the conductive organic substance and the case where a high molecular substance (for example, PVK) is used will be described separately. This is because the manufacturing method of the nonvolatile memory element of the present invention is preferably different depending on the type of the conductive organic substance, and the structure of the manufactured element is partially different depending on the manufacturing method. .

まず、導電性有機物として低分子物質を用いた場合の不揮発性メモリ素子については、以下の図1A〜図14Bを参照して説明する。   First, a nonvolatile memory element using a low molecular weight material as a conductive organic material will be described with reference to FIGS. 1A to 14B below.

図1Aは、本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の構成を示す断面図であり、図1Bは、本発明の一実施の形態の変形例に係る不揮発性メモリ素子の構成を示す断面図である。特に、これらの断面図は、セルアレイ領域を示している。   1A is a cross-sectional view illustrating a configuration of a nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B illustrates a configuration of a nonvolatile memory element according to a modification of the embodiment of the present invention. It is sectional drawing. In particular, these cross-sectional views show the cell array region.

図1Aに示すように、本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子は、基板11上に形成された下部電極12及び上部電極17、下部電極12と上部電極17との間に形成された第1導電性有機物層13及び第2導電性有機物層16、及び第1導電性有機物層13と第2導電性有機物層16との間に形成されたナノ結晶層15で構成された単位セルを備えている。ここで、ナノ結晶層15は、複数の結晶質のナノ結晶15Aと、ナノ結晶15Aを囲む非結晶性のバリア15Bとを含む。すなわち、非結晶性のバリア15Bは、その内部にナノ結晶15Aを備える連続膜であり、ナノ結晶15Aにおいて充電又は放電される電子のトンネリングバリアとして機能する。以下に、図1Aの不揮発性メモリ素子を構成する各物質層を詳細に説明する。   As shown in FIG. 1A, a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention is formed between a lower electrode 12 and an upper electrode 17 formed on a substrate 11, and between the lower electrode 12 and the upper electrode 17. A unit cell composed of the first conductive organic material layer 13 and the second conductive organic material layer 16 and the nanocrystal layer 15 formed between the first conductive organic material layer 13 and the second conductive organic material layer 16. It has. Here, the nanocrystal layer 15 includes a plurality of crystalline nanocrystals 15A and an amorphous barrier 15B surrounding the nanocrystals 15A. That is, the non-crystalline barrier 15B is a continuous film including the nanocrystal 15A therein, and functions as a tunneling barrier for electrons charged or discharged in the nanocrystal 15A. Hereinafter, each material layer constituting the nonvolatile memory device of FIG. 1A will be described in detail.

まず、基板11としては、絶縁性基板、半導体性基板又は導電性基板を用いることができる。すなわち、プラスチック基板、ガラス基板、Al基板、SiC基板、ZnO基板、Si基板、GaAs基板、GaP基板、LiAl基板、BN基板、AlN基板、SOI基板及びGaN基板のうちの少なくともいずれか1つを用いることができる。半導体性基板や導電性基板を用いた場合は、基板11と下部電極12との間を絶縁体で分離しなければならない。 First, as the substrate 11, an insulating substrate, a semiconductor substrate, or a conductive substrate can be used. That is, at least one of a plastic substrate, a glass substrate, an Al 2 O 3 substrate, a SiC substrate, a ZnO substrate, a Si substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, a LiAl 2 O 3 substrate, a BN substrate, an AlN substrate, an SOI substrate, and a GaN substrate. Any one can be used. When a semiconductor substrate or a conductive substrate is used, the substrate 11 and the lower electrode 12 must be separated by an insulator.

下部電極12及び上部電極17は、電気伝導性を有する物質である。特に、電気抵抗が低く、導電性有機物との界面特性に優れた金属を用いることが好ましい。特に、Al、Ti、Zn、Fe、Ni、Sn、Pb、Cu及びこれらの合金から選択されるいずれか1つを用いることが好ましい。   The lower electrode 12 and the upper electrode 17 are materials having electrical conductivity. In particular, it is preferable to use a metal having low electrical resistance and excellent interface characteristics with a conductive organic material. In particular, it is preferable to use any one selected from Al, Ti, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu, and alloys thereof.

第1導電性有機物層13及び第2導電性有機物層16としては、低分子化合物であるAIDCN、α−NPD及びAlqのいずれか1つを用いることが好ましい。 As the first conductive organic material layer 13 and the second conductive organic material layer 16, it is preferable to use any one of AIDCN, α-NPD, and Alq 3 which are low molecular compounds.

AIDCNは、下記化学構造式で表される。   AIDCN is represented by the following chemical structural formula.

α−NPDは、下記化学構造式で表される。 α-NPD is represented by the following chemical structural formula.

Alqは、下記化学構造式で表される。 Alq 3 is represented by the following chemical structural formula.

ナノ結晶層15は、上記のように、複数のナノ結晶15Aと、ナノ結晶15Aを囲む非結晶性のバリア15Bとを含み、ナノ結晶層15は、酸化可能な第1金属層の成膜及び第1金属層のプラズマ酸化により形成することが好ましい。これは、一定のサイズ及び分布を有する安定したナノ結晶15Aを形成することにより安定した素子の特性を確保し、極めて簡単な処理により非結晶性のバリア15Bを形成することができるからである。これにより、ナノ結晶15Aは、第1金属からなり、非結晶性のバリア15Bは、第1金属の酸化物からなる。例えば、ナノ結晶15AがAlの場合、非結晶性のバリア15Bは、Al(特に、Al)であり、ナノ結晶15AがNiの場合、非結晶性のバリア15Bは、Ni(特に、NiO)である。しかし、これらに限定されず、ナノ結晶15Aは、酸化可能な金属、例えば、Al、Mg、Ti、Zn、Fe、Ni、Sn、Pb、Cu及びこれらの合金から選択されるいずれか1つからなり、非結晶性のバリア15Bは、選択された金属の酸化物からなる。このようなナノ結晶層15の形成方法は、後述する不揮発性メモリ素子の製造方法でより詳細に説明する(図2A〜図3D参照)。 As described above, the nanocrystal layer 15 includes the plurality of nanocrystals 15A and the non-crystalline barrier 15B surrounding the nanocrystal 15A. The nanocrystal layer 15 is formed by forming a first metal layer that can be oxidized and Preferably, the first metal layer is formed by plasma oxidation. This is because the stable device characteristics can be secured by forming the stable nanocrystal 15A having a certain size and distribution, and the amorphous barrier 15B can be formed by an extremely simple process. Thus, the nanocrystal 15A is made of the first metal, and the non-crystalline barrier 15B is made of the oxide of the first metal. For example, when the nanocrystal 15A is Al, the non-crystalline barrier 15B is Al X O Y (especially Al 2 O 3 ), and when the nanocrystal 15A is Ni, the non-crystalline barrier 15B is Ni X O Y (particularly NiO). However, the invention is not limited thereto, and the nanocrystal 15A is made of any one selected from oxidizable metals such as Al, Mg, Ti, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu, and alloys thereof. Thus, the non-crystalline barrier 15B is made of an oxide of a selected metal. The method for forming the nanocrystal layer 15 will be described in more detail with reference to a method for manufacturing a nonvolatile memory element described later (see FIGS. 2A to 3D).

ここで、ナノ結晶層15の厚さは、1nm〜40nmの範囲であることが好ましい。一実施の形態において、ナノ結晶層15の厚さは、10nm〜15nmの範囲である。本明細書では、一例として、1層のナノ結晶層15を示しているが、これに限定されず、複数のナノ結晶層15が積層された構造を有していてもよい。好ましくは、1つの単位セルに含まれるナノ結晶層15の層数は、2〜8であり、より好ましくは、2〜4である。このようにナノ結晶層15を積層すれば、素子のデータ保持能力を向上させることができ、効果的なエネルギーギャップを維持することができる。また、一実施の形態において、ナノ結晶層15が複数積層された場合、各々のナノ結晶層15の厚さは、互いに同じであることが好ましい。このように、第1導電性有機物層13と第2導電性有機物層16との間に、ナノ結晶15Aとこれを囲む非結晶性のバリア15Bとを含むナノ結晶層15で構成された単位セルを備える場合には、後述のように、下部電極12及び上部電極17に印加される電圧に応じて、素子が所定の抵抗値を有する状態となり、抵抗値に応じたレベルの電流を出力できるため、単位セルに1ビット以上のデータを格納することができる。このような素子の動作特性については後述する(図6A〜図7H参照)。   Here, the thickness of the nanocrystal layer 15 is preferably in the range of 1 nm to 40 nm. In one embodiment, the thickness of the nanocrystal layer 15 is in the range of 10 nm to 15 nm. In this specification, although the single nanocrystal layer 15 is shown as an example, it is not limited to this, You may have the structure where the several nanocrystal layer 15 was laminated | stacked. Preferably, the number of nanocrystal layers 15 included in one unit cell is 2 to 8, more preferably 2 to 4. By laminating the nanocrystal layer 15 in this way, the data retention capability of the element can be improved and an effective energy gap can be maintained. In one embodiment, when a plurality of nanocrystal layers 15 are stacked, the thickness of each nanocrystal layer 15 is preferably the same. As described above, the unit cell including the nanocrystal layer 15 including the nanocrystal 15A and the non-crystalline barrier 15B surrounding the nanocrystal 15A between the first conductive organic material layer 13 and the second conductive organic material layer 16. As described later, the element has a predetermined resistance value according to the voltage applied to the lower electrode 12 and the upper electrode 17, and can output a current at a level corresponding to the resistance value. , Data of 1 bit or more can be stored in the unit cell. The operation characteristics of such an element will be described later (see FIGS. 6A to 7H).

図1Bに示すように、上記図1Aに示す単位セルが2つ積層された二重セル構造を有する不揮発性メモリ素子が形成される。すなわち、図1Bに示した不揮発性メモリ素子は、第1セル1Cと第2セル2Cとの積層構造であり、第1セル1Cは、基板110上に形成され、第1セル1Cの下部電極及び上部電極に相当する第1電極120及び第2電極220、第1電極120と第2電極220との間に形成された第1導電性有機物層130及び第2導電性有機物層160、及び第1導電性有機物層130と第2導電性有機物層160との間に形成された第1ナノ結晶層150を備えている。また、第2セル2Cは、第2セル2Cの下部電極及び上部電極に相当する第2電極220及び第3電極270、第2電極220と第3電極270との間に形成された第3導電性有機物層230及び第4導電性有機物層260、及び第3導電性有機物層230と第4導電性有機物層260との間に形成された第2ナノ結晶層250を備えている。ここで、第2電極220は、第1セル1C及び第2セル2Cの共通電極として用いられる。別の実施の形態では、第1セル及び第2セルは、それぞれ別の第2電極を用いてもよい。このような二重セル構造を有する不揮発性メモリ素子において、各物質層は、図1Aを参照して説明したものと同じであるため、重複する説明を省略する。   As shown in FIG. 1B, a nonvolatile memory device having a double cell structure in which two unit cells shown in FIG. 1A are stacked is formed. That is, the nonvolatile memory device shown in FIG. 1B has a stacked structure of a first cell 1C and a second cell 2C. The first cell 1C is formed on the substrate 110, and includes a lower electrode and a first electrode of the first cell 1C. The first electrode 120 and the second electrode 220 corresponding to the upper electrode, the first conductive organic layer 130 and the second conductive organic layer 160 formed between the first electrode 120 and the second electrode 220, and the first The first nanocrystal layer 150 is provided between the conductive organic layer 130 and the second conductive organic layer 160. The second cell 2C includes a second electrode 220 and a third electrode 270 corresponding to the lower electrode and the upper electrode of the second cell 2C, and a third conductivity formed between the second electrode 220 and the third electrode 270. The second nanocrystal layer 250 formed between the conductive organic layer 230 and the fourth conductive organic layer 260 and between the third conductive organic layer 230 and the fourth conductive organic layer 260. Here, the second electrode 220 is used as a common electrode of the first cell 1C and the second cell 2C. In another embodiment, the first cell and the second cell may use different second electrodes. In the nonvolatile memory device having such a double cell structure, each material layer is the same as that described with reference to FIG.

このように、2つのセルを積層することにより、単一面積内での集積度を向上させることができる。しかし、これに限定されず、同じ方法で3つ以上のセルを積層してもよい。また、2つ以上のセルが積層された構造を有する場合でも、各々のセルは、積層されていない単一のセルと同様に、所定の抵抗値を有する状態となり、抵抗値に応じた複数のレベルの電流を出力することができる。このような素子の動作特性については後述する(図13A〜図14B参照)。   In this way, by stacking two cells, the degree of integration within a single area can be improved. However, the present invention is not limited to this, and three or more cells may be stacked by the same method. Further, even in the case of a structure in which two or more cells are stacked, each cell has a predetermined resistance value as in the case of a single cell that is not stacked, and a plurality of cells according to the resistance value A level current can be output. The operation characteristics of such an element will be described later (see FIGS. 13A to 14B).

図2A〜図2Fは、本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。これらの図において、左側は、不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための平面図であり、右側は、左側の平面図に示したA−A線における断面図である。   2A to 2F are views for explaining a method of manufacturing a nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention. In these drawings, the left side is a plan view for explaining a method for manufacturing a nonvolatile memory element, and the right side is a cross-sectional view taken along line AA shown in the left plan view.

図2Aに示すように、基板211上に第1電極212を形成する。本明細書では、一例として、熱蒸着法を用いて、基板211上に所定の方向(横方向)に延びる直線状の第1電極212を形成する例を説明する。   As shown in FIG. 2A, the first electrode 212 is formed on the substrate 211. In this specification, as an example, an example in which the linear first electrode 212 extending in a predetermined direction (lateral direction) is formed on the substrate 211 using a thermal evaporation method will be described.

具体的には、まず、基板211を、金属層を蒸着のためのチャンバ(図示せず)内に配置した後、第1シャドーマスク(図示せず)を用いて、第1電極212が形成される領域を露出させる。その後、チャンバ内の圧力を10−6Pa〜10−3Paの範囲とし、蒸着速度を2Å/s〜7Å/sの範囲に維持した状態で、1000℃〜1500℃の範囲の温度で原料金属を蒸発させて、露出した基板211上に金属層を形成する。この金属層が第1電極212になる。第1電極212を形成するための金属層を蒸着する前又は後に、所定の洗浄を実施してもよい。 Specifically, first, the substrate 211 is placed in a chamber (not shown) for vapor deposition of a metal layer, and then the first electrode 212 is formed using a first shadow mask (not shown). The exposed area. Thereafter, the pressure in the chamber is set to a range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the deposition metal is maintained at a temperature in the range of 1000 ° C. to 1500 ° C. with the deposition rate maintained in the range of 2 to 7 ° C./s. Is evaporated to form a metal layer on the exposed substrate 211. This metal layer becomes the first electrode 212. Predetermined cleaning may be performed before or after the metal layer for forming the first electrode 212 is deposited.

ここで、第1電極212としては、Alを用いることが好ましい。しかし、これに限定されず、Al、Ti、Zn、Fe、Ni、Sn、Pb、Cu及びこれらの合金から選択されるいずれか1つを用いることができる。第1電極212の厚さは、50nm〜100nmの範囲であることが好ましい。   Here, it is preferable to use Al as the first electrode 212. However, the present invention is not limited to this, and any one selected from Al, Ti, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu, and alloys thereof can be used. The thickness of the first electrode 212 is preferably in the range of 50 nm to 100 nm.

基板211としては、シリコン基板又はガラス基板を用いることが好適であり、シリコン基板を用いた場合は、基板上の全面に絶縁膜を蒸着しなければならない。この絶縁膜としては、酸化物又は窒化物系の物質を用いることが好ましい。   A silicon substrate or a glass substrate is preferably used as the substrate 211. When a silicon substrate is used, an insulating film must be deposited on the entire surface of the substrate. As this insulating film, an oxide or nitride-based substance is preferably used.

図2Bに示すように、直線状の第1電極212が形成された基板211上に、第1導電性有機物層213を形成する。本明細書では、一例として、熱蒸着法を用いて、第1電極212の一部と重なる第1導電性有機物層213を形成する。   As shown in FIG. 2B, a first conductive organic material layer 213 is formed on a substrate 211 on which a linear first electrode 212 is formed. In this specification, as an example, the first conductive organic material layer 213 which overlaps with a part of the first electrode 212 is formed by a thermal evaporation method.

具体的には、第1導電性有機物層213を形成するため、第1電極212が形成された基板211を、導電性有機物を蒸着するためのチャンバ(図示せず)内に配置した後、第2シャドーマスク(図示せず)を用いて、第1導電性有機物層213の形成領域を露出させる。このとき、第1導電性有機物層213の一部が第1電極212を囲む形状に形成されるように、露出させる領域は、図示されているように、その中心部に第1電極212が位置する四角形であることが好ましい。もちろん、これに限定されず、円形、楕円形、三角形、多角形などの形状であってもよい。その後、チャンバ内の圧力を10−6Pa〜10−3Paの範囲とし、蒸着速度を0.2Å/s〜1.5Å/sの範囲に維持した状態で、150℃〜400℃の範囲の温度で、原料有機物質を蒸発させて、露出した基板211及び第1電極212上に第1導電性有機物層213を形成する。 Specifically, in order to form the first conductive organic material layer 213, after the substrate 211 on which the first electrode 212 is formed is placed in a chamber (not shown) for depositing the conductive organic material, A formation region of the first conductive organic material layer 213 is exposed using a two-shadow mask (not shown). At this time, the exposed region is such that a part of the first conductive organic material layer 213 is formed in a shape surrounding the first electrode 212, and the first electrode 212 is positioned at the center as shown in the figure. It is preferable that the shape is a square. Of course, the shape is not limited to this, and may be a circle, an ellipse, a triangle, a polygon, or the like. Thereafter, the pressure in the chamber is in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the deposition rate is maintained in the range of 0.2 Å / s to 1.5 Å / s. The source organic material is evaporated at a temperature to form a first conductive organic material layer 213 on the exposed substrate 211 and the first electrode 212.

ここで、第1導電性有機物層213としては、低分子物質であるAIDCN、α−NPD又はAlqを用いることが好ましい。第1導電性有機物層213の厚さは、10nm〜100nmの範囲であることが好適である。 Here, the first conductive organic material layer 213 is a low molecular weight substance AIDCN, it is preferable to use alpha-NPD or Alq 3. The thickness of the first conductive organic material layer 213 is preferably in the range of 10 nm to 100 nm.

図2C及び図2Dに示すように、第1導電性有機物層213上に金属層214を蒸着した後、プラズマ酸化を行うことにより、金属からなる複数のナノ結晶215Aと、ナノ結晶215Aを囲む非結晶性のバリア215Bとで構成されたナノ結晶層215を形成する。ナノ結晶215Aは金属からなり、非結晶性のバリア215Bは、金属層214を構成する金属の酸化物からなる。ナノ結晶層215は、金属層214の蒸着厚さに応じて、均一な厚さ(例えば、1nm〜40nmの範囲)となる。すなわち、非結晶性のバリア215Bは、その内部にナノ結晶215Aを備える連続膜である。   As shown in FIG. 2C and FIG. 2D, a metal layer 214 is deposited on the first conductive organic material layer 213, and then plasma oxidation is performed, so that a plurality of nanocrystals 215A made of metal and A nanocrystal layer 215 composed of a crystalline barrier 215B is formed. The nanocrystal 215A is made of a metal, and the non-crystalline barrier 215B is made of an oxide of a metal constituting the metal layer 214. The nanocrystal layer 215 has a uniform thickness (for example, in the range of 1 nm to 40 nm) according to the deposition thickness of the metal layer 214. That is, the non-crystalline barrier 215B is a continuous film including nanocrystals 215A therein.

具体的には、第1導電性有機物層213が形成された基板211を、金属を蒸着のためのチャンバ(図示せず)内に配置する。第3シャドーマスク(図示せず)を用いて、ナノ結晶層215が形成される領域の第1導電性有機物層213を露出させる。このとき、第1導電性有機物層213の一部が露出し、第1導電性有機物層213の下の第1電極212の少なくとも一部とナノ結晶層215とが重なるように露出領域を形成し、これにより、ナノ結晶層215の一部が、第1電極212の一部と重なるようにする。このように、第3シャドーマスクによって露出する領域の形状は、第1導電性有機物層213と同じ又は相似形の形状(例えば、四角形状)であることが好ましい。   Specifically, the substrate 211 on which the first conductive organic material layer 213 is formed is placed in a chamber (not shown) for depositing metal. Using a third shadow mask (not shown), the first conductive organic material layer 213 in the region where the nanocrystal layer 215 is formed is exposed. At this time, an exposed region is formed such that a part of the first conductive organic material layer 213 is exposed and at least a part of the first electrode 212 under the first conductive organic material layer 213 overlaps the nanocrystal layer 215. As a result, a part of the nanocrystal layer 215 overlaps a part of the first electrode 212. Thus, the shape of the region exposed by the third shadow mask is preferably the same as or similar to the first conductive organic material layer 213 (for example, a square shape).

その後、チャンバ内の圧力を10−6Pa〜10−3Paの範囲とし、蒸着速度を0.1Å/s〜7.0Å/sの範囲に維持した状態で、800℃〜1500℃の範囲の温度で原料金属を蒸発させて、露出した第1導電性有機物層213上に、1nm〜40nmの範囲の厚さを有する金属層214を形成する。より好ましくは、金属層214がAlの場合、蒸着速度を1.0Å/s〜5.0Å/sの範囲とし、金属層214がNiの場合は、蒸着速度を0.1Å/s〜1.0Å/sの範囲とする。このとき、金属層214は、蒸着速度が高いため、ナノ結晶の形ではなく、結晶粒界を有する金属薄膜として形成される(図3A参照)。 Thereafter, the pressure in the chamber is in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa and the deposition rate is maintained in the range of 0.1 Å / s to 7.0 Å / s. The source metal is evaporated at a temperature to form a metal layer 214 having a thickness in the range of 1 nm to 40 nm on the exposed first conductive organic layer 213. More preferably, when the metal layer 214 is Al, the deposition rate is in the range of 1.0 Å / s to 5.0 Å / s, and when the metal layer 214 is Ni, the deposition rate is 0.1 Å / s to 1.. The range is 0 Å / s. At this time, since the vapor deposition rate is high, the metal layer 214 is not formed in a nanocrystal form but is formed as a metal thin film having a crystal grain boundary (see FIG. 3A).

次に、前記金属層214が形成された基板211を、プラズマ酸化用のチャンバ(図示せず)内に配置する。このチャンバに50W〜300Wの範囲のRFパワー及び、100V〜200Vの範囲のACバイアスを印加し、0.5Pa〜3.0Paの範囲の圧力で、Oガスを導入してプラズマ酸化を行う。このときの処理時間は、50秒〜500秒間であることが好ましい。これにより、結晶粒界を有する金属層214は、その粒界に沿ってOプラズマが浸透して酸化され、同じ大きさの複数のナノ結晶215Aと、これを囲む非結晶性の金属酸化物、すなわち、バリア215Bとが形成される(図3B〜図3D参照)。このとき、上述のように、ナノ結晶層215は、金属層214の厚さに応じて、その厚さが1nm〜40nmの範囲に形成することが好ましい。もちろん、金属層214の厚さをさらに厚く形成してもよいが、金属層214の厚さが50nm以上の場合は、金属層214の結晶粒界の内部にOプラズマが十分に浸透しないので、所定の特性のナノ結晶層215が形成されないことがある。また、プラズマ酸化以外の方法により、蒸着チャンバ内で金属層214を酸化してナノ結晶を形成してもよいが、一定のサイズ及び分布を有する安定したナノ結晶を形成するためには、結晶粒界に沿ってOプラズマを浸透させることにより強制的に酸化させることが好ましい。 Next, the substrate 211 on which the metal layer 214 is formed is placed in a plasma oxidation chamber (not shown). An RF power in the range of 50 W to 300 W and an AC bias in the range of 100 V to 200 V are applied to the chamber, and O 2 gas is introduced at a pressure in the range of 0.5 Pa to 3.0 Pa to perform plasma oxidation. The treatment time at this time is preferably 50 seconds to 500 seconds. As a result, the metal layer 214 having a crystal grain boundary is oxidized by the penetration of O 2 plasma along the grain boundary, and a plurality of nanocrystals 215A having the same size and an amorphous metal oxide surrounding the nanocrystal 215A. That is, the barrier 215B is formed (see FIGS. 3B to 3D). At this time, as described above, the nanocrystal layer 215 is preferably formed in a range of 1 nm to 40 nm in accordance with the thickness of the metal layer 214. Of course, the thickness of the metal layer 214 may be further increased. However, when the thickness of the metal layer 214 is 50 nm or more, O 2 plasma does not sufficiently penetrate into the crystal grain boundary of the metal layer 214. The nanocrystal layer 215 having a predetermined characteristic may not be formed. Alternatively, the metal layer 214 may be oxidized in the deposition chamber by a method other than plasma oxidation to form nanocrystals. However, in order to form stable nanocrystals having a certain size and distribution, crystal grains may be used. It is preferable to forcibly oxidize by infiltrating O 2 plasma along the boundary.

ここで、金属層214の蒸着及びプラズマ酸化を複数回繰り返すことにより、複数のナノ結晶薄膜を有する多層のナノ結晶層215を形成することもできる。このとき、金属層214の蒸着厚さに応じて、多層のナノ結晶層215を構成する複数のナノ結晶薄膜が互いに同じ厚さになるように形成してもよく、互いに異なる厚さになるように形成してもよい。一実施の形態では、互いに同じ厚さのナノ結晶薄膜を形成することが好適である。   Here, the multilayer nanocrystal layer 215 having a plurality of nanocrystal thin films can be formed by repeating the deposition and plasma oxidation of the metal layer 214 a plurality of times. At this time, according to the deposition thickness of the metal layer 214, a plurality of nanocrystal thin films constituting the multi-layer nanocrystal layer 215 may be formed to have the same thickness or different thicknesses. You may form in. In one embodiment, it is preferable to form nanocrystal thin films having the same thickness.

図2Eに示すように、ナノ結晶層215が形成された第1導電性有機物層213上に第2導電性有機物層216を形成する。本明細書では、一例として、熱蒸着法を用いて、第1導電性有機物層213と重なる第2導電性有機物層216を形成する。   As shown in FIG. 2E, a second conductive organic material layer 216 is formed on the first conductive organic material layer 213 on which the nanocrystal layer 215 is formed. In this specification, as an example, the second conductive organic material layer 216 that overlaps the first conductive organic material layer 213 is formed by a thermal evaporation method.

具体的には、第2導電性有機物層216を形成するため、ナノ結晶層215を含む基板211を、導電性有機物蒸着用のチャンバ(図示せず)内に配置する。その後、上述した第1導電性有機物213を蒸着するための第2シャドーマスクを用いて、ナノ結晶層215が形成された第1導電性有機物層213を露出させる。次いで、チャンバ内の圧力を10−6Pa〜10−3Paの範囲とし、蒸着速度を0.2Å/s〜1.5Å/sの範囲に維持した状態で、150℃〜400℃の範囲の温度で原料有機物質を蒸発させて、露出したナノ結晶層215及び第1導電性有機物層213上に第2導電性有機物層216を形成する。 Specifically, in order to form the second conductive organic material layer 216, the substrate 211 including the nanocrystal layer 215 is disposed in a conductive organic material deposition chamber (not shown). Thereafter, the first conductive organic material layer 213 on which the nanocrystal layer 215 is formed is exposed using the second shadow mask for depositing the first conductive organic material 213 described above. Next, the pressure in the chamber is in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the deposition rate is maintained in the range of 0.2 Å / s to 1.5 Å / s. The source organic material is evaporated at a temperature to form a second conductive organic material layer 216 on the exposed nanocrystal layer 215 and the first conductive organic material layer 213.

本実施の形態において、第2導電性有機物層216は、第1導電性有機物層213と同じ物質を用い、第2導電性有機物層216の厚さは、10nm〜100nmの範囲であることが好適である。第2導電性有機物層216は、別の実施の形態では、異なる物質で形成してもよい。このように、第1導電性有機物層213上の一部にナノ結晶層215を形成し、その上に第2導電性有機物層216を蒸着することにより、第2導電性有機物層216がナノ結晶層215を囲むようにする。第2導電性有機物層216は、第1導電性有機物層213と同じ厚さに形成してもよく、それよりも薄い厚さに形成してもよい。   In the present embodiment, the second conductive organic material layer 216 uses the same material as the first conductive organic material layer 213, and the thickness of the second conductive organic material layer 216 is preferably in the range of 10 nm to 100 nm. It is. The second conductive organic material layer 216 may be formed of a different material in another embodiment. As described above, the nanocrystalline layer 215 is formed on a part of the first conductive organic material layer 213, and the second conductive organic material layer 216 is deposited thereon, so that the second conductive organic material layer 216 becomes a nanocrystal. Surround layer 215. The second conductive organic material layer 216 may be formed to the same thickness as the first conductive organic material layer 213 or may be formed to a thickness smaller than that.

図2Fに示すように、第2導電性有機物層216を含む基板211上に第2電極217を形成する。このとき、第2電極217は、熱蒸着法により形成することが好ましく、第1電極212に直交する方向(縦方向)に延びる直線状に形成することが好ましい。この場合、4Fのメモリセルの実現が可能である。 As shown in FIG. 2F, the second electrode 217 is formed on the substrate 211 including the second conductive organic material layer 216. At this time, the second electrode 217 is preferably formed by a thermal evaporation method, and is preferably formed in a straight line extending in a direction (vertical direction) orthogonal to the first electrode 212. In this case, a 4F 2 memory cell can be realized.

具体的には、まず、第2導電性有機物層216を含む基板211を、金属蒸着用のチャンバ内に配置した後、第4シャドーマスク(図示せず)を用いて、第2電極217の形成領域を露出させる。すなわち、第2導電性有機物層216の一部領域及び基板211の一部領域を露出させる。このとき、第2導電性有機物層216の下のナノ結晶層215の一部と第2電極217の一部とが重なるように形成する。第1電極212と第2電極217とが重なる領域の間に、ナノ結晶層15が配置されるように、露出領域を調整する。その後、チャンバ内の圧力を10−6Pa〜10−3Paの範囲とし、蒸着速度を2Å/s〜7Å/sの範囲に維持した状態で、1000℃〜1500℃の範囲の温度で原料金属を蒸発させて、露出した第2導電性有機物層216及び基板211上に金属層を形成する。この金属層が第2電極217になる。 Specifically, first, the substrate 211 including the second conductive organic material layer 216 is placed in a metal deposition chamber, and then the second electrode 217 is formed using a fourth shadow mask (not shown). Expose the area. That is, a partial region of the second conductive organic material layer 216 and a partial region of the substrate 211 are exposed. At this time, a part of the nanocrystal layer 215 below the second conductive organic material layer 216 and a part of the second electrode 217 are formed to overlap each other. The exposed region is adjusted so that the nanocrystal layer 15 is disposed between the regions where the first electrode 212 and the second electrode 217 overlap. Thereafter, the pressure in the chamber is set to a range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the deposition metal is maintained at a temperature in the range of 1000 ° C. to 1500 ° C. with the deposition rate maintained in the range of 2 to 7 ° C./s. Is evaporated to form a metal layer on the exposed second conductive organic material layer 216 and the substrate 211. This metal layer becomes the second electrode 217.

ここで、第2電極217としては、Alを用いることが好ましい。しかし、これに限定されず、Al、Ti、Zn、Fe、Ni、Sn、Pb、Cu及びこれらの合金から選択されるいずれか1つを用いることができる。また、第2電極217の厚さは、60nm〜100nmの範囲であることが好ましい。   Here, as the second electrode 217, Al is preferably used. However, the present invention is not limited to this, and any one selected from Al, Ti, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu, and alloys thereof can be used. The thickness of the second electrode 217 is preferably in the range of 60 nm to 100 nm.

また、図示していないが、第1電極212及び第2電極217の各々を外部電極に接続するため、別の金属配線形成工程を行うこともできる。   Although not shown, another metal wiring forming step can be performed in order to connect each of the first electrode 212 and the second electrode 217 to the external electrode.

第1電極212及び第2電極217、第1導電性有機物層213及び第2導電性有機物層216及びナノ結晶層15の形成は、真空雰囲気下においてインサイチュー(in−situ)で行うのがよい。すなわち、第1電極212及び第2電極217、第1導電性有機物層213及び第2導電性有機物層216及びナノ結晶層215を形成するためのチャンバは、単一の蒸着システム内に含まれるようにしてもよい。例えば、金属蒸着用のチャンバ、導電性有機物蒸着用のチャンバ、プラズマ酸化用のプラズマ発生チャンバ、冷却チャンバ、ロードロックチャンバ、及びシャドーマスクチャンバが1つのトランスファモジュールに接続されている単一のシステム内で、蒸着を行うことができる。このようなシステムでは、基板を金属蒸着用のチャンバから導電性有機物蒸着用のチャンバに移送する場合、基板を大気中に露出させることなく、真空状態のトランスファモジュール内で移動可能である。もちろん、これに限定されず、チャンバがそれぞれ異なるシステムに設けられていてもよい。   The formation of the first electrode 212 and the second electrode 217, the first conductive organic material layer 213, the second conductive organic material layer 216, and the nanocrystal layer 15 may be performed in-situ in a vacuum atmosphere. . That is, the chambers for forming the first electrode 212 and the second electrode 217, the first conductive organic material layer 213, the second conductive organic material layer 216, and the nanocrystal layer 215 are included in a single deposition system. It may be. For example, in a single system where a metal deposition chamber, a conductive organic deposition chamber, a plasma generation chamber for plasma oxidation, a cooling chamber, a load lock chamber, and a shadow mask chamber are connected to one transfer module. The vapor deposition can be performed. In such a system, when the substrate is transferred from the metal deposition chamber to the conductive organic deposition chamber, the substrate can be moved in the vacuum transfer module without exposing the substrate to the atmosphere. Of course, the present invention is not limited to this, and the chambers may be provided in different systems.

また、上記説明では、エッチングを行わずに、シャドーマスク及び熱蒸着法を用いて、金属層、導電性有機物層及びナノ結晶層を形成することにより、本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子を製造する例を示した。しかし、これに限定されず、様々なメモリ素子の製造方法により製造可能である。金属層、導電性有機物層及びナノ結晶層は、熱蒸着法のほか、エレクトロンビーム蒸着法、スパッタリング法、CVD法、ALD法などにより形成可能である。特に、金属層及び導電性有機物層は、基板上の全面に形成した後、パターニングによりその形状を作製することもできる。すなわち、基板上の全面に金属層又は有機物質層などを形成した後、マスクを用いたエッチングにより、金属層又は導電性有機物層の形成領域を除く領域の金属層又は有機物質層を除去する方法を用いることもできる。また、湿式及び乾式酸化法を用いて酸化を行うこともできる。   In the above description, the nonvolatile layer according to one embodiment of the present invention is formed by forming a metal layer, a conductive organic material layer, and a nanocrystal layer using a shadow mask and a thermal evaporation method without performing etching. An example of manufacturing a memory device has been shown. However, the present invention is not limited to this, and various memory element manufacturing methods can be used. The metal layer, the conductive organic material layer, and the nanocrystal layer can be formed by an electron beam evaporation method, a sputtering method, a CVD method, an ALD method, or the like in addition to the thermal evaporation method. In particular, the metal layer and the conductive organic material layer can be formed on the entire surface of the substrate and then shaped by patterning. That is, after a metal layer or an organic material layer is formed on the entire surface of a substrate, a metal layer or an organic material layer in a region excluding the formation region of the metal layer or the conductive organic material layer is removed by etching using a mask. Can also be used. Alternatively, the oxidation can be performed using wet and dry oxidation methods.

図3A〜図3Dは、ナノ結晶層の形成方法の概念を説明するための断面図である。特に、これらの図は、Alを用いてナノ結晶層を形成する場合を一例として示している。   3A to 3D are cross-sectional views for explaining the concept of the method for forming the nanocrystal layer. In particular, these drawings show an example in which a nanocrystal layer is formed using Al.

図3Aに示すように、第1導電性有機物層313上に、ナノ結晶層を形成するための金属層314を蒸着する。このとき、上述のように、金属層314の蒸着時には、蒸着速度が速いため、ナノ結晶の形ではなく、結晶粒界を有する金属薄膜が形成される。   As shown in FIG. 3A, a metal layer 314 for forming a nanocrystal layer is deposited on the first conductive organic material layer 313. At this time, as described above, when the metal layer 314 is deposited, the deposition rate is high, so that a metal thin film having a crystal grain boundary is formed instead of a nanocrystal form.

図3Bに示すように、金属層314に対してOプラズマ酸化を行う。Oプラズマは、結晶粒界を有する金属層314の粒界に沿って浸透する。その結果、、図3Cに示すように、金属層314の粒界が酸化されて金属酸化物315B’が形成される。これにより、互いに分離されたほぼ同じ大きさの金属ナノ結晶315A’が形成される。 As shown in FIG. 3B, O 2 plasma oxidation is performed on the metal layer 314. The O 2 plasma penetrates along the grain boundaries of the metal layer 314 having crystal grain boundaries. As a result, as shown in FIG. 3C, the grain boundary of the metal layer 314 is oxidized to form a metal oxide 315B ′. As a result, metal nanocrystals 315A ′ of approximately the same size separated from each other are formed.

図3Dに示すように、プラズマ酸化が終了すると、結晶性金属のナノ結晶315Aと、ナノ結晶315Aを囲む非結晶性の金属酸化物であるバリア315Bとからなるナノ結晶層315が形成される。すなわち、金属層314として、例えば、Alを用いる場合、ナノ結晶315Aは金属Alからなり、バリア315Bは、非結晶性のAl(例えば、Al)からなる。同様に、金属層314として酸化可能な様々な金属を用いる場合、ナノ結晶315Aは、金属からなり、バリア315Bは、金属酸化物(例えば、非結晶性の金属酸化物)からなる。例えば、金属層314としてNiを用いる場合、ナノ結晶315Aは、金属Niからなり、バリア315Bは、Ni(例えば、NiO)からなる。 As shown in FIG. 3D, when the plasma oxidation is completed, a nanocrystal layer 315 including a crystalline metal nanocrystal 315A and a barrier 315B that is an amorphous metal oxide surrounding the nanocrystal 315A is formed. That is, for example, when Al is used as the metal layer 314, the nanocrystal 315A is made of metal Al, and the barrier 315B is made of amorphous Al X O Y (eg, Al 2 O 3 ). Similarly, when various kinds of oxidizable metals are used as the metal layer 314, the nanocrystal 315A is made of a metal, and the barrier 315B is made of a metal oxide (for example, an amorphous metal oxide). For example, when Ni is used for the metal layer 314, the nanocrystal 315A is made of metal Ni, and the barrier 315B is made of Ni X O Y (eg, NiO).

以下に、金属層の蒸着及びプラズマ酸化法により形成されるナノ結晶層をより詳細に説明するため、この方法を用いて、Alナノ結晶層及びNiナノ結晶層を形成した実験例を示す。   In the following, in order to describe the nanocrystal layer formed by vapor deposition of metal layer and plasma oxidation method in more detail, an experimental example in which an Al nanocrystal layer and a Ni nanocrystal layer are formed by using this method is shown.

図4A〜図4Dは、図2A〜図3Dに示した方法により形成されたAlナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子の断面TEM写真及び格子写真を示す図であり、図4E及び図4Fは、Alナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)分析結果のグラフ及びAES(Auger Electron Spectroscopy)分析結果のグラフを示す図である。特に、図4A及び図4Bは、導電性有機物層としてα−NPDを用いた場合を示しており、図4C及び図4Dは、導電性有機物層としてAlqを用いた場合を示している。 FIGS. 4A to 4D are cross-sectional TEM photographs and lattice photographs of a nonvolatile memory device including an Al nanocrystal layer formed by the method illustrated in FIGS. 2A to 3D. FIGS. It is a figure which shows the graph of the XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis result, and the graph of an AES (Auger Electron Spectroscopy) analysis result of the non-volatile memory element containing Al nanocrystal layer. 4A and 4B show the case where α-NPD is used as the conductive organic material layer, and FIGS. 4C and 4D show the case where Alq 3 is used as the conductive organic material layer.

図4A〜図4Dに示すように、Alナノ結晶層は、結晶性のAlナノ結晶と非結晶性のAlとからなり、Alナノ結晶は、非結晶性のAlに囲まれて互いに分離されていることが分かる。 As shown in FIGS. 4A to 4D, the Al nanocrystal layer is composed of crystalline Al nanocrystals and amorphous Al 2 O 3 , and the Al nanocrystals are surrounded by amorphous Al 2 O 3 . It can be seen that they are separated from each other.

図4Eに示すように、72.8eVの結合エネルギーを有するAlと、75.2eVの結合エネルギーを有するAl酸化物とは、ピークが同時に現れている。これは、Alナノ結晶層が、Alナノ結晶及びAl酸化物(例えば、Al)で構成されていることを表している。 As shown in FIG. 4E, peaks of Al having a binding energy of 72.8 eV and an Al oxide having a binding energy of 75.2 eV appear simultaneously. This indicates that the Al nanocrystal layer is composed of Al nanocrystals and Al oxides (for example, Al 2 O 3 ).

図4Fに示すように、上部の導電性有機物層であるα−NPD層からAlナノ結晶層までの分布において、Alナノ結晶層の両境界部分に酸素のピークが現れている。これは、Alナノ結晶層を形成するためのプラズマ酸化の際に、Oプラズマが下部の導電性有機物層から金属層の粒界に沿って浸透して、下部の導電性有機物層に接する金属層の下部境界まで十分に酸化されたことを表す。この結果から、Alナノ結晶は、非結晶性のAlによって分離され、それぞれ孤立した形で存在することが確認された。 As shown in FIG. 4F, in the distribution from the α-NPD layer, which is the upper conductive organic material layer, to the Al nanocrystal layer, oxygen peaks appear at both boundary portions of the Al nanocrystal layer. This is because, during the plasma oxidation for forming the Al nanocrystal layer, O 2 plasma penetrates from the lower conductive organic material layer along the grain boundary of the metal layer and comes into contact with the lower conductive organic material layer. It is fully oxidized to the lower boundary of the layer. From this result, it was confirmed that the Al nanocrystals were separated by amorphous Al 2 O 3 and existed in an isolated form.

図5A及び図5Bは、図2A〜図3Dに示した方法により形成されたNiナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子の断面TEM写真及び格子写真を示す図であり、図5C及び図5Dは、Niナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のXPS分析結果のグラフ及びAES分析結果のグラフを示す図である。特に、図5A〜図5Dでは、導電性有機物層としてAlqを用いた場合を示している。 FIGS. 5A and 5B are cross-sectional TEM photographs and lattice photographs of a non-volatile memory device including a Ni nanocrystal layer formed by the method illustrated in FIGS. 2A to 3D, and FIGS. It is a figure which shows the graph of the XPS analysis result of a non-volatile memory element containing Ni nanocrystal layer, and the graph of an AES analysis result. In particular, FIGS. 5A to 5D show the case where Alq 3 is used as the conductive organic material layer.

図5A及び図5Bに示すように、Niナノ結晶層において、Niナノ結晶は、Alナノ結晶に比べて非常に小さいため、Niナノ結晶とこれを囲む非結晶性のNi酸化物とは明確に区別されていない。しかし、少なくとも金属Niのナノ結晶が存在しているということは確認できる。   As shown in FIGS. 5A and 5B, in the Ni nanocrystal layer, the Ni nanocrystal is much smaller than the Al nanocrystal, so the Ni nanocrystal and the amorphous Ni oxide surrounding it are clearly defined. Not distinguished. However, it can be confirmed that at least nanocrystals of metallic Ni are present.

図5Cに示すように、Ni金属層の蒸着及びOプラズマ酸化を行った後、854.6eVの結合エネルギーを有するNi酸化物(NiO)のピークが現れていることから、Niナノ結晶層は、Niナノ結晶及びNiが酸化されて形成されたNi酸化物で構成されていることが分かる。 As shown in FIG. 5C, after the deposition of the Ni metal layer and the O 2 plasma oxidation, a peak of Ni oxide (NiO) having a binding energy of 854.6 eV appears. It can be seen that Ni is composed of Ni nanocrystals and Ni oxide formed by oxidation of Ni.

図5Dのグラフに示すように、Niナノ結晶層は、Niが79.5%、Oが20.5%含まれている。すなわち、Niナノ結晶層は、Niナノ結晶とNi酸化物とを同時に含むことを表している。ただし、図4FのAlナノ結晶層のグラフと異なるのは、Niナノ結晶が非常に小さいため、AES分析の際に、電子ビームなどが、Niナノ結晶とこれを囲む非結晶性のNi酸化物とが重なっている部分を透過するからである。   As shown in the graph of FIG. 5D, the Ni nanocrystal layer contains 79.5% Ni and 20.5% O. That is, the Ni nanocrystal layer represents that Ni nanocrystal and Ni oxide are included at the same time. However, the difference from the graph of the Al nanocrystal layer in FIG. 4F is that the Ni nanocrystal is very small, and therefore, during AES analysis, an electron beam or the like causes the Ni nanocrystal and the non-crystalline Ni oxide surrounding the Ni nanocrystal. It is because the part which overlaps is permeate | transmitted.

すなわち、Ni金属層を蒸着し、Oプラズマ酸化を行った場合にも、Niナノ結晶と、Niナノ結晶を囲む非結晶性のNi酸化物とが形成されていることが分かった。 That is, it was found that even when an Ni metal layer was deposited and O 2 plasma oxidation was performed, Ni nanocrystals and amorphous Ni oxides surrounding the Ni nanocrystals were formed.

以下に、本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の動作、すなわち、下部電極と上部電極との間に、第1導電性有機物層/ナノ結晶層/第2導電性有機物層が形成された構造を有する不揮発性メモリ素子の動作を説明する。特に、本明細書では、一例として、図2A〜図3Dの方法を用いて、Alナノ結晶層及びNiナノ結晶層を形成した場合を対象に説明する。   Hereinafter, the operation of the nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention, that is, the first conductive organic layer / nanocrystalline layer / second conductive organic layer is formed between the lower electrode and the upper electrode. The operation of the nonvolatile memory device having the above structure will be described. In particular, in the present specification, as an example, a case where an Al nanocrystal layer and a Ni nanocrystal layer are formed using the method of FIGS. 2A to 3D will be described.

図6Aは、本発明の一実施の形態に係る導電性有機物層としてα−NPDを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフ、図6Bは、導電性有機物層としてAIDCNを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフ、図6Cは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフ、図6Dは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。また、図7A〜図7Hは、図6Aの電圧電流特性が得られるメカニズムを説明するための図である。また、図6A〜図7Hは、単位セルに関するものである。 FIG. 6A is a graph showing voltage-current characteristics of a nonvolatile memory element using α-NPD as the conductive organic material layer according to one embodiment of the present invention and having an Al nanocrystal layer, and FIG. 6B is a conductive organic material. used AIDCN as a layer, and a graph showing the voltage-current characteristics of a nonvolatile memory device having an Al nanocrystal layer, FIG. 6C, the Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and non-volatile memory device having a Al nanocrystal layer FIG. 6D is a graph showing the voltage-current characteristics of a nonvolatile memory element using Alq 3 as a conductive organic material layer and having a Ni nanocrystal layer. 7A to 7H are diagrams for explaining the mechanism by which the voltage-current characteristics of FIG. 6A are obtained. 6A to 7H relate to a unit cell.

図6A〜図7Hに示すように、単位セルは、下部電極及び上部電極に印加される電圧に応じて、一定の電圧範囲内で様々な電流状態又は抵抗状態を示す。   As shown in FIGS. 6A to 7H, the unit cell exhibits various current states or resistance states within a certain voltage range according to the voltage applied to the lower electrode and the upper electrode.

例えば、下部電極を接地し、上部電極を所定の電圧の電源に接続して、電源の電圧を正の方向に順次増加させると、単位セルは、しきい値電圧Vthまでは指数的に電流が緩やかに上昇する高抵抗状態Ioffを示す。その後、下部電極と上部電極との電位差が、一定レベル(臨界電圧又はしきい値電圧Vth)以上になると、電流が急激に上昇する低抵抗状態Ionを示す。上部電極に印加される電圧が最大電流電圧Vに近づくほど、単位セルの出力電流は増加する。また、電圧を増加させ続けて最大電流電圧V以上になると、単位セルは、電圧が増加するに従い電流が減少する負性微分抵抗NDR(Negative Differential Resistance、以下、「負性抵抗」と記す)状態を示す。単位セルは、上部電極に印加される電圧がリセット電圧V(又は、消去電圧)に到達するまで、負性抵抗状態となる。単位セルの出力電流は、上部電極に印加される電圧が増加するほど増加する。すなわち、単位セルは、上部電極と下部電極との電位差に応じて、様々な電流状態又は抵抗状態を示すことが分かった。ここで、最大電流電圧Vとは、素子を流れる電流が最大となる時点の電圧、又は負性抵抗が発生した時点の電圧を表す。 For example, when the lower electrode is grounded, the upper electrode is connected to a power source having a predetermined voltage, and the voltage of the power source is sequentially increased in the positive direction, the unit cell exponentially reaches the threshold voltage Vth. Shows a high resistance state I off in which rises slowly. Thereafter, when the potential difference between the lower electrode and the upper electrode becomes equal to or higher than a certain level (critical voltage or threshold voltage V th ), the low resistance state I on where the current rapidly increases is shown. As the voltage applied to the upper electrode approaches the maximum current voltage V p, the output current of the unit cell increases. Further, at a higher maximum current voltage V p continues to increase the voltage, the unit cell is a negative differential resistance NDR which the current decreases as voltage increases (Negative Differential Resistance, hereinafter referred to as "negative resistance") Indicates the state. The unit cell is in a negative resistance state until the voltage applied to the upper electrode reaches the reset voltage V e (or the erase voltage). The output current of the unit cell increases as the voltage applied to the upper electrode increases. That is, it has been found that the unit cell exhibits various current states or resistance states depending on the potential difference between the upper electrode and the lower electrode. Here, the maximum current voltage V p, represents the voltage at the time the voltage at which the current flowing through the element is maximized, or the negative resistance occurs.

このように様々な電流状態又は抵抗状態を有する不揮発性メモリ素子は、第1電圧範囲ではデータの読み出し動作を、第1電圧より高い第2電圧範囲ではデータの書き込み動作を、第2電圧範囲より高い第3電圧範囲では中間データの書き込み動作を、第3電圧範囲より高い第4電圧範囲ではデータの消去動作を行う。このとき、第1電圧範囲は、しきい値電圧Vth以下の値、第2電圧範囲は、しきい値電圧Vth以上かつ最大電流電圧V以下の値、前記第3電圧範囲は、最大電流電圧V以上かつ一定のリセット電圧V以下の値、第4電圧範囲は、一定のリセット電圧V以上の値である。以下に、上記メカニズムをより詳細に説明する。 As described above, the nonvolatile memory device having various current states or resistance states performs a data read operation in the first voltage range, and a data write operation in the second voltage range higher than the first voltage. The intermediate data write operation is performed in the high third voltage range, and the data erase operation is performed in the fourth voltage range higher than the third voltage range. The first voltage range, the threshold voltage V th following values, second voltage range, the threshold voltage V th or more and the maximum current voltage V p the following values, the third voltage range, maximum The value of the current voltage Vp or more and a constant reset voltage Ve or less, and the fourth voltage range is a value of the constant reset voltage Ve or more. Hereinafter, the mechanism will be described in more detail.

本実施の形態の不揮発性メモリ素子が低抵抗状態Ionになるようにするため、図7B及び図7Cのように、しきい値電圧Vth以上の電圧(すなわち、第1プログラム電圧)を印加する。すなわち、図示のように、0V〜5Vまで電圧を増加させた後、さらに電圧を印加してその状態を確認すると、低抵抗状態Ionになっていることが分かる。このとき、しきい値電圧Vth以下の電圧(すなわち、第1電圧範囲)を印加して読み出し動作を行うと、データが格納されたメモリ素子は、低抵抗状態Ionをそのまま維持し、これに相当する電流を出力する。つまり、素子へのデータの書き込み後に読み出し動作を行う場合の出力電流は、素子にデータが書き込まれていない状態で読み出し動作を行う場合の出力電流に比べて数倍以上上昇する。 In order for the nonvolatile memory element of the present embodiment to be in the low resistance state I on , a voltage higher than the threshold voltage V th (that is, the first program voltage) is applied as shown in FIGS. 7B and 7C. To do. That is, as shown, after increasing the voltage to 0V to 5V, when confirming the state, that has a low resistance state I on can be seen by further applying a voltage. At this time, when a read operation is performed by applying a voltage equal to or lower than the threshold voltage Vth (that is, the first voltage range), the memory element storing the data maintains the low resistance state Ion as it is. A current corresponding to is output. That is, the output current in the case where the read operation is performed after data is written to the element is increased several times or more than the output current in the case where the read operation is performed in a state where data is not written to the element.

前記メモリ素子が負性抵抗状態を示すようにするためには、最大電流電圧V以上かつリセット電圧V以下の電圧(すなわち、第2プログラム電圧)をメモリ装置に印加する。つまり、図7D及び図7Eのように、0V〜7.5Vまで電圧を増加させた後、さらに電圧を印加してその状態を確認すると、中間抵抗状態Iinterになっていることが分かる。このとき、しきい値電圧Vth以下の電圧を印加して読み出し動作を行うと、データが格納されたメモリ素子は、中間抵抗状態Iinterに相当する電流を出力する。中間抵抗状態Iinterは、高抵抗状態Ioffと低抵抗状態Ionとの中間に相当する抵抗状態を有し、これにより、メモリ装置は、中間抵抗状態Iinterに相当する電流を出力する。すなわち、中間抵抗状態Iinterの場合、低抵抗状態Ionより低く、かつ高抵抗状態Ioffよりは高い電流が出力される。したがって、図6Aのグラフにおいて、読み出し電圧レベル(例えば、2V)での素子の電流特性をみると、中間抵抗状態Iinterは、高抵抗状態Ioffの出力電流と低抵抗状態Ionの出力電流との間で中間レベルの出力電流を出力することが分かる。 Wherein for the memory element is to exhibit negative resistance state applies the maximum current voltage V p higher and the reset voltage V e following voltage (i.e., the second program voltage) to the memory device. That is, as shown in FIG. 7D and FIG. 7E, after increasing the voltage from 0 V to 7.5 V, when the voltage is further applied and the state is confirmed, it is found that the intermediate resistance state I inter is reached. At this time, when a read operation is performed by applying a voltage equal to or lower than the threshold voltage Vth , the memory element storing data outputs a current corresponding to the intermediate resistance state Iinter . The intermediate resistance state I inter has a resistance state corresponding to the middle between the high resistance state I off and the low resistance state I on , whereby the memory device outputs a current corresponding to the intermediate resistance state I inter . That is, in the intermediate resistance state I inter, a current lower than that in the low resistance state I on and higher than that in the high resistance state I off is output. Therefore, in the graph of FIG. 6A, when the current characteristics of the element at the read voltage level (for example, 2 V) are seen, the intermediate resistance state I inter is the output current in the high resistance state I off and the output current in the low resistance state I on . It can be seen that an intermediate level output current is output between

負性抵抗状態後、一定のリセット電圧Vを印加すると、素子は高抵抗状態に変わる。すなわち、リセットされる。その結果、低抵抗状態Ion領域の第1プログラム電圧を印加して、第1データに相当する値を素子に格納し、負性抵抗状態領域の第2プログラム電圧を印加して、第2データに相当する値を素子に格納することができる。 When a constant reset voltage Ve is applied after the negative resistance state, the element changes to the high resistance state. That is, it is reset. As a result, the first program voltage in the low resistance state I on region is applied, the value corresponding to the first data is stored in the element, the second program voltage in the negative resistance state region is applied, and the second data Can be stored in the element.

特に、負性抵抗状態領域内で印加される電圧レベルに応じて、出力電流レベルが変化するため、第2データに相当する様々な値を素子に格納することができる。例えば、図6Dのように、負性抵抗状態領域内の電圧(約5V又は6V)を印加すると、印加電圧に応じて、読み出し動作のための電圧(約2V)において様々なレベルの電流Iinter1,Iinter2が出力される。このとき、上述のように、負性抵抗状態領域内の印加電圧に応じて出力される電流Iinter1,Iinter2は、消去時の出力電流Ioffより高く、かつ第1データの格納時の出力電流Ionよりは低いレベルとなる。その結果、単位セルは、3つ以上の複数のレベルを有するマルチレベルセルが実現可能である。 In particular, since the output current level changes according to the voltage level applied in the negative resistance state region, various values corresponding to the second data can be stored in the element. For example, as shown in FIG. 6D, when a voltage (about 5 V or 6 V) in the negative resistance state region is applied, various levels of current I inter1 are set in the voltage for reading operation (about 2 V) according to the applied voltage. , I inter2 is output. At this time, as described above, the currents I inter1 and I inter2 output in accordance with the applied voltage in the negative resistance state region are higher than the output current I off at the time of erasure and are output at the time of storing the first data. a lower level than the current I on. As a result, the unit cell can realize a multilevel cell having a plurality of levels of three or more.

ナノ結晶とこれを囲む非結晶性のバリアとを含むナノ結晶層と、導電性有機物層との間のエネルギーレベル差により、ナノ結晶内にキャリアが充電されていない場合は、所定の電圧レベルでその電流がわずかに増加する。しかし、導電性有機物層間にかかる電圧が所定の臨界電圧(例えば、しきい値電圧Vth)以上であれば、ナノ結晶内にキャリアが充電され、電流が急激に増加する。ナノ結晶内にキャリアが充電されている場合は、充電されていない場合に比べてその電流は数十倍から数万倍に達する。また、導電性有機物層間にかかる電圧が負性抵抗領域内の電圧であれば、ナノ結晶内にキャリアが部分的に放電又は充電され、キャリアが完全に充電されている場合より低く、かつキャリアが充電されていない場合よりは高い中間抵抗状態の電流となる。負性抵抗状態領域の電圧以上の電圧(例えば、リセット電圧V)を印加すると、ナノ結晶に充電されていたキャリアが完全に放電された状態に変化する。 When carriers are not charged in the nanocrystal due to the energy level difference between the nanocrystal layer including the nanocrystal and the non-crystalline barrier surrounding the nanocrystal and the conductive organic material layer, at a predetermined voltage level. The current increases slightly. However, if the voltage applied between the conductive organic layers is equal to or higher than a predetermined critical voltage (for example, threshold voltage V th ), carriers are charged in the nanocrystal, and the current rapidly increases. When the carrier is charged in the nanocrystal, the current reaches several tens to several tens of thousands of times compared to the case where the carrier is not charged. In addition, if the voltage applied between the conductive organic layers is a voltage in the negative resistance region, the carrier is partially discharged or charged in the nanocrystal, and the carrier is lower than when the carrier is fully charged. The intermediate resistance state current is higher than when the battery is not charged. When a voltage equal to or higher than the voltage in the negative resistance state region (for example, reset voltage V e ) is applied, the carriers charged in the nanocrystal are changed into a completely discharged state.

また、電源の電圧を負の方向に順次増加させる(図6A参照)と、正の方向に電圧を印加した場合とほぼ対称的な動作を示すことが分かる。すなわち、一定レベルの電圧までは電圧に対して電流がわずかに増加し、一定レベル(例えば、しきい値電圧Vth)以上の電圧が印加されると、電流が急激に増加する。次いで、最大電流電圧V以上の電圧が印加されると、負性抵抗状態になり、その後、リセット電圧V以上の電圧に対して電流が再び増加する。これは、素子の対称的な構造によるもので、上述した正の方向における電圧の場合と同じメカニズムが機能する。 It can also be seen that when the voltage of the power supply is sequentially increased in the negative direction (see FIG. 6A), the operation is almost symmetrical with the case where the voltage is applied in the positive direction. That is, the current increases slightly with respect to the voltage up to a certain level of voltage, and when a voltage equal to or higher than a certain level (for example, threshold voltage V th ) is applied, the current rapidly increases. Next, when a voltage equal to or higher than the maximum current voltage V p is applied, a negative resistance state is entered, and then the current increases again with respect to a voltage equal to or higher than the reset voltage V e . This is due to the symmetrical structure of the element, and the same mechanism as in the case of the voltage in the positive direction described above functions.

上述のように、本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子は、単位セルが2つ積層された二重セル構造とすることができる(図1B参照)。また、単位セルが3つ以上積層されたマルチセル構造とすることもできる。   As described above, the nonvolatile memory element according to one embodiment of the present invention can have a double cell structure in which two unit cells are stacked (see FIG. 1B). Further, a multi-cell structure in which three or more unit cells are stacked may be used.

図8A〜図9Bは、二重セル構造を有する不揮発性メモリ素子の動作を説明するための図であって、特に、Alナノ結晶層を含むセルが積層された場合及びNiナノ結晶層を含むセルが積層された場合の実験例を対象に説明する。   FIG. 8A to FIG. 9B are diagrams for explaining the operation of the nonvolatile memory device having a double cell structure, in particular, when cells including an Al nanocrystal layer are stacked and including a Ni nanocrystal layer. An experimental example in the case where cells are stacked will be described.

図8A及び図8Bは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。また、図9A及び図9Bは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。特に、図8A及び図9Aは、下部セルの特性を示すものであり、図8B及び図9Bは、上部セルの特性を示すものである。 8A and 8B are graphs showing voltage-current characteristics of a nonvolatile memory element when Alq 3 is used as a conductive organic material layer and two cells each having an Al nanocrystal layer are stacked. 9A and 9B are graphs showing the voltage-current characteristics of the nonvolatile memory element when Alq 3 is used as the conductive organic material layer and two cells each having a Ni nanocrystal layer are stacked. In particular, FIGS. 8A and 9A show the characteristics of the lower cell, and FIGS. 8B and 9B show the characteristics of the upper cell.

図8A〜図9Bに示すように、単位セルが2つ積層された二重セル構造の場合でも、各々のセルは、印加された電圧、すなわち、プログラム状態に応じて、読み出し動作時に様々なレベルの電流を出力するマルチレベルセルの特性を維持していることが分かる。このようなマルチレベルセルにより、より多くの抵抗状態又は電流状態を確保することができる。このように、より多くのセルを積層する場合、高容量のデータを格納することができ、素子を高集積化することができる。   As shown in FIGS. 8A to 9B, each cell has various levels during a read operation according to an applied voltage, that is, a program state, even in the case of a double cell structure in which two unit cells are stacked. It can be seen that the characteristics of the multi-level cell that outputs a current of 5 are maintained. With such a multi-level cell, more resistance states or current states can be secured. As described above, when a larger number of cells are stacked, high-capacity data can be stored, and elements can be highly integrated.

以下、このような不揮発性メモリ素子の保持能力及び耐久性を詳細に説明する。図10Aは、導電性有機物層としてα−NPDを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の保持能力テストの結果を示すグラフ、図10Bは、導電性有機物層としてAIDCNを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の保持能力テストの結果を示すグラフ、図10Cは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の保持能力テストの結果を示すグラフ、図10Dは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の保持能力及び耐久性テストの結果を示すグラフである。また、図10A及び図10Bは、単位セルの場合に関するものである。 Hereinafter, the retention capability and durability of such a nonvolatile memory device will be described in detail. FIG. 10A is a graph showing the results of a retention capability test of a nonvolatile memory element using α-NPD as the conductive organic material layer and having an Al nanocrystal layer, FIG. 10B uses AIDCN as the conductive organic material layer, and FIG. 10C is a graph showing the result of the retention capability test of the nonvolatile memory element having the Al nanocrystal layer, and FIG. 10C is a graph of the retention capability test of the nonvolatile memory element having Al nanocrystal layer using Alq 3 as the conductive organic material layer FIG. 10D is a graph showing the results of a retention test and a durability test of a nonvolatile memory element using Alq 3 as a conductive organic material layer and having a Ni nanocrystal layer. 10A and 10B relate to the case of a unit cell.

図10Aに示すように、3つの抵抗状態を示す不揮発性メモリ素子は、1つの抵抗状態を記憶してこれを複数回読み出した結果、10以上の周期の間に低抵抗状態Ion、中間抵抗状態Iintermediate及び高抵抗状態Ioffがいずれも安定的に維持されている。図10Bに示すように、4つの抵抗状態を有する不揮発性メモリ素子は、1つの抵抗状態を記憶してこれを複数回読み出した結果、10周期の間に各状態が安定的に維持されている。図10Cに示すように、2つの抵抗状態を有する不揮発性メモリ素子は、1つの抵抗状態を記憶してこれを複数回読み出した結果、10周期の間に各状態が安定的に維持されている。図10Dに示すように、4つの抵抗状態を有する不揮発性メモリ素子は、1つの抵抗状態を記憶してこれを複数回読み出した結果、10周期の間に各状態が安定的に維持されている。 As shown in FIG. 10A, the nonvolatile memory device showing three resistance states, one of the resistance states to store the result of this read more than once, the low-resistance state I on between 10 5 or more periodic, intermediate Both the resistance state I intermediate and the high resistance state I off are stably maintained. As shown in FIG. 10B, 4 one is a non-volatile memory device having a resistance state, the result of which was read several times to store one resistance state, 10 5 each state during the period is stably maintained Yes. As shown in FIG. 10C, the non-volatile memory device having two resistance states, a result of which a read multiple stores one resistance state, the state between the 10 two cycles are stably maintained Yes. As shown in FIG. 10D, the non-volatile memory device having four resistance states stores one resistance state and reads out the resistance state a plurality of times. As a result, each state is stably maintained for 10 5 cycles. Yes.

図11A及び図11Bは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の保持能力及び/又は耐久性テストの結果を示すグラフである。また、図12A及び図12Bは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の保持能力及び/又は耐久性テストの結果を示すグラフである。特に、図11A及び図12Aは、下部セルの特性を示すものであり、図11B及び図12Bは、上部セルの特性を示すものである。 FIG. 11A and FIG. 11B show results of retention capability and / or durability test of a nonvolatile memory device when Alq 3 is used as a conductive organic material layer and two cells each having an Al nanocrystal layer are stacked. It is a graph. 12A and 12B show the results of the non-volatile memory element retention capability and / or durability test when Alq 3 is used as the conductive organic layer and two cells each having a Ni nanocrystal layer are stacked. It is a graph which shows. In particular, FIGS. 11A and 12A show the characteristics of the lower cell, and FIGS. 11B and 12B show the characteristics of the upper cell.

図11A〜図12Bに示すように、セルが2つ積層された不揮発性メモリ素子において、各セルは、4つの抵抗状態を有し、1つの抵抗状態を記憶してこれを複数回読み出した結果、10周期の間に各抵抗状態が安定的に維持されていることが分かる。 As shown in FIG. 11A to FIG. 12B, in the nonvolatile memory element in which two cells are stacked, each cell has four resistance states, and the result of storing one resistance state and reading this multiple times It can be seen that each resistance state is stably maintained during 10 5 cycles.

特に、図10D、図11B、図12A及び図12Bの下側のグラフは、耐久性テストの結果を示すものであって、不揮発性メモリ素子において、データの書き込み、読み出し、消去及び読み出しを1周期とし、その周期を複数回繰り返し測定した結果を示している。これより明らかなように、各読み出し電圧を印加したときの抵抗状態が異なるため、電流レベルが明確に区分されている。   In particular, the lower graphs of FIGS. 10D, 11B, 12A, and 12B show the results of the durability test. In the nonvolatile memory device, data writing, reading, erasing, and reading are performed in one cycle. And the results of repeated measurement of the cycle a plurality of times are shown. As is clear from this, since the resistance state when each read voltage is applied is different, the current level is clearly divided.

一方、実際の回路で構成される不揮発性メモリ素子は、パルス信号により駆動される。図13は、パルス信号の印加による素子の動作特性を示すグラフである。図13に示すように、導電性有機物層としてα−NPDを用い、かつAlナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子に、5Vの書き込み電圧、2Vの読み出し電圧、−9Vの消去電圧に設定されたパルスを連続して印加した後、素子の動作特性をみると、書き込み後の読み出し電圧で発生した電流値と、消去後の読み出し電圧で発生した電流値との比、すなわち、Ion/Ioff比を10以上に維持しつつ、安定して正常に動作することを確認することができる。このとき、上述のように、素子の対称的特性のために、素子に印加される電圧として、負の電圧レベル及び正の電圧レベルをすべて用いることができる。例えば、+9Vの消去電圧を印加することも可能である。 On the other hand, a nonvolatile memory element configured with an actual circuit is driven by a pulse signal. FIG. 13 is a graph showing the operating characteristics of the element by applying a pulse signal. As shown in FIG. 13, the non-volatile memory device using α-NPD as the conductive organic material layer and including the Al nanocrystal layer was set to a 5V write voltage, a 2V read voltage, and a −9V erase voltage. When the operation characteristics of the element are observed after the pulse is continuously applied, the ratio between the current value generated by the read voltage after writing and the current value generated by the read voltage after erasing, that is, I on / I off While maintaining the ratio at 10 1 or more, it can be confirmed that the operation is stable and normal. At this time, as described above, the negative voltage level and the positive voltage level can all be used as the voltage applied to the element because of the symmetrical characteristics of the element. For example, it is possible to apply an erase voltage of + 9V.

図14Aは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図、図14Bは、導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図である。 FIG. 14A is a diagram showing an energy band of a nonvolatile memory element using Alq 3 as a conductive organic material layer and including an Al nanocrystal layer, and FIG. 14B is a diagram using Alq 3 as a conductive organic material layer and a Ni nanocrystal. It is a figure which shows the energy band of the non-volatile memory element containing a layer.

図14A及び図14Bに示すように、Niは、Alに比べて、仕事関数値が0.87eV程度大きいため、Niナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子の場合において、導電性有機物層及びナノ結晶層によって形成される電子井戸の深さが、Alナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子に比べてさらに深くなる。これにより、Alナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のIon/Ioff比が10程度である(図6C、図8Aなど参照)のに対し、Niナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のIon/Ioff比は、10程度まで増加することが分かった(図6D、図9Aなど参照)。したがって、低抵抗状態と高抵抗状態との間で、より多くの中間抵抗状態を示すことができ、データの保持能力を向上させることができる。 As shown in FIGS. 14A and 14B, since Ni has a work function value larger than that of Al by about 0.87 eV, in the case of a nonvolatile memory element including a Ni nanocrystal layer, a conductive organic material layer and a nanocrystal The depth of the electron well formed by the layer is further deeper than that of the nonvolatile memory element including the Al nanocrystal layer. Thus, I on / I off ratio of the nonvolatile memory device containing Al nanocrystal layer is about 10 2 (Fig. 6C, see, FIG. 8A) whereas, in the non-volatile memory device including a Ni nanocrystalline layer I on / I off ratio was found to increase to about 10 4 (see FIG. 6D, etc. Figure 9A). Therefore, more intermediate resistance states can be shown between the low resistance state and the high resistance state, and the data retention capability can be improved.

すなわち、ナノ結晶層を形成するために、酸化可能ないずれかの金属を用いてもよいが、仕事関数が大きい金属を用いることが好ましい。   That is, any oxidizable metal may be used to form the nanocrystal layer, but it is preferable to use a metal having a high work function.

上記のように、図1A〜図14Bを用いて、導電性有機物層として、AIDCN、Alq又はα−NPDを用いた不揮発性メモリ素子について説明した。特に、不揮発性メモリ素子を構成する物質層のうち、ナノ結晶層を形成するために、導電性有機物層上に金属層を蒸着し、金属層をプラズマ酸化する方法を採用した。 As described above, with reference to FIG 1A~ Figure 14B, as the conductive organic material layer, AIDCN, it has been described nonvolatile memory device using the Alq 3 or alpha-NPD. In particular, in order to form a nanocrystal layer among the material layers constituting the nonvolatile memory element, a method of vapor-depositing a metal layer on the conductive organic material layer and plasma oxidizing the metal layer was employed.

しかし、導電性有機物層として高分子化合物を用いる場合もあり、金属層の蒸着及びプラズマ酸化法のほか、バリアに囲まれたナノ結晶を形成する様々な方法が採用可能である。これについて、図15A〜図21を参照して説明する。特に、高分子物質は、一般的にポリマーであることから、以下の説明では、導電性有機物、高分子物質及びポリマーという用語を用いるが、これらは全て同じものを表すものとする。   However, a high molecular compound may be used as the conductive organic material layer, and various methods for forming a nanocrystal surrounded by a barrier can be employed in addition to the deposition of a metal layer and the plasma oxidation method. This will be described with reference to FIGS. In particular, since the high-molecular substance is generally a polymer, the following description uses the terms conductive organic substance, high-molecular substance, and polymer, and these all represent the same thing.

以下、前述の図1A〜図14Bに示した部分と一致する部分については、詳細な説明を省略し、その相違点を中心に説明する。特に、導電性有機物層として高分子化合物を用いる場合には、ナノ結晶又はナノ結晶層の形成方法において大きな違いがあるため、この点を中心に説明する。つまり、金属層の蒸着及びプラズマ酸化によるナノ結晶層の形成方法のほか、蒸着及び硬化(curing)によるナノ結晶層の形成方法(図15A〜図17B参照)、又はポリマー層内に分散したナノ結晶の形成方法(図18A〜図21参照)に関しては、追加して説明する。   Hereinafter, detailed description of portions that are the same as those shown in FIGS. 1A to 14B will be omitted, and the differences will be mainly described. In particular, when a polymer compound is used as the conductive organic material layer, there is a great difference in the formation method of the nanocrystal or the nanocrystal layer, and this point will be mainly described. That is, in addition to a method for forming a nanocrystal layer by vapor deposition and plasma oxidation of a metal layer, a method for forming a nanocrystal layer by vapor deposition and curing (see FIGS. 15A to 17B), or a nanocrystal dispersed in a polymer layer The forming method (see FIGS. 18A to 21) will be additionally described.

図15A〜図15Hは、本発明の別の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。この不揮発性メモリ素子を構成する各物質層の形状は、図2A〜図2Fにおける各物質層と同じ形状であるため、詳細な説明を省略する。   15A to 15H are views for explaining a method of manufacturing a nonvolatile memory element according to another embodiment of the present invention. Since the shape of each material layer constituting this nonvolatile memory element is the same as that of each material layer in FIGS. 2A to 2F, detailed description is omitted.

図15Aに示すように、基板21上に下部電極22を形成する。このとき、下部電極22を構成する物質及びその形成方法などは、図2Aにおける第1電極212の形成過程と同じである。   As shown in FIG. 15A, the lower electrode 22 is formed on the substrate 21. At this time, the material constituting the lower electrode 22 and the formation method thereof are the same as the formation process of the first electrode 212 in FIG. 2A.

図15Bに示すように、下部電極22を含む基板21上に第1ポリマー層23を形成する。第1ポリマー層23は、PVK(Poly(N-vinylcarbazole)からなることが好ましく、スピンコート法により形成可能である。PVKは、下記化学構造式で表される。   As shown in FIG. 15B, the first polymer layer 23 is formed on the substrate 21 including the lower electrode 22. The first polymer layer 23 is preferably made of PVK (Poly (N-vinylcarbazole) and can be formed by a spin coating method. PVK is represented by the following chemical structural formula.

図15Cに示すように、第1ポリマー層23上に第1バリア物質層24を形成する。ここで、第1バリア物質層24は、後続の工程で形成されるナノ結晶層において、ナノ結晶を囲む電子のトンネリングバリアを構成する。第1バリア物質層24は、ALD法により形成することが好ましい。また、第1バリア物質層24は、金属酸化物(例えば、Al又はTiO)からなることが好ましい。 As shown in FIG. 15C, a first barrier material layer 24 is formed on the first polymer layer 23. Here, the first barrier material layer 24 forms a tunneling barrier for electrons surrounding the nanocrystal in the nanocrystal layer formed in the subsequent process. The first barrier material layer 24 is preferably formed by an ALD method. The first barrier material layer 24 is preferably made of a metal oxide (for example, Al 2 O 3 or TiO 2 ).

図15Dに示すように、第1バリア物質層24上に金属層25を形成する。金属層25は、蒸着法により形成可能である。この金属層25は、酸化可能な金属と酸化不可能な金属とをすべて含むことができる。金属層25は、酸化可能なものであっても、酸化不可能なものであってもよい(例えば、Au)。金属層25の厚さは、1nm〜10nmの範囲であることが好ましい。   As shown in FIG. 15D, a metal layer 25 is formed on the first barrier material layer 24. The metal layer 25 can be formed by a vapor deposition method. The metal layer 25 can include all oxidizable metals and non-oxidizable metals. The metal layer 25 may be oxidizable or non-oxidizable (for example, Au). The thickness of the metal layer 25 is preferably in the range of 1 nm to 10 nm.

図15Eに示すように、金属層25上に第2バリア物質層26を形成する。第2バリア物質層26は、第1バリア物質層24と同様に、ナノ結晶を囲む電子のトンネリングバリアを形成するためのものである。第2バリア物質層26の形成方法は、第1バリア物質層24の形成方法と同じであることが好ましい。すなわち、第2バリア物質層26は、ALD法により形成することが好ましく、第2バリア物質層26は、第1バリア物質層24と同様に、金属酸化物、例えば、Al又はTiOからなることが好ましい。 As shown in FIG. 15E, a second barrier material layer 26 is formed on the metal layer 25. Similar to the first barrier material layer 24, the second barrier material layer 26 is for forming an electron tunneling barrier surrounding the nanocrystal. The method for forming the second barrier material layer 26 is preferably the same as the method for forming the first barrier material layer 24. That is, the second barrier material layer 26 is preferably formed by an ALD method, and the second barrier material layer 26 is formed of a metal oxide, for example, Al 2 O 3 or TiO 2 , similarly to the first barrier material layer 24. Preferably it consists of.

図15Fに示すように、第2バリア物質層26上に第2ポリマー層27を形成する。第2ポリマー層27の形成方法は、第1ポリマー層23の形成方法と同じであることが好ましい。また、第2ポリマー層27は、PVKからなることが好ましく、スピンコート法により形成可能である。   As shown in FIG. 15F, a second polymer layer 27 is formed on the second barrier material layer 26. The method for forming the second polymer layer 27 is preferably the same as the method for forming the first polymer layer 23. The second polymer layer 27 is preferably made of PVK and can be formed by spin coating.

図15Gに示すように、第2ポリマー層27を含む基板に形成された積層体を硬化する。この硬化により、金属層25の下の第1バリア物質層24及び金属層25の上の第2バリア物質層26が、金属層25内に形成された金属ナノ結晶25Aを囲むようになり、その結果、図示されているように、金属ナノ結晶25Aとこれを囲むバリア25Bとを含むナノ結晶層200が形成される。この硬化は、150℃〜300℃の範囲の温度、0.5時間〜4時間の条件で行うことが好ましい。   As shown in FIG. 15G, the laminate formed on the substrate including the second polymer layer 27 is cured. By this curing, the first barrier material layer 24 below the metal layer 25 and the second barrier material layer 26 above the metal layer 25 surround the metal nanocrystals 25A formed in the metal layer 25, and the As a result, as shown in the drawing, the nanocrystal layer 200 including the metal nanocrystal 25A and the surrounding barrier 25B is formed. This curing is preferably performed at a temperature in the range of 150 ° C. to 300 ° C. for 0.5 hours to 4 hours.

図15Hに示すように、ナノ結晶層200の形成後、第2ポリマー層27上に上部電極28を形成する。この上部電極28を構成する物質及びその形成方法などは、図2Fにおける第2電極217の形成と同じである。   As shown in FIG. 15H, after the nanocrystal layer 200 is formed, the upper electrode 28 is formed on the second polymer layer 27. The material constituting the upper electrode 28 and the formation method thereof are the same as the formation of the second electrode 217 in FIG. 2F.

図15A〜図15Hに示した過程は、ナノ結晶層の形成に関して、図2A〜図3Dと異なる点がある。すなわち、ポリマー層/バリア物質層/金属層/バリア物質層/ポリマー層が順次積層された構造を硬化することにより、ポリマー層内にナノ結晶層を形成する。この方法でも、均一なサイズ及び分布を有するナノ結晶を形成することができるため、安定した素子の特性を確保することができる。   The process shown in FIGS. 15A to 15H is different from FIGS. 2A to 3D regarding the formation of the nanocrystal layer. That is, the nanocrystal layer is formed in the polymer layer by curing the structure in which the polymer layer / barrier material layer / metal layer / barrier material layer / polymer layer are sequentially laminated. Also with this method, nanocrystals having a uniform size and distribution can be formed, so that stable device characteristics can be ensured.

図16A及び図16Bは、上記図15A〜図15Hに示す方法により形成された不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真である。特に、図16Aは、導電性有機物層、すなわち、ポリマー層としてPVKを用い、かつAlバリアに囲まれたAuナノ結晶を含む不揮発性メモリ素子のTEM写真、図16Bは、導電性有機物層としてPVKを用い、かつTiOバリアに囲まれたAuナノ結晶を含む不揮発性メモリ素子のTEM写真である。 16A and 16B are TEM photographs showing a cross section of the nonvolatile memory element formed by the method shown in FIGS. 15A to 15H. In particular, FIG. 16A is a TEM photograph of a non-volatile memory device using a conductive organic material layer, that is, PVK as a polymer layer and including Au nanocrystals surrounded by an Al 2 O 3 barrier, and FIG. 16B is a conductive organic material. using PVK as a layer, and is a TEM photograph of the nonvolatile memory device containing Au nanocrystals enclosed in TiO 2 barrier.

図16A及び図16Bに示すように、Auナノ結晶は、バリア物質、すなわち、Al又はTiOに囲まれて互いに分離していることが分かる。 As shown in FIGS. 16A and 16B, it can be seen that the Au nanocrystals are separated from each other by being surrounded by a barrier material, that is, Al 2 O 3 or TiO 2 .

図17Aは、導電性有機物層としてPVKを用い、かつAlバリアに囲まれたAuナノ結晶を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図であり、図17Bは、導電性有機物層としてPVKを用い、かつTiOバリアに囲まれたAuナノ結晶を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図である。 FIG. 17A is a diagram illustrating an energy band of a nonvolatile memory device using Au nanocrystals surrounded by an Al 2 O 3 barrier using PVK as a conductive organic material layer, and FIG. using PVK, and a diagram showing the energy band of the nonvolatile memory device containing Au nanocrystals enclosed in TiO 2 barrier.

図17A及び図17Bは、図14A及び図14Bのエネルギーバンドを示す図とほぼ類似している。すなわち、Auナノ結晶とこれを囲む非結晶性のバリア(Al又はTiO)とを含むナノ結晶層と、導電性有機物層であるPVKとの間のエネルギーレベルの差により、Auナノ結晶に電子が充電され、これにより、素子の電流又は抵抗状態及び動作特性も、図1A〜図14Bに示した不揮発性メモリ素子に類似していると推察される。 17A and 17B are substantially similar to the diagrams showing the energy bands of FIGS. 14A and 14B. That is, due to the energy level difference between the nanocrystal layer including the Au nanocrystal and the non-crystalline barrier (Al 2 O 3 or TiO 2 ) surrounding the Au nanocrystal and the conductive organic layer PVK, the Au nanocrystal Electrons are charged in the crystal, and it is assumed that the current or resistance state and operating characteristics of the device are also similar to the nonvolatile memory device shown in FIGS. 1A to 14B.

図18A〜図18Cは、さらに別の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。この方法の場合には、ポリマー層の形成及びバリアに囲まれたナノ結晶の形成が一度に行われる点が、前述の実施の形態とは異なる。したがって、ポリマー層内に形成され、ナノ結晶とこれを囲むバリアとがそれぞれ分離して存在する。   18A to 18C are diagrams for explaining a method of manufacturing a nonvolatile memory element according to still another embodiment. In this method, the formation of the polymer layer and the formation of the nanocrystal surrounded by the barrier are performed at a time, which is different from the above-described embodiment. Therefore, the nanocrystals formed in the polymer layer and the barriers surrounding them are separated from each other.

図18Aに示すように、基板31上に下部電極32を形成する。この下部電極32を構成する物質及びその形成方法などは、図2Aにおける第1電極212の形成の場合と同じである。   As shown in FIG. 18A, the lower electrode 32 is formed on the substrate 31. The material constituting the lower electrode 32 and the method of forming the same are the same as in the case of forming the first electrode 212 in FIG. 2A.

図18Bに示すように、下部電極32上に、内部に分散した複数のナノ結晶33Aを含むポリマー層34を形成する。それぞれのナノ結晶33Aは、それぞれのナノ結晶33Aの周りのバリア33Bに囲まれている。このように、バリア33Bに囲まれたナノ結晶33Aが分散したポリマー層34の形成方法については後述する(図19参照)。次に、図18Cに示すように、ポリマー層34上に上部電極35を形成する。上部電極35を構成する物質及びその形成方法などは、図2Fにおける第2電極217の形成の場合と同じである。   As shown in FIG. 18B, a polymer layer 34 including a plurality of nanocrystals 33A dispersed therein is formed on the lower electrode 32. Each nanocrystal 33A is surrounded by a barrier 33B around each nanocrystal 33A. As described above, a method for forming the polymer layer 34 in which the nanocrystals 33A surrounded by the barrier 33B are dispersed will be described later (see FIG. 19). Next, as shown in FIG. 18C, the upper electrode 35 is formed on the polymer layer 34. The material constituting the upper electrode 35 and the formation method thereof are the same as in the case of forming the second electrode 217 in FIG. 2F.

図19は、図18Bのポリマー層の形成方法をより具体的に説明するための図である。特に、図19では、一例として、CB(carbazole terminated thiol)をバリアとするAuナノ結晶が水平に分散したポリマー層の形成方法を示している。   FIG. 19 is a diagram for more specifically explaining the method of forming the polymer layer of FIG. 18B. In particular, FIG. 19 shows, as an example, a method for forming a polymer layer in which Au nanocrystals using CB (carbazole terminated thiol) as a barrier are horizontally dispersed.

図19に示すように、バリア33Bに囲まれたナノ結晶33Aを合成するため、ステップ(A)〜(B)の処理を行う。まず、ステップ(A)において、金属塩としてHAuClを水性溶媒中の純水(DI water)に溶解させて、金属塩の水溶液を製造する。このとき、金属塩の水溶液中において、金属塩はHとAuCl にイオン化してAuのソースとして機能する。また、TOAB(tetraoctylammonium)を非水性溶媒中のトルエンに溶解させて、イオン化したTOABを含むトルエン溶液を製造する。このとき、イオン化したTOABは、後続の工程で金属含有イオンのAuCl をトルエン溶液中に移動させる相間移動触媒の役割を果たす。 As shown in FIG. 19, in order to synthesize the nanocrystal 33A surrounded by the barrier 33B, the processes of steps (A) to (B) are performed. First, in step (A), HAuCl 4 as a metal salt is dissolved in DI water in an aqueous solvent to produce an aqueous solution of the metal salt. At this time, in the aqueous solution of the metal salt, the metal salt ionizes to H + and AuCl 4 and functions as a source of Au. In addition, TOAB (tetraoctylammonium) is dissolved in toluene in a non-aqueous solvent to produce a toluene solution containing ionized TOAB. At this time, the ionized TOAB serves as a phase transfer catalyst that moves the metal-containing ions AuCl 4 into the toluene solution in a subsequent step.

次に、ステップ(B)において、金属塩の水溶液と、TOABが溶解したトルエン溶液とを攪拌すると、金属含有イオンのAuCl がトルエン溶液に移動する。このとき、攪拌は、500rpm以上の速度で行われることが好ましい。 Next, in step (B), when the aqueous solution of the metal salt and the toluene solution in which TOAB is dissolved are stirred, AuCl 4 of the metal-containing ions moves to the toluene solution. At this time, stirring is preferably performed at a speed of 500 rpm or more.

この状態のトルエン溶液に、後続のAuナノ結晶の分散を均一にする分散安定化剤としてCBを添加して攪拌する。この攪拌は、常温にて5分〜20分間行うことが好ましい。分散安定化剤であるCBの分子式は、C2331NSであり、その化学名は、11-Carbazolyl dodecane thiolである。 CB is added to the toluene solution in this state as a dispersion stabilizer for making the subsequent dispersion of Au nanocrystals uniform, and stirred. This stirring is preferably performed at room temperature for 5 to 20 minutes. The molecular formula of CB as a dispersion stabilizer is C 23 H 31 NS, and its chemical name is 11-Carbazolyl dodecane thiol.

次に、ステップ(C)において、ステップ(B)でCBが添加されたトルエン溶液に、AuCl を還元させる還元剤としてNaBH(sodium brohydride)を添加して攪拌する。この攪拌は、500rpm以上の速度で、常温で3時間〜10時間行うことが好ましい。 Next, in step (C), NaBH 4 (sodium brohydride) is added as a reducing agent for reducing AuCl 4 to the toluene solution to which CB has been added in step (B) and stirred. This stirring is preferably performed at a speed of 500 rpm or more at room temperature for 3 to 10 hours.

その結果、ステップ(D)において、トルエン溶液中には、Auナノ結晶とCBとの結合物質が形成される。このとき、CBは、Auナノ結晶を囲む形状に形成されるため、分散安定化剤の役割を果たすだけでなく、バリア物質と同様に電子のトンネリングバリアとして機能する。   As a result, in step (D), a binding substance of Au nanocrystals and CB is formed in the toluene solution. At this time, since CB is formed in a shape surrounding Au nanocrystals, it not only serves as a dispersion stabilizer, but also functions as an electron tunneling barrier in the same manner as a barrier substance.

次に、ステップ(E)において、トルエン溶媒を蒸発させて、Auナノ結晶とCBとの結合物質を残留させる。この蒸発は、ロータリー蒸発器にて−1Bar以下の相対的に低い圧力の条件下で行うことが好ましい。
次に、ステップ(F)において、Auナノ結晶とCBとの結合物質をクロロホルムに溶解させる。これは、ポリマーを混合させるためであり、クロロホルム溶液に、ポリマーとしてPVKを混合させる。
Next, in step (E), the toluene solvent is evaporated to leave a binding substance of Au nanocrystals and CB. This evaporation is preferably performed under a relatively low pressure condition of -1 Bar or less in a rotary evaporator.
Next, in step (F), the binding substance of Au nanocrystals and CB is dissolved in chloroform. This is for mixing the polymer, and PVK is mixed as a polymer in the chloroform solution.

最後に、ステップ(G)において、CBに囲まれたAuナノ結晶とポリマーとが混合した最終溶液が生成される。この溶液が基板上にスピンコートされると、図18Bに示したポリマー層34の構造が形成される。本実施の形態において、ポリマー層34内に分散したナノ結晶33AはAuであり、これを囲むバリア33BはCBである。   Finally, in step (G), a final solution in which Au nanocrystals surrounded by CB and the polymer are mixed is generated. When this solution is spin-coated on the substrate, the structure of the polymer layer 34 shown in FIG. 18B is formed. In the present embodiment, the nanocrystal 33A dispersed in the polymer layer 34 is Au, and the barrier 33B surrounding the nanocrystal 33A is CB.

図18A〜図19に示す方法を用いた場合にも、均一なサイズ及び分布を有するナノ結晶が形成可能であり、特に、スピンコート法を用いて、ナノ結晶を含むポリマー層を一度に形成できるので、製造工程が簡素という長所がある。   Even when the methods shown in FIGS. 18A to 19 are used, nanocrystals having a uniform size and distribution can be formed. In particular, a polymer layer containing nanocrystals can be formed at a time by using a spin coating method. Therefore, there is an advantage that the manufacturing process is simple.

図20は、図18A〜図19に示した方法により形成された不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真である。図20に示すように、Auナノ結晶がPVKポリマー層内に互いに分離して水平に分散していることが分かる。   FIG. 20 is a TEM photograph showing a cross section of the nonvolatile memory element formed by the method shown in FIGS. 18A to 19. As shown in FIG. 20, it can be seen that Au nanocrystals are separated from each other and horizontally dispersed in the PVK polymer layer.

図21は、CBバリアに囲まれたAuナノ結晶が分散したPVKポリマー層を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図である。図21は、図14A及び図14Bのエネルギーバンドを示す図とほぼ類似していることが分かる。すなわち、CBバリアに囲まれたAuナノ結晶と導電性有機物層であるPVKとの間のエネルギーレベルの差により、Auナノ結晶に電子が充電され、これにより、素子の電流又は抵抗状態及び動作特性も、図1A〜図14Bに示した不揮発性メモリ素子に類似していると推察される。   FIG. 21 is a diagram illustrating an energy band of a nonvolatile memory device including a PVK polymer layer in which Au nanocrystals surrounded by a CB barrier are dispersed. It can be seen that FIG. 21 is substantially similar to the diagram showing the energy bands of FIGS. 14A and 14B. That is, due to the energy level difference between the Au nanocrystal surrounded by the CB barrier and PVK which is the conductive organic material layer, the Au nanocrystal is charged with electrons, thereby the current or resistance state of the device and the operating characteristics. Is presumed to be similar to the nonvolatile memory device shown in FIGS. 1A to 14B.

図22は、本発明の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子を示すブロック図である。図22に示すように、本実施の形態に係る不揮発性メモリ素子は、メモリセル2200と、駆動部2400と、制御部2600とを備えている。   FIG. 22 is a block diagram illustrating a nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 22, the nonvolatile memory element according to this embodiment includes a memory cell 2200, a drive unit 2400, and a control unit 2600.

通常、メモリ素子は、複数のセルがアレイされたセルアレイと、メモリセルからデータを読み出したり、メモリセルにデータを書き込むための動作などを行う周辺回路とを備えている。本発明に係る不揮発性メモリ素子も、これに似た構造を有するため、メモリセル2200は、セルアレイ内に設けられ、駆動部2400及び制御部2600は、周辺回路に設けられる。   Usually, a memory element includes a cell array in which a plurality of cells are arrayed, and a peripheral circuit that performs operations for reading data from the memory cells, writing data into the memory cells, and the like. Since the nonvolatile memory element according to the present invention also has a similar structure, the memory cell 2200 is provided in the cell array, and the driver 2400 and the controller 2600 are provided in the peripheral circuit.

具体的には、メモリセル2200は、図1Aと同じ構造を有する。すなわち、メモリセル2200は、図1Aに示した下部電極12及び上部電極17と、下部電極12及び上部電極17の間に形成された第1導電性有機物層13及び第2導電性有機物層16と、第1導電性有機物層13及び第2導電性有機物層16の間に形成され、非結晶性のバリア15Bに囲まれた複数のナノ結晶15Aを含むナノ結晶層15とを備えている。また、メモリセル2200は、図1Bと同様に、垂直、すなわち高さ方向に積層された第1セル1Cと第2セル2Cとを備えることができる。   Specifically, the memory cell 2200 has the same structure as FIG. 1A. That is, the memory cell 2200 includes the lower electrode 12 and the upper electrode 17 shown in FIG. 1A, and the first conductive organic material layer 13 and the second conductive organic material layer 16 formed between the lower electrode 12 and the upper electrode 17. A nanocrystal layer 15 formed between the first conductive organic material layer 13 and the second conductive organic material layer 16 and including a plurality of nanocrystals 15A surrounded by an amorphous barrier 15B. Similarly to FIG. 1B, the memory cell 2200 can include a first cell 1C and a second cell 2C stacked vertically, that is, in the height direction.

また、メモリセル2200は、図18Cと同じ構造とすることができる。つまり、メモリセル2200は、図18Cの下部電極32及び上部電極35と、下部電極32及び上部電極35の間に形成され、非結晶性のバリア33Bに囲まれた複数のナノ結晶33Aが分散したポリマー層34とを備えることができる。同様に、メモリセル2200は、図18Cのセルが垂直、すなわち高さ方向に複数積層された構造とすることができる。   Further, the memory cell 2200 can have the same structure as that in FIG. 18C. That is, the memory cell 2200 is formed between the lower electrode 32 and the upper electrode 35 of FIG. 18C and the lower electrode 32 and the upper electrode 35, and a plurality of nanocrystals 33A surrounded by the non-crystalline barrier 33B are dispersed. And a polymer layer 34. Similarly, the memory cell 2200 can have a structure in which a plurality of the cells in FIG. 18C are stacked in the vertical direction, that is, in the height direction.

駆動部2400は、素子を動作させるために、メモリセル2200を駆動させる。駆動部2400は、メモリセル2200の下部電極及び上部電極に入力電圧を印加し、メモリセル2200は、この入力電圧に応じて、高抵抗状態、低抵抗状態及び負性抵抗状態を示す。すなわち、メモリセル2200は、読み出し動作時に複数のレベルの電流を出力する。   The driver 2400 drives the memory cell 2200 in order to operate the element. The driving unit 2400 applies an input voltage to the lower electrode and the upper electrode of the memory cell 2200, and the memory cell 2200 exhibits a high resistance state, a low resistance state, and a negative resistance state according to the input voltage. That is, the memory cell 2200 outputs a plurality of levels of current during a read operation.

図6A〜図7Hでは、プログラム、読み出し及び消去動作について詳細に説明したが、駆動部2400は、これらの動作のためのバイアスを印加する。また、読み出し動作の駆動時に、メモリセル2200の出力電流又は抵抗状態に応じて、複数のレベルのデータ値が得られるように構成されている。制御部2600は、素子の動作モードに応じて、メモリセル2200と駆動部2400とを制御する。   6A to 7H have described in detail the program, read, and erase operations, the driving unit 2400 applies a bias for these operations. In addition, a plurality of levels of data values are obtained in accordance with the output current or resistance state of the memory cell 2200 when the read operation is driven. The control unit 2600 controls the memory cell 2200 and the drive unit 2400 according to the operation mode of the element.

本発明の実施の形態によれば、ナノ結晶の様々な製造方法により、同じ素子内のしきい値電圧及びIon/Ioff比を均一に維持することができる。本発明の方法を適用する場合、電源が印加されていない状態でもデータの消失がなく、低消費電力で、かつ高集積化(メモリセルサイズ:4F)が可能になる。また、処理速度が速いPoRAM素子の特性を維持しつつ、均一なサイズ及び分布を有するナノ結晶を確保することができる。さらに、本発明の実施の形態によれば、双安定導電特性の中間状態を利用して単位セルが複数のレベルデータを有するようにし、かつ単位セルの多重積層が可能になる。 According to the embodiment of the present invention, the threshold voltage and the I on / I off ratio in the same device can be uniformly maintained by various manufacturing methods of nanocrystals. When the method of the present invention is applied, no data is lost even when no power is applied, low power consumption and high integration (memory cell size: 4F 2 ) are possible. In addition, it is possible to secure nanocrystals having a uniform size and distribution while maintaining the characteristics of a PoRAM device having a high processing speed. Furthermore, according to the embodiment of the present invention, the unit cell can have a plurality of level data by utilizing the intermediate state of the bistable conductive characteristic, and the unit cells can be stacked in multiple layers.

本発明の技術思想は、上記実施の形態によって具体的に記述されたが、上記実施の形態は、その説明のためのものであって、それを制限するものではないことに留意しなければならない。また、本発明の技術分野における通常の専門家であれば、本発明の技術思想の範囲内で様々な変更及び改良が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。   Although the technical idea of the present invention has been specifically described by the above-described embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of explanation and is not limited thereto. . Moreover, if it is a normal expert in the technical field of this invention, a various change and improvement are possible within the range of the technical idea of this invention, and they also belong to the technical scope of this invention.

本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the non-volatile memory element which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態の変形例に係る不揮発性メモリ素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the non-volatile memory element which concerns on the modification of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on one embodiment of this invention. ナノ結晶層の形成方法の概念を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the concept of the formation method of a nanocrystal layer. ナノ結晶層の形成方法の概念を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the concept of the formation method of a nanocrystal layer. ナノ結晶層の形成方法の概念を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the concept of the formation method of a nanocrystal layer. ナノ結晶層の形成方法の概念を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the concept of the formation method of a nanocrystal layer. 図2A〜図3Dに示す方法により形成されたAlナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真及び格子写真である。FIG. 4 is a TEM photograph and a lattice photograph showing a cross section of a nonvolatile memory element including an Al nanocrystal layer formed by the method shown in FIGS. 2A to 3D. 図2A〜図3Dに示す方法により形成されたAlナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真及び格子写真である。FIG. 4 is a TEM photograph and a lattice photograph showing a cross section of a nonvolatile memory element including an Al nanocrystal layer formed by the method shown in FIGS. 2A to 3D. 図2A〜図3Dに示す方法により形成されたAlナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真及び格子写真である。FIG. 4 is a TEM photograph and a lattice photograph showing a cross section of a nonvolatile memory element including an Al nanocrystal layer formed by the method shown in FIGS. 2A to 3D. 図2A〜図3Dに示す方法により形成されたAlナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真及び格子写真である。FIG. 4 is a TEM photograph and a lattice photograph showing a cross section of a nonvolatile memory element including an Al nanocrystal layer formed by the method shown in FIGS. 2A to 3D. Alナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のXPS分析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the XPS analysis result of the non-volatile memory element containing Al nanocrystal layer. Alナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のAES分析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the AES analysis result of the non-volatile memory element containing Al nanocrystal layer. 図2A〜図3Dに示す方法により形成されたNiナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真及び格子写真である。FIG. 4 is a TEM photograph and a lattice photograph showing a cross section of a nonvolatile memory element including a Ni nanocrystal layer formed by the method shown in FIGS. 2A to 3D. 図2A〜図3Dに示す方法により形成されたNiナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真及び格子写真である。FIG. 4 is a TEM photograph and a lattice photograph showing a cross section of a nonvolatile memory element including a Ni nanocrystal layer formed by the method shown in FIGS. 2A to 3D. Niナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のXPS分析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the XPS analysis result of the non-volatile memory element containing Ni nanocrystal layer. Niナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のAES分析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the AES analysis result of the non-volatile memory element containing Ni nanocrystal layer. 本発明の一実施の形態に係る導電性有機物層としてα−NPDを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-current characteristic of the non-volatile memory element which uses (alpha) -NPD as a conductive organic substance layer which concerns on one embodiment of this invention, and has an Al nanocrystal layer. 導電性有機物層としてAIDCNを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-current characteristic of the non-volatile memory element which uses AIDCN as a conductive organic substance layer and has an Al nanocrystal layer. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing voltage-current characteristics of a nonvolatile memory device having an Al nanocrystal layer. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing voltage-current characteristics of a nonvolatile memory device having a Ni nanocrystalline layer. 図6Aの電圧電流特性が実現されるメカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism by which the voltage-current characteristic of FIG. 6A is implement | achieved. 図6Aの電圧電流特性が実現されるメカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism by which the voltage-current characteristic of FIG. 6A is implement | achieved. 図6Aの電圧電流特性が実現されるメカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism by which the voltage-current characteristic of FIG. 6A is implement | achieved. 図6Aの電圧電流特性が実現されるメカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism by which the voltage-current characteristic of FIG. 6A is implement | achieved. 図6Aの電圧電流特性が実現されるメカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism by which the voltage-current characteristic of FIG. 6A is implement | achieved. 図6Aの電圧電流特性が実現されるメカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism by which the voltage-current characteristic of FIG. 6A is implement | achieved. 図6Aの電圧電流特性が実現されるメカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism by which the voltage-current characteristic of FIG. 6A is implement | achieved. 図6Aの電圧電流特性が実現されるメカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism by which the voltage-current characteristic of FIG. 6A is implement | achieved. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing voltage-current characteristics of a nonvolatile memory device when a cell having an Al nanocrystal layer which is two laminated. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing voltage-current characteristics of a nonvolatile memory device when a cell having an Al nanocrystal layer which is two laminated. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing voltage-current characteristics of a nonvolatile memory device when a cell having a Ni nanocrystalline layers 2 stacked. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の電圧電流特性を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing voltage-current characteristics of a nonvolatile memory device when a cell having a Ni nanocrystalline layers 2 stacked. 導電性有機物層としてα−NPDを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の保持能力テストの結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the retention test of the non-volatile memory element which uses (alpha) -NPD as a conductive organic substance layer and has an Al nanocrystal layer. 導電性有機物層としてAIDCNを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の保持能力テストの結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the retention capability test of the non-volatile memory element which uses AIDCN as a conductive organic substance layer and has an Al nanocrystal layer. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の保持能力テストの結果を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing the results of retention testing of non-volatile memory device having a Al nanocrystal layer. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有する不揮発性メモリ素子の保持能力及び耐久性テストの結果を示すグラフである。The Alq 3 used as the conductive organic material layer, and is a graph showing the results of retention and durability test of the nonvolatile memory element having a Ni nanocrystalline layer. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の保持能力及び/又は耐久性テストの結果を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing the results of retention and / or durability test of the nonvolatile memory device when a cell having an Al nanocrystal layer which is two laminated. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の保持能力及び/又は耐久性テストの結果を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing the results of retention and / or durability test of the nonvolatile memory device when a cell having an Al nanocrystal layer which is two laminated. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の保持能力及び/又は耐久性テストの結果を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing the results of retention and / or durability test of the nonvolatile memory device when a cell having a Ni nanocrystalline layers 2 stacked. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を有するセルが2つ積層された場合の不揮発性メモリ素子の保持能力及び/又は耐久性テストの結果を示すグラフである。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and is a graph showing the results of retention and / or durability test of the nonvolatile memory device when a cell having a Ni nanocrystalline layers 2 stacked. パルス信号の印加による素子の動作特性を示すグラフである。It is a graph which shows the operation characteristic of an element by application of a pulse signal. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつAlナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図である。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and a diagram showing the energy band of the non-volatile memory device including Al nanocrystal layer. 導電性有機物層としてAlqを用い、かつNiナノ結晶層を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図である。The Alq 3 is used as the conductive organic material layer, and a diagram showing the energy band of the non-volatile memory device including a Ni nanocrystalline layer. 本発明の他の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on other embodiment of this invention. 図15A〜図15Hに示す方法により形成された不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真である。16 is a TEM photograph showing a cross section of a nonvolatile memory element formed by the method shown in FIGS. 15A to 15H. 図15A〜図15Hに示す方法により形成された不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真である。FIG. 16 is a TEM photograph showing a cross section of the nonvolatile memory element formed by the method shown in FIGS. 15A to 15H. FIG. 導電性有機物層としてPVKを用い、かつAlバリアに囲まれたAuナノ結晶を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図である。Using PVK as a conductive organic material layer, and a diagram showing the energy band of the non-volatile memory device comprising Al 2 O 3 barrier surrounded by Au nanocrystals. 導電性有機物層としてPVKを用い、かつTiOバリアに囲まれたAuナノ結晶を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図である。Using PVK as a conductive organic material layer, and a diagram showing the energy band of the nonvolatile memory device containing Au nanocrystals enclosed in TiO 2 barrier. 本発明のさらなる実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element based on further embodiment of this invention. 本発明のさらなる実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element based on further embodiment of this invention. 本発明のさらなる実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the non-volatile memory element which concerns on further embodiment of this invention. 図18Bのポリマー層の形成方法をより具体的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating more specifically the formation method of the polymer layer of FIG. 18B. 図18A〜図19に示す方法により形成された不揮発性メモリ素子の断面を示すTEM写真である。20 is a TEM photograph showing a cross section of the nonvolatile memory element formed by the method shown in FIGS. 18A to 19. CBバリアに囲まれたAuナノ結晶が分散したPVKポリマー層を含む不揮発性メモリ素子のエネルギーバンドを示す図である。It is a figure which shows the energy band of the non-volatile memory element containing the PVK polymer layer in which Au nanocrystals surrounded by the CB barrier were dispersed. 本発明の実施の形態に係る不揮発性メモリ素子の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 下部電極
13 第1導電性有機物層
15 ナノ結晶層
16 第2導電性有機物層
17 上部電極
11 Substrate 12 Lower electrode 13 First conductive organic material layer 15 Nanocrystal layer 16 Second conductive organic material layer 17 Upper electrode

Claims (104)

基板上に形成された第1電極及び第2電極と、
前記第1電極及び前記2電極の間に形成された導電性有機物層と、
前記導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含むナノ結晶層とを備える単位セル、及び
該単位セルが少なくとも3つのレベルの電流のうち、いずれか1つを出力するように、前記第1電極及び前記第2電極間に所定の入力電圧を印加して、前記単位セルを駆動する駆動手段を備えることを特徴とする不揮発性メモリ素子。
A first electrode and a second electrode formed on the substrate;
A conductive organic layer formed between the first electrode and the two electrodes;
A unit cell formed in the conductive organic material layer and including a nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier, and the unit cell is one of at least three levels of current A non-volatile memory device, comprising: a driving unit that drives a unit cell by applying a predetermined input voltage between the first electrode and the second electrode so as to output one signal.
前記ナノ結晶層が、
酸化可能な第1金属層の蒸着及び該第1金属層のプラズマ酸化により形成されたものであり、前記ナノ結晶が前記第1金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記第1金属の酸化物からなることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリ素子。
The nanocrystal layer is
It is formed by vapor deposition of an oxidizable first metal layer and plasma oxidation of the first metal layer, the nanocrystal is made of the first metal, and the non-crystalline barrier is oxidized of the first metal. The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein the nonvolatile memory element is made of a material.
前記ナノ結晶層が、
前記導電性有機物層内における、前記非結晶性のバリアを構成する所定の物質層及び該所定の物質層間の第2金属層を含む構造を硬化することにより形成されたものであり、前記ナノ結晶が前記第2金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記所定の物質からなることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリ素子。
The nanocrystal layer is
The nanocrystal is formed by curing a structure including a predetermined material layer constituting the non-crystalline barrier and a second metal layer between the predetermined material layers in the conductive organic material layer. 2. The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein the second barrier metal is made of the second metal and the non-crystalline barrier is made of the predetermined substance.
前記ナノ結晶層が、
Al、Mg、Ti、Zn、Fe、Ni、Sn、Pb、Cu及びこれらの合金から選択されたいずれか1つの金属からなる前記ナノ結晶と、前記選択された金属の酸化物からなる前記非結晶性のバリアとを含むことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリ素子。
The nanocrystal layer is
The nanocrystal composed of any one metal selected from Al, Mg, Ti, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu and alloys thereof, and the non-crystal composed of an oxide of the selected metal. The non-volatile memory device according to claim 1, further comprising an ionic barrier.
前記ナノ結晶がAlからなり、前記非結晶性のバリアがAl酸化物(Al)からなることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリ素子。 The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein the nanocrystal is made of Al, and the non-crystalline barrier is made of Al oxide (Al x O y ). 前記ナノ結晶がNiからなり、前記非結晶性のバリアがNi酸化物(Ni)からなることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリ素子。 The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the nanocrystal is made of Ni, and the non-crystalline barrier is made of Ni oxide (Ni x O y ). 前記ナノ結晶がAuからなることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリ素子。 The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the nanocrystal is made of Au. 前記非結晶性のバリアが、Al又はTiOからなることを特徴とする請求項7に記載の不揮発性メモリ素子。 The nonvolatile memory device according to claim 7, wherein the non-crystalline barrier is made of Al 2 O 3 or TiO 2 . 前記導電性有機物層が、Alq、α−NPD又はAIDCNからなることを特徴とする請求項1、2、4、5及び6のいずれかの項に記載の不揮発性メモリ素子。 The non-volatile memory element according to claim 1, wherein the conductive organic material layer is made of Alq 3 , α-NPD, or AIDCN. 前記導電性有機物層がポリマーからなることを特徴とする請求項1、3、7及び8のいずれかの項に記載の不揮発性メモリ素子。   The non-volatile memory element according to claim 1, wherein the conductive organic material layer is made of a polymer. 前記ポリマーがPVKであることを特徴とする請求項10に記載の不揮発性メモリ素子。   The nonvolatile memory device according to claim 10, wherein the polymer is PVK. 前記入力電圧が、
しきい値電圧から最大電流電圧までの領域の第1データ電圧と、前記最大電流電圧より大きな値を有し、かつ入力電圧の増加時に電流量が減少する負性抵抗領域の第2データ電圧とを含むことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリ素子。
The input voltage is
A first data voltage in a region from a threshold voltage to a maximum current voltage; a second data voltage in a negative resistance region having a value larger than the maximum current voltage and a current amount decreasing when the input voltage increases; The nonvolatile memory device according to claim 1, comprising:
前記第1データ電圧の印加時に、前記単位セルが最大の出力電流を有し、
前記第2データ電圧の印加時に、印加される前記第2データ電圧の電圧レベルに応じて、前記単位セルが、前記最大の出力電流より低い1つ又は複数のレベルの電流を出力するように構成されていることを特徴とする請求項12に記載の不揮発性メモリ素子。
The unit cell has a maximum output current upon application of the first data voltage;
The unit cell is configured to output one or more levels of current lower than the maximum output current according to a voltage level of the applied second data voltage when the second data voltage is applied. The nonvolatile memory element according to claim 12, wherein the nonvolatile memory element is formed.
前記駆動手段が、前記第2データ電圧よりも高い電圧レベルを印加することにより、前記単位セルに格納されたデータを消去するように構成されていることを特徴とする請求項13に記載の不揮発性メモリ素子。   The nonvolatile memory according to claim 13, wherein the driving unit is configured to erase data stored in the unit cell by applying a voltage level higher than the second data voltage. Memory device. 前記単位セルが、初期又は前記消去動作後に最小の電流を出力するように構成されていることを特徴とする請求項14に記載の不揮発性メモリ素子。   The nonvolatile memory device of claim 14, wherein the unit cell is configured to output a minimum current at an initial stage or after the erase operation. 前記駆動手段が、前記しきい値電圧よりも低い電圧レベルを印加することにより、前記単位セルに格納されたデータを読み出すように構成されていることを特徴とする請求項12に記載の不揮発性メモリ素子。   The non-volatile device according to claim 12, wherein the driving unit is configured to read data stored in the unit cell by applying a voltage level lower than the threshold voltage. Memory element. 基板上に形成された第1電極及び第2電極と、
前記第1電極及び前記第2電極の間に形成された導電性有機物層と、
該導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含むナノ結晶層とを備える単位セル、及び
該単位セルが、高抵抗状態、低抵抗状態及び負性抵抗状態のいずれか1つの状態となるように、前記第1電極及び前記第2電極間に所定の入力電圧を印加して、前記単位セルを駆動する駆動手段を備えることを特徴とする不揮発性メモリ素子。
A first electrode and a second electrode formed on the substrate;
A conductive organic material layer formed between the first electrode and the second electrode;
A unit cell formed in the conductive organic material layer and including a nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier, and the unit cell has a high resistance state, a low resistance state, and a negative polarity A non-volatile device comprising driving means for driving the unit cell by applying a predetermined input voltage between the first electrode and the second electrode so as to be in any one of the resistance states. Memory element.
前記ナノ結晶層が、
酸化可能な第1金属層の蒸着及び該第1金属層のプラズマ酸化により形成されたものであり、前記ナノ結晶が前記第1金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記第1金属の酸化物からなることを特徴とする請求項17に記載の不揮発性メモリ素子。
The nanocrystal layer is
It is formed by vapor deposition of an oxidizable first metal layer and plasma oxidation of the first metal layer, the nanocrystal is made of the first metal, and the non-crystalline barrier is oxidized of the first metal. The nonvolatile memory device according to claim 17, wherein the nonvolatile memory element is made of a material.
前記ナノ結晶層が、
前記導電性有機物層内における、前記非結晶性のバリアを構成する所定の物質層及び該所定の物質層間の第2金属層を含む構造を硬化することにより形成されたものであり、前記ナノ結晶が前記第2金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記所定の物質からなることを特徴とする請求項17に記載の不揮発性メモリ素子。
The nanocrystal layer is
The nanocrystal is formed by curing a structure including a predetermined material layer constituting the non-crystalline barrier and a second metal layer between the predetermined material layers in the conductive organic material layer. The non-volatile memory device according to claim 17, wherein the non-crystalline barrier is made of the second metal, and the non-crystalline barrier is made of the predetermined substance.
前記ナノ結晶層が、
Al、Mg、Ti、Zn、Fe、Ni、Sn、Pb、Cu及びこれらの合金から選択されたいずれか1つの金属からなる前記ナノ結晶と、前記選択された金属の酸化物からなる前記非結晶性のバリアとを含むことを特徴とする請求項17に記載の不揮発性メモリ素子。
The nanocrystal layer is
The nanocrystal composed of any one metal selected from Al, Mg, Ti, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu and alloys thereof, and the non-crystal composed of an oxide of the selected metal. The non-volatile memory device according to claim 17, further comprising an ionic barrier.
前記ナノ結晶がAlからなり、前記非結晶性のバリアがAl酸化物(Al)からなることを特徴とする請求項17に記載の不揮発性メモリ素子。 The nonvolatile memory device according to claim 17, wherein the nanocrystal is made of Al, and the non-crystalline barrier is made of Al oxide (Al x O y ). 前記ナノ結晶がNiからなり、前記非結晶性のバリアがNi酸化物(Ni)からなることを特徴とする請求項17に記載の不揮発性メモリ素子。 The nanocrystals comprised Ni, non-volatile memory device of claim 17, wherein the non-crystalline barrier is being Ni oxide (Ni x O y). 前記ナノ結晶がAuからなることを特徴とする請求項17に記載の不揮発性メモリ素子。   The nonvolatile memory device according to claim 17, wherein the nanocrystal is made of Au. 前記非結晶性のバリアが、Al又はTiOからなることを特徴とする請求項23に記載の不揮発性メモリ素子。 The nonvolatile memory device of claim 23, wherein the non-crystalline barrier, characterized in that it consists of Al 2 O 3 or TiO 2. 前記導電性有機物層が、Alq、α−NPD又はAIDCNからなることを特徴とする請求項17、18、20、21及び22のいずれかの項に記載の不揮発性メモリ素子。 Wherein the conductive organic material layer, Alq 3, nonvolatile memory device according to any one of claims 17,18,20,21 and 22 characterized by comprising the alpha-NPD or AIDCN. 前記導電性有機物層が、ポリマーからなることを特徴とする請求項17、19、23及び24のいずれかの項に記載の不揮発性メモリ素子。   25. The nonvolatile memory element according to claim 17, wherein the conductive organic layer is made of a polymer. 前記ポリマーがPVKであることを特徴とする請求項26に記載の不揮発性メモリ素子。   The nonvolatile memory device of claim 26, wherein the polymer is PVK. 前記入力電圧が第1電圧範囲の場合、前記単位セルが前記高抵抗状態となり、
前記入力電圧が前記第1電圧範囲より高い第2電圧範囲の場合、前記単位セルが前記低抵抗状態となり、
前記入力電圧が前記第2電圧範囲より高い第3電圧範囲の場合、前記単位セルが前記負性抵抗状態となるように構成されていることを特徴とする請求項17に記載の不揮発性メモリ素子。
When the input voltage is in the first voltage range, the unit cell is in the high resistance state,
When the input voltage is in a second voltage range higher than the first voltage range, the unit cell is in the low resistance state,
The nonvolatile memory device of claim 17, wherein the unit cell is configured to be in the negative resistance state when the input voltage is in a third voltage range higher than the second voltage range. .
前記入力電圧が前記第3電圧範囲より高い第4電圧範囲の場合、前記単位セルが、前記低抵抗状態又は前記負性抵抗状態から前記高抵抗状態に変化するように構成されていることを特徴とする請求項28に記載の不揮発性メモリ素子。   When the input voltage is in a fourth voltage range higher than the third voltage range, the unit cell is configured to change from the low resistance state or the negative resistance state to the high resistance state. The nonvolatile memory element according to claim 28. 前記単位セルが、
前記高抵抗状態で第1出力電流が最も低く、前記低抵抗状態で第2出力電流が最も高く、前記負性抵抗状態で第3出力電流が前記第1出力電流と前記第2出力電流との間の電流になるように構成されていることを特徴とする請求項17に記載の不揮発性メモリ素子。
The unit cell is
The first output current is the lowest in the high resistance state, the second output current is the highest in the low resistance state, and the third output current is the difference between the first output current and the second output current in the negative resistance state. The non-volatile memory device according to claim 17, wherein the non-volatile memory device is configured to have a current between them.
前記負性抵抗状態が、前記入力電圧のレベルに応じて、抵抗値が異なる複数の状態を示すように構成されていることを特徴とする請求項28に記載の不揮発性メモリ素子。   29. The nonvolatile memory device according to claim 28, wherein the negative resistance state is configured to indicate a plurality of states having different resistance values according to the level of the input voltage. 基板上に形成された第1電極及び第2電極と、
前記第1電極及び前記第2電極の間に形成された導電性有機物層と、
該導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含むナノ結晶層とを備え、
前記第1電極及び前記第2電極間に印加される入力電圧が第1電圧範囲の場合、入力データの読み出し動作が行われ、
前記入力電圧が前記第1電圧範囲より高い第2電圧範囲の場合、第1入力データの書き込み動作が行われ、
前記入力電圧が前記第2電圧範囲より高い第3電圧範囲の場合、第2入力データの書き込み動作が行われ、
前記入力電圧が前記第3電圧範囲より高い第4電圧範囲の場合、前記第1入力データ又は前記第2入力データの消去動作が行われるように構成されていることを特徴とする不揮発性メモリ素子。
A first electrode and a second electrode formed on the substrate;
A conductive organic material layer formed between the first electrode and the second electrode;
A nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals formed in the conductive organic material layer and surrounded by an amorphous barrier;
When the input voltage applied between the first electrode and the second electrode is in the first voltage range, an input data read operation is performed.
When the input voltage is in a second voltage range higher than the first voltage range, a write operation of first input data is performed,
When the input voltage is in a third voltage range higher than the second voltage range, a write operation of second input data is performed,
A non-volatile memory device, wherein the first input data or the second input data is erased when the input voltage is in a fourth voltage range higher than the third voltage range. .
前記ナノ結晶層が、
酸化可能な第1金属層の蒸着及び該第1金属層のプラズマ酸化により形成されたものであり、前記ナノ結晶が前記第1金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記第1金属の酸化物からなることを特徴とする請求項32に記載の不揮発性メモリ素子。
The nanocrystal layer is
It is formed by vapor deposition of an oxidizable first metal layer and plasma oxidation of the first metal layer, the nanocrystal is made of the first metal, and the non-crystalline barrier is oxidized of the first metal. The nonvolatile memory device according to claim 32, wherein the nonvolatile memory device is made of a material.
前記ナノ結晶層が、
前記導電性有機物層内の、前記非結晶性のバリアを構成する所定の物質層及び該所定の物質層間の第2金属層を含む構造を硬化することにより形成されたものであり、前記ナノ結晶が前記第2金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記所定の物質からなることを特徴とする請求項32に記載の不揮発性メモリ素子。
The nanocrystal layer is
The nanocrystal is formed by curing a structure including a predetermined material layer constituting the non-crystalline barrier and a second metal layer between the predetermined material layers in the conductive organic material layer. 33. The nonvolatile memory element according to claim 32, wherein the non-volatile barrier is made of the second metal, and the non-crystalline barrier is made of the predetermined substance.
前記ナノ結晶層が、
Al、Mg、Ti、Zn、Fe、Ni、Sn、Pb、Cu及びこれらの合金から選択されたいずれか1つの金属からなる前記ナノ結晶と、前記選択された金属の酸化物からなる前記非結晶性のバリアとを含むことを特徴とする請求項32に記載の不揮発性メモリ素子。
The nanocrystal layer is
The nanocrystal composed of any one metal selected from Al, Mg, Ti, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu and alloys thereof, and the non-crystal composed of an oxide of the selected metal. The non-volatile memory device according to claim 32, further comprising an ionic barrier.
前記ナノ結晶がAlからなり、前記非結晶性のバリアがAl酸化物(Al)からなることを特徴とする請求項32に記載の不揮発性メモリ素子。 The non-volatile memory device according to claim 32, wherein the nanocrystal is made of Al, and the non-crystalline barrier is made of Al oxide (Al x O y ). 前記ナノ結晶がNiからなり、前記非結晶性のバリアがNi酸化物(Ni)からなることを特徴とする請求項32に記載の不揮発性メモリ素子。 The nonvolatile memory device according to claim 32, wherein the nanocrystal is made of Ni, and the non-crystalline barrier is made of Ni oxide (Ni x O y ). 前記ナノ結晶がAuからなることを特徴とする請求項32に記載の不揮発性メモリ素子。   The nonvolatile memory device according to claim 32, wherein the nanocrystal is made of Au. 前記非結晶性のバリアが、Al又はTiOからなることを特徴とする請求項38に記載の不揮発性メモリ素子。 The nonvolatile memory device of claim 38, wherein the non-crystalline barrier, characterized in that it consists of Al 2 O 3 or TiO 2. 前記導電性有機物層が、Alq、α−NPD又はAIDCNからなることを特徴とする請求項32、33、35、36及び37のいずれかの項に記載の不揮発性メモリ素子。 Wherein the conductive organic material layer, Alq 3, nonvolatile memory device according to any one of claims 32,33,35,36 and 37 characterized by comprising the alpha-NPD or AIDCN. 前記導電性有機物層がポリマーからなることを特徴とする請求項32、34、38及び39のいずれかの項に記載の不揮発性メモリ素子。   40. The nonvolatile memory device according to claim 32, wherein the conductive organic material layer is made of a polymer. 前記ポリマーがPVKであることを特徴とする請求項41に記載の不揮発性メモリ素子。   The nonvolatile memory device of claim 41, wherein the polymer is PVK. 前記第1入力データが書き込まれた場合、前記読み出し動作時には、最大電流が出力され、
データが消去された場合、前記読み出し動作時には、最小電流が出力され、
前記第2入力データが書き込まれた場合、前記読み出し動作時には、前記第3電圧範囲内で印加される電圧レベルに応じて、前記最大電流と前記最小電流との間で、所定のレベルの電流が出力されるように構成されていることを特徴とする請求項32に記載の不揮発性メモリ素子。
When the first input data is written, a maximum current is output during the read operation.
When data is erased, a minimum current is output during the read operation,
When the second input data is written, during the read operation, a predetermined level of current is applied between the maximum current and the minimum current according to a voltage level applied within the third voltage range. The nonvolatile memory device according to claim 32, wherein the nonvolatile memory device is configured to be output.
前記第1電圧範囲が、0.1Vからしきい値電圧までの電圧範囲、
前記第2電圧範囲が、前記しきい値電圧から最大電流電圧までの電圧範囲、
前記第3電圧範囲が、前記最大電流電圧以上で、かつ電圧の増加時に電流が減少する負性抵抗領域の電圧範囲となり、
前記第4電圧範囲が、前記負性抵抗領域の電圧より高い電圧範囲となるように構成されていることを特徴とする請求項32に記載の不揮発性メモリ素子。
The first voltage range is a voltage range from 0.1 V to a threshold voltage;
The second voltage range is a voltage range from the threshold voltage to a maximum current voltage;
The third voltage range is equal to or greater than the maximum current voltage and is a negative resistance region voltage range in which the current decreases when the voltage increases,
The nonvolatile memory element according to claim 32, wherein the fourth voltage range is configured to be a voltage range higher than a voltage of the negative resistance region.
基板上に形成された第1電極及び第2電極と、
前記第1電極及び前記第2電極の間に形成された第1導電性有機物層と、
該第1導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含む第1ナノ結晶層とを備える第1セル、及び
前記第2電極及び第3電極と、
前記第2電極及び前記第3電極の間に形成された第2導電性有機物層と、
該第2導電性有機物層内に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含む第2ナノ結晶層とを備える第2セルで構成され、
前記第1セルと前記第2セルとが積層されていることを特徴とする不揮発性メモリ素子。
A first electrode and a second electrode formed on the substrate;
A first conductive organic material layer formed between the first electrode and the second electrode;
A first cell comprising a first nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals formed in the first conductive organic material layer and surrounded by an amorphous barrier; and the second electrode and the third electrode;
A second conductive organic material layer formed between the second electrode and the third electrode;
A second cell comprising a second nanocrystal layer formed in the second conductive organic material layer and including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier;
A nonvolatile memory element, wherein the first cell and the second cell are stacked.
前記第1セル又は前記第2セルが、
前記第1電極及び前記第2電極間又は前記第2電極及び前記第3電極間に印加される入力電圧に応じて、読み出し動作時に複数のレベルの電流を出力するように構成されていることを特徴とする請求項45に記載の不揮発性メモリ素子。
The first cell or the second cell is
According to an input voltage applied between the first electrode and the second electrode or between the second electrode and the third electrode, a plurality of levels of current are output during a read operation. 46. The nonvolatile memory device according to claim 45, wherein:
前記第1セル又は前記第2セルが、
前記第1電極及び前記第2電極間又は前記第2電極及び前記第3電極間に印加される入力電圧に応じて、高抵抗状態、低抵抗状態又は負性抵抗状態となるように構成されていることを特徴とする請求項45に記載の不揮発性メモリ素子。
The first cell or the second cell is
According to an input voltage applied between the first electrode and the second electrode or between the second electrode and the third electrode, the high resistance state, the low resistance state, or the negative resistance state is configured. The nonvolatile memory device according to claim 45, wherein the nonvolatile memory device is a non-volatile memory device.
前記第1セル又は前記第2セルが、
前記第1電極及び前記第2電極間又は前記第2電極及び前記第3電極間に印加される入力電圧が第1電圧範囲の場合、入力データの読み出し動作が行われ、
前記入力電圧が前記第1電圧範囲より高い第2電圧範囲の場合、第1入力データの書き込み動作が行われ、
前記入力電圧が前記第2電圧範囲より高い第3電圧範囲の場合、第2入力データの書き込み動作が行われ、
前記入力電圧が前記第3電圧範囲より高い第4電圧範囲の場合、前記第1入力データ又は前記第2入力データの消去動作が行われるように構成されていることを特徴とする請求項45に記載の不揮発性メモリ素子。
The first cell or the second cell is
When the input voltage applied between the first electrode and the second electrode or between the second electrode and the third electrode is in the first voltage range, an input data read operation is performed.
When the input voltage is in a second voltage range higher than the first voltage range, a write operation of first input data is performed,
When the input voltage is in a third voltage range higher than the second voltage range, a write operation of second input data is performed,
46. The method according to claim 45, wherein the first input data or the second input data is erased when the input voltage is in a fourth voltage range higher than the third voltage range. The nonvolatile memory element described.
基板上に形成された下部電極及び上部電極と、
前記下部電極及び前記上部電極の間に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶が分散したポリマー層とを備えることを特徴とする不揮発性メモリ素子。
A lower electrode and an upper electrode formed on the substrate;
A non-volatile memory device, comprising: a polymer layer formed between the lower electrode and the upper electrode and having a plurality of nanocrystals dispersed therein surrounded by an amorphous barrier.
前記ナノ結晶が金属からなることを特徴とする請求項49に記載の不揮発性メモリ素子。   50. The nonvolatile memory device according to claim 49, wherein the nanocrystal is made of metal. 前記ナノ結晶がAuからなることを特徴とする請求項50に記載の不揮発性メモリ素子。   51. The nonvolatile memory device according to claim 50, wherein the nanocrystal is made of Au. 前記非結晶性のバリアがCB(carbazole terminated thiol)からなることを特徴とする請求項49に記載の不揮発性メモリ素子。   50. The nonvolatile memory device according to claim 49, wherein the non-crystalline barrier is made of CB (carbazole terminated thiol). 前記ポリマー層がPVKからなることを特徴とする請求項49に記載の不揮発性メモリ素子。   The nonvolatile memory device of claim 49, wherein the polymer layer is made of PVK. 前記下部電極及び前記上部電極間に印加される入力電圧に応じて、読み出し動作時に複数のレベルの電流を出力するように構成されていることを特徴とする請求項49に記載の不揮発性メモリ素子。   The nonvolatile memory device according to claim 49, wherein the nonvolatile memory device is configured to output a plurality of levels of current during a read operation according to an input voltage applied between the lower electrode and the upper electrode. . 前記下部電極及び前記上部電極間に印加される入力電圧に応じて、高抵抗状態、低抵抗状態又は負性抵抗状態を有することを特徴とする請求項49に記載の不揮発性メモリ素子。   50. The nonvolatile memory device of claim 49, wherein the nonvolatile memory device has a high resistance state, a low resistance state, or a negative resistance state according to an input voltage applied between the lower electrode and the upper electrode. 前記下部電極及び前記上部電極間に印加される入力電圧が第1電圧範囲の場合、入力データの読み出し動作が行われ、
前記入力電圧が前記第1電圧範囲より高い第2電圧範囲の場合、第1入力データの書き込み動作が行われ、
前記入力電圧が前記第2電圧範囲より高い第3電圧範囲の場合、第2入力データの書き込み動作が行われ、
前記入力電圧が前記第3電圧範囲より高い第4電圧範囲の場合、前記第1入力データ又は前記第2入力データの消去動作が行われるように構成されていることを特徴とする請求項49に記載の不揮発性メモリ素子。
When the input voltage applied between the lower electrode and the upper electrode is in the first voltage range, an input data read operation is performed,
When the input voltage is in a second voltage range higher than the first voltage range, a write operation of first input data is performed,
When the input voltage is in a third voltage range higher than the second voltage range, a write operation of second input data is performed,
50. The erasing operation of the first input data or the second input data is performed when the input voltage is in a fourth voltage range higher than the third voltage range. The nonvolatile memory element described.
基板上に形成された第1電極及び第2電極と、
前記第1電極及び前記第2電極の間に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶が分散した第1ポリマー層とを備える第1セル、及び
前記第2電極及び第3電極と、
前記第2電極及び前記第3電極の間に形成され、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶が分散した第2ポリマー層とを備える第2セルで構成され、
前記第1セルと前記第2セルとが積層されていることを特徴とする不揮発性メモリ素子。
A first electrode and a second electrode formed on the substrate;
A first cell comprising a first polymer layer formed by dispersing a plurality of nanocrystals surrounded by a non-crystalline barrier formed between the first electrode and the second electrode; and the second electrode and the third electrode. Electrodes,
A second cell comprising a second polymer layer formed between the second electrode and the third electrode and having a plurality of nanocrystals dispersed therein surrounded by an amorphous barrier;
A nonvolatile memory element, wherein the first cell and the second cell are stacked.
前記第1セル又は前記第2セルが、
前記第1電極及び前記第2電極間又は前記第2電極及び前記第3電極間に印加される入力電圧に応じて、読み出し動作時に複数のレベルの電流を出力するように構成されていることを特徴とする請求項57に記載の不揮発性メモリ素子。
The first cell or the second cell is
According to an input voltage applied between the first electrode and the second electrode or between the second electrode and the third electrode, a plurality of levels of current are output during a read operation. 58. The non-volatile memory device according to claim 57, wherein:
前記第1セル又は前記第2セルが、
前記第1電極及び前記第2電極間又は前記第2電極及び前記第3電極間に印加される入力電圧に応じて、高抵抗状態、低抵抗状態又は負性抵抗状態となるように構成されていることを特徴とする請求項57に記載の不揮発性メモリ素子。
The first cell or the second cell is
According to an input voltage applied between the first electrode and the second electrode or between the second electrode and the third electrode, the high resistance state, the low resistance state, or the negative resistance state is configured. The nonvolatile memory device according to claim 57, wherein the nonvolatile memory device is a non-volatile memory device.
前記第1セル又は前記第2セルが、
前記第1電極及び前記第2電極間又は前記第2電極及び前記第3電極間に印加される入力電圧が第1電圧範囲の場合、入力データの読み出し動作が行われ、
前記入力電圧が前記第1電圧範囲より高い第2電圧範囲の場合、第1入力データの書き込み動作が行われ、
前記入力電圧が前記第2電圧範囲より高い第3電圧範囲の場合、第2入力データの書き込み動作が行われ、
前記入力電圧が前記第3電圧範囲より高い第4電圧範囲の場合、前記第1入力データ又は前記第2入力データの消去動作が行われるように構成されていることを特徴とする請求項57に記載の不揮発性メモリ素子。
The first cell or the second cell is
When the input voltage applied between the first electrode and the second electrode or between the second electrode and the third electrode is in the first voltage range, an input data read operation is performed.
When the input voltage is in a second voltage range higher than the first voltage range, a write operation of first input data is performed,
When the input voltage is in a third voltage range higher than the second voltage range, a write operation of second input data is performed,
58. The erasure operation of the first input data or the second input data is performed when the input voltage is in a fourth voltage range higher than the third voltage range. The nonvolatile memory element described.
基板上に第1電極を形成するステップ、
前記第1電極を含む前記基板上に第1導電性有機物層を形成するステップ、
前記第1導電性有機物層上に、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含む第1ナノ結晶層を形成するステップ、
前記第1ナノ結晶層を含む前記第1導電性有機物層上に第2導電性有機物層を形成するステップ、及び
前記第2導電性有機物層を含む基板上に第2電極を形成するステップにより第1セルを形成するステップと、
前記第2電極を含む前記基板上に第3導電性有機物層を形成するステップ、
前記第3導電性有機物層上に、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含む第2ナノ結晶層を形成するステップ、
前記第2ナノ結晶層を含む前記第3導電性有機物層上に第4導電性有機物層を形成するステップ、及び
前記第4導電性有機物層を含む基板上に第3電極を形成するステップにより第2セルを形成するステップとを含むことを特徴とする不揮発性メモリ素子の製造方法。
Forming a first electrode on a substrate;
Forming a first conductive organic material layer on the substrate including the first electrode;
Forming a first nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier on the first conductive organic material layer;
Forming a second conductive organic material layer on the first conductive organic material layer including the first nanocrystalline layer; and forming a second electrode on the substrate including the second conductive organic material layer. Forming one cell;
Forming a third conductive organic material layer on the substrate including the second electrode;
Forming a second nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier on the third conductive organic material layer;
Forming a fourth conductive organic layer on the third conductive organic layer including the second nanocrystal layer; and forming a third electrode on the substrate including the fourth conductive organic layer. A method of manufacturing a nonvolatile memory device, comprising: forming two cells.
前記第1ナノ結晶層又は前記第2ナノ結晶層を形成するステップが、
酸化可能な第1金属層を蒸着するステップと、
前記第1金属層をプラズマ酸化させるステップとを含み、
前記ナノ結晶が前記第1金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記第1金属の酸化物からなることを特徴とする請求項61に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Forming the first nanocrystal layer or the second nanocrystal layer comprises:
Depositing an oxidizable first metal layer;
Plasma oxidizing the first metal layer,
62. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 61, wherein the nanocrystal is made of the first metal, and the non-crystalline barrier is made of an oxide of the first metal.
前記第1金属層を蒸着するステップが、
10−6Pa〜10−3Paの範囲の圧力、800℃〜1500℃の範囲の温度及び0.1Å/s〜7.0Å/sの範囲の蒸着速度の条件で、前記第1金属物質を蒸発させることにより行われることを特徴とする請求項62に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Depositing the first metal layer comprises:
The first metal material is subjected to a pressure in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, a temperature in the range of 800 ° C. to 1500 ° C., and a deposition rate in the range of 0.1 to 7.0 kg / s. 64. The method of manufacturing a nonvolatile memory device according to claim 62, wherein the method is performed by evaporation.
前記第1金属層を蒸着するステップが、
1.0Å/s〜5.0Å/sの範囲の蒸着速度で、Alを蒸発させることにより行われることを特徴とする請求項63に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Depositing the first metal layer comprises:
64. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 63, wherein the non-volatile memory element is produced by evaporating Al at a deposition rate in a range of 1.0 to 5.0 / s.
前記第1金属層を蒸着するステップが、
0.1Å/s〜1.0Å/sの範囲の蒸着速度で、Niを蒸発させることにより行われることを特徴とする請求項63に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Depositing the first metal layer comprises:
64. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 63, wherein the method is performed by evaporating Ni at a deposition rate in a range of 0.1 [deg.] / S to 1.0 [deg.] / S.
前記プラズマ酸化させるステップが、
50W〜300Wの範囲のRFパワー、100V〜200Vの範囲のACバイアス及び0.5Pa〜3.0Paの範囲の圧力下で、Oガスを導入することによる50秒〜500秒間の処理であることを特徴とする請求項62に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
The plasma oxidation step comprises:
Treatment for 50 seconds to 500 seconds by introducing O 2 gas under RF power in the range of 50 W to 300 W, AC bias in the range of 100 V to 200 V, and pressure in the range of 0.5 Pa to 3.0 Pa. 64. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 62, wherein:
前記第1ナノ結晶層又は前記第2ナノ結晶層が、
Al、Mg、Ti、Zn、Fe、Ni、Sn、Pb、Cu及びこれらの合金から選択されるいずれか1つの金属からなる前記ナノ結晶と、前記選択される金属の酸化物からなる前記非結晶性のバリアとを含むことを特徴とする請求項61に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
The first nanocrystal layer or the second nanocrystal layer is
The nanocrystal composed of any one metal selected from Al, Mg, Ti, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu and alloys thereof, and the non-crystal composed of an oxide of the selected metal. 62. The method of manufacturing a nonvolatile memory device according to claim 61, further comprising:
前記第1ナノ結晶層又は前記第2ナノ結晶層において、
前記ナノ結晶がAlからなり、前記非結晶性のバリアがAl酸化物(Al)からなることを特徴とする請求項61に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
In the first nanocrystal layer or the second nanocrystal layer,
It said nanocrystals is made of Al, a method of manufacturing a nonvolatile memory device of claim 61, wherein the non-crystalline barrier characterized by comprising the Al oxide (Al x O y).
前記第1ナノ結晶層又は前記第2ナノ結晶層において、
前記ナノ結晶がNiからなり、前記非結晶性のバリアがNi酸化物(Ni)からなることを特徴とする請求項61に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
In the first nanocrystal layer or the second nanocrystal layer,
The nanocrystals comprised Ni, a method of manufacturing a nonvolatile memory device of claim 61, wherein the non-crystalline barrier is being Ni oxide (Ni x O y).
前記第1ナノ結晶層又は前記第2ナノ結晶層において、
前記ナノ結晶がAuからなることを特徴とする請求項61に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
In the first nanocrystal layer or the second nanocrystal layer,
62. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 61, wherein the nanocrystal is made of Au.
前記第1ナノ結晶層又は前記第2ナノ結晶層において、
前記非結晶性のバリアが、Al又はTiOからなることを特徴とする請求項70に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
In the first nanocrystal layer or the second nanocrystal layer,
Method of manufacturing a nonvolatile memory device of claim 70, wherein the non-crystalline barrier, characterized in that it consists of Al 2 O 3 or TiO 2.
前記第1導電性有機物層〜前記第4導電性有機物層が、
Alq、α−NPD又はAIDCNからなることを特徴とする請求項61〜69のいずれかの項に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
The first conductive organic layer to the fourth conductive organic layer are:
Alq 3, a method of manufacturing a nonvolatile memory element according to any one of claims 61 to 69, characterized in that it consists of alpha-NPD or AIDCN.
前記第1導電性有機物層〜前記第4導電性有機物層が、
ポリマーからなることを特徴とする請求項61、70及び71のいずれかの項に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
The first conductive organic layer to the fourth conductive organic layer are:
72. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to any one of claims 61, 70 and 71, comprising a polymer.
基板上に第1電極を形成するステップと、
前記第1電極を含む前記基板上に第1導電性有機物層を形成するステップと、
前記第1導電性有機物層上に第1バリア物質層を形成するステップと、
前記第1バリア物質層上に所定の金属層を形成するステップと、
前記所定の金属層上に第2バリア物質層を形成するステップと、
前記第2バリア物質層を含む前記第1導電性有機物層上に第2導電性有機物層を形成するステップと、
前記第2導電性有機物層を含む形成された積層体を硬化するステップと、
前記第2導電性有機物層を含む前記基板上に第2電極を形成するステップとを含み、
前記第1導電性有機物層と前記第2導電性有機物層との間に、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を含むナノ結晶層を形成し、
前記ナノ結晶が前記所定の金属層の金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記第1バリア物質及び前記第2バリア物質からなることを特徴とする不揮発性メモリ素子の製造方法。
Forming a first electrode on a substrate;
Forming a first conductive organic material layer on the substrate including the first electrode;
Forming a first barrier material layer on the first conductive organic material layer;
Forming a predetermined metal layer on the first barrier material layer;
Forming a second barrier material layer on the predetermined metal layer;
Forming a second conductive organic material layer on the first conductive organic material layer including the second barrier material layer;
Curing the formed laminate including the second conductive organic layer;
Forming a second electrode on the substrate including the second conductive organic material layer,
Forming a nanocrystal layer including a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier between the first conductive organic material layer and the second conductive organic material layer;
The method of manufacturing a nonvolatile memory device, wherein the nanocrystal is made of a metal of the predetermined metal layer, and the non-crystalline barrier is made of the first barrier material and the second barrier material.
前記第1導電性有機物層及び前記第2導電性有機物層が、ポリマーからなることを特徴とする請求項74に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。   The method of claim 74, wherein the first conductive organic material layer and the second conductive organic material layer are made of a polymer. 前記ポリマーがPVKであることを特徴とする請求項75に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。   The method of claim 75, wherein the polymer is PVK. 前記第1バリア物質層及び前記第2バリア物質層が、金属酸化物からなることを特徴とする請求項74に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。   75. The method of claim 74, wherein the first barrier material layer and the second barrier material layer are made of a metal oxide. 前記金属酸化物が、Al又はTiOであることを特徴とする請求項77に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。 Method of manufacturing a nonvolatile memory device of claim 77, wherein the metal oxide, characterized in that a Al 2 O 3 or TiO 2. 前記第1バリア物質層及び前記第2バリア物質層を形成するステップが、
ALD法により行われることを特徴とする請求項74に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Forming the first barrier material layer and the second barrier material layer;
75. The method of manufacturing a nonvolatile memory device according to claim 74, wherein the method is performed by an ALD method.
前記所定の金属層がAuからなることを特徴とする請求項74に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。   75. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 74, wherein the predetermined metal layer is made of Au. 前記硬化するステップが、
150℃〜300℃の範囲の温度における0.5時間〜4時間の処理であることを特徴とする請求項74に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
The curing step comprises:
75. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 74, wherein the treatment is performed at a temperature in the range of 150 [deg.] C. to 300 [deg.] C. for 0.5 hours to 4 hours.
基板上に下部電極を形成するステップと、
前記下部電極を含む基板上に、非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶が分散したポリマー層を形成するステップと、
前記ポリマー層を含む前記基板上に上部電極を形成するステップとを含むことを特徴とする不揮発性メモリ素子の製造方法。
Forming a lower electrode on the substrate;
Forming a polymer layer in which a plurality of nanocrystals surrounded by an amorphous barrier are dispersed on a substrate including the lower electrode;
Forming a top electrode on the substrate including the polymer layer. A method for manufacturing a non-volatile memory device.
前記ナノ結晶がAuからなることを特徴とする請求項82に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。   83. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 82, wherein the nanocrystal is made of Au. 前記非結晶性のバリアがCB(carbazole terminated thiol)からなることを特徴とする請求項82に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。   83. The method of manufacturing a nonvolatile memory device according to claim 82, wherein the non-crystalline barrier is made of CB (carbazole terminated thiol). 前記ポリマー層がPVKからなることを特徴とする請求項82に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。 83. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 82, wherein the polymer layer is made of PVK. 前記ポリマー層を形成するステップが、
前記非結晶性のバリアに囲まれた複数のナノ結晶を合成するステップと、
合成された物質をポリマーと混合するステップと、
混合された物質を、前記下部電極を含む基板上にスピンコートするステップとを含むことを特徴とする請求項82に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Forming the polymer layer comprises:
Synthesizing a plurality of nanocrystals surrounded by the non-crystalline barrier;
Mixing the synthesized material with a polymer;
83. The method of claim 82, further comprising spin-coating the mixed material on the substrate including the lower electrode.
前記複数のナノ結晶を合成するステップが、
第1金属塩の水溶液と第1非水性溶液とを攪拌して、前記第1非水性溶液中に第1金属含有イオンを形成するステップと、
前記第1金属含有イオンを含む前記第1非水性溶液中に、分散安定化剤を添加して攪拌するステップと、
前記第1金属含有イオンを含む前記第1非水性溶液中に、前記第1金属含有イオンを還元する還元剤を添加して攪拌するステップとを含み、
前記ナノ結晶が還元された前記第1金属からなり、前記非結晶性のバリアが前記分散安定化剤からなることを特徴とする請求項86に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Synthesizing the plurality of nanocrystals,
Stirring the aqueous solution of the first metal salt and the first non-aqueous solution to form first metal-containing ions in the first non-aqueous solution;
Adding and stirring a dispersion stabilizer in the first non-aqueous solution containing the first metal-containing ions;
Adding a reducing agent that reduces the first metal-containing ion to the first non-aqueous solution containing the first metal-containing ion, and stirring.
89. The method of claim 86, wherein the nanocrystal is made of the reduced first metal, and the non-crystalline barrier is made of the dispersion stabilizer.
前記第1非水性溶液中に第1金属含有イオンを形成するステップが、
相間移動触媒の存在下で行われることを特徴とする請求項87に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Forming a first metal-containing ion in the first non-aqueous solution;
88. The method of manufacturing a nonvolatile memory device according to claim 87, wherein the method is performed in the presence of a phase transfer catalyst.
前記相間移動触媒がTOABであり、
前記第1非水性溶液がトルエン溶液であることを特徴とする請求項88に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
The phase transfer catalyst is TOAB;
90. The method of manufacturing a nonvolatile memory device according to claim 88, wherein the first non-aqueous solution is a toluene solution.
前記第1金属がAuであることを特徴とする請求項87に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。   88. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 87, wherein the first metal is Au. 前記分散安定化剤がCB(carbazole terminated thiol)からなることを特徴とする請求項87に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。   88. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 87, wherein the dispersion stabilizer is CB (carbazole terminated thiol). 前記還元剤がNaBHであることを特徴とする請求項87に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。 Method of manufacturing a nonvolatile memory device of claim 87 wherein said reducing agent is NaBH 4. 前記還元剤を添加して攪拌するステップの後、
前記第1非水性溶液を蒸発させるステップと、
蒸発後に残留する前記非結晶性のバリアに囲まれた前記ナノ結晶を、第2非水性溶液に混合するステップとを、さらに含むことを特徴とする請求項87に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
After adding and stirring the reducing agent,
Evaporating the first non-aqueous solution;
88. The method of claim 87, further comprising mixing the nanocrystals surrounded by the non-crystalline barrier remaining after evaporation into a second non-aqueous solution. Method.
前記第1非水性溶液がトルエン溶液であり、
前記第2非水性溶液がクロロホルム溶液であることを特徴とする請求項93に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
The first non-aqueous solution is a toluene solution;
94. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 93, wherein the second non-aqueous solution is a chloroform solution.
前記第1非水性溶液中に第1金属含有イオンを形成するステップが、
500rpm以上の速度で攪拌することにより行われることを特徴とする請求項87に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Forming a first metal-containing ion in the first non-aqueous solution;
88. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 87, wherein stirring is performed at a speed of 500 rpm or more.
前記分散安定化剤を添加して攪拌するステップが、
常温における5分〜20分間の処理であることを特徴とする請求項87に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Adding and stirring the dispersion stabilizer,
88. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 87, wherein the process is performed for 5 minutes to 20 minutes at room temperature.
前記還元剤を添加して攪拌するステップが、
500rpm以上の速度で、常温における3時間〜10時間の処理であることを特徴とする請求項87に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Adding and stirring the reducing agent,
88. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 87, wherein the processing is performed at a speed of 500 rpm or more for 3 hours to 10 hours at room temperature.
前記第1非水性溶液を蒸発させるステップが、
ロータリー蒸発器における−1Bar以下の圧力条件下での処理であることを特徴とする請求項93に記載の不揮発性メモリ素子の製造方法。
Evaporating the first non-aqueous solution comprises:
94. The method of manufacturing a nonvolatile memory element according to claim 93, wherein the process is performed under a pressure condition of -1 Bar or less in a rotary evaporator.
基板上に第1バリア物質層を形成するステップと、
前記第1バリア物質層上に金属層を形成するステップと、
前記金属層上に第2バリア物質層を形成するステップと、
前記第2バリア物質層を含む形成された積層体を硬化するステップとを含み、
前記第1バリア物質及び前記第2バリア物質に囲まれた複数の金属ナノ結晶を形成することを特徴とするナノ結晶層の形成方法。
Forming a first barrier material layer on a substrate;
Forming a metal layer on the first barrier material layer;
Forming a second barrier material layer on the metal layer;
Curing the formed laminate including the second barrier material layer;
A method of forming a nanocrystal layer, comprising forming a plurality of metal nanocrystals surrounded by the first barrier material and the second barrier material.
前記第1バリア物質層及び前記第2バリア物質層が、金属酸化物からなることを特徴とする請求項99に記載のナノ結晶層の形成方法。   The method of claim 99, wherein the first barrier material layer and the second barrier material layer are made of a metal oxide. 前記金属酸化物が、Al又はTiOであることを特徴とする請求項100に記載のナノ結晶層の形成方法。 Method of forming a nanocrystal layer according to claim 100, wherein the metal oxide is Al 2 O 3 or TiO 2. 前記第1バリア物質層及び前記第2バリア物質層を形成するステップが、
ALD法により行われることを特徴とする請求項99に記載のナノ結晶層の形成方法。
Forming the first barrier material layer and the second barrier material layer;
The method for forming a nanocrystal layer according to claim 99, which is performed by an ALD method.
前記所定の金属層がAuからなることを特徴とする請求項99に記載のナノ結晶層の形成方法。   The method for forming a nanocrystal layer according to claim 99, wherein the predetermined metal layer is made of Au. 前記硬化するステップが、
150℃〜300℃の範囲の温度における0.5時間〜4時間の処理であることを特徴とする請求項99に記載のナノ結晶層の形成方法。
The curing step comprises:
The method for forming a nanocrystal layer according to claim 99, wherein the treatment is performed for 0.5 hours to 4 hours at a temperature in the range of 150 ° C to 300 ° C.
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