JP2010003827A - Nonvolatile storage element - Google Patents

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Zhiqiang Wei
志強 魏
Takeshi Takagi
剛 高木
Yoshihiko Kanzawa
好彦 神澤
Satoru Mitani
覚 三谷
Takeo Ninomiya
健生 二宮
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile storage element which uses an oxygen-deficient transition metal oxide as a resistance varying material and has reversibly stable rewriting characteristics. <P>SOLUTION: The nonvolatile storage element has a first electrode 203, a second electrode 205, and a resistance varying layer 204 interposed between the first electrode 203 and second electrode 205 and containing the oxygen-deficient transition metal oxide (AOx when transition metal is denoted by A) which reversibly varies in resistance value with an electric signal applied between both the electrodes, and satisfies E<SB>E</SB>-E<SB>T</SB>≥0.34 eV, where E<SB>E</SB>is the standard electrode potential of at least one of the first electrode 203 and second electrode 205 (providing that the material constituting the electrode is none of Ag, Au, Ir, Pt, Ru, Ti and W) and E<SB>T</SB>is the standard electrode potential of the transition metal A. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性記憶素子に関し、特に、印加される電気的信号に応じて抵抗値が変化する抵抗変化型の不揮発性記憶素子に関する。   The present invention relates to a nonvolatile memory element, and more particularly to a variable resistance nonvolatile memory element whose resistance value changes in accordance with an applied electrical signal.

近年、デジタル技術の進展に伴い、携帯型情報機器及び情報家電などの電子機器が、より一層高機能化している。そのため、不揮発性記憶素子の大容量化、書き込み電力の低減、書き込み/読み出し時間の高速化、及び長寿命化の要求が高まっている。   In recent years, with the advancement of digital technology, electronic devices such as portable information devices and information home appliances have become more sophisticated. Therefore, there are increasing demands for increasing the capacity of nonvolatile memory elements, reducing the write power, increasing the write / read time, and extending the life.

こうした要求に対して、既存のフローティングゲートを用いたフラッシュメモリの微細化には限界があると言われている。他方、抵抗変化材料を記憶部の材料として用いる不揮発性記憶素子(抵抗変化型メモリ)は、抵抗変化素子から成る単純な構造の記憶素子で構成することができるため、さらなる微細化、高速化、及び低消費電力化が期待されている。   In response to such demands, it is said that there is a limit to miniaturization of existing flash memories using floating gates. On the other hand, a non-volatile memory element (resistance variable memory) that uses a resistance change material as a material for the memory portion can be configured with a memory element having a simple structure composed of a resistance change element. In addition, low power consumption is expected.

抵抗変化材料を記憶部の材料として用いる場合、例えば、電気的パルスなどの入力によって、その抵抗値を高抵抗から低抵抗へ、また低抵抗から高抵抗へと変化させることになる。この場合、低抵抗及び高抵抗の2値を明確に区別し、且つ低抵抗と高抵抗との間を高速に安定して変化させ、これら2値が不揮発的に保持されることが必要になる。このようなメモリ特性の安定及び記憶素子の微細化を目的として、従来から、種々の提案がなされている。   When the resistance change material is used as the material of the memory portion, for example, the resistance value is changed from a high resistance to a low resistance and from a low resistance to a high resistance by an input such as an electric pulse. In this case, it is necessary to clearly distinguish between the two values of low resistance and high resistance, and to stably change between the low resistance and the high resistance at high speed, and to hold these two values in a nonvolatile manner. . Conventionally, various proposals have been made for the purpose of stabilizing the memory characteristics and miniaturizing the memory element.

そのような提案の一つとして、2つの電極と、それらの電極に挟まれた記録層とを備え、その記録層の抵抗値を可逆的に変化するように構成された抵抗変化素子によりメモリセルが構成された記憶素子が、特許文献1に開示されている。この抵抗変化素子には、2元系の遷移金属酸化物が用いられている。例えば、抵抗変化材料としてNiO、TiO2、HfO、NbO2、ZnO、WO3、CoOが開示されている。また、特許文献2には、Ni、Nb、Ti、Zr、Hf、Co、Fe、Cu、Cr等の遷移金属の酸化物で、特に、酸素が化学量論的組成から不足した酸化物(以下、酸素不足型遷移金属酸化物と呼ぶ)を抵抗変化材料として使った抵抗変化素子が開示されている。ここで酸素不足型遷移金属酸化物をもう少し説明する。ハフニウムを例に取ると、ハフニウムの場合は化学両論的な組成を有する酸化物としてHfO2がある。このHfO2では、酸素がハフニウムの2倍含まれており、酸素含有率で表現すると、66.7%である。この酸素含有率66.7%よりも酸素含有率が低くなった状態の酸化物を、酸素不足型遷移金属酸化物と呼ぶ。なお、この例の場合、ハフニウム(Hf)の酸化物なので、酸素不足型ハフニウム酸化物と表現できる。 As one of such proposals, a memory cell includes a resistance change element that includes two electrodes and a recording layer sandwiched between the electrodes and is configured to reversibly change the resistance value of the recording layer. Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 discloses a memory element configured with the above. A binary transition metal oxide is used for the variable resistance element. For example, NiO, TiO 2 , HfO, NbO 2 , ZnO, WO 3 and CoO are disclosed as resistance change materials. Patent Document 2 discloses oxides of transition metals such as Ni, Nb, Ti, Zr, Hf, Co, Fe, Cu, and Cr, and in particular, oxides in which oxygen is insufficient from the stoichiometric composition (hereinafter referred to as “oxide”). (Referred to as oxygen-deficient transition metal oxide) as a variable resistance material. Here, the oxygen-deficient transition metal oxide will be explained a little more. Taking hafnium as an example, in the case of hafnium, HfO 2 is an oxide having a stoichiometric composition. This HfO 2 contains oxygen twice as much as hafnium, which is 66.7% in terms of oxygen content. An oxide having an oxygen content lower than 66.7% is called an oxygen-deficient transition metal oxide. In this example, since it is an oxide of hafnium (Hf), it can be expressed as an oxygen-deficient hafnium oxide.

また、抵抗変化層を挟んでいる上下の電極材料についても、例えば、特許文献2には、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、Ir及びRuの酸化物、チタン(Ti)の窒化物、ポリシリコン等が開示されている。さらに、特許文献3には、Pt、Ir、オスミウム(Os)、Ru、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、Ti、コバルト(Co)、W等を電極材料に使用した不揮発性記憶素子が開示されている。
特開2005−317976号公報 特開2006−140464号公報 特開2006−344875号公報
As for the upper and lower electrode materials sandwiching the variable resistance layer, for example, Patent Document 2 discloses oxides of iridium (Ir), platinum (Pt), ruthenium (Ru), tungsten (W), Ir and Ru. Titanium (Ti) nitride, polysilicon, and the like are disclosed. Furthermore, Patent Document 3 discloses a nonvolatile memory element using Pt, Ir, osmium (Os), Ru, rhodium (Rh), palladium (Pd), Ti, cobalt (Co), W, or the like as an electrode material. Has been.
JP 2005-317976 A JP 2006-140464 A JP 2006-344875 A

しかしながら、酸素不足型遷移金属酸化物を抵抗変化素子に用いた記憶素子は、動作(具体的には書き換え特性)が不安定であるという問題があった。   However, a memory element using an oxygen-deficient transition metal oxide as a resistance change element has a problem that its operation (specifically, rewriting characteristics) is unstable.

本発明は、酸素不足型遷移金属酸化物を抵抗変化材料として用い、かつ可逆的に安定した書き換え特性を有する不揮発性記憶素子を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory element that uses an oxygen-deficient transition metal oxide as a resistance change material and has reversibly stable rewriting characteristics.

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究した。その結果、酸素不足型遷移金属酸化物における抵抗変化現象の発現が、酸素不足型遷移金属酸化物を構成する当該遷移金属の標準電極電位と電極を構成する材料の標準電極電位との関係に依存するという知見を得た。なお、上記先行技術文献には、酸素不足型遷移金属酸化物における抵抗変化現象の電極材料への依存性、抵抗変化の安定性等に関する知見、データ等については全く示されていない。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, the phenomenon of resistance change in oxygen-deficient transition metal oxides depends on the relationship between the standard electrode potential of the transition metal that constitutes the oxygen-deficient transition metal oxide and the standard electrode potential of the material that constitutes the electrode. I got the knowledge to do. Note that the above-mentioned prior art documents do not show any knowledge, data, or the like regarding the dependence of the resistance change phenomenon on the electrode material in the oxygen-deficient transition metal oxide, the stability of the resistance change, etc.

本発明は上記知見に基づいてなされたもので、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在し、両電極間に与えられる電気的信号に応じて可逆的に抵抗値が変化する酸素不足型遷移金属酸化物(遷移金属をAとしたとき、AOx)を含む抵抗変化層と、を備え、前記第1電極と第2電極とのうちの少なくとも一方の電極(但し、この電極を構成する材料はAg、Au、Ir、Pt、Ru、Ti、及びWを除く)の標準電極電位をEE、前記遷移金属Aの標準電極電位をETとしたとき、EE及びETが、 EE−ET≧0.34eVを満足するものである。 The present invention has been made on the basis of the above-described knowledge, and is interposed between the first electrode, the second electrode, the first electrode and the second electrode, and according to an electrical signal applied between the two electrodes. An oxygen-deficient transition metal oxide whose resistance value reversibly changes (AOx when the transition metal is A), and at least one of the first electrode and the second electrode. The standard electrode potential of one electrode (however, the materials constituting this electrode excluding Ag, Au, Ir, Pt, Ru, Ti, and W) are E E , and the standard electrode potential of the transition metal A is E T Then, E E and E T satisfy E E −E T ≧ 0.34 eV.

E及びETが、 EE−ET≧1.12eVを満足することがより好ましい。 More preferably, E E and E T satisfy E E −E T ≧ 1.12 eV.

前記遷移金属Aがハフニウムであり、EE及びETが、EE−ET≧0.95eVを満足することが好ましい。 The transition metal A is preferably hafnium, and E E and E T preferably satisfy E E −E T ≧ 0.95 eV.

前記遷移金属Aがハフニウムであり、EE及びETが、EE−ET≧1.65eVを満足することがより好ましい。 More preferably, the transition metal A is hafnium, and E E and E T satisfy E E −E T ≧ 1.65 eV.

前記遷移金属Aがタンタルであり、EE及びETが、EE−ET≧0.34eVを満足することが好ましい。 Preferably, the transition metal A is tantalum, and E E and E T satisfy E E −E T ≧ 0.34 eV.

前記第1電極と第2電極とのうちの少なくとも一方の電極がCuで構成されていてもよい。   At least one of the first electrode and the second electrode may be made of Cu.

前記第1電極と第2電極とのうちの少なくとも一方の電極がNiで構成されていてもよい。   At least one of the first electrode and the second electrode may be made of Ni.

前記抵抗変化層は、第1電極と第2電極との間に、互いに極性の異なる電気パルスを前記電気信号として印加することにより、その抵抗値が増加及び減少することが好ましい。   The resistance change layer preferably increases and decreases its resistance value by applying electrical pulses having different polarities as the electrical signal between the first electrode and the second electrode.

本発明は上記のように構成されており、可逆的に安定した書き換え特性を有する不揮発性記憶素子を提供できるという効果を奏する。   The present invention is configured as described above, and has an effect of providing a nonvolatile memory element having reversibly stable rewriting characteristics.

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して詳しく説明する。なお、全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の符号を付しその説明を省略する場合がある。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is the same or it corresponds through all the figures, and the description may be abbreviate | omitted.

(抵抗変化部位の検討)
実施の形態を説明する前に、本発明を理解する上で重要な抵抗変化部位の検討について説明する。
(Examination of resistance change site)
Before describing the embodiment, the examination of the resistance change part important for understanding the present invention will be described.

本発明者等は、まず、電極と酸素不足型遷移金属の酸化物との相関を把握するため、抵抗変化部位を検討することにした。そして、その検討用の不揮発性記憶素子を作製し、その電気的特性を調べた。   The present inventors first decided to examine the resistance change site in order to grasp the correlation between the electrode and the oxide of the oxygen-deficient transition metal. And the non-volatile memory element for the examination was produced, and the electrical property was investigated.

図1は、抗変化部位検討用の不揮発性記憶素子の断面を示す模式図である。この不揮発性記憶素子100においては、図1に示すように、100nmの厚みの酸素不足型タンタル酸化物層105の上下に2つずつ、合計4つのPtから成る電極101〜電極104を形成した。そして、電極102を基準にして電極101に、100nsecのパルス幅で+2.0Vの電圧の電気パルスと100nsecのパルス幅で−1.5Vの電圧の電気パルスとを印加した。すると、不揮発性記憶素子100は、+2.0Vの電圧の電気パルスを印加した時に高抵抗化し、−1.5Vの電圧の電気パルスを印加した時に低抵抗化した。このように高抵抗化した状態と低抵抗化した状態とのそれぞれにおいて、4つの電極間の抵抗値を測定した。具体的には、電極101と電極103との間、電極101と電極104との間、電極102と電極103との間、電極102と電極104との間、電極103と電極104との間の抵抗値をそれぞれ測定した。そして、以上のような測定を10回ずつ繰り返した。これらの測定した抵抗値をまとめて表1に示す。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of a nonvolatile memory element for examining resistance change sites. In the nonvolatile memory element 100, as shown in FIG. 1, two electrodes 101 to 104 made of a total of four Pt were formed, two above and below an oxygen-deficient tantalum oxide layer 105 having a thickness of 100 nm. Then, an electric pulse with a voltage of +2.0 V with a pulse width of 100 nsec and an electric pulse with a voltage of −1.5 V with a pulse width of 100 nsec were applied to the electrode 101 with reference to the electrode 102. Then, the nonvolatile memory element 100 was increased in resistance when an electric pulse having a voltage of +2.0 V was applied, and decreased in resistance when an electric pulse having a voltage of −1.5 V was applied. Thus, the resistance value between four electrodes was measured in each of the high resistance state and the low resistance state. Specifically, between the electrode 101 and the electrode 103, between the electrode 101 and the electrode 104, between the electrode 102 and the electrode 103, between the electrode 102 and the electrode 104, between the electrode 103 and the electrode 104, Each resistance value was measured. Then, the above measurement was repeated 10 times. These measured resistance values are summarized in Table 1.

Figure 2010003827
Figure 2010003827

表1に示すように、電極101に関連した部分だけに抵抗値の変化が見られ、電極101が関与していない場所では、抵抗値がほとんど変化していないという結果が得られた。このことから、電極101と電極102との間に電圧を印加した時に抵抗の変化が起こっていたのは、電極101の近傍だけであったことが分かる。   As shown in Table 1, a change in the resistance value was observed only in the portion related to the electrode 101, and the result that the resistance value hardly changed in the place where the electrode 101 was not involved was obtained. From this, it can be seen that the resistance change occurred only in the vicinity of the electrode 101 when a voltage was applied between the electrode 101 and the electrode 102.

以上のことより、酸素不足型タンタル酸化物を抵抗変化層に用いた抵抗変化素子で抵抗変化が生じているのは酸素不足型タンタル酸化物層105の中でも電極に近い部分だけであるといえる。また、高抵抗化を起こす時に、高い電位となっている側の電極の近傍が抵抗変化を起こしていると考えられる(この場合、高抵抗化する時、電極102に対して電極101には高電位の電圧がかかっている)。   From the above, it can be said that the resistance change in the resistance change element using the oxygen-deficient tantalum oxide for the resistance change layer is only in the portion near the electrode in the oxygen-deficient tantalum oxide layer 105. Further, when the resistance is increased, it is considered that the vicinity of the electrode on the side having a high potential causes a resistance change (in this case, when the resistance is increased, the electrode 101 has a higher resistance than the electrode 102). Voltage is applied).

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態は、抵抗変化層を構成する酸素不足型遷移金属酸化物として酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子を例示するものである。
(First embodiment)
The first embodiment of the present invention exemplifies a nonvolatile memory element using an oxygen-deficient tantalum oxide as an oxygen-deficient transition metal oxide constituting the resistance change layer.

[構成]
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶素子の構成を示した断面図である。
[Constitution]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the nonvolatile memory element according to the first embodiment of the present invention.

図2に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子200は、基板201と、その基板201上に形成された酸化物層からなる絶縁層202と、その絶縁層202上に形成された下部電極層(第1電極)203、上部電極層(第2電極)205と、下部電極層203及び上部電極層205に挟まれた抵抗変化層としての酸素不足型タンタル酸化物層204とを備えている。   As shown in FIG. 2, the nonvolatile memory element 200 of the present embodiment is formed on a substrate 201, an insulating layer 202 made of an oxide layer formed on the substrate 201, and the insulating layer 202. A lower electrode layer (first electrode) 203; an upper electrode layer (second electrode) 205; and an oxygen-deficient tantalum oxide layer 204 as a resistance change layer sandwiched between the lower electrode layer 203 and the upper electrode layer 205. ing.

そして、上部電極層205及び下部電極層203の少なくとも一方の標準電極電位が酸素不足型タンタル酸化物を構成するタンタルTaの標準電極電位に対し特定の関係を満足している。これについては、後で詳しく説明する。なお、他方の電極層203、205はこの特定の関係について特に限定されない。   The standard electrode potential of at least one of the upper electrode layer 205 and the lower electrode layer 203 satisfies a specific relationship with the standard electrode potential of tantalum Ta constituting the oxygen-deficient tantalum oxide. This will be described in detail later. The other electrode layers 203 and 205 are not particularly limited with respect to this specific relationship.

また、この不揮発性記憶素子200を駆動する場合は、外部の電源によって所定の条件を満たす電圧を下部電極層203と上部電極層205との間に印加する。
[製造方法]
次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子200の製造方法について説明する。
まず、単結晶シリコンである基板201上に、厚さ200nmの酸化物層からなる絶縁層202を熱酸化法により形成する。そして、下部電極層203としての厚さ100nmの金属薄膜を、スパッタリング法により絶縁層202上に形成する。
When the nonvolatile memory element 200 is driven, a voltage satisfying a predetermined condition is applied between the lower electrode layer 203 and the upper electrode layer 205 by an external power source.
[Production method]
Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory element 200 of the present embodiment will be described.
First, an insulating layer 202 including an oxide layer having a thickness of 200 nm is formed over a substrate 201 that is single crystal silicon by a thermal oxidation method. Then, a metal thin film with a thickness of 100 nm as the lower electrode layer 203 is formed on the insulating layer 202 by a sputtering method.

次に、下部電極層203上に、酸素不足型タンタル酸化物層204を30nm堆積した。ここで酸素不足型タンタル酸化物は、TaターゲットをArとO2ガス中でスパッタリングする事で形成した。なお、本実施の形態では、下部電極層203として使用する金属薄膜と酸素不足型タンタル酸化物層とは別のスパッタリング装置を使ったため、下部電極層203を形成した後、基板201を一旦大気中に取り出し、酸素不足型タンタル酸化物を堆積するためのスパッタリング装置へと導入した。酸素不足型タンタル酸化物を堆積する時の具体的なスパッタリング条件は、スパッタリングを開始する前のスパッタリング装置内の真空度(背圧)が7×10-4Pa程度であり、スパッタ時のパワーは250W、アルゴンガスと酸素ガスとをあわせた全ガス圧力は3.3Pa、酸素ガスの分圧比は3.8%、基板の設定温度は30℃、成膜時間は7分とした。これにより、酸素含有率が約58%の酸素不足型タンタル酸化物層204が30nm堆積された。 Next, an oxygen-deficient tantalum oxide layer 204 was deposited on the lower electrode layer 203 to a thickness of 30 nm. Here, the oxygen-deficient tantalum oxide was formed by sputtering a Ta target in Ar and O 2 gas. In this embodiment mode, since a sputtering apparatus different from the metal thin film used as the lower electrode layer 203 and the oxygen-deficient tantalum oxide layer is used, the substrate 201 is temporarily placed in the atmosphere after the lower electrode layer 203 is formed. And introduced into a sputtering apparatus for depositing oxygen-deficient tantalum oxide. Specific sputtering conditions for depositing the oxygen-deficient tantalum oxide are such that the degree of vacuum (back pressure) in the sputtering apparatus before starting sputtering is about 7 × 10 −4 Pa, and the power during sputtering is The total gas pressure of 250 W, argon gas and oxygen gas was 3.3 Pa, the partial pressure ratio of oxygen gas was 3.8%, the set temperature of the substrate was 30 ° C., and the film formation time was 7 minutes. As a result, an oxygen-deficient tantalum oxide layer 204 having an oxygen content of about 58% was deposited to 30 nm.

その後、再び、基板201を大気中に一旦取り出し、その後、上部電極205を形成するための別のスパッタリング装置内へ導入した。そして、酸素不足型タンタル酸化物層204上に上部電極層205として厚さ150nmの金属薄膜をスパッタリング法で形成した。   Thereafter, the substrate 201 was once taken out again into the atmosphere, and then introduced into another sputtering apparatus for forming the upper electrode 205. Then, a metal thin film having a thickness of 150 nm was formed as the upper electrode layer 205 on the oxygen-deficient tantalum oxide layer 204 by a sputtering method.

以上のプロセスにより、酸素不足型タンタル酸化物の上下を金属薄膜で挟み込んだ形の不揮発性記憶素子200を作製した。   Through the above process, a nonvolatile memory element 200 in which the upper and lower sides of an oxygen-deficient tantalum oxide were sandwiched between metal thin films was produced.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態は、抵抗変化層を構成する酸素不足型遷移金属酸化物として酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子を例示するものである。
[構成]
図3は、本発明の第2の実施の形態に係る不揮発性記憶素子の構成を示した断面図である。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention exemplifies a nonvolatile memory element using oxygen-deficient hafnium oxide as the oxygen-deficient transition metal oxide constituting the resistance change layer.
[Constitution]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a nonvolatile memory element according to the second embodiment of the present invention.

図3に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子400は、基板401と、その基板401上に形成された酸化物層からなる絶縁層402と、その絶縁層402上に形成された下部電極層(第1電極)403と、上部電極層(第2電極)405と、下部電極層403及び上部電極層405に挟まれた抵抗変化層として酸素不足型ハフニウム酸化物層404とを備えている。   As shown in FIG. 3, the nonvolatile memory element 400 of this embodiment is formed on a substrate 401, an insulating layer 402 made of an oxide layer formed on the substrate 401, and the insulating layer 402. A lower electrode layer (first electrode) 403; an upper electrode layer (second electrode) 405; and an oxygen-deficient hafnium oxide layer 404 as a resistance change layer sandwiched between the lower electrode layer 403 and the upper electrode layer 405. ing.

そして、上部電極層405及び下部電極層403の少なくとも一方の標準電極電位が酸素不足型ハフニウム酸化物を構成するハフニウムHfの標準電極電位に対し特定の関係を満足している。これについては、後で詳しく説明する。なお、他方の電極層403、405はこの特定の関係について特に限定されない。   The standard electrode potential of at least one of the upper electrode layer 405 and the lower electrode layer 403 satisfies a specific relationship with the standard electrode potential of hafnium Hf constituting the oxygen-deficient hafnium oxide. This will be described in detail later. The other electrode layers 403 and 405 are not particularly limited with respect to this specific relationship.

この不揮発性記憶素子400を駆動する場合は、外部の電源によって所定の条件を満たす電圧を下部電極層403と上部電極層405との間に印加する。
[製造方法]
まず、単結晶シリコンである基板401上に、厚さ200nmの酸化物層からなる絶縁層402を熱酸化法により形成する。そして、下部電極層403としての厚さ100nmの金属薄膜を、スパッタリング法により絶縁層402上に形成する。
When driving the nonvolatile memory element 400, a voltage satisfying a predetermined condition is applied between the lower electrode layer 403 and the upper electrode layer 405 by an external power source.
[Production method]
First, an insulating layer 402 including an oxide layer having a thickness of 200 nm is formed over a substrate 401 that is single crystal silicon by a thermal oxidation method. Then, a metal thin film with a thickness of 100 nm as the lower electrode layer 403 is formed on the insulating layer 402 by a sputtering method.

次に、下部電極層403上に、酸素不足型ハフニウム酸化物層404を30nm堆積した。ここで酸素不足型ハフニウム酸化物は、HfターゲットをArとO2ガス中でスパッタリングすることで形成した。なお、本実施の形態では、下部電極層403として使用する金属薄膜と酸素不足型ハフニウム酸化物層とは別のスパッタリング装置を使ったため、下部電極層403を形成した後、基板401を一旦大気中に取り出し、酸素不足型ハフニウム酸化物を堆積するためのスパッタリング装置へと導入した。酸素不足型ハフニウム酸化物を堆積する時の具体的なスパッタリング条件は、スパッタリングを開始する前のスパッタリング装置内の真空度(背圧)が1×10-5Pa程度であり、スパッタ時のパワーは300W、アルゴンガスと酸素ガスとをあわせた全ガス圧力は0.7Pa、酸素ガスの分圧比は2.5%、基板の設定温度は30℃、成膜時間は3.5分とした。これにより、酸素含有率が約57%の酸素不足型ハフニウム酸化物層404が30nm堆積された。 Next, an oxygen-deficient hafnium oxide layer 404 was deposited on the lower electrode layer 403 by 30 nm. Here, the oxygen-deficient hafnium oxide was formed by sputtering an Hf target in Ar and O 2 gases. In this embodiment mode, since a sputtering apparatus different from the metal thin film used as the lower electrode layer 403 and the oxygen-deficient hafnium oxide layer is used, the substrate 401 is once placed in the atmosphere after the lower electrode layer 403 is formed. And introduced into a sputtering apparatus for depositing oxygen-deficient hafnium oxide. The specific sputtering conditions for depositing the oxygen-deficient hafnium oxide are that the degree of vacuum (back pressure) in the sputtering apparatus before starting sputtering is about 1 × 10 −5 Pa, and the power during sputtering is The total gas pressure of 300 W, argon gas and oxygen gas combined was 0.7 Pa, the partial pressure ratio of oxygen gas was 2.5%, the set temperature of the substrate was 30 ° C., and the film formation time was 3.5 minutes. As a result, an oxygen-deficient hafnium oxide layer 404 having an oxygen content of about 57% was deposited to 30 nm.

その後、再び、基板401を大気中に一旦取り出し、その後、上部電極405を形成するための別のスパッタリング装置内へ、導入した。そして、酸素不足型ハフニウム酸化物層404上に上部電極層405として厚さ150nmの金属薄膜をスパッタリング法で形成した。   Thereafter, the substrate 401 was once again taken out into the atmosphere and then introduced into another sputtering apparatus for forming the upper electrode 405. Then, a 150 nm thick metal thin film was formed as the upper electrode layer 405 on the oxygen-deficient hafnium oxide layer 404 by a sputtering method.

以上のプロセスにより、酸素不足型ハフニウム酸化物の上下を金属薄膜で挟み込んだ形の不揮発性記憶素子400を作製した。
(好適な電極材料の検討)
以上のように作製される第1、第2の実施の形態による不揮発性記憶素子について、電極材料を様々に変化させた時の抵抗変化の起こりやすさを評価した。この検討では、酸素不足型遷移金属酸化物として、酸素不足型タンタル酸化物と酸素不足型ハフニウム酸化物との2種類の酸素不足型遷移金属酸化物を用い、下部電極203、403の材料をタングステン(W)に固定し、上部電極205、405の材料を表2、表3に示す複数種類の材料に変化させた。表2は遷移金属酸化物としてタンタル酸化物を用いた場合を、表3は遷移金属酸化物としてハフニウム酸化物を用いたものである。ここで、酸素不足型遷移金属酸化物とは、遷移金属をAとして、酸化物をAOxと記したとき、xが非化学量論比で表され、酸素が化学量論比組成から不足している酸化物である。以上について抵抗変化の様子を調べた。表2(第1の実施の形態)の不揮発性記憶素子の抵抗変化の測定においては、抵抗変化させた時の電気パルスの電圧は、試料によって若干の違いはあるが、下部電極203を基準にして上部電極205に、高抵抗化させる時の電圧は+1.8〜+2.5V、100 nsecとし、低抵抗化させる時の電圧は−1.3〜−1.6V、100 nsecの電圧の電気パルスとを交互に印加した。表3(第2の実施の形態)の不揮発性記憶素子の抵抗変化の測定においては、抵抗変化させた時の電気パルスの電圧は、試料によって若干の違いはあるが、下部電極403を基準にして上部電極405に、高抵抗化させる時の電圧は+1.6〜+1.9V、100 nsecとし、低抵抗化させる時の電圧は−1.1〜−1.3V、100 nsecの電圧の電気パルスとを交互に印加した。ここで、下部電極203、403の材料をWに固定したのは、Wが比較的酸化されにくく、安定した材料であり、加工も比較的容易であることによる。
Through the above process, a nonvolatile memory element 400 in which the upper and lower sides of an oxygen-deficient hafnium oxide were sandwiched between metal thin films was manufactured.
(Study on suitable electrode materials)
With respect to the nonvolatile memory elements according to the first and second embodiments fabricated as described above, the ease of resistance change when the electrode material was changed in various ways was evaluated. In this study, two types of oxygen-deficient transition metal oxides, oxygen-deficient tantalum oxide and oxygen-deficient hafnium oxide, are used as the oxygen-deficient transition metal oxide, and the lower electrodes 203 and 403 are made of tungsten. (W), the materials of the upper electrodes 205 and 405 were changed to a plurality of types of materials shown in Tables 2 and 3. Table 2 shows the case where tantalum oxide is used as the transition metal oxide, and Table 3 shows the case where hafnium oxide is used as the transition metal oxide. Here, the oxygen-deficient transition metal oxide means that when the transition metal is A and the oxide is AOx, x is represented by a non-stoichiometric ratio, and oxygen is insufficient from the stoichiometric composition. Oxide. About the above, the state of resistance change was investigated. In the measurement of the resistance change of the nonvolatile memory element in Table 2 (first embodiment), the voltage of the electric pulse when the resistance is changed varies slightly depending on the sample, but the lower electrode 203 is used as a reference. The voltage when the resistance of the upper electrode 205 is increased is +1.8 to +2.5 V, 100 nsec, and the voltage when the resistance is decreased is -1.3 to -1.6 V, an electric voltage of 100 nsec. Pulses were applied alternately. In the measurement of the resistance change of the nonvolatile memory element in Table 3 (second embodiment), the voltage of the electric pulse when the resistance is changed varies slightly depending on the sample, but the lower electrode 403 is used as a reference. When the resistance of the upper electrode 405 is increased, the voltage is +1.6 to +1.9 V and 100 nsec, and when the resistance is decreased, the voltage is −1.1 to −1.3 V and an electric voltage of 100 nsec. Pulses were applied alternately. Here, the reason why the material of the lower electrodes 203 and 403 is fixed to W is that W is relatively hardly oxidized, is a stable material, and is relatively easy to process.

Figure 2010003827
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Figure 2010003827
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これらの個々の測定結果を図5乃至図20に示す。また、これらの測定結果をまとめて図4に示す。   These individual measurement results are shown in FIGS. These measurement results are collectively shown in FIG.

図4は、酸素不足型遷移金属酸化物を構成する遷移金属の標準電極電位に対する電極材料の標準電極電位の差異と酸素不足型遷移金属酸化物の抵抗変化との相関を示すグラフである。図5乃至図13は酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子における電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。図14乃至図20は酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子における電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。   FIG. 4 is a graph showing the correlation between the difference in the standard electrode potential of the electrode material with respect to the standard electrode potential of the transition metal constituting the oxygen-deficient transition metal oxide and the resistance change of the oxygen-deficient transition metal oxide. FIGS. 5 to 13 are diagrams showing a change in resistance with respect to the number of electric pulses applied in a nonvolatile memory element using an oxygen-deficient tantalum oxide. 14 to 20 are diagrams showing a change in resistance with respect to the number of electric pulses applied in a nonvolatile memory element using oxygen-deficient hafnium oxide.

図5乃至図13は、それぞれ、表2に示す不揮発性記憶素子Ta−A(白金),Ta−B(イリジウム),Ta−C(銀),Ta−D(銅),Ta−E(ニッケル),Ta−F(タングステン),Ta−G(タンタル),Ta−H(チタン),Ta−I(アルミニウム)における測定結果を示している。また、図14乃至図20は、それぞれ、表3に示す不揮発性記憶素子Hf−A(白金),Hf−B(銅),Hf−C(タングステン),Hf−D(タンタル),Hf−E(ハフニウム)、Hf−F(チタン),Hf−G(アルミニウム)における測定結果を示している。   5 to 13 show non-volatile memory elements Ta-A (platinum), Ta-B (iridium), Ta-C (silver), Ta-D (copper), and Ta-E (nickel) shown in Table 2, respectively. ), Ta-F (tungsten), Ta-G (tantalum), Ta-H (titanium), and Ta-I (aluminum). 14 to 20 show the nonvolatile memory elements Hf-A (platinum), Hf-B (copper), Hf-C (tungsten), Hf-D (tantalum), and Hf-E shown in Table 3, respectively. The measurement results for (hafnium), Hf-F (titanium), and Hf-G (aluminum) are shown.

図4に示すように、電極材料の標準電極電位をEE、酸素不足型遷移金属酸化物の遷移金属の標準電極電位をETとすると、EE−ET≦0を満足する電極材料を用いた素子は抵抗変化現象を示さなかった。 As shown in FIG. 4, when the standard electrode potential of the electrode material is E E and the standard electrode potential of the transition metal of the oxygen-deficient transition metal oxide is E T , an electrode material satisfying E E −E T ≦ 0 is obtained. The element used did not show a resistance change phenomenon.

すなわち、図4、図11、図12、図13に示すように、酸素不足型タンタル酸化物を用いた素子のうち、上部電極にTaを用いた素子Ta−G、上部電極にTiを用いた素子Ta−H、上部電極にAlを用いた素子Ta−Iでは、全く抵抗変化現象は観測されなかった。   That is, as shown in FIGS. 4, 11, 12, and 13, among elements using oxygen-deficient tantalum oxide, element Ta-G using Ta for the upper electrode and Ti for the upper electrode were used. In the element Ta-H and the element Ta-I using Al as the upper electrode, no resistance change phenomenon was observed.

同様に、図4、図18、図19、図20に示すように、酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた素子のうち、上部電極にHfを用いた素子Hf−E、上部電極にTiを用いた素子Hf−F、上部電極にAlを用いた素子Hf−Gでは、全く抵抗変化現象は観測されなかった。   Similarly, as shown in FIGS. 4, 18, 19, and 20, among elements using oxygen-deficient hafnium oxide, element Hf-E using Hf for the upper electrode and Ti for the upper electrode are used. In the device Hf-F and the device Hf-G using Al as the upper electrode, no resistance change phenomenon was observed.

逆に、EE−ET>0を満足する電極材料を用いた不揮発記憶素子については、正負の電圧を交互に印加すると、低抵抗と高抵抗とで繰り返すように抵抗値の変化を示し、不揮発性記憶素子の機能を持っていることが確認できた。 Conversely, for a nonvolatile memory element using an electrode material that satisfies E E -E T > 0, when a positive and negative voltage is applied alternately, the resistance value changes to repeat at low resistance and high resistance, It was confirmed that it has a function of a nonvolatile memory element.

次に、これらの抵抗変化を示した不揮発性記憶素子の抵抗変化の安定性について考察する。   Next, the stability of the resistance change of the nonvolatile memory element that exhibits these resistance changes will be considered.

図4、図10に示すように、酸素不足型タンタル酸化物を用いた素子のうち、上部電極にW(EE−ET=0.7eV)を用いた素子Ta−Fでは、若干の抵抗変化が見られたがその変化幅が小さい。一方、図4、図8に示すように、上部電極にCuを用いた素子Ta−D(EE−ET=1.12eV)については、正負の電圧を交互に印加した時に、変化幅で1桁以上、回数で20回以上の抵抗値の変化があり、安定的に抵抗変化している。また、図4、図5、図6、及び図7に示すように、上部電極にAgを用いた素子Ta−C(EE−ET=1.40eV)、上部電極にPtを用いた素子Ta−A(EE−ET=1.78eV)、及び上部電極にIrを用いた素子Ta−B(EE−ET=1.77eV)については、正負の電圧を交互に印加した時に、変化幅で1桁以上、回数で20回以上の抵抗値の変化があり、安定的に抵抗変化している。 As shown in FIGS. 4 and 10, among the elements using oxygen-deficient tantalum oxide, the element Ta-F using W (E E −E T = 0.7 eV) for the upper electrode has a slight resistance. There was a change, but the change was small. On the other hand, as shown in FIG. 4 and FIG. 8, for the element Ta-D (E E -E T = 1.12 eV) using Cu for the upper electrode, when positive and negative voltages are alternately applied, There is a change of the resistance value of one digit or more and the number of times of 20 times or more, and the resistance changes stably. Also, as shown in FIGS. 4, 5, 6, and 7, an element Ta—C using Ag for the upper electrode (E E− E T = 1.40 eV) and an element using Pt for the upper electrode For Ta-A (E E -E T = 1.78 eV) and the element Ta-B using Ir as the upper electrode (E E -E T = 1.77 eV), when positive and negative voltages are alternately applied, There is a change in the resistance value of one digit or more in the change width and 20 or more times in the number of times, and the resistance changes stably.

また、図4、図17に示すように、酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた素子のうち、上部電極にTaを用いた素子Hf−D(EE−ET=0.95eV)では、若干の抵抗変化が見られたがその変化幅が小さい。一方、図4、図16に示すように、上部電極にWを用いた素子Hf−C(EE−ET=1.65eV)については、正負の電圧を交互に印加した時に、変化幅で1桁以上、回数で20回以上の抵抗値の変化があり、安定的に抵抗変化している。また、図4、図14、及び図15に示すように、上部電極にCuを用いた素子Hf−B(EE−ET=2.07eV)、及び上部電極にPtを用いた素子Hf−A(EE−ET=2.73eV)については、正負の電圧を交互に印加した時に、変化幅で1桁以上、回数で20回以上の抵抗値の変化があり、安定的に抵抗変化している。 Also, as shown in FIGS. 4 and 17, among the elements using oxygen-deficient hafnium oxide, the element Hf-D (E E -E T = 0.95 eV) using Ta for the upper electrode is slightly The resistance change was observed, but the change width was small. On the other hand, as shown in FIGS. 4 and 16, for the element Hf-C (E E −E T = 1.65 eV) using W as the upper electrode, when the positive and negative voltages are alternately applied, There is a change of the resistance value of one digit or more and the number of times of 20 times or more, and the resistance changes stably. Also, as shown in FIGS. 4, 14, and 15, a device Hf-B (E E −E T = 2.07 eV) using Cu for the upper electrode and a device Hf− using Pt for the upper electrode. For A (E E -E T = 2.73 eV), when positive and negative voltages are alternately applied, there is a change in the resistance value of one digit or more in the change width and 20 or more times in the number of changes, and the resistance change stably. is doing.

ここで、図4及び図11を参照すると、酸素不足型タンタル酸化物を用いた素子のうち、上部電極にTaを用いた素子Ta−G(EE−ET=0eV)では、全く抵抗変化現象は観測されなかったのに対し、図4及び図9を参照すると、上部電極にNiを用いた素子Ta−E(EE−ET=0.34eV)では、若干の抵抗変化が見られたことから、酸素不足型タンタル酸化物を用いた素子が抵抗変化動作を行うためには、EE−ET≧0.34eVの条件を満足することが必要であると考えられる。 Here, referring to FIG. 4 and FIG. 11, among the elements using oxygen-deficient tantalum oxide, the element Ta-G (E E -E T = 0 eV) using Ta as the upper electrode has no resistance change. While no phenomenon was observed, referring to FIGS. 4 and 9, a slight resistance change was observed in the element Ta-E (E E −E T = 0.34 eV) using Ni as the upper electrode. From this, it is considered that it is necessary for the element using the oxygen-deficient tantalum oxide to satisfy the condition of E E −E T ≧ 0.34 eV in order to perform the resistance changing operation.

また、図4及び図10を参照すると、上部電極にWを用いた素子Ta−F(EE−ET=0.7eV)では、若干の抵抗変化が見られたがその変化幅が小さいのに対し、図4及び図8を参照すると、上部電極にCuを用いた素子Ta−D(EE−ET=1.12eV)については、上述のように正負の電圧を交互に印加した時に、変化幅で1桁以上、回数で20回以上の抵抗値の変化をすることから、酸素不足型タンタル酸化物を用いた素子が安定して抵抗変化動作を行うためには、EE−ET≧1.12eVの条件を満足することが必要であると考えられる。 4 and 10, in the element Ta-F (E E -E T = 0.7 eV) using W for the upper electrode, a slight resistance change was observed, but the change width was small. On the other hand, referring to FIG. 4 and FIG. 8, for the element Ta-D (E E -E T = 1.12 eV) using Cu as the upper electrode, when positive and negative voltages are alternately applied as described above. Since the resistance value changes by one digit or more in the change width and 20 times or more in the number of times, in order for the element using the oxygen-deficient tantalum oxide to stably perform the resistance changing operation, E E -E It is considered necessary to satisfy the condition of T ≧ 1.12 eV.

また、図4及び図18を参照すると、酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた素子のうち、上部電極にHfを用いた素子Hf−E(EE−ET=0eV)では、全く抵抗変化現象は観測されなかったのに対し、図4及び図17を参照すると、上部電極にTaを用いた素子Hf−D(EE−ET=0.95eV)では、上述のように若干の抵抗変化が見られたことから、酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた素子が抵抗変化動作を行うためには、EE−ET≧0.95eVの条件を満足することが必要であると考えられる。 4 and 18, among the elements using oxygen-deficient hafnium oxide, in the element Hf-E (E E -E T = 0 eV) using Hf for the upper electrode, there is no resistance change phenomenon. 4 and FIG. 17, in the element Hf-D (E E -E T = 0.95 eV) using Ta as the upper electrode, a slight resistance change is caused as described above. Therefore, it is considered that it is necessary for the element using the oxygen-deficient hafnium oxide to satisfy the condition of E E −E T ≧ 0.95 eV in order to perform the resistance change operation.

さらに、図4及び図17を参照すると、上部電極にTaを用いた素子Hf−D(EE−ET=0.95eV)では、上述のように若干の抵抗変化が見られたがその変化幅が小さいのに対し、図4及び図16を参照すると、上部電極にWを用いた素子Hf−C(EE−ET=1.65eV)については、上述のように正負の電圧を交互に印加した時に、変化幅で1桁以上、回数で20回以上の抵抗値の変化をすることから、酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた素子が安定して抵抗変化動作を行うためには、EE−ET≧1.65eVの条件を満足することが必要であると考えられる。 Further, referring to FIG. 4 and FIG. 17, in the element Hf-D (E E -E T = 0.95 eV) using Ta for the upper electrode, a slight resistance change was observed as described above, but the change was observed. 4 and 16, when the element Hf-C (E E -E T = 1.65 eV) using W as the upper electrode is used, the positive and negative voltages are alternately switched as described above. In order for the element using the oxygen-deficient hafnium oxide to perform a resistance change operation stably, the resistance value changes by one digit or more in the change width and 20 times or more in the number of changes. It is considered necessary to satisfy the condition of E E −E T ≧ 1.65 eV.

次に、酸素不足型タンタル酸化物を用いた素子の抵抗変化と酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた素子の抵抗変化とを総合して、酸素不足型遷移金属酸化物を構成する遷移金属の標準電極電位に対する電極材料の標準電極電位の差異と酸素不足型遷移金属酸化物の抵抗変化との相関を考察する。   Next, the transition resistance standard for oxygen-deficient transition metal oxides is summarized by combining the resistance change of elements using oxygen-deficient tantalum oxide and the resistance change of elements using oxygen-deficient hafnium oxide. The correlation between the difference in the standard electrode potential of the electrode material with respect to the electrode potential and the resistance change of the oxygen-deficient transition metal oxide is considered.

図4に示すように、酸素不足型遷移金属酸化物を構成する遷移金属の標準電極電位に対する電極材料の標準電極電位の差異に対して、酸素不足型遷移金属酸化物の抵抗変化をプロットすると、両者には良好な相関が見られる。すなわち、抵抗変化膜を構成する遷移金属であるTa、Hfよりも標準電極電位が高い材料で電極を構成した場合には抵抗変化が起こっており、低い材料では抵抗変化が起こりにくくなっていることが分かる。そして、遷移金属の標準電極電位に対する電極材料の標準電極電位の差異が大きいほど抵抗変化が起こりやすく、当該差異が小さくなるにつれて、抵抗変化が起こりにくくなっていることが分かる。一般に標準電極電位は、酸化され易さの一つの指標であり、この値が大きければ酸化されにくく、小さければ酸化されやすいことを意味する。このことから酸化のされやすさが抵抗変化現象のメカニズムに大きな役割を果たしているのではないかと推測される。   As shown in FIG. 4, when the resistance change of the oxygen-deficient transition metal oxide is plotted against the difference in the standard electrode potential of the electrode material with respect to the standard electrode potential of the transition metal constituting the oxygen-deficient transition metal oxide, There is a good correlation between the two. That is, the resistance change occurs when the electrode is made of a material having a higher standard electrode potential than Ta and Hf which are transition metals constituting the resistance change film, and the resistance change is less likely to occur with a lower material. I understand. It can be seen that the resistance change is more likely to occur as the difference in the standard electrode potential of the electrode material with respect to the standard electrode potential of the transition metal is larger, and the resistance change is less likely to occur as the difference becomes smaller. In general, the standard electrode potential is one index of the ease of oxidation. If this value is large, it means that it is difficult to oxidize, and if it is small, it means that it is easily oxidized. From this, it is presumed that the ease of oxidation plays a major role in the mechanism of the resistance change phenomenon.

この抵抗変化現象のメカニズムによれば、この検討結果を普遍化して、これを、ここで検討した酸素不足型遷移金属酸化物及び電極材料以外の酸素不足型遷移金属酸化物及び電極材料に適用することができる。   According to the mechanism of this resistance change phenomenon, this examination result is universalized and applied to oxygen-deficient transition metal oxides and electrode materials other than the oxygen-deficient transition metal oxides and electrode materials examined here. be able to.

そうすると、酸素不足型遷移金属酸化物を用いた素子が抵抗変化動作を行うためには、EE−ET≧0.34eVの条件を満足することが必要であると考えられる。 Then, in order for the element using the oxygen-deficient transition metal oxide to perform the resistance changing operation, it is considered necessary to satisfy the condition of E E −E T ≧ 0.34 eV.

また、酸素不足型遷移金属酸化物を用いた素子が安定して抵抗変化動作を行うためには、EE−ET≧1.12eVの条件を満足することが必要であると考えられる。 In addition, in order for a device using an oxygen-deficient transition metal oxide to stably perform a resistance change operation, it is considered necessary to satisfy the condition of E E −E T ≧ 1.12 eV.

[実施例1]
上述の抵抗変化現象のメカニズムによれば、不揮発性記憶素子に電圧を印加した場合、酸化反応が起こるのは、陽極側、すなわち、電位がより高い側である。それ故、抵抗変化をより容易に発現させるためには、酸素不足型遷移金属酸化物の遷移金属の電極電位より高い標準電極電位を用いる電極は陽極に配置する必要がある。そこで、本実施例では、第1の実施の形態において、上部電極層205をPt(EE−ET=1.73eV)で構成した。なお、抵抗変化層204は酸素不足型タンタル酸化物で構成されている。
[Example 1]
According to the mechanism of the resistance change phenomenon described above, when a voltage is applied to the nonvolatile memory element, the oxidation reaction occurs on the anode side, that is, on the higher potential side. Therefore, in order to more easily cause a resistance change, an electrode using a standard electrode potential higher than the electrode potential of the transition metal of the oxygen-deficient transition metal oxide needs to be disposed on the anode. Therefore, in this example, in the first embodiment, the upper electrode layer 205 is made of Pt (E E −E T = 1.73 eV). The resistance change layer 204 is made of an oxygen-deficient tantalum oxide.

このように構成された実施例1の不揮発性記憶素子における電気パルスの印加回数に対する抵抗変化は上述の図5に示されている。図5の抵抗変化は、下部電極403を基準にして上部電極405に100nsecのパルス幅で+2.5Vの電圧の電気パルスと、100nsecのパルス幅で−1.5Vの電圧の電気パルスとを交互に印加して測定した。この場合、抵抗値は、+2.5Vの電気パルスを印加した時には約600Ωとなり、−1.5Vの電気パルスを印加した時に60Ωとなって安定して変化している。   The resistance change with respect to the number of electric pulses applied in the nonvolatile memory element of Example 1 configured as described above is shown in FIG. The resistance change in FIG. 5 is based on the lower electrode 403, and an electric pulse of +2.5 V with a pulse width of 100 nsec and an electric pulse of −1.5 V with a pulse width of 100 nsec are alternately applied to the upper electrode 405. And applied to the measurement. In this case, the resistance value is about 600Ω when an electric pulse of + 2.5V is applied, and is stably changed to 60Ω when an electric pulse of −1.5V is applied.

[実施例2]
本実施例は、第2の実施の形態において、上部電極層405をCuで構成したものである。すなわち、抵抗変化層404の材料として酸素不足型ハフニウム酸化物を用い、上部電極層405の材料としてCu(EE−ET=2.07eV)を用いた。このような不揮発性記憶素子(Hf−B)は上述のように安定的に抵抗変化する。また、Cuは半導体プロセスとの親和性がよいことから、このように上部電極にCuを用いた酸素不足型ハフニウム酸化物記憶素子は不揮発記憶素子の有力な候補である。
[Example 2]
In this example, the upper electrode layer 405 is made of Cu in the second embodiment. That is, oxygen-deficient hafnium oxide was used as the material of the resistance change layer 404, and Cu (E E -E T = 2.07 eV) was used as the material of the upper electrode layer 405. Such a nonvolatile memory element (Hf-B) stably changes its resistance as described above. In addition, since Cu has a good affinity with a semiconductor process, the oxygen-deficient hafnium oxide memory element using Cu as the upper electrode is a promising candidate for a nonvolatile memory element.

その抵抗変化の様子は上述の図15に示されている。図15の抵抗変化は、下部電極403を基準にして上部電極405に100nsecのパルス幅で+1.9Vの電圧の電気パルスと、100nsecのパルス幅で−1.3Vの電圧の電気パルスとを交互に印加して測定した。この場合、抵抗値は、+1.9Vの電気パルスを印加した時には約1000Ωとなり、−1.3Vの電気パルスを印加した時に200Ωとなって安定して変化しているのが分かる。   The state of the resistance change is shown in FIG. The resistance change in FIG. 15 is based on the lower electrode 403. The electric pulse of + 1.9V with a pulse width of 100 nsec and the electric pulse of −1.3V with a pulse width of 100 nsec are alternately applied to the upper electrode 405. And applied to the measurement. In this case, the resistance value is about 1000Ω when an electric pulse of + 1.9V is applied, and 200Ω when an electric pulse of −1.3V is applied.

[実施例3]
実施例1では、酸素不足型遷移金属酸化物の遷移金属の電極電位より高い標準電極電位を用いる電極を陽極に配置した。しかし、不揮発性記憶素子の製造プロセスを考慮すると、下部電極層203、403と上部電極層205,405とが同じ材料で構成されている方が製造し易い。そこで、本実施例では、第1、第2の実施の形態において、陽極と陰極との双方、すなわち、下部電極層203、403と上部電極層205,405とを、酸素不足型遷移金属酸化物の遷移金属の電極電位より高い標準電極電位を有する用いる同一の材料で構成した。但し、そのままでは、陽極として振舞う電極が特定されず、抵抗変化が不安定になる恐れがある。そこで、抵抗変化層である酸素不足型遷移金属酸化物層204,404において、陽極として振舞うべき電極(例えば上部電極層205,405)に近い側程、酸素濃度が高くなるようその酸素濃度に分布を持たせた。酸素不足型遷移金属酸化物層204,404に酸素濃度分布を持たせることは周知の方法で実現できるので、その説明を省略する。
[Example 3]
In Example 1, an electrode using a standard electrode potential higher than the electrode potential of the transition metal of the oxygen-deficient transition metal oxide was disposed on the anode. However, considering the manufacturing process of the nonvolatile memory element, it is easier to manufacture the lower electrode layers 203 and 403 and the upper electrode layers 205 and 405 made of the same material. Therefore, in this example, in the first and second embodiments, both the anode and the cathode, that is, the lower electrode layers 203 and 403 and the upper electrode layers 205 and 405 are combined with an oxygen-deficient transition metal oxide. Made of the same material used having a standard electrode potential higher than that of the transition metal. However, as it is, the electrode that behaves as an anode is not specified, and the resistance change may become unstable. Therefore, in the oxygen-deficient transition metal oxide layers 204 and 404 that are resistance change layers, the oxygen concentration is distributed so that the oxygen concentration is higher toward the side closer to the electrode that should act as the anode (for example, the upper electrode layers 205 and 405). Was held. Since the oxygen-deficient transition metal oxide layers 204 and 404 can have an oxygen concentration distribution by a known method, the description thereof is omitted.

このような構成とすると、上部電極層205,405を陽極として安定して抵抗変化を示し、かつ製造の容易な不揮発性記憶素子を得ることができる。   With such a configuration, it is possible to obtain a non-volatile memory element that exhibits stable resistance change with the upper electrode layers 205 and 405 as anodes and is easy to manufacture.

本発明の不揮発性記憶素子は、高速動作が可能で、しかも安定した書き換え特性を有しており、デジタル家電、メモリカード、携帯型電話機、及びパーソナルコンピュータなどの種々の電子機器に用いられる不揮発性記憶素子等として有用である。   The nonvolatile memory element of the present invention is capable of high-speed operation and has stable rewriting characteristics, and is nonvolatile for use in various electronic devices such as digital home appliances, memory cards, portable telephones, and personal computers. It is useful as a memory element.

抵抗変化部位検討用の不揮発性記憶素子の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the non-volatile memory element for resistance change site | part examination. 本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶素子の構成を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the structure of the non-volatile memory element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る不揮発性記憶素子の構成を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the structure of the non-volatile memory element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 酸素不足型遷移金属酸化物を構成する遷移金属の標準電極電位に対する電極材料の標準電極電位の差異と酸素不足型遷移金属酸化物の抵抗変化との相関を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation with the difference of the standard electrode potential of the electrode material with respect to the standard electrode potential of the transition metal which comprises oxygen-deficient transition metal oxide, and the resistance change of oxygen-deficient transition metal oxide. 酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にPtを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when Pt is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient tantalum oxide. 酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にIrを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when Ir is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient tantalum oxide. 酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にAgを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of an electric pulse applied when Ag is used for an upper electrode in the non-volatile memory element using an oxygen deficient tantalum oxide. 酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にCuを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when using Cu for an upper electrode in the non-volatile memory element using an oxygen deficient tantalum oxide. 酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にNiを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows the resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when using Ni for an upper electrode in the non-volatile memory element using an oxygen deficient tantalum oxide. 酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にWを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows the resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when W is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using an oxygen deficient tantalum oxide. 酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にTaを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when Ta is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient tantalum oxide. 酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にTiを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when Ti is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient tantalum oxide. 酸素不足型タンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にAlを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a change in resistance with respect to the number of electric pulses applied when Al is used for an upper electrode in a nonvolatile memory element using an oxygen-deficient tantalum oxide. 酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にPtを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when Pt is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient hafnium oxide. 酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にCuを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when Cu is used for an upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient hafnium oxide. 酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にWを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows the resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electrical pulse when W is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient hafnium oxide. 酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にTaを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when Ta is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient hafnium oxide. 酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にHfを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of application of an electric pulse when Hf is used for an upper electrode in a nonvolatile memory element using oxygen-deficient hafnium oxide. 酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にTiを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when Ti is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient hafnium oxide. 酸素不足型ハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子において、上部電極にAlを用いたときの、電気パルスの印加回数に対する抵抗変化を示す図である。It is a figure which shows resistance change with respect to the frequency | count of the application of an electric pulse when Al is used for the upper electrode in the non-volatile memory element using oxygen-deficient hafnium oxide.

符号の説明Explanation of symbols

100 抵抗変化部位検討用の不揮発性記憶素子
101 第1電極
102 第2電極
103 第3電極
104 第4電極
105 酸素不足型タンタル酸化物層
200、400 不揮発性記憶素子
201、401 基板
202、402 絶縁層
203、403 下部電極層
204 抵抗変化層(酸素不足型タンタル酸化物層)
205、405 上部電極層
404 抵抗変化層(酸素不足型ハフニウム酸化物層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Nonvolatile memory element for resistance change examination 101 1st electrode 102 2nd electrode 103 3rd electrode 104 4th electrode 105 Oxygen deficient tantalum oxide layer 200, 400 Nonvolatile memory element 201, 401 Substrate 202, 402 Insulation Layers 203 and 403 Lower electrode layer 204 Resistance change layer (oxygen-deficient tantalum oxide layer)
205, 405 Upper electrode layer 404 Resistance change layer (oxygen-deficient hafnium oxide layer)

Claims (8)

第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在し、両電極間に与えられる電気的信号に応じて可逆的に抵抗値が変化する酸素不足型遷移金属酸化物(遷移金属をAとしたとき、AOx)を含む抵抗変化層と、を備え、
前記第1電極と第2電極とのうちの少なくとも一方の電極(以下、特定電極(但し、特定電極を構成する材料はAg、Au、Ir、Pt、Ru、Ti、及びWを除く))の標準電極電位をEE、前記遷移金属Aの標準電極電位をETとしたとき、EE及びETが、
E−ET≧0.34eVを満足する、不揮発性記憶素子。
An oxygen-deficient transition that intervenes between the first electrode, the second electrode, the first electrode, and the second electrode, and whose resistance value reversibly changes according to an electrical signal applied between the two electrodes. A variable resistance layer containing a metal oxide (AOx when the transition metal is A),
At least one of the first electrode and the second electrode (hereinafter referred to as a specific electrode (however, the material constituting the specific electrode excludes Ag, Au, Ir, Pt, Ru, Ti, and W)) When the standard electrode potential is E E and the standard electrode potential of the transition metal A is E T , E E and E T are
A non-volatile memory element that satisfies E E −E T ≧ 0.34 eV.
E及びETが、
E−ET≧1.12eVを満足する、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
E E and E T are
The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein E E −E T ≧ 1.12 eV is satisfied.
前記遷移金属Aがハフニウムであり、
E及びETが、
E−ET≧0.95eVを満足する、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
The transition metal A is hafnium;
E E and E T are
The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein E E −E T ≧ 0.95 eV is satisfied.
E及びETが、
E−ET≧1.65eVを満足する、請求項3に記載の不揮発性記憶素子。
E E and E T are
The nonvolatile memory element according to claim 3, wherein E E −E T ≧ 1.65 eV is satisfied.
前記遷移金属Aがタンタルであり、
E及びETが、
E−ET≧0.34eVを満足する、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
The transition metal A is tantalum;
E E and E T are
The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein E E −E T ≧ 0.34 eV is satisfied.
前記特定電極がCuで構成されている、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。   The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the specific electrode is made of Cu. 前記特定電極がNiで構成されている、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。   The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the specific electrode is made of Ni. 前記抵抗変化層は、第1電極と第2電極との間に、互いに極性の異なる電気パルスを前記電気信号として印加することにより、その抵抗値が増加または減少する、請求項1に記載の不揮発記憶素子。   2. The nonvolatile layer according to claim 1, wherein a resistance value of the variable resistance layer increases or decreases by applying an electric pulse having different polarities as the electric signal between the first electrode and the second electrode. Memory element.
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