JP2010135541A - Variable resistive element and method of manufacturing same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a variable resistive element which shows excellent endurance characteristics and high process resistance through easy processes, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The variable resistive element has a variable resistor 13 sandwiched between a first electrode 12 and a second electrode 14 and varies in electric resistance between both the electrodes since a voltage pulse is applied between both the electrodes, wherein the variable resistor 13 is made of oxide of a material containing transition metal and one or both of the first electrode 12 and second electrode 14 are composed of a metal oxide electrode made of metal oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、両端にパルス電圧が印加されることで抵抗特性が変化する可変抵抗素子並びにその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a variable resistance element whose resistance characteristics change when a pulse voltage is applied to both ends, and a manufacturing method thereof.

フラッシュメモリやFeRAM、MRAMなどの電源をオフにしても記録された情報が保持できる不揮発性メモリは、音楽や動画や文章などの記録メディアとして利用可能である。また近年では、カルコゲナイド等を用いたPCRAMや金属酸化物を用いたRRAM(「RRAM」は本出願人シャープの登録商標)、硫化金属を用いたCBRAMなど電圧や電流を印加することで抵抗値の変化する可変抵抗体を用いた不揮発性可変抵抗素子の開発が進められている(例えば特許文献1、非特許文献1参照)。なお、特許文献1では、可変抵抗体としてタンタル酸化物を用いた例が開示されている。   A non-volatile memory that can retain recorded information even when the power is turned off, such as a flash memory, FeRAM, or MRAM, can be used as a recording medium for music, moving images, and sentences. Also, in recent years, the resistance value can be reduced by applying voltage or current such as PCRAM using chalcogenide or the like, RRAM using metal oxide ("RRAM" is a registered trademark of the present applicant Sharp), or CBRAM using metal sulfide. Development of a nonvolatile variable resistance element using a variable resistor that changes is underway (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In Patent Document 1, an example using tantalum oxide as a variable resistor is disclosed.

これらの素子では、書き換え、読み出しの両動作共に、電圧パルスを印加することによってなされることが特徴として挙げられる。書き換え動作については、例えば、2〜4V程度のパルス電圧を素子に印加することでその抵抗値を変化させることで行う。また、読み出し動作については、例えば1V程度のパルス電圧を印加し、印加時の電流の大小を検出することで行う。   These elements are characterized in that both rewriting and reading operations are performed by applying voltage pulses. The rewriting operation is performed, for example, by changing the resistance value by applying a pulse voltage of about 2 to 4 V to the element. The read operation is performed by applying a pulse voltage of about 1 V, for example, and detecting the magnitude of the current at the time of application.

国際公開2008/126365号パンフレットInternational Publication 2008/126365 Pamphlet W.W.Zhuang他,“Novell Colossal Magnetoresistive Thin Film Nonvolatile Resistance Random Access Memory(RRAM)”,IEDM Technical Digest,pp.193-196,2002年12月W.W.Zhuang et al., “Novell Colossal Magnetoresistive Thin Film Nonvolatile Resistance Random Access Memory (RRAM)”, IEDM Technical Digest, pp.193-196, December 2002 P.Knauth他,“Electrical and defect thermodynamic properties of nanocrystalline titanium dioxide.”,Journal of Applied Physics Vol.85,Num.2 pp897-902,1999年1月P. Knauth et al., “Electrical and defect thermodynamic properties of nanocrystalline titanium dioxide.”, Journal of Applied Physics Vol. 85, Num. 2 pp897-902, January 1999. Sung-Dong Cho他,“Study on the amorphous Ta2O5 thin film capacitors deposited by dc magnetron reactive sputtering for multichip module applications”,Materials Science and Engineering,B67(1999),108-112,1999年Sung-Dong Cho et al., “Study on the amorphous Ta2O5 thin film capacitors deposited by dc magnetron reactive sputtering for multichip module applications”, Materials Science and Engineering, B67 (1999), 108-112, 1999.

しかしながら、可変抵抗素子には書き換え回数の問題がある。例えば、特許文献1に開示されたような「タンタル酸化物」を可変抵抗体として用いた場合、数百回から数千回の書き換えを行うことで抵抗値が不安定になり、高抵抗化時(例えば消去処理時)に所望の抵抗値まで高抵抗化しなくなるというエンデュランスの問題があった。なお、この問題は、後述する図4(b)においても明らかである。   However, the variable resistance element has a problem of the number of rewrites. For example, when “tantalum oxide” as disclosed in Patent Document 1 is used as a variable resistor, the resistance value becomes unstable by rewriting hundreds to thousands of times, and the resistance is increased. There is a problem of endurance that the resistance is not increased to a desired resistance value (for example, at the time of erasing processing). This problem is also apparent in FIG. 4B described later.

本発明は、容易なプロセスで良好なエンデュランス特性を示し、プロセス耐性の高い可変抵抗素子及びその製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a variable resistance element that exhibits good endurance characteristics with an easy process and has high process resistance, and a method of manufacturing the same.

上記目的を達成するための本発明に係る可変抵抗素子は、第1電極と第2電極の間に可変抵抗体が狭持され、前記両電極の間に電圧パルスが印加されることで前記両電極間の電気抵抗が変化する可変抵抗素子であって、前記可変抵抗体が、遷移金属を含む材料の酸化物で構成されており、前記第1電極または前記第2電極の一方または双方が、金属酸化物からなる金属酸化物電極で構成されることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a variable resistance element according to the present invention includes a variable resistor sandwiched between a first electrode and a second electrode, and a voltage pulse applied between the electrodes to A variable resistance element in which an electric resistance between electrodes changes, wherein the variable resistor is made of an oxide of a material containing a transition metal, and one or both of the first electrode and the second electrode are It is characterized by comprising a metal oxide electrode made of a metal oxide.

遷移金属を含む材料の酸化物で構成される可変抵抗体は、当該可変抵抗体内に形成される電流パスの抵抗変化領域において、酸素の含有量が電圧パルスの印加によって変動し、これが抵抗変化として現れると考えられる。特に高抵抗化に際しては、正電圧が印加された電極付近での陽極酸化によって可変抵抗体中の酸素含有量が増加し、これによって可変抵抗体が高抵抗化すると考えられる。   In a variable resistor composed of an oxide of a material containing a transition metal, the oxygen content fluctuates by the application of a voltage pulse in the resistance change region of the current path formed in the variable resistor, and this is a resistance change. It is thought to appear. In particular, when the resistance is increased, it is considered that the oxygen content in the variable resistor increases due to anodic oxidation in the vicinity of the electrode to which a positive voltage is applied, thereby increasing the resistance of the variable resistor.

このとき、繰り返し書き換えを行うことで抵抗変化領域付近の酸素が拡散して酸素量が減少し、これによって高抵抗化を生じさせるのに十分な酸素量が確保できないため、結果として高抵抗化が進まなくなってしまう。   At this time, repeated rewriting causes oxygen in the vicinity of the resistance change region to diffuse and the amount of oxygen decreases, and as a result, it is not possible to secure a sufficient amount of oxygen to cause high resistance. It will not progress.

従って、可変抵抗体に接触する第1電極、第2電極の一方若しくは双方を金属酸化物電極として酸素を含有させることで、この電極が可変抵抗体への酸素供給源としての役目も兼ねることとなる。すなわち、繰り返し書き換え動作が行われた結果、抵抗変化領域付近の酸素が拡散したとしても、金属酸化物電極から酸素が補完され、この結果可変抵抗体には高抵抗化を実現するのに必要な酸素量を確保することができる。これによって、従来構成よりもエンデュランス特性が向上する。   Therefore, when one or both of the first electrode and the second electrode in contact with the variable resistor is made to contain oxygen as a metal oxide electrode, this electrode can also serve as an oxygen supply source to the variable resistor. Become. That is, as a result of repeated rewrite operations, even if oxygen in the vicinity of the resistance change region diffuses, oxygen is supplemented from the metal oxide electrode. As a result, the variable resistor is required to achieve high resistance. The amount of oxygen can be secured. Thereby, the endurance characteristics are improved as compared with the conventional configuration.

しかも、本発明によれば、可変抵抗体と接触する電極の一方または双方を金属酸化物で構成するのみで良いため、通常の酸化膜成膜プロセス、あるいは酸化プロセスによって高いエンデュランス特性を示す可変抵抗素子を製造することができる。すなわち、このような高いエンデュランス特性を示す可変抵抗素子を製造するに際し、特有のプロセスを必要とするものではないため汎用性が高く、また製造コストの大幅な上昇を招くことがない。   In addition, according to the present invention, one or both of the electrodes in contact with the variable resistor need only be made of a metal oxide, so that the variable resistor exhibiting high endurance characteristics by a normal oxide film formation process or an oxidation process. An element can be manufactured. That is, when a variable resistance element exhibiting such a high endurance characteristic is manufactured, it does not require a specific process, so that it has high versatility and does not cause a significant increase in manufacturing cost.

また、上記構成において、前記可変抵抗体と接触しない側の前記金属酸化物電極の面に接触して、金属材料で構成された補助電極をさらに備えるものとしても良い。   In the above configuration, an auxiliary electrode made of a metal material may be further provided in contact with the surface of the metal oxide electrode on the side not in contact with the variable resistor.

また、上記構成において、前記金属酸化物電極は、前記金属酸化物の室温で安定した化学量論的組成と比べて過剰に酸素を含有しているものとして良い。   In the above structure, the metal oxide electrode may contain excessive oxygen as compared to the stoichiometric composition of the metal oxide that is stable at room temperature.

このようにすることで、可変抵抗体が高抵抗状態に遷移するのに必要な酸素量を十分に確保することができる。   By doing in this way, it is possible to secure a sufficient amount of oxygen necessary for the variable resistor to transition to the high resistance state.

なお、前記金属酸化物電極は、Co,Ta,Ti,Ni,Cu,Wのうち少なくともいずれか一つの元素を含む材料の酸化物とすることができる。   The metal oxide electrode may be an oxide of a material containing at least one element of Co, Ta, Ti, Ni, Cu, and W.

また、前記可変抵抗体は、Ta,Tiのうち少なくともいずれか一つの元素を含む材料の酸化物とすることができる。   The variable resistor may be an oxide of a material containing at least one element of Ta and Ti.

さらに、本発明の可変抵抗素子は、第1電極と第2電極の間に可変抵抗体が狭持され、前記両電極の間に電圧パルスが印加されることで前記両電極間の電気抵抗が変化する可変抵抗素子であって、前記可変抵抗体が、遷移金属を含む材料の酸化物で構成されており、前記第1電極に近い領域内と前記第2電極に近い領域内で、前記酸化物の組成比が異なることを特徴とする。   Furthermore, in the variable resistance element of the present invention, a variable resistor is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and a voltage pulse is applied between the two electrodes, whereby the electric resistance between the two electrodes is increased. A variable resistance element that changes, wherein the variable resistor is made of an oxide of a material containing a transition metal, and the oxidation is performed in a region close to the first electrode and a region close to the second electrode. It is characterized in that the composition ratio of the products is different.

また、本発明の可変抵抗素子の製造方法は、所定の基板上に金属材料を成膜して前記第1電極を形成する工程と、前記第1電極に接触するように、遷移金属を含む材料の酸化物を成膜して前記可変抵抗体を形成する工程と、前記可変抵抗体に接触するように、前記可変抵抗体よりも酸素含有濃度を高くして前記金属酸化物を成膜することで、低抵抗状態の前記可変抵抗体よりも抵抗値が低い前記金属酸化物電極で構成された前記第2電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。   The variable resistance element manufacturing method of the present invention includes a step of forming a metal material on a predetermined substrate to form the first electrode, and a material containing a transition metal so as to be in contact with the first electrode. Forming the variable resistor by forming a film of the oxide, and forming the metal oxide at a higher oxygen content concentration than the variable resistor so as to be in contact with the variable resistor. And forming the second electrode composed of the metal oxide electrode having a resistance value lower than that of the variable resistor in a low resistance state.

また、本発明の可変抵抗素子の製造方法は、所定の基板上に前記金属酸化物を成膜して前記金属酸化物電極で構成された前記第1電極を形成する工程と、前記第1電極に接触するように、前記第1電極よりも酸素含有濃度を低くして遷移金属を含む材料の酸化物を成膜することで、低抵抗状態において前記第1電極よりも抵抗値が高い前記可変抵抗体を形成する工程と、前記可変抵抗体に接触するように、金属材料を成膜して前記第2電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。ここで、前記所定の基板としては、例えば、シリコン基板上に絶縁膜を成膜した状態のものを利用することができる。   The variable resistance element manufacturing method of the present invention includes a step of forming the first electrode composed of the metal oxide electrode by forming the metal oxide on a predetermined substrate, and the first electrode. The variable value having a resistance value higher than that of the first electrode in a low resistance state is formed by forming an oxide of a material containing a transition metal at a lower oxygen content concentration than the first electrode so as to be in contact with the first electrode. A step of forming a resistor, and a step of forming the second electrode by forming a metal material so as to be in contact with the variable resistor. Here, as the predetermined substrate, for example, a substrate in which an insulating film is formed on a silicon substrate can be used.

このとき、前記所定の基板上に金属材料を成膜して補助電極を形成した後、当該補助電極上に前記金属酸化物を成膜することで前記第1電極を形成するものとしても良い。   At this time, the first electrode may be formed by forming a metal material on the predetermined substrate to form an auxiliary electrode, and then forming the metal oxide on the auxiliary electrode.

また、上記特徴に加え、少なくとも酸素を含む雰囲気下でスパッタ法によって前記金属酸化物を成膜するものとしても良い。   In addition to the above characteristics, the metal oxide film may be formed by a sputtering method in an atmosphere containing at least oxygen.

また、本発明の可変抵抗素子の製造方法は、所定の基板上に金属材料を成膜する工程と、成膜された金属材料膜の上面を酸化することで、少なくとも前記金属材料膜の上面に前記金属酸化物電極で構成された前記第1電極を形成する工程と、前記第1電極に接触するように、前記第1電極よりも酸素含有濃度を低くして遷移金属を含む材料の酸化物を成膜することで、前記第1電極よりも抵抗値が高い前記可変抵抗体を形成する工程と、前記可変抵抗体に接触するように、金属材料を成膜して前記第2電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。   The variable resistance element manufacturing method of the present invention includes a step of forming a metal material on a predetermined substrate, and oxidizing the upper surface of the formed metal material film to at least the upper surface of the metal material film. Forming the first electrode composed of the metal oxide electrode, and an oxide of a material containing a transition metal with a lower oxygen concentration than the first electrode so as to be in contact with the first electrode Forming the variable resistor having a resistance value higher than that of the first electrode, and forming the second electrode by forming a metal material so as to be in contact with the variable resistor. And a step of performing.

このとき、前記金属材料膜の上面を酸素ラジカル雰囲気下で酸化することで前記第1電極を形成するものとしても良い。   At this time, the first electrode may be formed by oxidizing the upper surface of the metal material film in an oxygen radical atmosphere.

また、上記特徴に加え、前記金属材料膜が、Co,Ta,Ti,Ni,Cu,Wのうち少なくともいずれか一つの元素を含む金属材料で構成されることを特徴とする。   In addition to the above characteristics, the metal material film is formed of a metal material containing at least one element of Co, Ta, Ti, Ni, Cu, and W.

また、本発明の可変抵抗素子の製造方法は、所定の基板上に金属材料を成膜して前記第1電極を形成する工程と、前記金属材料に接触するように、含有酸素濃度を断続的に上昇させながら前記遷移金属を含む材料の酸化物を成膜して前記可変抵抗体を形成する工程と、前記可変抵抗体に接触するように、金属材料を成膜して前記第2電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。   The variable resistance element manufacturing method of the present invention includes a step of forming a metal material on a predetermined substrate to form the first electrode, and intermittently adjusting the oxygen concentration so as to contact the metal material. Forming the variable resistor by forming an oxide of the transition metal-containing material while being raised, and forming the second electrode by forming a metal material so as to be in contact with the variable resistor And a step of forming.

このとき、酸素を含む雰囲気下で酸素分圧を断続的に上昇させながらスパッタ法によって前記遷移金属を含む材料の酸化物を成膜して前記可変抵抗体を形成するものとしても良い。   At this time, the variable resistor may be formed by forming an oxide of a material containing the transition metal by sputtering while intermittently increasing the oxygen partial pressure in an atmosphere containing oxygen.

また、上記特徴に加え、前記遷移金属を含む材料の酸化物をTaまたはTiの酸化物とすることができる。   In addition to the above characteristics, the oxide of the material containing the transition metal can be an oxide of Ta or Ti.

本発明の構成によれば、十分な回数の書き換えを行ってもなお安定した書き換えが可能な可変抵抗素子を実現でき、しかもそれを容易なプロセスで実現することができる。   According to the configuration of the present invention, it is possible to realize a variable resistance element that can be stably rewritten even if a sufficient number of times of rewriting is performed, and furthermore, it can be realized by an easy process.

本発明に係る可変抵抗素子の各実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に示す各図は模式的に示されたものであり、図面上の寸法比は実際の寸法比と異なるものである。特に、本発明の理解の容易化を図るべく、膜厚方向の長さを実際よりも強調して示す場合がある。   Embodiments of a variable resistance element according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, each figure shown below is shown typically and the dimension ratio on drawing differs from an actual dimension ratio. In particular, in order to facilitate the understanding of the present invention, the length in the film thickness direction may be emphasized and shown in some cases.

[第1実施形態]
図1は、第1実施形態における可変抵抗素子の概略的構成を示す断面図である。図1に示す可変抵抗素子1は、半導体基板10,シリコン酸化膜11,第1電極12,可変抵抗体13,第2電極14を備えて構成される。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a variable resistance element according to the first embodiment. The variable resistance element 1 shown in FIG. 1 includes a semiconductor substrate 10, a silicon oxide film 11, a first electrode 12, a variable resistor 13, and a second electrode 14.

図1に示す可変抵抗素子1の製造方法は、以下の通りである。   The manufacturing method of the variable resistance element 1 shown in FIG. 1 is as follows.

まず、半導体基板10上に、シリコン酸化膜11を形成した後、第1電極12を構成する電極材料膜を成膜する。ここでは、Ti膜(12a)とTiN膜(12b)の積層膜からなる電極材料膜を成膜する。   First, after a silicon oxide film 11 is formed on the semiconductor substrate 10, an electrode material film constituting the first electrode 12 is formed. Here, an electrode material film composed of a laminated film of a Ti film (12a) and a TiN film (12b) is formed.

次に、可変抵抗体13を構成する金属酸化物、例えば酸化タンタルをリアクティブスパッタ法で約14nm程度成膜する。このスパッタ工程は、金属タンタルをターゲットとして用い、アルゴンと酸素の混合雰囲気中で行う。なお、タンタル酸化物やチタン酸化物の抵抗値が成膜時の酸素分圧に強く依存することは従来知られている(例えば上記非特許文献2,3参照)。本実施形態では、作成された素子の初期抵抗が約1MΩ〜100MΩ程度の比較的高い抵抗値になるように酸素分圧を調整する。これは、タンタル酸化物の初期抵抗値が低過ぎた場合、スイッチング動作(可変抵抗素子の抵抗値の可逆的変化)そのものの実行は可能であるが、書き換え時に生じる電流が大きくなるという問題を生じ、あまり好ましくないためである。   Next, a metal oxide constituting the variable resistor 13, for example, tantalum oxide, is formed to a thickness of about 14 nm by reactive sputtering. This sputtering process is performed in a mixed atmosphere of argon and oxygen using metal tantalum as a target. It has been conventionally known that the resistance value of tantalum oxide or titanium oxide strongly depends on the oxygen partial pressure during film formation (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3 above). In the present embodiment, the oxygen partial pressure is adjusted so that the initial resistance of the created element has a relatively high resistance value of about 1 MΩ to 100 MΩ. This is because if the initial resistance value of tantalum oxide is too low, the switching operation (reversible change in resistance value of the variable resistance element) itself can be performed, but the current generated during rewriting becomes large. This is because it is not so preferable.

次に、可変抵抗体13上に、第2電極14を構成する電極材料膜を成膜する。本実施形態では、電極材料として金属酸化物である酸化コバルトを利用し、リアクティブスパッタ法によって成膜した。なお、図1を含む以下の図面においては、薄い色で塗りつぶされている電極(図1では第1電極12)は金属材料で形成されていることを示しており、濃い色で塗りつぶされている電極(図1では第2電極14)が金属酸化物で形成されていることを示している。   Next, an electrode material film constituting the second electrode 14 is formed on the variable resistor 13. In this embodiment, cobalt oxide, which is a metal oxide, is used as an electrode material, and a film is formed by reactive sputtering. In addition, in the following drawings including FIG. 1, it is shown that the electrode (the first electrode 12 in FIG. 1) painted with a light color is formed of a metal material, and is painted with a dark color. It shows that the electrode (second electrode 14 in FIG. 1) is formed of a metal oxide.

図2は、コバルト酸化物を抵抗確認用の評価用素子を用いて評価した結果を示すものであり、スパッタ時の酸素流量を横軸、抵抗値を縦軸としてグラフ化したものである。図2を参照すれば、約7%程度の酸素流量時に抵抗値がピークを示しており(グラフ内のK1参照)、それを超える酸素流量の場合には抵抗値が減少している。これは、抵抗値がピークを示す付近においては、成膜されるコバルト酸化物が化学量論的組成であるCoOに近い状態であることを示している。そして、このことは、コバルト酸化物においても、タンタル酸化物やチタン酸化物と同様、抵抗値が成膜時の酸素分圧に強く依存することを示唆するものである。   FIG. 2 shows the result of evaluating cobalt oxide using an evaluation element for resistance confirmation, which is graphed with the oxygen flow rate during sputtering as the horizontal axis and the resistance value as the vertical axis. Referring to FIG. 2, the resistance value shows a peak when the oxygen flow rate is about 7% (see K1 in the graph), and the resistance value decreases when the oxygen flow rate exceeds that. This indicates that the cobalt oxide film is in a state close to the stoichiometric CoO in the vicinity of the peak resistance value. This suggests that the resistance value of cobalt oxide also strongly depends on the oxygen partial pressure during film formation, as in tantalum oxide and titanium oxide.

本実施形態では、上記の点を踏まえ、第2電極14そのものの抵抗が10kΩ以下程度、すなわち素子の初期抵抗と比較して十分小さい抵抗値となるように酸素分圧を調整する。一例としては、第2電極14を構成するコバルト酸化物の成膜時において、酸素を12%程度導入し、化学量論的組成と比較して過剰な酸素を有するように酸素流量を調整する。   In the present embodiment, based on the above points, the oxygen partial pressure is adjusted so that the resistance of the second electrode 14 itself is about 10 kΩ or less, that is, a sufficiently small resistance value compared to the initial resistance of the element. As an example, about 12% of oxygen is introduced at the time of film formation of the cobalt oxide constituting the second electrode 14, and the oxygen flow rate is adjusted so as to have excess oxygen as compared with the stoichiometric composition.

次に、既知のフォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて第2電極14と可変抵抗体13とを一括して加工する。これにより、図1に示される構成を得る。   Next, the second electrode 14 and the variable resistor 13 are collectively processed using a known photolithography method and dry etching method. Thereby, the configuration shown in FIG. 1 is obtained.

このようにして製造された可変抵抗素子1に対し、市販のマニュアルプローバーを用いて第1電極12、第2電極14のそれぞれに測定用針を接触させ、電気特性の評価を行った。電気特性評価方法としては、第1電極12、第2電極14の両端に市販のパルスジェネレーターを用いて電圧パルスを印加した後、配線を切り替えて市販の半導体パラメータアナライザーを用いて素子の抵抗値を測定した。書き換え時における印加電圧パルスとしては、パルス幅20ns、電圧値2V(絶対値)のものを利用し、正負のパルス電圧を交互に印加した。また、読み出し時には、0.5Vの電圧を両端に印加し、読み出される電流値から抵抗値を導出した。   With respect to the variable resistance element 1 manufactured in this way, a measurement needle was brought into contact with each of the first electrode 12 and the second electrode 14 using a commercially available manual prober, and the electrical characteristics were evaluated. As a method for evaluating electrical characteristics, a voltage pulse is applied to both ends of the first electrode 12 and the second electrode 14 using a commercially available pulse generator, and then the wiring is switched and the resistance value of the element is determined using a commercially available semiconductor parameter analyzer. It was measured. As the applied voltage pulse at the time of rewriting, a pulse width of 20 ns and a voltage value of 2 V (absolute value) was used, and positive and negative pulse voltages were alternately applied. In reading, a voltage of 0.5 V was applied to both ends, and a resistance value was derived from the read current value.

図3は、本実施形態における可変抵抗素子と従来の可変抵抗素子のエンデュランス特性の比較結果を示すものであり、書き換え回数を横軸、抵抗値を縦軸としてグラフ化したものである。なお、縦軸、横軸ともに対数表示している。図3において、(a)は第2電極14としてコバルト酸化物を用いて構成した本実施形態の可変抵抗素子、(b)は第2電極として金属材料(コバルト)を用いて構成した従来の可変抵抗素子の特性を示している。なお、図3(b)に特性が示されている比較対象としての従来の可変抵抗素子は、本実施形態の可変抵抗素子1と比較して、第2電極14の材料のみが異なる構成である。   FIG. 3 shows a comparison result of the endurance characteristics of the variable resistance element according to the present embodiment and the conventional variable resistance element, and is graphed with the number of rewrites as the horizontal axis and the resistance value as the vertical axis. The vertical axis and the horizontal axis are logarithmically displayed. In FIG. 3, (a) is the variable resistance element of this embodiment comprised using the cobalt oxide as the 2nd electrode 14, (b) is the conventional variable comprised using the metal material (cobalt) as the 2nd electrode. The characteristic of a resistance element is shown. In addition, the conventional variable resistance element as a comparison object whose characteristics are shown in FIG. 3B has a configuration in which only the material of the second electrode 14 is different from the variable resistance element 1 of the present embodiment. .

図3は、可変抵抗素子に対しパルス電圧を複数回印加した後に読み出し動作を行って読み出された抵抗値を、パルス電圧の印加回数と関連付けてグラフにしたものである。図3に示すように、可変抵抗素子は高抵抗状態と低抵抗状態を取り得る素子であり、パルス電圧の印加によってこの両抵抗状態間を遷移する特性を有している。なお、エンデュランス特性を得るに際し、一回の書き換え動作を行う毎に読み出し動作を行うのは非常に多大な時間を要する。このため、パルス電圧を印加するごとに抵抗値の読み出しを行うということは行わず、繰り返し複数回のパルス電圧の印加を行った後に、適宜抵抗値の読み出しを行っている。   FIG. 3 is a graph showing resistance values read out by performing a read operation after applying a pulse voltage to the variable resistance element a plurality of times in association with the number of times of applying the pulse voltage. As shown in FIG. 3, the variable resistance element is an element that can take a high resistance state and a low resistance state, and has a characteristic of transitioning between the two resistance states when a pulse voltage is applied. When obtaining endurance characteristics, it takes a very long time to perform a read operation every time a rewrite operation is performed. Therefore, the resistance value is not read every time the pulse voltage is applied, and the resistance value is appropriately read after repeatedly applying the pulse voltage a plurality of times.

図3(b)のように、第2電極14としてコバルト電極を採用した場合、書き換え回数が一定回数(10回)を超えると、十分に高抵抗化できなくなることが示される(図内の領域K2参照)。このことは、高抵抗化が消去動作に割り当てられている場合、第2電極14としてコバルト電極を利用する構成では、書き換え回数が一定回数を超えると正しく消去処理が行えないということを示唆するものである。 When a cobalt electrode is employed as the second electrode 14 as shown in FIG. 3B, it is indicated that the resistance cannot be sufficiently increased when the number of rewrites exceeds a certain number (10 7 times) (in the figure). (See region K2). This suggests that when the high resistance is assigned to the erasing operation, the configuration using the cobalt electrode as the second electrode 14 cannot correctly perform the erasing process when the number of times of rewriting exceeds a certain number. It is.

これに対し、図3(a)のように、第2電極14としてコバルト酸化物電極を採用した本実施形態の場合、書き換え回数が1011回を超えてもなお高抵抗状態と低抵抗状態の2状態を、十分な抵抗差を有した状態で認識することが可能である。このことは、書き換え回数が1011回を超えても、なお、書き込み処理並びに消去処理を正しく実行できることを意味するものである。すなわち、第2電極14としてコバルト電極を利用する場合に比べ、コバルト酸化物電極を利用した本実施形態の構成によればエンデュランス特性が著しく向上することを表すものである。 In contrast, as shown in FIG. 3 (a), in the present embodiment employing the cobalt oxide electrode as the second electrode 14, the number of times of rewriting 10 11 times the still high resistance state and the low resistance state beyond It is possible to recognize two states with a sufficient resistance difference. This means that even exceed 10 11 times the number of rewrites, noted, is intended to mean that correctly executes the writing process and erasing process. That is, the endurance characteristic is remarkably improved according to the configuration of the present embodiment using the cobalt oxide electrode as compared with the case where the cobalt electrode is used as the second electrode 14.

図4〜図6は、第2電極14として用いる材料を図3の場合と異ならせて、図3と同様に、読み出された抵抗値を、パルス電圧の印加回数に関連付けてグラフ化したものである。   4 to 6 are graphs in which the material used for the second electrode 14 is different from that in FIG. 3 and the read resistance value is related to the number of times of application of the pulse voltage, as in FIG. It is.

図4では、本実施形態の構成として第2電極14にタンタル酸化物電極を利用したものを(a)に示し、比較対象としてタンタル電極を利用したものを(b)に示した。図5では、本実施形態の構成として第2電極14にチタン酸化物電極を利用したものを(a)に示し、比較対象としてチタン電極を利用したものを(b)に示した。図6では、本実施形態の構成として第2電極14にニッケル酸化物電極を利用したものを(a)に示し、比較対象としてニッケル電極を利用したものを(b)に示した。   In FIG. 4, as a configuration of the present embodiment, a configuration using a tantalum oxide electrode for the second electrode 14 is shown in FIG. 4A, and a configuration using a tantalum electrode as a comparison target is shown in FIG. In FIG. 5, as a configuration of the present embodiment, a configuration using a titanium oxide electrode as the second electrode 14 is shown in FIG. 5A, and a configuration using a titanium electrode as a comparison target is shown in FIG. In FIG. 6, as the configuration of this embodiment, a configuration using a nickel oxide electrode for the second electrode 14 is shown in FIG. 6A, and a configuration using a nickel electrode as a comparison target is shown in FIG.

なお、図4(a)、図5(a)、及び図6(a)の構成は、コバルト酸化物電極を第2電極14に用いた場合と比較して、第2電極14の材料を異ならせるのみで、他の方法は同一にして製造したものである。すなわち、第2電極14を構成する電極膜(タンタル酸化物電極、チタン酸化物電極、ニッケル酸化物電極)を形成するに際し、化学量論的組成と比較して過剰な酸素を有するように酸素流量を調整して成膜している。なお、タンタル酸化物、チタン酸化物、あるいはコバルト酸化物と同様、ニッケル酸化物においても抵抗値が成膜時の酸素分圧に依存するものと考えられる。   4A, 5 </ b> A, and 6 </ b> A are different in the material of the second electrode 14 from the case where the cobalt oxide electrode is used for the second electrode 14. The other methods are manufactured in the same way. That is, when the electrode film (tantalum oxide electrode, titanium oxide electrode, nickel oxide electrode) constituting the second electrode 14 is formed, the oxygen flow rate is set so as to have excess oxygen compared to the stoichiometric composition. Is adjusted to form a film. Note that, similarly to tantalum oxide, titanium oxide, or cobalt oxide, the resistance value of nickel oxide is considered to depend on the oxygen partial pressure during film formation.

図4(b)、図5(b)、図6(b)によれば、第2電極14としてそれぞれタンタル電極、チタン電極、ニッケル電極を採用した従来構成の場合、書き換え回数が一定回数(10〜10回)を超えると、十分に高抵抗化できなくなることが示される(図内の領域K3,K4,K5参照)。これに対し、図4(a)、図5(a)、図6(a)によれば、第2電極14としてそれぞれタンタル酸化物電極、チタン酸化物電極、ニッケル酸化物電極を採用した本実施形態の場合、コバルト酸化物電極の場合と同様、書き換え回数が1011回を超えてもなお高抵抗状態と低抵抗状態の2状態を、十分な抵抗差を有した状態で認識することが可能である。 According to FIG. 4B, FIG. 5B, and FIG. 6B, in the case of the conventional configuration in which a tantalum electrode, a titanium electrode, and a nickel electrode are employed as the second electrode 14, the number of rewrites is a fixed number (10 If it exceeds 3 to 10 5 times, it is indicated that the resistance cannot be sufficiently increased (see regions K3, K4, and K5 in the figure). On the other hand, according to FIGS. 4 (a), 5 (a), and 6 (a), the second electrode 14 employs a tantalum oxide electrode, a titanium oxide electrode, and a nickel oxide electrode, respectively. If the form of cobalt as in the case of oxide electrode, can be the number of times of rewriting is two states of a low resistance state still a high resistance state more than 10 11 times, to recognize a state having a sufficient resistance difference It is.

以上によれば、第2電極14として、金属電極ではなく過剰に酸素を含む金属酸化物電極を採用することで、その金属酸化物電極を構成する材料によらずエンデュランス特性が大幅に上昇することが分かる。このことは、言い換えれば、従来構成と比較して、単に第2電極14の材料を金属酸化物で構成することのみで実現できるため、本発明に特有のプロセスが別途必要となるわけではなく、従来の製造プロセスで実現できるというメリットも有している。   According to the above, by adopting a metal oxide electrode containing excessive oxygen instead of the metal electrode as the second electrode 14, the endurance characteristics are greatly increased regardless of the material constituting the metal oxide electrode. I understand. In other words, compared to the conventional configuration, this can be realized simply by configuring the material of the second electrode 14 with a metal oxide, and therefore, a process unique to the present invention is not separately required. It has the merit that it can be realized by a conventional manufacturing process.

図3〜図6に示されるように、第2電極14として金属電極を用いた場合、書き換え回数が増大すると高抵抗化が起こりにくくなる一方、金属酸化物電極を用いることでそのような事態が生じなくなる理由として、本発明者は以下のような考えに至った。   As shown in FIGS. 3 to 6, when a metal electrode is used as the second electrode 14, it becomes difficult to increase the resistance when the number of rewrites is increased. On the other hand, such a situation is caused by using the metal oxide electrode. As a reason why it does not occur, the present inventor has come up with the following idea.

金属酸化物からなる可変抵抗体、例えばチタンやタンタルの酸化物は、酸素の組成比によって抵抗値が非常に大きく異なることが知られている。   It is known that the resistance value of a variable resistor made of a metal oxide, such as an oxide of titanium or tantalum, varies greatly depending on the composition ratio of oxygen.

これらの材料を可変抵抗体13として用いた可変抵抗素子1は、可変抵抗体13の中の電流パスの抵抗変化領域において、酸素の含有量が電圧パルスの印加によって変動し、これが抵抗変化として現れると考えられる。特に高抵抗化に際しては、正電圧が印加された電極付近での陽極酸化によって可変抵抗体13中の酸素含有量が増加し、これによって可変抵抗体13が高抵抗化すると考えられる。   In the variable resistance element 1 using these materials as the variable resistor 13, the oxygen content varies in the resistance change region of the current path in the variable resistor 13 due to the application of the voltage pulse, and this appears as a resistance change. it is conceivable that. In particular, when the resistance is increased, it is considered that the oxygen content in the variable resistor 13 is increased by anodic oxidation in the vicinity of the electrode to which a positive voltage is applied, thereby increasing the resistance of the variable resistor 13.

このとき、繰り返し書き換えを行うことで抵抗変化領域付近の酸素が拡散して酸素量が減少し、これによって高抵抗化を生じさせるのに十分な酸素量が確保できないため、結果として高抵抗化が進まなくなってしまう。   At this time, repeated rewriting causes oxygen in the vicinity of the resistance change region to diffuse and the amount of oxygen decreases, and as a result, it is not possible to secure a sufficient amount of oxygen to cause high resistance. It will not progress.

従って、本実施形態のように、可変抵抗体13に接触する第2電極14に酸素を含有させることで、第2電極14が可変抵抗体13への酸素供給源としての役目も兼ねることとなる。すなわち、繰り返し書き換え動作が行われた結果、抵抗変化領域付近の酸素が拡散したとしても、第2電極14を構成する金属酸化物内から酸素が補完される結果、可変抵抗体13には高抵抗化を実現するのに必要な酸素量を確保することができる。これによって、従来構成では10〜10回程度の書き換え回数で高抵抗化が正しく行えなかったが、本実施形態の構成では1011回を超えてもなお高抵抗化の実現が可能となったものと考えられる。 Therefore, as in this embodiment, when the second electrode 14 in contact with the variable resistor 13 contains oxygen, the second electrode 14 also serves as an oxygen supply source to the variable resistor 13. . That is, as a result of repeated rewrite operations, even if oxygen in the vicinity of the resistance change region diffuses, oxygen is supplemented from within the metal oxide constituting the second electrode 14, so that the variable resistor 13 has a high resistance. It is possible to secure the amount of oxygen necessary to realize the conversion. As a result, in the conventional configuration, the increase in resistance could not be correctly performed with the number of rewrites of about 10 3 to 10 7 times. However, in the configuration of the present embodiment, the increase in resistance can be realized even after exceeding 10 11 times. It is thought that.

図7は、本実施形態における可変抵抗素子と従来の可変抵抗素子の熱耐性の比較結果である。図7では、一例として、第2電極14としてタンタル酸化物電極を用いて製造した本実施形態のサンプルと、タンタル電極を用いて製造した従来構成のサンプルを、それぞれ400℃で10分間加熱した後、室温に戻して測定した抵抗値と、加熱前の抵抗値を比較している。   FIG. 7 shows a comparison result of heat resistance between the variable resistance element in the present embodiment and the conventional variable resistance element. In FIG. 7, as an example, the sample of this embodiment manufactured using a tantalum oxide electrode as the second electrode 14 and the sample of the conventional configuration manufactured using a tantalum electrode are each heated at 400 ° C. for 10 minutes. The resistance value measured after returning to room temperature is compared with the resistance value before heating.

図7によれば、第2電極14としてタンタル電極を用いた従来構成のサンプルの場合、加熱によって抵抗値が大きく減少している。これに対し、タンタル酸化物電極を用いた本実施形態のサンプルの場合、加熱前後で抵抗値の変動がほとんどなく、安定していることが分かる。これによれば、第2電極14としてタンタル酸化物電極を用いることで、エンデュランス特性のみならず熱耐性をも向上する効果があることが分かった。   According to FIG. 7, in the case of a sample having a conventional configuration using a tantalum electrode as the second electrode 14, the resistance value is greatly reduced by heating. In contrast, in the case of the sample of the present embodiment using a tantalum oxide electrode, it can be seen that the resistance value hardly fluctuates before and after heating and is stable. According to this, it was found that using a tantalum oxide electrode as the second electrode 14 has an effect of improving not only the endurance characteristics but also the heat resistance.

なお、ここでは図示しないが、他の金属酸化物(コバルト酸化物、チタン酸化物、ニッケル酸化物)を用いて第2電極14を構成した場合にも、タンタル酸化物の場合と同様に熱耐性が向上する効果があることが分かった。   Although not shown here, when the second electrode 14 is formed using other metal oxides (cobalt oxide, titanium oxide, nickel oxide), the heat resistance is the same as in the case of tantalum oxide. It has been found that there is an effect of improving.

また、上述した本実施形態では、可変抵抗体13としてタンタル酸化物を利用したが、これに限定されるものではなく、チタン等他の遷移金属の酸化物或いは酸窒化物としても構わない。これは以下の各実施形態においても同様とする。   Moreover, in this embodiment mentioned above, although the tantalum oxide was utilized as the variable resistor 13, it is not limited to this, It is good also as an oxide or oxynitride of other transition metals, such as titanium. The same applies to the following embodiments.

さらに、本実施形態では、金属酸化物電極を構成しない側の電極(ここでは第1電極12)としてTiとTiNの積層膜を用いたが、これに限られるものではなく、電極として通常用いられる金属(Pt,Ta,W,Cu,Ti等)を利用するものとして構わない。以下の各実施形態においても同様とする。   Furthermore, in the present embodiment, a laminated film of Ti and TiN is used as the electrode on the side that does not constitute the metal oxide electrode (here, the first electrode 12). However, the present invention is not limited to this, and is usually used as an electrode. Metals (Pt, Ta, W, Cu, Ti, etc.) may be used. The same applies to the following embodiments.

[第2実施形態]
図8は、第2実施形態(以下、適宜「本実施形態」という)における可変抵抗素子の概略的構成を示す断面図である。図8に示す可変抵抗素子2は、半導体基板10,シリコン酸化膜11,第1電極21,可変抵抗体13,第2電極22を備えて構成される。なお、第1実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付している。
[Second Embodiment]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a variable resistance element according to the second embodiment (hereinafter, appropriately referred to as “this embodiment”). The variable resistance element 2 shown in FIG. 8 includes a semiconductor substrate 10, a silicon oxide film 11, a first electrode 21, a variable resistor 13, and a second electrode 22. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the component same as 1st Embodiment.

図8に示す可変抵抗素子2の製造方法は、以下の通りである。   The manufacturing method of the variable resistance element 2 shown in FIG. 8 is as follows.

まず、半導体基板10上に、シリコン酸化膜11を形成した後、第1電極21を構成する電極材料膜を成膜する。ここでは、チタン膜(21a)とチタン酸化膜(21b)の積層膜(50nm/10nm)からなる電極材料膜をスパッタ法にて成膜した。なお、チタン酸化膜21bを成膜するに際しては、チタン酸化物が酸素の含有比率に依存して大きく抵抗値を変化させるため、リアクティブスパッタする際に酸素流量を適宜調整し、この後に成膜する可変抵抗体膜の低抵抗状態の抵抗値よりも十分小さな抵抗値を示すようにした。なお、チタンの場合はTiOが安定な酸化物であるが、酸素比率を下げることで容易に低抵抗のチタン酸化物を製造可能である。 First, after forming the silicon oxide film 11 on the semiconductor substrate 10, an electrode material film constituting the first electrode 21 is formed. Here, an electrode material film composed of a laminated film (50 nm / 10 nm) of a titanium film (21a) and a titanium oxide film (21b) was formed by sputtering. Note that when the titanium oxide film 21b is formed, the resistance value of titanium oxide changes greatly depending on the oxygen content ratio. Therefore, the oxygen flow rate is appropriately adjusted during reactive sputtering, and the film is formed thereafter. The resistance value is sufficiently smaller than the resistance value in the low resistance state of the variable resistor film. In the case of titanium, TiO 2 is a stable oxide, but low resistance titanium oxide can be easily manufactured by reducing the oxygen ratio.

次に、第1電極21(の上面を構成するチタン酸化膜21b)上に、可変抵抗体13を構成する金属酸化物(本実施形態ではチタン酸化物とする)をリアクティブスパッタ法で10nm成膜する。なお、ここでのチタン酸化膜の成膜工程においては、組成比がほぼTiOとなるように酸素流量を調整する。チタン酸化物においても、図2に示したコバルト酸化物同様、スパッタ時の酸素流量が所定値である場合において抵抗値がピークを示す。このため、本成膜工程においては、このピーク値を示す場合の酸素流量に近い値でチタン酸化膜を成膜する。これによって、低抵抗状態においても、可変抵抗体13の抵抗値は、第1電極21を構成するチタン酸化膜21bよりも著しく大きい値を示すこととなる。 Next, on the first electrode 21 (titanium oxide film 21b constituting the upper surface thereof), a metal oxide constituting the variable resistor 13 (in this embodiment, titanium oxide) is formed to 10 nm by reactive sputtering. Film. In the titanium oxide film formation step here, the oxygen flow rate is adjusted so that the composition ratio is substantially TiO 2 . Also in the titanium oxide, like the cobalt oxide shown in FIG. 2, the resistance value shows a peak when the oxygen flow rate during sputtering is a predetermined value. For this reason, in this film-forming process, a titanium oxide film is formed at a value close to the oxygen flow rate when the peak value is shown. As a result, even in the low resistance state, the resistance value of the variable resistor 13 is significantly larger than that of the titanium oxide film 21 b constituting the first electrode 21.

その後、可変抵抗体13上に、第2電極22を構成する電極材料膜を成膜する。本実施形態では、電極材料としてチタン電極を利用する。そして、既知のフォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて第2電極22と可変抵抗体13とを一括して加工する。これにより、図8に示される構成を得る。   Thereafter, an electrode material film constituting the second electrode 22 is formed on the variable resistor 13. In this embodiment, a titanium electrode is used as the electrode material. Then, the second electrode 22 and the variable resistor 13 are collectively processed using a known photolithography method and dry etching method. Thereby, the configuration shown in FIG. 8 is obtained.

図9は、本実施形態における可変抵抗素子のエンデュランス特性を示すものであり、書き換え回数を横軸、抵抗値を縦軸としてグラフ化したものである。なお、縦軸、横軸ともに対数表示している。   FIG. 9 shows the endurance characteristics of the variable resistance element according to the present embodiment, which is graphed with the number of rewrites as the horizontal axis and the resistance value as the vertical axis. The vertical axis and the horizontal axis are logarithmically displayed.

なお、図9のエンデュランス特性を得るに際しては、第1実施形態と同様、作成した素子に市販のマニュアルプローバーを用いて第1電極21、第2電極22のそれぞれに測定用針を接触させて、特性評価を行った。特性評価方法としては、第1電極21、第2電極22の両端に市販のパルスジェネレーターを用いて電圧パルスを印加した後、配線を切り替えて市販の半導体パラメータアナライザーを用いて素子の抵抗値を測定した。なお、第1電極21側に、パルス幅20ns,+2Vのパルス電圧を印加するステップと、第2電極22側に、パルス幅30ns,+3Vのパルス電圧を印加するステップを交互に繰り返して実行した。また、読み出し時には、0.5Vの電圧を両端に印加し、読み出される電流値から抵抗値を導出した。   When obtaining the endurance characteristics of FIG. 9, as in the first embodiment, a measurement needle is brought into contact with each of the first electrode 21 and the second electrode 22 using a commercially available manual prober on the created element. Characterization was performed. As a characteristic evaluation method, a voltage pulse is applied to both ends of the first electrode 21 and the second electrode 22 using a commercially available pulse generator, then the wiring is switched and the resistance value of the element is measured using a commercially available semiconductor parameter analyzer. did. The step of applying a pulse voltage with a pulse width of 20 ns and +2 V to the first electrode 21 side and the step of applying a pulse voltage of a pulse width of 30 ns and +3 V to the second electrode 22 side were executed alternately. In reading, a voltage of 0.5 V was applied to both ends, and a resistance value was derived from the read current value.

また、本実施形態においても、第1実施形態と同様、パルス電圧を印加するごとに抵抗値の読み出しを行うということは行わず、繰り返し複数回のパルス電圧の印加を行った後に、適宜抵抗値の読み出しを行っている。   Also in this embodiment, as in the first embodiment, the resistance value is not read every time the pulse voltage is applied, and the resistance value is appropriately set after repeatedly applying the pulse voltage a plurality of times. Is being read.

図9によれば、同じチタン酸化物電極を備える場合の第1実施形態の特性を示す図5(a)と同様、書き換え回数が1011回を超えてもなお高抵抗状態と低抵抗状態の2状態を、十分な抵抗差を有した状態で認識することが可能である。図5(a)は、下部電極を構成する第1電極12を金属電極とし、上部電極を構成する第2電極14をチタン酸化物電極とした場合のエンデュランス特性である。一方、図9は、下部電極を構成する第1電極21のうち、可変抵抗体13と接触する領域(21b)をチタン酸化物電極とし、上部電極を構成する第2電極22を金属電極とした場合のエンデュランス特性である。 According to FIG. 9, and FIG. 5 showing a characteristic of the first embodiment in having the same titanium oxide electrode (a) Similarly, the number of times of rewriting 10 11 times the still high resistance state and the low resistance state beyond It is possible to recognize two states with a sufficient resistance difference. FIG. 5A shows endurance characteristics when the first electrode 12 constituting the lower electrode is a metal electrode and the second electrode 14 constituting the upper electrode is a titanium oxide electrode. On the other hand, in FIG. 9, in the first electrode 21 constituting the lower electrode, the region (21b) in contact with the variable resistor 13 is a titanium oxide electrode, and the second electrode 22 constituting the upper electrode is a metal electrode. Endurance characteristics.

これにより、可変抵抗体13の上部か下部かにかかわらず、可変抵抗体13に接触する電極をチタン酸化物電極とすることで、第1及び第2電極が金属電極で形成される従来構成よりも著しくエンデュランス特性を向上させる効果があることが分かる。なお、本実施形態では、第1電極21の一部(21b)をチタン酸化物電極とした場合についてのみ結果を示したが、第1実施形態と同様に、他の金属酸化物(コバルト酸化物,タンタル酸化物,ニッケル酸化物)とした場合においても、同様の効果を有する。   As a result, regardless of whether the variable resistor 13 is above or below the variable resistor 13, the electrode contacting the variable resistor 13 is a titanium oxide electrode, so that the first and second electrodes are made of metal electrodes. It can also be seen that the endurance characteristics are significantly improved. In the present embodiment, the results are shown only when a part (21b) of the first electrode 21 is a titanium oxide electrode. However, as in the first embodiment, other metal oxides (cobalt oxides) are used. , Tantalum oxide, nickel oxide) have the same effect.

なお、本実施形態においても、可変抵抗体13の材料、並びに金属酸化物電極を構成しない側の電極材料については、第1実施形態と同様に適宜選択し得るものである。   Also in the present embodiment, the material of the variable resistor 13 and the electrode material on the side not constituting the metal oxide electrode can be appropriately selected as in the first embodiment.

[第3実施形態]
図10は、第3実施形態(以下、適宜「本実施形態」という)における可変抵抗素子の概略的構成を示す断面図である。図10に示す可変抵抗素子3は、半導体基板10,シリコン酸化膜11,第1電極31,可変抵抗体13,第2電極32,下地電極35を備えて構成される。なお、第1あるいは第2実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付している。
[Third Embodiment]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a variable resistance element according to a third embodiment (hereinafter referred to as “this embodiment” as appropriate). A variable resistance element 3 shown in FIG. 10 includes a semiconductor substrate 10, a silicon oxide film 11, a first electrode 31, a variable resistor 13, a second electrode 32, and a base electrode 35. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the component same as 1st or 2nd embodiment.

図10に示す可変抵抗素子3の製造方法は、以下の通りである。   The manufacturing method of the variable resistance element 3 shown in FIG. 10 is as follows.

まず、半導体基板10上にシリコン酸化膜11を形成した後、下地電極35としてチタン膜をスパッタ法にて10nm程度の膜厚で成膜する。次に、第1電極31の一部を構成する金属材料膜(ここではコバルト膜31とする)をスパッタ法で膜厚50nm程度成膜する。   First, after the silicon oxide film 11 is formed on the semiconductor substrate 10, a titanium film is formed as a base electrode 35 to a thickness of about 10 nm by sputtering. Next, a metal material film (here, referred to as a cobalt film 31) constituting a part of the first electrode 31 is formed with a film thickness of about 50 nm by a sputtering method.

次に、ラジカル酸化法によりコバルト膜31の表面を酸化する。具体的には、酸化温度を400℃〜600℃程度とし、酸素ラジカル雰囲気で5〜15分程度の酸化処理を行う。これによって、コバルト膜31の上面の一部が酸化され、コバルト酸化膜31aが形成される。なお、コバルト酸化膜31aの下層には、酸化されていないコバルト膜31bが残存しており、このコバルト膜31bとコバルト酸化膜31aによって第1電極31が構成される。   Next, the surface of the cobalt film 31 is oxidized by a radical oxidation method. Specifically, the oxidation temperature is set to about 400 ° C. to 600 ° C., and the oxidation treatment is performed for about 5 to 15 minutes in an oxygen radical atmosphere. Thereby, a part of the upper surface of the cobalt film 31 is oxidized to form a cobalt oxide film 31a. Note that the unoxidized cobalt film 31b remains below the cobalt oxide film 31a, and the first electrode 31 is constituted by the cobalt film 31b and the cobalt oxide film 31a.

次に、第1電極31上に、可変抵抗体13として金属酸化物(ここではタンタル酸化物とする)をリアクティブスパッタ法で14nm程度成膜する。その後、この可変抵抗体13上に、第2電極32を構成する電極材料膜を成膜する。本実施形態では、電極材料としてタンタル電極を利用する。そして、既知のフォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて第2電極32と可変抵抗体13とを一括して加工する。これにより、図10に示される構成を得る。   Next, a metal oxide (here, tantalum oxide) is formed as a variable resistor 13 on the first electrode 31 by a reactive sputtering method to a thickness of about 14 nm. Thereafter, an electrode material film constituting the second electrode 32 is formed on the variable resistor 13. In this embodiment, a tantalum electrode is used as the electrode material. Then, the second electrode 32 and the variable resistor 13 are collectively processed using a known photolithography method and dry etching method. Thereby, the configuration shown in FIG. 10 is obtained.

図11は、本実施形態における可変抵抗素子のエンデュランス特性を示すものであり、書き換え回数を横軸、抵抗値を縦軸としてグラフ化したものである。なお、縦軸、横軸ともに対数表示している。   FIG. 11 shows endurance characteristics of the variable resistance element according to the present embodiment, which is graphed with the number of rewrites as the horizontal axis and the resistance value as the vertical axis. The vertical axis and the horizontal axis are logarithmically displayed.

なお、図11のエンデュランス特性を得るに際しては、第1,第2実施形態と同様、作成した素子に市販のマニュアルプローバーを用いて第1電極31、第2電極32のそれぞれに測定用針を接触させて、特性評価を行った。特性評価方法としては、第1電極31、第2電極32の両端に市販のパルスジェネレーターを用いて電圧パルスを印加した後、配線を切り替えて市販の半導体パラメータアナライザーを用いて素子の抵抗値を測定した。なお、第1電極31側に、パルス幅20ns,+2V〜+3Vのパルス電圧を印加するステップと、第2電極32側に、パルス幅30ns,+2V〜+3Vのパルス電圧を印加するステップを交互に繰り返して実行した。また、読み出し時には、0.5Vの電圧を両端に印加し、読み出される電流値から抵抗値を導出した。   In order to obtain the endurance characteristic of FIG. 11, as in the first and second embodiments, the measurement needle is brought into contact with each of the first electrode 31 and the second electrode 32 using a commercially available manual prober. The characteristics were evaluated. As a characteristic evaluation method, after applying a voltage pulse to both ends of the first electrode 31 and the second electrode 32 using a commercially available pulse generator, the wiring is switched and the resistance value of the element is measured using a commercially available semiconductor parameter analyzer. did. The step of applying a pulse voltage with a pulse width of 20 ns and +2 V to +3 V on the first electrode 31 side and the step of applying a pulse voltage with a pulse width of 30 ns and +2 V to +3 V on the second electrode 32 side are repeated alternately. And executed. In reading, a voltage of 0.5 V was applied to both ends, and a resistance value was derived from the read current value.

また、本実施形態においても、第1,第2実施形態と同様、パルス電圧を印加するごとに抵抗値の読み出しを行うということは行わず、繰り返し複数回のパルス電圧の印加を行った後に、適宜抵抗値の読み出しを行っている。   Also in this embodiment, as in the first and second embodiments, the resistance value is not read every time the pulse voltage is applied, and after the pulse voltage is repeatedly applied a plurality of times, The resistance value is read as appropriate.

図11によれば、同じコバルト酸化物電極を備える場合の第1実施形態の特性を示す図3(a)と同様、書き換え回数が1011回を超えてもなお高抵抗状態と低抵抗状態の2状態を、十分な抵抗差を有した状態で認識することが可能である。第1実施形態では、酸化膜を成膜することで金属酸化物電極を形成したが、本実施形態によれば、金属材料の表面を酸化して酸化物電極を形成した場合であっても、エンデュランス特性を向上する効果があることが分かる。 According to FIG. 11, as in FIG. 3A showing the characteristics of the first embodiment when the same cobalt oxide electrode is provided, the high resistance state and the low resistance state are still maintained even when the number of rewrites exceeds 10 11 times. It is possible to recognize two states with a sufficient resistance difference. In the first embodiment, the metal oxide electrode is formed by forming an oxide film. However, according to the present embodiment, even when the surface of the metal material is oxidized to form the oxide electrode, It can be seen that there is an effect of improving the endurance characteristics.

図12,図13は、本実施形態と同様の製法の下で、第1電極31の一部を構成する金属材料を変更して同様の評価を行った場合の特性を示すグラフである。第1電極31として、タンタル,チタン,ニッケルを用いた場合の特性をそれぞれ図12(a),(b),(c)に示し、銅,タングステンを用いた場合の特性をそれぞれ図13(a),(b)に示している。なお、これらの各グラフの特性評価方法は、図11の場合と同様である。   FIGS. 12 and 13 are graphs showing characteristics when the same evaluation is performed by changing the metal material constituting a part of the first electrode 31 under the same manufacturing method as in the present embodiment. The characteristics when tantalum, titanium, and nickel are used as the first electrode 31 are shown in FIGS. 12A, 12B, and 12C, respectively, and the characteristics when copper and tungsten are used are shown in FIG. ) And (b). Note that the characteristic evaluation method for each of these graphs is the same as in FIG.

第1電極31の一部を構成する金属材料として、タンタル,チタン,ニッケル,銅,タングステンを成膜する場合、その後に酸化処理を行うことで当該金属材料の上面には、それぞれタンタル酸化物,チタン酸化物,ニッケル酸化物,銅酸化物,タングステン酸化物が形成される。すなわち、これらの各酸化物が、可変抵抗体13と接触する第1電極31aを構成する。   In the case of forming a film of tantalum, titanium, nickel, copper, or tungsten as a metal material constituting a part of the first electrode 31, an oxidization treatment is performed thereafter, so that the upper surface of the metal material has a tantalum oxide, Titanium oxide, nickel oxide, copper oxide, and tungsten oxide are formed. That is, each of these oxides constitutes the first electrode 31 a that is in contact with the variable resistor 13.

図12,図13を参照すれば、高抵抗状態、低抵抗状態のそれぞれにおいて、多少の抵抗変動は見られるものの、1011回の書き換え動作を行った後においても依然として高抵抗状態の抵抗値と低抵抗状態の抵抗値は十分分離できる程度に差があり、良好な特性となっていることが分かる。 Figure 12 Referring to Figure 13, a high resistance state, the respective low-resistance state, although some resistance variation seen, and still resistance value of the high resistance state even after the 1011 times of rewrite operation It can be seen that the resistance values in the low resistance state are different enough to be sufficiently separated and have good characteristics.

これらの結果から、金属酸化膜を成膜して電極を形成する場合と同様に、電極の可変抵抗体側の面を酸化することで電極の一部を金属酸化膜で構成した場合においても、エンデュランス特性を良好にすることができる。   From these results, in the same way as when forming an electrode by forming a metal oxide film, even when a part of the electrode is composed of a metal oxide film by oxidizing the surface of the electrode on the variable resistor side, the endurance The characteristics can be improved.

なお、上述の第1〜第3実施形態では、第1電極と第2電極のいずれか一方が、可変抵抗体と接触する領域において金属酸化物で形成されるものとし、他方の電極は金属で形成されるものとした。これに対し、両電極ともに可変抵抗体と接触する領域において金属酸化物で形成されるものとしても構わない。   In the first to third embodiments described above, one of the first electrode and the second electrode is formed of a metal oxide in a region in contact with the variable resistor, and the other electrode is a metal. It was supposed to be formed. On the other hand, both electrodes may be formed of a metal oxide in a region in contact with the variable resistor.

[第4実施形態]
図14は、第4実施形態(以下、適宜「本実施形態」という)における可変抵抗素子の概略的構成を示す断面図である。図14に示す可変抵抗素子4は、半導体基板10,シリコン酸化膜11,第1電極12,可変抵抗体41,第2電極22を備えて構成される。なお、第1〜第3実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a variable resistance element according to a fourth embodiment (hereinafter referred to as “this embodiment” as appropriate). The variable resistance element 4 shown in FIG. 14 includes a semiconductor substrate 10, a silicon oxide film 11, a first electrode 12, a variable resistor 41, and a second electrode 22. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the component same as 1st-3rd embodiment.

図14に示す可変抵抗素子4の製造方法は、以下の通りである。   The manufacturing method of the variable resistance element 4 shown in FIG. 14 is as follows.

まず、半導体基板10上に、シリコン酸化膜11を形成した後、第1電極12を構成する電極材料膜を成膜する。ここでは、Ti膜(12a)とTiN膜(12b)の積層膜からなる電極材料膜を成膜する。   First, after a silicon oxide film 11 is formed on the semiconductor substrate 10, an electrode material film constituting the first electrode 12 is formed. Here, an electrode material film composed of a laminated film of a Ti film (12a) and a TiN film (12b) is formed.

次に、可変抵抗体41を構成する金属酸化物、例えば酸化タンタルをリアクティブスパッタ法で約14nm程度成膜する。このスパッタ工程は、第1実施形態と同様、金属タンタルをターゲットとして用い、アルゴンと酸素の混合雰囲気中でスパッタを行う。そして、本実施形態では、第1実施形態と異なり、成膜中に酸素分圧を変動させることで酸化タンタル中の酸素の含有量を成膜方向で変化させる。例えば、酸化タンタルの成膜開始から最初の1分12秒は酸素の分圧を20%として10nm程度を成膜し(41a)、続いて酸素の分圧を42%として2分成膜し、17nm程度成膜する(41b)。これによって、第1電極12側と第2電極14側で酸素の含有率の異なる合計膜厚27nm程度の酸化タンタル膜41を形成し、可変抵抗体とする。   Next, a metal oxide constituting the variable resistor 41, for example, tantalum oxide, is formed to a thickness of about 14 nm by reactive sputtering. In this sputtering step, sputtering is performed in a mixed atmosphere of argon and oxygen using metal tantalum as a target, as in the first embodiment. In this embodiment, unlike the first embodiment, the oxygen content in the tantalum oxide is changed in the film forming direction by changing the oxygen partial pressure during film formation. For example, the first 1 minute and 12 seconds from the start of film formation of tantalum oxide, a film of about 10 nm is formed with an oxygen partial pressure of 20% (41a), and then a film of 2 minutes with an oxygen partial pressure of 42% A film of about 17 nm is formed (41b). As a result, a tantalum oxide film 41 having a total film thickness of about 27 nm with different oxygen contents is formed on the first electrode 12 side and the second electrode 14 side to form a variable resistor.

次に、可変抵抗体41上(41b上)に、第2電極22を構成する電極材料膜を成膜する。本実施形態では、電極材料としてチタン電極を利用する。そして、既知のフォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて第2電極22と可変抵抗体41とを一括して加工する。これにより、図14に示される構成を得る。   Next, an electrode material film constituting the second electrode 22 is formed on the variable resistor 41 (on 41b). In this embodiment, a titanium electrode is used as the electrode material. Then, the second electrode 22 and the variable resistor 41 are collectively processed using a known photolithography method and dry etching method. Thereby, the configuration shown in FIG. 14 is obtained.

図15は、本実施形態における可変抵抗素子のエンデュランス特性を示すものであり、書き換え回数を横軸、抵抗値を縦軸としてグラフ化したものである。なお、縦軸、横軸ともに対数表示している。   FIG. 15 shows the endurance characteristics of the variable resistance element according to the present embodiment, which is graphed with the number of rewrites as the horizontal axis and the resistance value as the vertical axis. The vertical axis and the horizontal axis are logarithmically displayed.

なお、図15のエンデュランス特性を得るに際しては、第1〜第3実施形態と同様、作成した素子に市販のマニュアルプローバーを用いて第1電極12、第2電極22のそれぞれに測定用針を接触させて、特性評価を行った。特性評価方法としては、第1電極12、第2電極22の両端に市販のパルスジェネレーターを用いて電圧パルスを印加した後、配線を切り替えて市販の半導体パラメータアナライザーを用いて素子の抵抗値を測定した。なお、第1電極12側に、パルス幅30ns,+2.4のパルス電圧を印加するステップと、第2電極22側に、パルス幅20ns,+1.8Vのパルス電圧を印加するステップを交互に繰り返して実行した。また、読み出し時には、0.5Vの電圧を両端に印加し、読み出される電流値から抵抗値を導出した。   When obtaining the endurance characteristics shown in FIG. 15, as in the first to third embodiments, the measuring element is contacted with each of the first electrode 12 and the second electrode 22 using a commercially available manual prober. The characteristics were evaluated. As a characteristic evaluation method, after applying a voltage pulse to both ends of the first electrode 12 and the second electrode 22 using a commercially available pulse generator, the wiring is switched and the resistance value of the element is measured using a commercially available semiconductor parameter analyzer. did. The step of applying a pulse voltage with a pulse width of 30 ns and +2.4 to the first electrode 12 side and the step of applying a pulse voltage of a pulse width of 20 ns and +1.8 V to the second electrode 22 side are alternately repeated. And executed. In reading, a voltage of 0.5 V was applied to both ends, and a resistance value was derived from the read current value.

また、本実施形態においても、第1〜3実施形態と同様、パルス電圧を印加するごとに抵抗値の読み出しを行うということは行わず、繰り返し複数回のパルス電圧の印加を行った後に、適宜抵抗値の読み出しを行っている。   Also in the present embodiment, as in the first to third embodiments, the resistance value is not read every time the pulse voltage is applied, and after the pulse voltage is repeatedly applied a plurality of times, as appropriate. The resistance value is read.

図15によれば、高抵抗状態、低抵抗状態のそれぞれにおいて、多少の抵抗変動は見られるものの、1010回の書き換え動作を行った後においても依然として高抵抗状態の抵抗値と低抵抗状態の抵抗値は十分分離できる程度に差があり、良好な特性となっていることが分かる。本実施形態における可変抵抗素子4は、第1及び第2電極の双方ともに金属材料で構成している。そして、第1及び第2電極の双方ともに金属材料で構成している従来構成の可変抵抗素子のエンデュランス特性(図3(b),図4(b),図5(b),図6(b))と比較すると、著しく特性が向上していることが分かる。 According to FIG. 15, although some resistance fluctuation is observed in each of the high resistance state and the low resistance state, the resistance value in the high resistance state and the low resistance state are still maintained after 10 10 rewrite operations. It can be seen that the resistance values are different enough to be sufficiently separated and have good characteristics. The variable resistance element 4 in the present embodiment is made of a metal material for both the first and second electrodes. The endurance characteristics of the variable resistance element of the conventional configuration in which both the first and second electrodes are made of a metal material (FIG. 3 (b), FIG. 4 (b), FIG. 5 (b), FIG. 6 (b) )), It can be seen that the characteristics are remarkably improved.

本実施形態と従来構成との相違点は、可変抵抗体の成膜方法にある。すなわち、本実施形態の場合、可変抵抗体41内に、酸素含有量の多い領域(41b)を設けている点に特徴を有する。すなわち、このように製造することで、繰り返しスイッチング動作が実行された後においても、可変抵抗体41内に、高抵抗化に必要な酸素量を依然として確保することができるため、従来構成と比較してエンデュランス特性が向上したものと考えられる。   The difference between the present embodiment and the conventional configuration is the variable resistor film forming method. That is, the present embodiment is characterized in that a region (41b) having a high oxygen content is provided in the variable resistor 41. That is, by manufacturing in this way, the oxygen amount necessary for increasing the resistance can still be secured in the variable resistor 41 even after repeated switching operations are performed. Thus, the endurance characteristics are considered to have improved.

なお、上記実施形態では、可変抵抗体の成膜時において、上面側の酸素含有量が高くなるように金属酸化膜を成膜したが、逆に下面側の酸素含有量が高くなるように金属酸化膜を成膜しても良い。例えば、予め酸素分圧を高くして金属酸化膜を成膜した後、表面を還元雰囲気に暴露させるなどして還元して上面側の酸素含有量を減少させるという方法も可能である。   In the above embodiment, when the variable resistor is formed, the metal oxide film is formed so that the oxygen content on the upper surface side is increased, but conversely, the metal is formed so that the oxygen content on the lower surface side is increased. An oxide film may be formed. For example, it is possible to reduce the oxygen content on the upper surface side by reducing the oxygen content by, for example, exposing the surface to a reducing atmosphere after forming a metal oxide film by increasing the oxygen partial pressure in advance.

なお、本実施形態では、可変抵抗体41の材料としてタンタル酸化物を用いたが、他の金属酸化物を用いることも可能である。また、第1及び第2電極の材料についても、他の金属材料を用いるものとしても構わない。   In this embodiment, tantalum oxide is used as the material of the variable resistor 41, but other metal oxides can also be used. Also, the first and second electrodes may be made of other metal materials.

第1実施形態の可変抵抗素子の概略的構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the variable resistance element of 1st Embodiment. 酸化コバルトの抵抗値と成膜時の酸素流量比との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the resistance value of cobalt oxide and the oxygen flow rate ratio during film formation 第1実施形態の可変抵抗素子(コバルト酸化物電極)と従来構成のエンデュランス特性の比較結果を示すグラフThe graph which shows the comparison result of the endurance characteristic of the variable resistance element (cobalt oxide electrode) of 1st Embodiment, and a conventional structure. 第1実施形態の可変抵抗素子(タンタル酸化物電極)と従来構成のエンデュランス特性の比較結果を示すグラフThe graph which shows the comparison result of the endurance characteristic of the variable resistance element (tantalum oxide electrode) of 1st Embodiment, and a conventional structure. 第1実施形態の可変抵抗素子(チタン酸化物電極)と従来構成のエンデュランス特性の比較結果を示すグラフThe graph which shows the comparison result of the endurance characteristic of the variable resistance element (titanium oxide electrode) of 1st Embodiment, and a conventional structure. 第1実施形態の可変抵抗素子(ニッケル酸化物電極)と従来構成のエンデュランス特性の比較結果を示すグラフThe graph which shows the comparison result of the endurance characteristic of the variable resistance element (nickel oxide electrode) of 1st Embodiment, and a conventional structure. 第1実施形態の可変抵抗素子と従来構成の熱耐性の比較結果を示すグラフThe graph which shows the comparison result of the heat resistance of the variable resistance element of 1st Embodiment, and a conventional structure 第2実施形態の可変抵抗素子の概略的構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the variable resistive element of 2nd Embodiment. 第2実施形態の可変抵抗素子(チタン酸化物電極)のエンデュランス特性を示すグラフThe graph which shows the endurance characteristic of the variable resistance element (titanium oxide electrode) of 2nd Embodiment 第3実施形態の可変抵抗素子の概略的構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the variable resistance element of 3rd Embodiment 第3実施形態の可変抵抗素子(コバルト酸化物電極)のエンデュランス特性を示すグラフThe graph which shows the endurance characteristic of the variable resistance element (cobalt oxide electrode) of 3rd Embodiment 第3実施形態の可変抵抗素子(タンタル,チタン,ニッケル酸化物電極)のエンデュランス特性を示すグラフThe graph which shows the endurance characteristic of the variable resistance element (tantalum, titanium, nickel oxide electrode) of 3rd Embodiment 第3実施形態の可変抵抗素子(銅,タングステン酸化物電極)のエンデュランス特性を示すグラフThe graph which shows the endurance characteristic of the variable resistance element (copper, tungsten oxide electrode) of 3rd Embodiment 第4実施形態の可変抵抗素子の概略的構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the variable resistance element of 4th Embodiment 第4実施形態の可変抵抗素子のエンデュランス特性を示すグラフThe graph which shows the endurance characteristic of the variable resistance element of 4th Embodiment

符号の説明Explanation of symbols

1,2,3,4: 可変抵抗素子
11: シリコン酸化膜
12,21,31: 第1電極
12a,21a: Ti膜
12b: TiN膜
21b: 酸化チタン膜
13,41: 可変抵抗体
14,22,32: 第2電極
35: 下地電極
1, 2, 3, 4: Variable resistance element 11: Silicon oxide film 12, 21, 31: First electrode 12a, 21a: Ti film 12b: TiN film 21b: Titanium oxide film 13, 41: Variable resistor 14, 22 32: Second electrode 35: Base electrode

Claims (16)

第1電極と第2電極の間に可変抵抗体が狭持され、前記両電極の間に電圧パルスが印加されることで前記両電極間の電気抵抗が変化する可変抵抗素子であって、
前記可変抵抗体が、遷移金属を含む材料の酸化物で構成されており、
前記第1電極または前記第2電極の一方または双方が、金属酸化物からなる金属酸化物電極で構成されることを特徴とする可変抵抗素子。
A variable resistance element in which a variable resistor is sandwiched between a first electrode and a second electrode, and a voltage pulse is applied between the two electrodes to change an electrical resistance between the two electrodes;
The variable resistor is made of an oxide of a material containing a transition metal,
One or both of the first electrode and the second electrode are composed of a metal oxide electrode made of a metal oxide.
前記可変抵抗体と接触しない側の前記金属酸化物電極の面に接触して、金属材料で構成された補助電極をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の可変抵抗素子。   The variable resistance element according to claim 1, further comprising an auxiliary electrode made of a metal material in contact with the surface of the metal oxide electrode on the side not in contact with the variable resistor. 前記金属酸化物電極は、前記金属酸化物の室温で安定した化学量論的組成と比べて過剰に酸素を含有していることを特徴とする請求項1または2に記載の可変抵抗素子。   3. The variable resistance element according to claim 1, wherein the metal oxide electrode contains oxygen in excess as compared with a stoichiometric composition stable at room temperature of the metal oxide. 前記金属酸化物電極が、Co,Ta,Ti,Ni,Cu,Wのうち少なくともいずれか一つの元素を含む材料の酸化物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の可変抵抗素子。   4. The metal oxide electrode according to claim 1, wherein the metal oxide electrode is an oxide of a material containing at least one element of Co, Ta, Ti, Ni, Cu, and W. 5. The variable resistance element described. 前記可変抵抗体が、Ta,Tiのうち少なくともいずれか一つの元素を含む材料の酸化物であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の可変抵抗素子。   The variable resistance element according to claim 1, wherein the variable resistor is an oxide of a material containing at least one element of Ta and Ti. 第1電極と第2電極の間に可変抵抗体が狭持され、前記両電極の間に電圧パルスが印加されることで前記両電極間の電気抵抗が変化する可変抵抗素子であって、
前記可変抵抗体が、遷移金属を含む材料の酸化物で構成されており、前記第1電極に近い領域内と前記第2電極に近い領域内で、前記酸化物の組成比が異なることを特徴とする可変抵抗素子。
A variable resistance element in which a variable resistor is sandwiched between a first electrode and a second electrode, and a voltage pulse is applied between the two electrodes to change an electrical resistance between the two electrodes;
The variable resistor is made of an oxide of a material containing a transition metal, and the composition ratio of the oxide is different in a region near the first electrode and a region near the second electrode. A variable resistance element.
請求項1に記載の可変抵抗素子の製造方法であって、
所定の基板上に金属材料を成膜して前記第1電極を形成する工程と、
前記第1電極に接触するように、遷移金属を含む材料の酸化物を成膜して前記可変抵抗体を形成する工程と、
前記可変抵抗体に接触するように、前記可変抵抗体よりも酸素含有濃度を高くして前記金属酸化物を成膜することで、低抵抗状態の前記可変抵抗体よりも抵抗値が低い前記金属酸化物電極で構成された前記第2電極を形成する工程と、を有することを特徴とする可変抵抗素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the variable resistance element according to claim 1,
Forming a metal material on a predetermined substrate to form the first electrode;
Forming the variable resistor by depositing an oxide of a material containing a transition metal so as to be in contact with the first electrode;
The metal having a lower resistance value than the variable resistor in a low resistance state by forming the metal oxide film with a higher oxygen content concentration than the variable resistor so as to contact the variable resistor Forming the second electrode composed of an oxide electrode. A method of manufacturing a variable resistance element, comprising:
請求項1に記載の可変抵抗素子の製造方法であって、
所定の基板上に前記金属酸化物を成膜して前記金属酸化物電極で構成された前記第1電極を形成する工程と、
前記第1電極に接触するように、前記第1電極よりも酸素含有濃度を低くして遷移金属を含む材料の酸化物を成膜することで、低抵抗状態において前記第1電極よりも抵抗値が高い前記可変抵抗体を形成する工程と、
前記可変抵抗体に接触するように、金属材料を成膜して前記第2電極を形成する工程と、を有することを特徴とする可変抵抗素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the variable resistance element according to claim 1,
Forming the metal oxide on a predetermined substrate to form the first electrode composed of the metal oxide electrode;
By forming an oxide of a material containing a transition metal at a lower oxygen concentration than the first electrode so as to contact the first electrode, the resistance value is lower than that of the first electrode in a low resistance state. Forming the variable resistor having a high value;
Forming the second electrode by forming a metal material so as to come into contact with the variable resistor.
前記所定の基板上に金属材料を成膜して補助電極を形成した後、当該補助電極上に前記金属酸化物を成膜することで前記第1電極を形成することを特徴とする請求項8に記載の可変抵抗素子の製造方法。   9. The first electrode is formed by forming a metal material on the predetermined substrate to form an auxiliary electrode, and then forming the metal oxide on the auxiliary electrode. The manufacturing method of the variable resistance element as described in 1 .. 少なくとも酸素を含む雰囲気下でスパッタ法によって前記金属酸化物を成膜することを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の可変抵抗素子の製造方法。   The method for manufacturing a variable resistance element according to claim 7, wherein the metal oxide film is formed by sputtering in an atmosphere containing at least oxygen. 請求項1に記載の可変抵抗素子の製造方法であって、
所定の基板上に金属材料を成膜する工程と、
成膜された金属材料膜の上面を酸化することで、少なくとも前記金属材料膜の上面に前記金属酸化物電極で構成された前記第1電極を形成する工程と、
前記第1電極に接触するように、前記第1電極よりも酸素含有濃度を低くして遷移金属を含む材料の酸化物を成膜することで、前記第1電極よりも抵抗値が高い前記可変抵抗体を形成する工程と、
前記可変抵抗体に接触するように、金属材料を成膜して前記第2電極を形成する工程と、を有することを特徴とする可変抵抗素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the variable resistance element according to claim 1,
Forming a metal material on a predetermined substrate;
Forming the first electrode composed of the metal oxide electrode on at least the upper surface of the metal material film by oxidizing the upper surface of the formed metal material film;
The variable having a resistance value higher than that of the first electrode by forming an oxide of a material containing a transition metal at a lower oxygen concentration than the first electrode so as to be in contact with the first electrode. Forming a resistor;
Forming the second electrode by forming a metal material so as to come into contact with the variable resistor.
前記金属材料膜の上面を酸素ラジカル雰囲気下で酸化することで前記第1電極を形成することを特徴とする請求項11に記載の可変抵抗素子の製造方法。   The method of manufacturing a variable resistance element according to claim 11, wherein the first electrode is formed by oxidizing an upper surface of the metal material film in an oxygen radical atmosphere. 前記金属材料膜が、Co,Ta,Ti,Ni,Cu,Wのうち少なくともいずれか一つの元素を含む金属材料で構成されることを特徴とする請求項7〜12のいずれか1項に記載の可変抵抗素子の製造方法。   The said metal material film is comprised with the metal material containing at least any one element among Co, Ta, Ti, Ni, Cu, and W, The any one of Claims 7-12 characterized by the above-mentioned. Of manufacturing the variable resistance element. 請求項6に記載の可変抵抗素子の製造方法であって、
所定の基板上に金属材料を成膜して前記第1電極を形成する工程と、
前記金属材料に接触するように、含有酸素濃度を断続的に上昇させながら前記遷移金属を含む材料の酸化物を成膜して前記可変抵抗体を形成する工程と、
前記可変抵抗体に接触するように、金属材料を成膜して前記第2電極を形成する工程と、を有することを特徴とする可変抵抗素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the variable resistance element according to claim 6,
Forming a metal material on a predetermined substrate to form the first electrode;
Forming the variable resistor by depositing an oxide of the material containing the transition metal while intermittently increasing the oxygen concentration so as to contact the metal material;
Forming the second electrode by forming a metal material so as to come into contact with the variable resistor.
酸素を含む雰囲気下で酸素分圧を断続的に上昇させながらスパッタ法によって前記遷移金属を含む材料の酸化物を成膜して前記可変抵抗体を形成することを特徴とする請求項14に記載の可変抵抗素子の製造方法。   15. The variable resistor is formed by depositing an oxide of a material containing the transition metal by sputtering while intermittently increasing an oxygen partial pressure in an atmosphere containing oxygen. Of manufacturing the variable resistance element. 前記遷移金属を含む材料の酸化物はTaまたはTiの酸化物であることを特徴とする請求項14または15に記載の可変抵抗素子の製造方法。   16. The method of manufacturing a variable resistance element according to claim 14, wherein the oxide of the material containing the transition metal is an oxide of Ta or Ti.
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