JP2010147133A - Nonvolatile storage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属酸化物よりなる抵抗変化層を備える不揮発性記憶装置に関するものである。 The present invention relates to a nonvolatile memory device including a resistance change layer made of a metal oxide.
近年、電子機器の開発競争が激化し、また、電子機器の小型化が進んでいる。このような状況のもとで、製造後においても、電子信号により回路構成を変更し、1つのチップで多くの機能を提供できるプログラマブルロジックが注目を集めている。プログラマブルロジックの代表例としては、FPGA(Field-Programmable Gate Array)やDRP(Dynamically Reconfigurable Processor)がある。プログラマブルロジックは、家電製品から、通信機器、最近では、航空機、衛星用デバイスと、用途は多岐にわたっている。 In recent years, development competition for electronic devices has intensified, and electronic devices have been downsized. Under such circumstances, programmable logic that can provide many functions with one chip by changing the circuit configuration by electronic signals even after manufacturing has been attracting attention. Typical examples of programmable logic include a field-programmable gate array (FPGA) and a dynamically reconfigurable processor (DRP). Programmable logic has a wide variety of applications from home appliances to communication equipment, recently aircraft and satellite devices.
多くのプログラマブルロジックでは、スイッチデバイスとして、よく知られているように、パストランジスタと、このパストランジスタのゲートに制御電圧を出力するSRAM(Static Random Access Memory)とを組み合わせた図12に示すような回路を用いている。この回路では、電源投入時にプログラム情報の書き込みをSRAM1201に行う。SRAM1201からの出力電圧V1がHighレベルの場合、パストランジスタ1202がONとなり、端子P1と端子P2とが接続される。ただし、SRAM1201は、電源OFF時に記憶情報がなくなってしまうため、電源投入後、再度プログラムする必要がある。
In many programmable logics, as well known as a switch device, a combination of a pass transistor and an SRAM (Static Random Access Memory) that outputs a control voltage to the gate of the pass transistor is shown in FIG. A circuit is used. In this circuit, program information is written to the SRAM 1201 when power is turned on. When the output voltage V1 from the
一方、SRAMの代わりにフラッシュメモリやヒューズを用いたFPGAもある。この場合、電源をOFFしても記憶情報が保たれるため、電源投入後に再度プログラムを行う必要がない。しかし、大容量・高速動作が要求されるFPGAにおいて高密度の論理回路とフラッシュメモリを混載しようとした場合、製造プロセスが複雑になり,集積度を上げることが困難である。また、ヒューズは1回しかプログラムが出来ない為、利便性が低い。このため、パストランジスタに対して制御電圧を印加するデバイスとして、電源OFF時に記憶情報がなくなってしまうものの、高集積化しやすいSRAMが一般的に用いられている。 On the other hand, some FPGAs use flash memory or fuses instead of SRAM. In this case, since the stored information is maintained even when the power is turned off, it is not necessary to perform the program again after the power is turned on. However, when a high-density logic circuit and a flash memory are mixedly mounted in an FPGA that requires a large capacity and high-speed operation, the manufacturing process becomes complicated and it is difficult to increase the degree of integration. Also, since the fuse can be programmed only once, it is not convenient. For this reason, as a device for applying a control voltage to the pass transistor, an SRAM that is easy to be highly integrated is generally used although stored information is lost when the power is turned off.
また、大規模FPGAの場合、図12に示したSRAM+パストランジスタのスイッチが約1億個搭載されており、このスイッチの数は、高集積化によって年々増える傾向にある。テクノロジーノードが45nm以前のCMOS集積回路において、SRAM部の面積は、最小寸法をFとした場合、100F2程度であり、FPGA全体の5割の面積を占めている。 In the case of a large-scale FPGA, about 100 million switches of SRAM + pass transistors shown in FIG. 12 are mounted, and the number of switches tends to increase year by year due to high integration. In a CMOS integrated circuit with a technology node of 45 nm or earlier, the area of the SRAM portion is about 100 F 2 when the minimum dimension is F, and occupies 50% of the entire FPGA.
ところが、テクノロジーノードが32nm以降では、トランジスタのバラツキが原因でSRAMのスケーリング限界が起き、SRAM部の面積が400F2程度まで増大してしまうという問題がある。SRAM部の面積増大は、FPGAのコスト増大につながり、コスト競争力を低下させるとともに、回路間の配線長増大による信号遅延により、性能が劣化してしまう。 However, when the technology node is 32 nm or later, there is a problem that the scaling limit of the SRAM occurs due to transistor variation, and the area of the SRAM portion increases to about 400 F 2 . An increase in the area of the SRAM portion leads to an increase in the cost of the FPGA, which lowers the cost competitiveness and degrades performance due to a signal delay due to an increase in the wiring length between circuits.
さらに,SRAM+パストランジスタでは、中性子線によるファーム・エラーが深刻な問題になる。α線をはじめ,さまざまな宇宙線が地上に飛来しているが,その中で高エネルギーをもつ中性子線は半導体基板に突入してSi原子に衝突する。このとき、衝突で放出されたイオンによって基板に微弱なパルス電流が流れ、SRAMの記憶データを変化させる可能性がある。SRAM情報の変化は回路変更を意味するので、中性子線エラーが発生すれば正常な回路動作をしなくなってしまう。一般的な地上付近の用途では、このような中性子線エラーが発生する確率はほかのエラー要因に比べて低いので問題とされないが、高エネルギーの中性子線が多く飛来する宇宙・航空分野では、中性子線エラーの問題は早くから知られており、中性子線に対する耐性が必須である。 Further, in the SRAM + pass transistor, a neutron beam farm error becomes a serious problem. Various cosmic rays such as α rays are flying on the ground. Among them, neutron rays with high energy enter the semiconductor substrate and collide with Si atoms. At this time, a weak pulse current flows through the substrate due to the ions released by the collision, which may change the data stored in the SRAM. Since a change in SRAM information means a circuit change, if a neutron beam error occurs, normal circuit operation will not be performed. In general applications near the ground, the probability of such a neutron beam error occurring is low compared to other error factors, so this is not a problem. However, in the space and aviation field where many high-energy neutrons fly, The problem of line errors has been known since early, and resistance to neutrons is essential.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、FPGAなどのプログラマブルロジックのスイッチに用いられているSRAMの変わりとなり、高集積を可能とする高い信頼性を備えた不揮発性記憶装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has been changed to an SRAM used for a programmable logic switch such as an FPGA, and has high reliability enabling high integration. An object is to provide a nonvolatile memory device.
本発明に係る不揮発性記憶装置は、出力電極、およびこの出力電極を挟むように配置された第1入力電極,第2入力電極と、第1入力電極および出力電極の間に挟まれた第1抵抗変化層と、第2入力電極および出力電極の間に挟まれた第2抵抗変化層とを備え、第1抵抗変化層は、第1金属酸化物層および第2金属酸化物層を備え、第2抵抗変化層は、第3金属酸化物層および第4金属酸化物層を備え、第1金属酸化物層および第2金属酸化物層の一方は、非晶質な酸化タンタルから構成され、第1金属酸化物層および第2金属酸化物層の他方は、遷移金属の酸化物から構成され、第3金属酸化物層および第4金属酸化物層の一方は、非晶質な酸化タンタルから構成され、第3金属酸化物層および第4金属酸化物層の他方は、遷移金属の酸化物から構成されているようにしたものである。 A nonvolatile memory device according to the present invention includes an output electrode, a first input electrode and a second input electrode arranged so as to sandwich the output electrode, and a first input electrode sandwiched between the first input electrode and the output electrode. A variable resistance layer and a second variable resistance layer sandwiched between the second input electrode and the output electrode, the first variable resistance layer includes a first metal oxide layer and a second metal oxide layer; The second resistance change layer includes a third metal oxide layer and a fourth metal oxide layer, and one of the first metal oxide layer and the second metal oxide layer is made of amorphous tantalum oxide, The other of the first metal oxide layer and the second metal oxide layer is made of a transition metal oxide, and one of the third metal oxide layer and the fourth metal oxide layer is made of amorphous tantalum oxide. And the other of the third metal oxide layer and the fourth metal oxide layer is an oxide of the transition metal. It is obtained as and a.
上記不揮発性記憶装置において、第1入力電極、第1抵抗変化層、出力電極、第2抵抗変化層、および第2入力電極は、基板の法線方向に積層されていてもよく、また、第1入力電極、第1抵抗変化層、出力電極、第2抵抗変化層、および第2入力電極は、基板の平面方向に配列されていてもよい。 In the nonvolatile memory device, the first input electrode, the first variable resistance layer, the output electrode, the second variable resistance layer, and the second input electrode may be stacked in a normal direction of the substrate. The one input electrode, the first variable resistance layer, the output electrode, the second variable resistance layer, and the second input electrode may be arranged in the planar direction of the substrate.
上記不揮発性記憶装置において、遷移金属は、酸化ニッケルおよび酸化チタンの少なくとも1つであればよい。また、上記不揮発性記憶装置において、出力電極は、パストランジスタに接続されるものである。 In the nonvolatile memory device, the transition metal may be at least one of nickel oxide and titanium oxide. In the nonvolatile memory device, the output electrode is connected to a pass transistor.
以上説明したように、本発明によれば、第1入力電極および出力電極の間に挟まれ、非晶質な酸化タンタルから構成された層と遷移金属とから構成された第1抵抗変化層と、第2入力電極および出力電極に挟まれ、非晶質な酸化タンタルから構成された層と遷移金属とから構成された第2抵抗変化層とを備えるようにしたので、FPGAなどのスイッチに用いられているSRAMの変わりとなり、高集積を可能とする高い信頼性を備えた不揮発性記憶装置が提供できるようになる。 As described above, according to the present invention, the first variable resistance layer formed of the amorphous metal tantalum oxide and the transition metal is sandwiched between the first input electrode and the output electrode. And a second variable resistance layer composed of a transition metal and a layer composed of amorphous tantalum oxide sandwiched between the second input electrode and the output electrode, so that it is used for a switch such as an FPGA. As a result, it is possible to provide a highly reliable nonvolatile memory device that enables high integration.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
始めに、本発明の実施の形態1について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における不揮発性記憶装置の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態1における不揮発性記憶装置は、まず、第1入力電極101,出力電極104,および第2入力電極107を備える。また、この不揮発性記憶装置は、第1入力電極101と出力電極104との間に挟まれた第1抵抗変化層120、および、出力電極104と第2入力電極107との間に挟まれた第2抵抗変化層130を備える。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the nonvolatile memory device according to Embodiment 1 of the present invention. The nonvolatile memory device according to the first embodiment first includes a
第1抵抗変化層120は、第1金属酸化物層102および第2金属酸化物層103を備え、第2抵抗変化層130は、第3金属酸化物層105および第4金属酸化物層106を備える。第1金属酸化物層102および第2金属酸化物層103の一方は、非晶質な酸化タンタル(Ta2O5)から構成され、他方は、酸化ニッケルや酸化チタンなどの遷移金属の酸化物から構成されている。同様に、第3金属酸化物層105および第4金属酸化物層106の一方は、非晶質な酸化タンタル(Ta2O5)から構成され、他方は、酸化ニッケルや酸化チタンなどの遷移金属の酸化物から構成されている。酸化タンタルは、化学量論組成とされていることが望ましい。なお、遷移金属の酸化物としては、酸化ニッケル、酸化チタンの他に、酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムなどを用いることが考えられる(非特許文献1参照)。また、遷移金属の酸化物としては、酸化タングステン(非特許文献2参照),酸化銅(非特許文献3参照),および酸化鉄(非特許文献4参照)を用いることが考えられる。
The first
このように構成された本実施の形態の不揮発性記憶装置は、第1抵抗変化層120および第2抵抗変化層130が、両極性動作の抵抗変化層(素子)となっている。このため、第1入力電極101と第2入力電極107との間に所定の電圧を印加することで、第1抵抗変化層120および第2抵抗変化層130の一方を低抵抗状態にスイッチさせ、他方を高抵抗状態にスイッチさせることができる。このようにスイッチングした後、第1入力電極101と第2入力電極107との間に、スイッチング時よりも低い電圧を加えることで、記憶(スイッチング)状態に応じた電圧を、出力電極104より出力させることができる。
In the nonvolatile memory device according to the present embodiment configured as described above, the first
従って、本実施の形態における不揮発性記憶装置によれば、出力電極104を、例えば、パストランジスタのゲートに接続することで、FPGAの不揮発スイッチとして機能させることができる。言い換えると、本実施の形態における不揮発性記憶装置は、FPGAなどのスイッチに用いられているSRAMの変わりに用いることができる。また、本実施の形態によれば、6個以上のトランジスタが必要なSRAMスイッチと異なり、1つの素子でスイッチとして機能するため、高集積化に非常に有利である。さらに、記憶層(抵抗変化層)に金属酸化物を用いているため原理的に中性子線等によるキャリアの影響を受けず、非常に高い信頼性を実現することができる。
Therefore, according to the nonvolatile memory device in this embodiment, the
なお、第1入力電極101、第1抵抗変化層120、出力電極104、第2抵抗変化層130、および第2入力電極107は、所定の基板の法線方向に積層されているようにしてもよく、また、第1入力電極101、第1抵抗変化層120、出力電極104、第2抵抗変化層130、および第2入力電極107は、所定の基板の平面方向に配列されているようにしてもよい。
The
ところで、酸化ニッケルなどの遷移金属の酸化物層および酸化タンタル層は、各々単層では、抵抗変化素子として再現性よく安定して機能しない。これらを積層することで、抵抗変化層として安定して機能するようになる。これは、発明者らの実験により、はじめて見いだされたものである。ここで、抵抗変化層に電圧を加え、抵抗変化層の抵抗値を単層とした酸化タンタル層の抵抗値よりも低くする初期の処理が重要となる。この処理は、「Forming」と呼ばれている(非特許文献2,3参照)。この処理を行った後、抵抗変化層に所定の電圧を印加することで、高抵抗状態から低抵抗状態、もしくは、低抵抗状態から高抵抗状態に抵抗変化させ、いずれかの抵抗状態を保持することができる。 By the way, the oxide layer and the tantalum oxide layer of transition metal such as nickel oxide each do not function stably as a variable resistance element with good reproducibility. By laminating these, it functions stably as a resistance change layer. This was found for the first time by the inventors' experiments. Here, an initial process is important in which a voltage is applied to the variable resistance layer so that the resistance value of the variable resistance layer is lower than the resistance value of the single layer tantalum oxide layer. This process is called “Forming” (see Non-Patent Documents 2 and 3). After performing this process, by applying a predetermined voltage to the resistance change layer, the resistance is changed from the high resistance state to the low resistance state, or from the low resistance state to the high resistance state, and one of the resistance states is maintained. be able to.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態における不揮発性記憶装置は、図2の断面図に示すように、MOSトランジスタなどによる集積回路が形成されたシリコン基板210上に形成された層間膜208上に形成され、層間膜208に形成されたビア209によって、シリコン基板210に形成されている集積回路に接続している。本実施の形態における不揮発性記憶装置は、ビア209と接続されるように形成された下部電極(第1入力電極)201、第1の金属酸化物からなる第1の金属酸化物層202、第2の金属酸化物からなる第2の金属酸化物層203、出力電極204、第2の金属酸化物からなる第3の金属酸化物層205、第1の金属酸化物からなる第4の金属酸化物層206、上部電極(第2入力電極)207を、これらの順に積層して備えている。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the nonvolatile memory device in this embodiment is formed on an
本実施の形態において、第1の金属酸化物層202および第2の金属酸化物層203からなる積層膜が、これらに対する電圧印加によって抵抗が変化する第1抵抗変化層であり、第3の金属酸化物層205および第4の金属酸化物層206からなる積層膜が、これらに対する電圧印加によって抵抗が変化する第2抵抗変化層である。また、これらの抵抗変化層は、印加される電圧の極性によって低抵抗状態から高抵抗状態、もしくは、高抵抗状態から低抵抗状態に両極性動作する。本実施の形態では、下部電極201、上記第1抵抗変化層、出力電極204、上記第2抵抗変化層、および上部電極207が、シリコン基板210の法線方向に積層されている。
In the present embodiment, the laminated film including the first
ここで、第1の金属酸化物は、NiOもしくはTiO2を少なくとも含む材料であることが望ましい。本実施の形態では、第1の金属酸化物をTiO2とする。また、第2の金属酸化物は、非晶質のTa2O5である。なお、第2の金属酸化物は、ストイキオメトリックなTa2O5から構成することが望ましい。また、TiO2は微結晶の構造を取りやすいため、これによる凹凸の影響を最小限にするため、Ta2O5の層よりも、TiO2の層の層厚を薄くする。例えば、Ta2O5からなる第2の金属酸化物層203および第3の金属酸化物層205層は、層厚10nmとする。また、TiO2からなる第1の金属酸化物層202および第4の金属酸化物層206は、層厚3nmとする。
Here, the first metal oxide is preferably a material containing at least NiO or TiO 2 . In the present embodiment, the first metal oxide is TiO 2 . The second metal oxide is amorphous Ta 2 O 5 . The second metal oxide is preferably composed of stoichiometric Ta 2 O 5 . In addition, since TiO 2 tends to have a microcrystalline structure, the thickness of the TiO 2 layer is made thinner than that of the Ta 2 O 5 layer in order to minimize the influence of unevenness due to this. For example, the second
なお、下部電極201、出力電極204、上部電極207は、基本的に導電性を有していれば良い。例えば、Au、Ni、Co、Pt、Ru、Ir、Ti、Cu、Taやイリジウム−タンタル合金(Ir−Ta)、スズ添加インジウム酸化物(ITO)、またはこれらの合金、またはこれらの酸化物や窒化物、フッ化物、炭化物、シリサイドなどによって形成できる。また、これらの材料の積層体であっても良い。ここでは、下部電極201、出力電極204、上部電極207は、Ruから構成する。
Note that the
上述した構成とした本実施の形態による不揮発性記憶装置は、下部電極201と出力電極204によって挟まれた抵抗変化層(第1の金属酸化物層202と第2の金属酸化物層203の積層膜)は、出力電極204側に正電圧(下部電極201側に負電圧)が加わった場合に低抵抗化し、出力電極204側に負電圧(下部電極201側に正電圧)が加わった場合に高抵抗化する。また、上部電極207と出力電極204に挟まれた抵抗変化層(第3の金属酸化物層205と第4の金属酸化物層6の積層膜)は、出力電極204側に正電圧(上部電極207側に負電圧)が加わった場合に低抵抗化し、出力電極204側に負電圧(上部電極207側に正電圧)が加わった場合に高抵抗化する。
The nonvolatile memory device according to this embodiment having the above-described structure includes a variable resistance layer (a stack of the first
次に、図3Aおよび表1を用いて本実施の形態における抵抗変化型記憶装置の動作方法について説明する。図3Aは、本実施の形態における不揮発性記憶装置の断面構成を模式的に示す構成図である。上部電極207および下部電極201を、各々V1およびV2とし、出力電極204をOUTとしている。各電極間は、抵抗変化層よりなる抵抗変化素子となっており、V1−OUT間の抵抗変化素子の抵抗値をR1、OUT−V2間の抵抗変化素子の抵抗値をR2とする。
Next, an operation method of the resistance change memory device according to this embodiment is described with reference to FIG. FIG. 3A is a configuration diagram schematically showing a cross-sectional configuration of the nonvolatile memory device according to the present embodiment. The
最初にR1、R2低抵抗化(Forming動作)を行う。まず、V1−OUT間に電圧印加を行い、R1の低抵抗化を行う。例えば、OUT電極に正電圧パルスを加え、R1の低抵抗化を行った。次に、V2−OUT間に電圧印加を行い、R2の低抵抗化を行う。例えば、OUT電極に正電圧パルスを加え、R2の低抵抗化を行う。
この後のスイッチング動作は、V2電極を接地し、以下の表1に示すように、V1電極に正電圧もしくは負電圧を印加して行う。
First, R1 and R2 resistance reduction (Forming operation) is performed. First, a voltage is applied between V1 and OUT to reduce the resistance of R1. For example, a positive voltage pulse was applied to the OUT electrode to reduce the resistance of R1. Next, a voltage is applied between V2 and OUT to reduce the resistance of R2. For example, a positive voltage pulse is applied to the OUT electrode to reduce the resistance of R2.
The subsequent switching operation is performed by grounding the V2 electrode and applying a positive voltage or a negative voltage to the V1 electrode as shown in Table 1 below.
まず、「Forming」後の状態(R1、R2が低抵抗状態)においてOUT電極を浮遊させ、V1に正電圧パルス(+Vpro)を加えた場合について説明する。この状態では、R2の抵抗は変化せず、R1のみが高抵抗状態にスイッチングする。出力電圧の読み取り時は、V1電極にスイッチング電圧よりも小さい電圧(VDD)を印加する。この場合、出力電圧は、R1とR2によって抵抗分割され、R2/(R1+R2)×VDDとなる。 First, a case where the OUT electrode is floated in a state after “Forming” (R1 and R2 are in a low resistance state) and a positive voltage pulse (+ Vpro) is applied to V1 will be described. In this state, the resistance of R2 does not change, and only R1 switches to the high resistance state. When reading the output voltage, a voltage (V DD ) smaller than the switching voltage is applied to the V1 electrode. In this case, the output voltage is resistance-divided by R1 and R2, and becomes R2 / (R1 + R2) × V DD .
R1とR2の抵抗比が高いと、出力電圧はほぼ0(GND)となり高いON/OFF比が得られるため、R1とR2の抵抗値は少なくとも10倍以上であることが望ましい。また、R1とR2の合計値が高いと、V1−V2間を流れるリーク電流を低減することができ、消費電力を下げることができる。VDDを1Vとした場合のリーク電流を1nA以下に抑えたいことから、R1とR2の合計値は1GΩ以上であることが望ましい。 When the resistance ratio between R1 and R2 is high, the output voltage is almost 0 (GND) and a high ON / OFF ratio is obtained. Therefore, the resistance value of R1 and R2 is preferably at least 10 times or more. In addition, when the total value of R1 and R2 is high, leakage current flowing between V1 and V2 can be reduced, and power consumption can be reduced. In order to suppress the leakage current when V DD is 1 V to 1 nA or less, the total value of R1 and R2 is desirably 1 GΩ or more.
次に、V1に負電圧パルス(−Vpro)を加えた場合について説明する。この状態では、まず、高抵抗状態であるR1に電圧が印加され、低抵抗状態にスイッチングし、次に、V2−OUT間の電圧によってR2が高抵抗状態にスイッチングする。出力電圧の読み取り時はV1電極にスイッチング電圧よりも小さい電圧(VDD)を印加しておく。この場合、出力電圧はR1とR2によって抵抗分割され、R2/(R1+R2)×VDDとなる。 Next, a case where a negative voltage pulse (-Vpro) is applied to V1 will be described. In this state, first, a voltage is applied to R1 which is in the high resistance state to switch to the low resistance state, and then R2 is switched to the high resistance state by the voltage between V2 and OUT. When reading the output voltage, a voltage (V DD ) smaller than the switching voltage is applied to the V1 electrode. In this case, the output voltage is resistance-divided by R1 and R2, and becomes R2 / (R1 + R2) × V DD .
R1とR2の抵抗比が高いと、出力電圧はほぼVDDとなり高いON/OFF比が得られるため、R1とR2の抵抗値は少なくとも10倍以上であることが望ましい。また、R1とR2の合計値が高いと、V1−V2間を流れるリーク電流を低減することができ、消費電力を下げることができる。VDDを1Vとした場合のリーク電流を1nA以下に抑えたいことから、R1とR2の合計値は1GΩ以上であることが望ましい。 When the resistance ratio between R1 and R2 is high, the output voltage is almost V DD and a high ON / OFF ratio is obtained. Therefore, it is desirable that the resistance value of R1 and R2 is at least 10 times or more. In addition, when the total value of R1 and R2 is high, leakage current flowing between V1 and V2 can be reduced, and power consumption can be reduced. In order to suppress the leakage current when V DD is 1 V to 1 nA or less, the total value of R1 and R2 is desirably 1 GΩ or more.
出力電圧を再度GNDにしたい場合、V1に正電圧パルスを印加する。この状態では、まず、高抵抗状態であるR2に電圧が印加され、低抵抗状態にスイッチングする。次にV1−OUT間の電圧によってR1が高抵抗状態にスイッチングする。V1に読み取り電圧VDDを加えた場合、OUT=R2/(R1+R2)×VDDから、〜0V(GND)が出力される。図3Bに示すように、OUT電極をパストランジスタ301の入力ゲートに接続することで、スイッチとして動作し、V1に正電圧パルスを加えることでパストランジスタ301が閉じ(オフ状態となり)、V1に負電圧パルスを加えることでパストランジスタが開く(オン状態となる)。
When it is desired to set the output voltage to GND again, a positive voltage pulse is applied to V1. In this state, first, a voltage is applied to R2 which is in the high resistance state, and switching to the low resistance state is performed. Next, R1 is switched to a high resistance state by the voltage between V1 and OUT. When the read voltage V DD is added to V1, ˜0 V (GND) is output from OUT = R2 / (R1 + R2) × V DD . As shown in FIG. 3B, by connecting the OUT electrode to the input gate of the
上述した本実施の形態では、抵抗変化層が、電源がなくても状態を保持する不揮発性を有しているため、電源をOFFにしてもR1およびR2の記憶情報は失われない。また、1つの素子でスイッチとして機能するため、高集積化に非常に有利である。さらに、記憶原理が電荷の蓄積によるものでないため、原理的に宇宙線の影響を受けにくく、高い信頼性が得られる。 In the present embodiment described above, since the resistance change layer has a non-volatile property that maintains the state even when there is no power supply, the stored information of R1 and R2 is not lost even when the power supply is turned off. In addition, since one element functions as a switch, it is very advantageous for high integration. Furthermore, since the memory principle is not based on charge accumulation, in principle it is hardly affected by cosmic rays and high reliability is obtained.
次に、本実施の形態における不揮発性記憶装置の製造方法について説明する。まず、図4Aに示すようにビア209が形成された層間膜208上に、下部電極201の材料としてRuを堆積してRu膜を形成する。さらに、形成したRu膜の上に公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてエッチングマスク401を形成し、エッチングマスク401を用いてRu膜をドライエッチングして下部電極201を形成する。エッチングマスク401には、例えば窒化チタン(TiN)などのRuとの選択比の高い材料を用いる。以上のようにして下部電極201を形成した後、エッチングマスク401を選択的にエッチングして除去する。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory device in this embodiment will be described. First, as shown in FIG. 4A, Ru is deposited as a material of the
次に、第1の金属酸化物層202となるTiO2、第2の金属酸化物層203となるTa2O5、出力電極204となるRuを順次堆積し、TiO2膜,Ta2O5膜,およびRu膜が積層された状態とする。次いで、Ru膜の上に、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてエッチングマスク402を形成する。エッチングマスク401には、窒化チタンなどの、Ru、Ta2O5、TiO2との選択比の高い材料を用いる。
Next, TiO 2 serving as the first
次いで、形成したエッチングマスク402をマスクとし、TiO2膜,Ta2O5膜,およびRu膜をドライエッチングすることで、図4Bに示すように、第1の金属酸化物層202,第2の金属酸化物層203,および出力電極204を形成する。このようにして各層を形成した後、エッチングマスク402を選択的にエッチングして除去する。
Next, by using the formed
次に、出力電極204上に、第3の金属酸化物層205となるTa2O5膜、第4の金属酸化物層206となるTiO2膜、および上部電極207となるRu膜を形成する。次いで、Ru膜の上に、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い、窒化チタンからなるエッチングマスク403を形成する。次いで、形成したエッチングマスク403をマスクとし、Ru膜、Ta2O5膜、およびTiO2膜をドライエッチングすることで、図4Cに示すように、第3の金属酸化物層205,第4の金属酸化物層206,上部電極207を形成する。このようにして、各層を形成した後、エッチングマスク403を選択的に除去すれば、図4Dに示すように、本実施の形態における不揮発性記憶装置が得られる。
Next, a Ta 2 O 5 film to be the third
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について説明する。この不揮発性記憶装置は、図5の断面図に示すように、MOSトランジスタなどによる集積回路が形成されたシリコン基板210上に形成された層間膜208上に形成され、層間膜208に形成されたビア209によって、シリコン基板210に形成されている集積回路に接続している。これは、前述した実施の形態2と同様である。本実施の形態における不揮発性記憶装置は、ビア209と接続されるように形成された下部電極(第1入力電極)201、第2の金属酸化物からなる第1の金属酸化物層502、第1の金属酸化物からなる第2の金属酸化物層503、出力電極204、第1の金属酸化物からなる第3の金属酸化物層505、第2の金属酸化物からなる第4の金属酸化物層506、上部電極(第2入力電極)207を、これらの順に積層して備えている。
[Embodiment 3]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. As shown in the cross-sectional view of FIG. 5, the nonvolatile memory device is formed on the
本実施の形態において、第1の金属酸化物層502および第2の金属酸化物層503からなる積層膜が、これらに対する電圧印加によって抵抗が変化する第1抵抗変化層であり、第3の金属酸化物層505および第4の金属酸化物層506からなる積層膜が、これらに対する電圧印加によって抵抗が変化する第2抵抗変化層である。また、これらの抵抗変化層は、印加される電圧の極性によって低抵抗状態から高抵抗状態、もしくは、高抵抗状態から低抵抗状態に両極性動作する。
In this embodiment mode, the stacked film including the first
ここで、第1の金属酸化物および第2の金属酸化物については、前述した実施の形態2と同様であり、第1の金属酸化物はTiO2であり、第2の金属酸化物は、非晶質のTa2O5である。本実施の形態では、出力電極204の側に、第1の金属酸化物からなる第2の金属酸化物層503および第3の金属酸化物層505が配置されているようにしたものである。また、各電極は、前述した実施の形態2と同様である。
Here, the first metal oxide and the second metal oxide are the same as those in the second embodiment described above, the first metal oxide is TiO 2 , and the second metal oxide is Amorphous Ta 2 O 5 . In this embodiment, the second
本実施の形態では、下部電極201と出力電極204によって挟まれた抵抗変化層(第1の金属酸化物層503と第2の金属酸化物層504の積層膜)は、出力電極204側に負電圧(下部電極201側に正電圧)が加わった場合に低抵抗化し、出力電極204側に正電圧(下部電極201側に負電圧)が加わった場合に高抵抗化する。また、上部電極207と出力電極204に挟まれた抵抗変化層(第3の金属酸化物層505と第4の金属酸化物層506の積層膜)は、出力電極204側に負電圧(上部電極207側に正電圧)が加わった場合に低抵抗化し、出力電極204側に正電圧(上部電極207側に負電圧)が加わった場合に高抵抗化する。
In this embodiment, the variable resistance layer (the stacked film of the first
次に、表2を用いて本実施の形態における不揮発性記憶装置の動作方法について説明する。上部電極207および下部電極201を、各々、V1およびV2とし、出力電極204をOUTとしている。各電極間の積層膜は抵抗変化素子となっており、V1−OUT間の抵抗変化素子(第3の金属酸化物層505,第4の金属酸化物層506)の抵抗値をR1、OUT−V2間の抵抗変化素子(第1の金属酸化物層503,第2の金属酸化物層504)の抵抗値をR2とする。
Next, an operation method of the nonvolatile memory device in this embodiment is described with reference to Table 2. The
最初に,R1およびR2の低抵抗化(Forming動作)処理を行う。まず、V1−OUT間に電圧印加を行い、R1の低抵抗化を行う。例えば、V1電極に正電圧パルスを加え、R1の低抵抗化を行う。次いで、V2−OUT間に電圧印加を行い、R2の低抵抗化を行う。例えば、V2電極に正電圧パルスを加え、R2の低抵抗化を行う。 First, R1 and R2 resistance reduction (Forming operation) processing is performed. First, a voltage is applied between V1 and OUT to reduce the resistance of R1. For example, a positive voltage pulse is applied to the V1 electrode to reduce the resistance of R1. Next, a voltage is applied between V2 and OUT to reduce the resistance of R2. For example, a positive voltage pulse is applied to the V2 electrode to reduce the resistance of R2.
以上のようにして「Forming」を行った後、V2電極を接地し、以下の表2に示すように、V1電極に正電圧もしくは負電圧を印加する。 After performing “Forming” as described above, the V2 electrode is grounded, and a positive voltage or a negative voltage is applied to the V1 electrode as shown in Table 2 below.
まず、Forming直後の状態(R1、R2が低抵抗状態)において、OUT電極を浮遊させ、V1に負電圧パルス(−Vpro)を加えた場合について説明する。この状態では、R2の抵抗は変化せず、R1のみが高抵抗状態にスイッチングする。出力電圧の読み取り時は、V1電極にスイッチング電圧よりも小さい電圧(VDD)を印加しておく。この場合、OUT電極からの出力電圧は、R1とR2によって抵抗分割され、R2/(R1+R2)×VDDとなる。 First, a case where the OUT electrode is floated and a negative voltage pulse (−Vpro) is applied to V1 in a state immediately after forming (R1 and R2 are in a low resistance state) will be described. In this state, the resistance of R2 does not change, and only R1 switches to the high resistance state. When reading the output voltage, a voltage (V DD ) smaller than the switching voltage is applied to the V1 electrode. In this case, the output voltage from the OUT electrode is resistance-divided by R1 and R2, and becomes R2 / (R1 + R2) × V DD .
R1とR2の抵抗比が高いと、出力電圧が、ほぼ0(GND)となり高いON/OFF比が得られるため、R1とR2の抵抗値は少なくとも10倍以上であることが望ましい。また、R1とR2の合計値が高いと、V1−V2間を流れるリーク電流を低減することができ、消費電力を下げることができる。VDDを1Vとした場合のリーク電流を1nA以下に抑えたいことから、R1とR2の合計値は1GΩ以上であることが望ましい。 When the resistance ratio between R1 and R2 is high, the output voltage is almost 0 (GND) and a high ON / OFF ratio is obtained. Therefore, the resistance value of R1 and R2 is desirably at least 10 times or more. In addition, when the total value of R1 and R2 is high, leakage current flowing between V1 and V2 can be reduced, and power consumption can be reduced. In order to suppress the leakage current when V DD is 1 V to 1 nA or less, the total value of R1 and R2 is desirably 1 GΩ or more.
次に、V1に正電圧パルス(Vpro)を加えた場合について説明する。この状態では、まず、高抵抗状態であるR1に電圧が印加され、低抵抗状態にスイッチングする。次に、V2−OUT間の電圧によってR2が高抵抗状態にスイッチングする。出力電圧の読み取り時はV1電極にスイッチング電圧よりも小さい電圧(VDD)を印加しておく。 Next, a case where a positive voltage pulse (Vpro) is applied to V1 will be described. In this state, first, a voltage is applied to R1 which is in the high resistance state, and switching to the low resistance state is performed. Next, R2 is switched to a high resistance state by the voltage between V2 and OUT. When reading the output voltage, a voltage (V DD ) smaller than the switching voltage is applied to the V1 electrode.
この場合、出力電圧はR1とR2によって抵抗分割され、R2/(R1+R2)×VDDとなる。R1とR2の抵抗比が高いと、出力電圧はほぼVDDとなり高いON/OFF比が得られるため、R1とR2の抵抗値は少なくとも10倍以上であることが望ましい。また、R1とR2の合計値が高いと、V1−V2間を流れるリーク電流を低減することができ、消費電力を下げることができる。VDDを1Vとした場合のリーク電流を1nA以下に抑えたいことから、R1とR2の合計値は1GΩ以上であることが望ましい。 In this case, the output voltage is resistance-divided by R1 and R2, and becomes R2 / (R1 + R2) × V DD . When the resistance ratio between R1 and R2 is high, the output voltage is almost V DD and a high ON / OFF ratio is obtained. Therefore, it is desirable that the resistance value of R1 and R2 is at least 10 times or more. In addition, when the total value of R1 and R2 is high, leakage current flowing between V1 and V2 can be reduced, and power consumption can be reduced. In order to suppress the leakage current when V DD is 1 V to 1 nA or less, the total value of R1 and R2 is desirably 1 GΩ or more.
出力電圧を再度GNDにしたい場合、V1に再度負電圧パルスを印加する。この状態では、まず、高抵抗状態であるR2に電圧が印加され、低抵抗状態にスイッチングする。次に、V1−OUT間の電圧によってR1が高抵抗状態にスイッチングする。V1に読み取り電圧VDDを加えた場合、OUT=R2/(R1+R2)×VDDから、〜0V(GND)が出力される。OUT電極をパストランジスタの入力ゲートに接続することで、スイッチとして動作し、V1に負電圧パルスを加えることでパストランジスタが閉じ、V1に正電圧パルスを加えることでパストランジスタが開く。 When it is desired to set the output voltage to GND again, a negative voltage pulse is applied to V1 again. In this state, first, a voltage is applied to R2 which is in the high resistance state, and switching to the low resistance state is performed. Next, R1 is switched to a high resistance state by the voltage between V1 and OUT. When the read voltage V DD is added to V1, ˜0 V (GND) is output from OUT = R2 / (R1 + R2) × V DD . By connecting the OUT electrode to the input gate of the pass transistor, it operates as a switch, applying a negative voltage pulse to V1 closes the pass transistor, and applying a positive voltage pulse to V1 opens the pass transistor.
本実施の形態においても、抵抗変化層が、電源がなくても状態を保持する不揮発性を有しているため、電源をOFFにしても、R1、R2の記憶情報は失われない。また、1つの素子でスイッチとして機能するため、高集積化に非常に有利である。さらに、記憶原理が電荷の蓄積によるものでないため、原理的に宇宙線の影響を受けにくく、高い信頼性が得られる。 Also in this embodiment, since the resistance change layer has a non-volatility that maintains the state even when there is no power supply, the stored information of R1 and R2 is not lost even when the power supply is turned off. In addition, since one element functions as a switch, it is very advantageous for high integration. Furthermore, since the memory principle is not based on charge accumulation, in principle it is hardly affected by cosmic rays and high reliability is obtained.
次に、本実施の形態における不揮発性記憶装置の製造方法について説明する。まず、図6Aに示すようにビア209が形成された層間膜208上に、下部電極材料としてRuを堆積してRu膜を形成する。さらに、形成したRu膜の上に公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてエッチングマスク601を形成し、エッチングマスク601を用いてRuをドライエッチングし、下部電極201を形成する。エッチングマスク601には、例えばTiNなどのRuとの選択比の高い材料を用いる。以上のようにして下部電極201を形成した後、エッチングマスク601をエッチングして除去する。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory device in this embodiment will be described. First, as shown in FIG. 6A, on the
次に、第1の金属酸化物層503となるTa2O5、第2の金属酸化物層504となるTiO2、出力電極204となるRuを順次堆積し、Ta2O5膜,TiO2膜,Ru膜が積層された状態とする。次いで、Ru膜の上に、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてエッチングマスク602を形成する。エッチングマスク601には、TiNなどの、Ru、Ta2O5、TiO2との選択比の高い材料を用いる。
Next, Ta 2 O 5 serving as the first
次に、形成したエッチングマスク602をマスクとし、Ru膜,TiO2膜,およびTa2O5膜をドライエッチングすることで、図6Bに示すように、第1の金属酸化物層502,第2の金属酸化物層503,および出力電極204を形成する。このようにして各層を形成した後、エッチングマスク602を選択的にエッチングして除去する。
Next, by using the formed
次に、出力電極204上に第3の金属酸化物層505となるTiO2膜、第4の金属酸化物層506となるTa2O5膜、および上部電極207となるRu膜を形成する。次いで、Ru膜の上に、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い、TiNからなるエッチングマスク603を形成する。次いで、エッチングマスク603をマスクとし、Ru膜、Ta2O5膜、およびTiO2膜をドライエッチングすることで、図6Cに示すように、第3の金属酸化物層505,第4の金属酸化物層506,および第4の金属酸化物層506を形成する。このようにして各層を形成した後、エッチングマスク603を選択的に除去すれば、図6Dに示すように、本実施の形態における不揮発性記憶装置が得られる。
Next, a TiO 2 film to be the third
[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態においては、不揮発性記憶装置を横型にした場合について示す。まず、本実施の形態における不揮発性記憶装置においても、図7の断面図に示すように、MOSトランジスタなどによる集積回路が形成されたシリコン基板710上に形成された層間膜708上に形成され、層間膜708に形成されたビア709によって、シリコン基板710に形成されている集積回路に接続している。
[Embodiment 4]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment mode, a case where the nonvolatile memory device is a horizontal type is described. First, also in the nonvolatile memory device in the present embodiment, as shown in the cross-sectional view of FIG. 7, it is formed on an
本実施の形態では、ビア709には、出力電極704が接続して形成されている。また、出力電極704の一方の側方に、第1側壁電極(第1入力電極)701を備え、他方の側方に、第2側壁電極(第2入力電極)707を備える。第1側壁電極701と第2側壁電極707とは、出力電極704を介し、対向して配置されている。このように、シリコン基板710の平面の方向(横方向)に各電極が配置されていることが、本実施の形態における不揮発性記憶装置の特徴である。
In this embodiment mode, an
このように横方向に配列された各電極において、まず、出力電極704と第1側壁電極701との間に、第1の金属酸化物からなる第1の金属酸化物層702および第2の金属酸化物からなる第2の金属酸化物層703を備える。また、出力電極704と第2側壁電極707との間に、第2の金属酸化物からなる第3の金属酸化物層705および第1の金属酸化物からなる第4の金属酸化物層706を備える。
In each of the electrodes arranged in the lateral direction as described above, first, the first
なお、第1側壁電極701と第2側壁電極707とは、出力電極704を介して対向している必要はない。第1側壁電極701と第2側壁電極707とは、互いに絶縁分離された状態で、出力電極704を介して配置されていればよい。また、第1の金属酸化物層702および第2の金属酸化物層703も、第3の金属酸化物層705および第4の金属酸化物層706と、出力電極704を介して配置されていればよい
Note that the
本実施の形態において、第1の金属酸化物層702および第2の金属酸化物層703からなる積層膜が、これらに対する電圧印加によって抵抗が変化する第1抵抗変化層であり、第3の金属酸化物層705および第4の金属酸化物層706からなる積層膜が、これらに対する電圧印加によって抵抗が変化する第2抵抗変化層である。また、これらの抵抗変化層は、印加される電圧の極性によって低抵抗状態から高抵抗状態、もしくは、高抵抗状態から低抵抗状態に両極性動作する。本実施の形態では、第1側壁電極701、上記第1抵抗変化層、出力電極704、上記第2抵抗変化層、および第2側壁電極707が、@シリコン基板710の平面方向に配列されている。
In this embodiment mode, the stacked film including the first
ここで、第1の金属酸化物および第2の金属酸化物については、前述した実施の形態2と同様であり、第1の金属酸化物はTiO2であり、第2の金属酸化物は、非晶質のTa2O5である。本実施の形態では、出力電極704の側に、第2の金属酸化物からなる第2の金属酸化物層703および第3の金属酸化物層705が配置されているようにしたものである。また、各電極は、前述した実施の形態2と同様である。
Here, the first metal oxide and the second metal oxide are the same as those in the second embodiment described above, the first metal oxide is TiO 2 , and the second metal oxide is Amorphous Ta 2 O 5 . In this embodiment, the second
本実施の形態では、第1側壁電極701と出力電極704によって挟まれた抵抗変化層(第1の金属酸化物層702と第2の金属酸化物層703の積層膜)は、出力電極704側に正電圧(第1側壁電極701に負電圧)が加わった場合に低抵抗化し、出力電極704側に負電圧(第1側壁電極701に正電圧)が加わった場合に高抵抗化する。また、第2側壁電極707と出力電極704に挟まれた抵抗変化層(第3の金属酸化物層705と第4の金属酸化物層706の積層膜)は、出力電極704側に正電圧(第2側壁電極707に負電圧)が加わった場合に低抵抗化し、出力電極704側に負電圧(第2側壁電極707に正電圧)が加わった場合に高抵抗化する。
In this embodiment, the variable resistance layer (the stacked film of the first
次に、図8および表3を用いて本実施の形態における不揮発性記憶装置の動作方法について説明する。図8は、本実施の形態における不揮発性記憶装置の断面構成を模式的に示す構成図である。第1側壁電極701および第2側壁電極707を、各々、V1およびV2とし、出力電極704をOUTとしている。各電極間の積層膜は抵抗変化素子となっており、V1−OUT間の抵抗変化素子(第1の金属酸化物層702,第2の金属酸化物層703)の抵抗値をR1、OUT−V2間の抵抗変化素子(第3の金属酸化物層705,第4の金属酸化物層706)の抵抗値をR2とする。
Next, an operation method of the nonvolatile memory device in this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a configuration diagram schematically showing a cross-sectional configuration of the nonvolatile memory device according to the present embodiment. The
最初に、R1およびR2の低抵抗化(Forming動作)処理を行う。まず、V1−OUT間に電圧印加を行い、R1の低抵抗化を行う。例えば、OUT電極に正電圧パルスを加え、R1の低抵抗化を行う。また、V2−OUT間に電圧印加を行い、R2の低抵抗化を行う。例えば、OUT電極に正電圧パルスを加え、R2の低抵抗化を行う。 First, R1 and R2 resistance reduction (Forming operation) processing is performed. First, a voltage is applied between V1 and OUT to reduce the resistance of R1. For example, a positive voltage pulse is applied to the OUT electrode to reduce the resistance of R1. In addition, a voltage is applied between V2 and OUT to reduce the resistance of R2. For example, a positive voltage pulse is applied to the OUT electrode to reduce the resistance of R2.
以上のようにして「Forming」を行った後、V2電極を接地し、以下の表3に示すように、V1電極に正電圧もしくは負電圧を印加する。 After performing “Forming” as described above, the V2 electrode is grounded, and a positive voltage or a negative voltage is applied to the V1 electrode as shown in Table 3 below.
まず、Forming後の状態(R1、R2が低抵抗状態)において、OUT電極を浮遊させ、V1に正電圧パルス(+Vpro)を加えた場合について説明する。この状態では、R2の抵抗は変化せず、R1のみが高抵抗状態にスイッチングする。出力電圧の読み取り時は、V1電極にスイッチング電圧よりも小さい電圧(VDD)を印加しておく。この場合、OUT電極からの出力電圧は、R1とR2によって抵抗分割され、R2/(R1+R2)×VDDとなる。 First, a case where the OUT electrode is floated and a positive voltage pulse (+ Vpro) is applied to V1 in a state after forming (R1 and R2 are in a low resistance state) will be described. In this state, the resistance of R2 does not change, and only R1 switches to the high resistance state. When reading the output voltage, a voltage (V DD ) smaller than the switching voltage is applied to the V1 electrode. In this case, the output voltage from the OUT electrode is resistance-divided by R1 and R2, and becomes R2 / (R1 + R2) × V DD .
R1とR2の抵抗比が高いと、出力電圧がほぼ0(GND)となり、高いON/OFF比が得られるため、R1とR2の抵抗値は少なくとも10倍以上であることが望ましい。また、R1とR2の合計値が高いと、V1−V2間を流れるリーク電流を低減することができ、消費電力を下げることができる。VDDを1Vとした場合のリーク電流を1nA以下に抑えたいことから、R1とR2の合計値は1GΩ以上であることが望ましい。 When the resistance ratio between R1 and R2 is high, the output voltage is almost 0 (GND), and a high ON / OFF ratio is obtained. Therefore, the resistance value of R1 and R2 is preferably at least 10 times or more. In addition, when the total value of R1 and R2 is high, leakage current flowing between V1 and V2 can be reduced, and power consumption can be reduced. In order to suppress the leakage current when V DD is 1 V to 1 nA or less, the total value of R1 and R2 is desirably 1 GΩ or more.
次に、V1に負電圧パルス(−Vpro)を加えた場合について説明する。この状態では、まず、高抵抗状態であるR1に電圧が印加され、低抵抗状態にスイッチングする。次に、V2−OUT間の電圧によってR2が高抵抗状態にスイッチングする。出力電圧の読み取り時はV1電極にスイッチング電圧よりも小さい電圧(VDD)を印加しておく。 Next, a case where a negative voltage pulse (-Vpro) is applied to V1 will be described. In this state, first, a voltage is applied to R1 which is in the high resistance state, and switching to the low resistance state is performed. Next, R2 is switched to a high resistance state by the voltage between V2 and OUT. When reading the output voltage, a voltage (V DD ) smaller than the switching voltage is applied to the V1 electrode.
この場合、出力電圧はR1とR2によって抵抗分割され、R2/(R1+R2)×VDDとなる。R1とR2の抵抗比が高いと、出力電圧はほぼVDDとなり高いON/OFF比が得られるため、R1とR2の抵抗値は少なくとも10倍以上であることが望ましい。また、R1とR2の合計値が高いと、V1−V2間を流れるリーク電流を低減することができ、消費電力を下げることができる。VDDを1Vとした場合のリーク電流を1nA以下に抑えたいことから、R1とR2の合計値は1GΩ以上であることが望ましい。 In this case, the output voltage is resistance-divided by R1 and R2, and becomes R2 / (R1 + R2) × V DD . When the resistance ratio between R1 and R2 is high, the output voltage is almost V DD and a high ON / OFF ratio is obtained. Therefore, it is desirable that the resistance value of R1 and R2 is at least 10 times or more. In addition, when the total value of R1 and R2 is high, leakage current flowing between V1 and V2 can be reduced, and power consumption can be reduced. In order to suppress the leakage current when V DD is 1 V to 1 nA or less, the total value of R1 and R2 is desirably 1 GΩ or more.
出力電圧を再度GNDにしたい場合、V1に正電圧パルスを印加する。この状態では、まず、高抵抗状態であるR2に電圧が印加され、低抵抗状態にスイッチングする。次にV1−OUT間の電圧によってR1が高抵抗状態にスイッチングする。V1に読み取り電圧VDDを加えた場合、OUT=R2/(R1+R2)×VDDから、0V(GND)が出力される。図3Bに示したように、OUT電極をパストランジスタの入力ゲートに接続することで、スイッチとして動作し、V1に正電圧パルスを加えることでパストランジスタが閉じ、V1に負電圧パルスを加えることでパストランジスタが開く。 When it is desired to set the output voltage to GND again, a positive voltage pulse is applied to V1. In this state, first, a voltage is applied to R2 which is in the high resistance state, and switching to the low resistance state is performed. Next, R1 is switched to a high resistance state by the voltage between V1 and OUT. When the read voltage V DD is added to V1, 0V (GND) is output from OUT = R2 / (R1 + R2) × V DD . As shown in FIG. 3B, by connecting the OUT electrode to the input gate of the pass transistor, it operates as a switch. By applying a positive voltage pulse to V1, the pass transistor is closed, and by applying a negative voltage pulse to V1. The pass transistor opens.
本実施の形態においても、抵抗変化層が、電源がなくても状態を保持する不揮発性を有しているため、電源をOFFにしても、R1、R2の記憶情報は失われない。また、1つの素子でスイッチとして機能するため、高集積化に非常に有利である。さらに、記憶原理が電荷の蓄積によるものでないため、原理的に宇宙線の影響を受けにくく、高い信頼性が得られる。また、横型の構造を用いることで、後述する製造方法の説明に示すように、いわゆるパターニング工程を減らすことが可能となり、製造コストを下げることができる。 Also in this embodiment, since the resistance change layer has a non-volatility that maintains the state even when there is no power supply, the stored information of R1 and R2 is not lost even when the power supply is turned off. In addition, since one element functions as a switch, it is very advantageous for high integration. Furthermore, since the memory principle is not based on charge accumulation, in principle it is hardly affected by cosmic rays and high reliability is obtained. In addition, by using a horizontal structure, as shown in the description of the manufacturing method described later, it is possible to reduce so-called patterning steps and reduce manufacturing costs.
以下、本実施の形態における不揮発性記憶装置の製造方法について用いて説明する。まず、図9Aに示すように、ビア209が形成された層間膜208上に、出力電極704の材料としてRuを堆積してRu膜を形成する。さらに、形成したRu膜の上に公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてエッチングマスク901を形成し、エッチングマスク901を用いてRu膜をドライエッチングして出力電極704を形成する。エッチングマスク901には、例えばTiNなどのRuとの選択比の高い材料を用いる。以上のようにして出力電極704を形成した後、エッチングマスク901をエッチングして除去する。
Hereinafter, the manufacturing method of the nonvolatile memory device in this embodiment will be described. First, as shown in FIG. 9A, Ru is deposited as a material of the
次に、第2の金属酸化物層703および第3の金属酸化物層705となるTa2O5、第1の金属酸化物層702および第4の金属酸化物層706となるTiO2、第1側壁電極701および第2側壁電極707となるRuを順次堆積し、図9Bに示すように、Ta2O5膜902,TiO2膜903,およびRu膜904が積層された状態とする。ここで、Ta2O5膜902,TiO2膜903,およびRu膜904は、図9Bの紙面左右方向において、出力電極704を跨ぐように形成されている。一方、紙面の前後の方向の出力電極704の側方には、Ta2O5膜902,TiO2膜903,およびRu膜904は形成されていない。
Then, TiO 2 serving as the second
次に、積層されたTa2O5膜902,TiO2膜903,およびRu膜904を、順次エッチバックして出力電極704の上部を露出させることで、図9Cに示すように、第2の金属酸化物層703,第3の金属酸化物層705、および、第1の金属酸化物層702,第4の金属酸化物層706、ならびに、第1側壁電極701,第2側壁電極707を形成する。これらのことにより、本実施の形態における不揮発性記憶装置が得られる。
Next, the stacked Ta 2 O 5 film 902, the TiO 2 film 903, and the Ru film 904 are sequentially etched back to expose the upper portion of the
[実施の形態5]
次に、本発明の実施の形態5について説明する。この不揮発性記憶装置は、図10の断面図に示すように、MOSトランジスタなどによる集積回路が形成されたシリコン基板710上に形成された層間膜708上に形成され、層間膜708に形成されたビア709によって、シリコン基板710に形成されている集積回路に接続している。
[Embodiment 5]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. As shown in the cross-sectional view of FIG. 10, the nonvolatile memory device is formed on an
また、本実施の形態においても、前述した実施の形態4と同様に、ビア709には、出力電極704が接続して形成されている。また、出力電極704の一方の側方に、第1側壁電極(第1入力電極)701を備え、他方の側方に、第2側壁電極(第2入力電極)707を備える。第1側壁電極701と第2側壁電極707とは、出力電極704を介し、対向して配置されている。
Also in this embodiment, the
このように横方向に配列された各電極において、まず、出力電極704と第1側壁電極701との間に、第2の金属酸化物からなる第1の金属酸化物層1002および第1の金属酸化物からなる第2の金属酸化物層1003を備える。また、出力電極704と第2側壁電極707との間に、第1の金属酸化物からなる第3の金属酸化物層1005および第2の金属酸化物からなる第4の金属酸化物層1006を備える。本実施の形態では、前述した実施の形態4と異なり、出力電極704の側に、第1の金属酸化物からなる層が配置されている。
In each of the electrodes arranged in the lateral direction as described above, first, the first
なお、第1側壁電極701と第2側壁電極707とは、出力電極704を介して対向している必要はない。第1側壁電極701と第2側壁電極707とは、互いに絶縁分離された状態で、出力電極704を介して配置されていればよい。また、第1の金属酸化物層1002および第2の金属酸化物層1003も、第3の金属酸化物層1005および第4の金属酸化物層1006と、出力電極704を介して配置されていればよい
Note that the
本実施の形態において、第1の金属酸化物層1002および第2の金属酸化物層1003からなる積層膜が、これらに対する電圧印加によって抵抗が変化する第1抵抗変化層であり、第3の金属酸化物層1005および第4の金属酸化物層1006からなる積層膜が、これらに対する電圧印加によって抵抗が変化する第2抵抗変化層である。また、これらの抵抗変化層は、印加される電圧の極性によって低抵抗状態から高抵抗状態、もしくは、高抵抗状態から低抵抗状態に両極性動作する。
In this embodiment mode, the stacked film including the first
ここで、第1の金属酸化物および第2の金属酸化物については、前述した実施の形態2と同様であり、第1の金属酸化物はTiO2であり、第2の金属酸化物は、非晶質のTa2O5である。また、各電極は、前述した実施の形態2と同様である。 Here, the first metal oxide and the second metal oxide are the same as those in the second embodiment described above, the first metal oxide is TiO 2 , and the second metal oxide is Amorphous Ta 2 O 5 . Each electrode is the same as that in the second embodiment.
本実施の形態では、第1側壁電極701と出力電極704によって挟まれた抵抗変化層(第1の金属酸化物層1002と第2の金属酸化物層1003の積層膜)は、出力電極704側に負電圧(第1側壁電極701に正電圧)が加わった場合に低抵抗化し、出力電極704側に正電圧(第1側壁電極701に負電圧)が加わった場合に高抵抗化する。
In this embodiment, the variable resistance layer (the stacked film of the first
また、第2側壁電極707と出力電極704に挟まれた抵抗変化層(第3の金属酸化物層1005と第4の金属酸化物層1006の積層膜)は、出力電極704側に負電圧(第2側壁電極707に正電圧)が加わった場合に低抵抗化し、出力電極704側に正電圧(第2側壁電極707に負電圧)が加わった場合に高抵抗化する。
In addition, the variable resistance layer (laminated film of the third
次に、表4を用いて本実施の形態における不揮発性記憶装置の動作方法について説明する。第1側壁電極701および第2側壁電極707を、各々、V1およびV2とし、出力電極704をOUTとしている。各電極間の積層膜は抵抗変化素子となっており、V1−OUT間の抵抗変化素子(第1の金属酸化物層1002,第2の金属酸化物層1003の積層膜)の抵抗値をR1、OUT−V2間の抵抗変化素子(第3の金属酸化物層1005,第4の金属酸化物層1006の積層膜)の抵抗値をR2とする。
Next, an operation method of the nonvolatile memory device in this embodiment is described with reference to Table 4. The
最初に、R1およびR2の低抵抗化(Forming動作)処理を行う。まず、V1−OUT間に電圧印加を行い、R1の低抵抗化を行う。例えば、V1電極に正電圧パルスを加え、R1の低抵抗化を行う。また、V2−OUT間に電圧印加を行い、R2の低抵抗化を行う。例えば、V2電極に正電圧パルスを加え、R2の低抵抗化を行う。 First, R1 and R2 resistance reduction (Forming operation) processing is performed. First, a voltage is applied between V1 and OUT to reduce the resistance of R1. For example, a positive voltage pulse is applied to the V1 electrode to reduce the resistance of R1. In addition, a voltage is applied between V2 and OUT to reduce the resistance of R2. For example, a positive voltage pulse is applied to the V2 electrode to reduce the resistance of R2.
以上のようにして「Forming」を行った後、V2電極を接地し、以下の表4に示すように、V1電極に正電圧もしくは負電圧を印加する。 After performing “Forming” as described above, the V2 electrode is grounded, and a positive voltage or a negative voltage is applied to the V1 electrode as shown in Table 4 below.
まず、Forming後の状態(R1、R2が低抵抗状態)においてOUT電極を浮遊させ、V1に負電圧パルス(−Vpro)を加えた場合について説明する。この状態では、R2の抵抗は変化せず、R1のみが高抵抗状態にスイッチングする。出力電圧の読み取り時は、V1電極にスイッチング電圧よりも小さい電圧(VDD)を印加しておく。この場合、OUT電極からの出力電圧は、R1とR2によって抵抗分割され、R2/(R1+R2)×VDDとなる。 First, a case where the OUT electrode is floated in a state after forming (R1 and R2 are in a low resistance state) and a negative voltage pulse (-Vpro) is applied to V1 will be described. In this state, the resistance of R2 does not change, and only R1 switches to the high resistance state. When reading the output voltage, a voltage (V DD ) smaller than the switching voltage is applied to the V1 electrode. In this case, the output voltage from the OUT electrode is resistance-divided by R1 and R2, and becomes R2 / (R1 + R2) × V DD .
R1とR2の抵抗比が高いと、出力電圧がほぼ0(GND)となり、高いON/OFF比が得られるため、R1とR2の抵抗値は少なくとも10倍以上であることが望ましい。また、R1とR2の合計値が高いと、V1−V2間を流れるリーク電流を低減することができ、消費電力を下げることができる。VDDを1Vとした場合のリーク電流を1nA以下に抑えたいことから、R1とR2の合計値は1GΩ以上であることが望ましい。 When the resistance ratio between R1 and R2 is high, the output voltage is almost 0 (GND), and a high ON / OFF ratio is obtained. Therefore, the resistance value of R1 and R2 is preferably at least 10 times or more. In addition, when the total value of R1 and R2 is high, leakage current flowing between V1 and V2 can be reduced, and power consumption can be reduced. In order to suppress the leakage current when V DD is 1 V to 1 nA or less, the total value of R1 and R2 is desirably 1 GΩ or more.
次に、V1に正電圧パルス(Vpro)を加えた場合について説明する。この状態では、まず、高抵抗状態であるR1に電圧が印加され、低抵抗状態にスイッチングする。次に、V2−OUT間の電圧によってR2が高抵抗状態にスイッチングする。出力電圧の読み取り時は、V1電極にスイッチング電圧よりも小さい電圧(VDD)を印加しておく。 Next, a case where a positive voltage pulse (Vpro) is applied to V1 will be described. In this state, first, a voltage is applied to R1 which is in the high resistance state, and switching to the low resistance state is performed. Next, R2 is switched to a high resistance state by the voltage between V2 and OUT. When reading the output voltage, a voltage (V DD ) smaller than the switching voltage is applied to the V1 electrode.
この場合、出力電圧はR1とR2によって抵抗分割され、R2/(R1+R2)×VDDとなる。R1とR2の抵抗比が高いと、出力電圧はほぼVDDとなり高いON/OFF比が得られるため、R1とR2の抵抗値は少なくとも10倍以上であることが望ましい。また、R1とR2の合計値が高いと、V1−V2間を流れるリーク電流を低減することができ、消費電力を下げることができる。VDDを1Vとした場合のリーク電流を1nA以下に抑えたいことから、R1とR2の合計値は1GΩ以上であることが望ましい。 In this case, the output voltage is resistance-divided by R1 and R2, and becomes R2 / (R1 + R2) × V DD . When the resistance ratio between R1 and R2 is high, the output voltage is almost V DD and a high ON / OFF ratio is obtained. Therefore, it is desirable that the resistance value of R1 and R2 is at least 10 times or more. In addition, when the total value of R1 and R2 is high, leakage current flowing between V1 and V2 can be reduced, and power consumption can be reduced. In order to suppress the leakage current when V DD is 1 V to 1 nA or less, the total value of R1 and R2 is desirably 1 GΩ or more.
出力電圧を再度GNDにしたい場合、V1に再度負電圧パルスを印加する。この状態では、まず、高抵抗状態であるR2に電圧が印加され、低抵抗状態にスイッチングする。次にV1−OUT間の電圧によってR1が高抵抗状態にスイッチングする。V1に読み取り電圧VDDを加えた場合、OUT=R2/(R1+R2)×VDDから、〜0V(GND)が出力される。OUT電極をパストランジスタの入力ゲートに接続することで、スイッチとして動作し、V1に負電圧パルスを加えることでパストランジスタが閉じ、V1に正電圧パルスを加えることでパストランジスタが開く。 When it is desired to set the output voltage to GND again, a negative voltage pulse is applied to V1 again. In this state, first, a voltage is applied to R2 which is in the high resistance state, and switching to the low resistance state is performed. Next, R1 is switched to a high resistance state by the voltage between V1 and OUT. When the read voltage V DD is added to V1, ˜0 V (GND) is output from OUT = R2 / (R1 + R2) × V DD . By connecting the OUT electrode to the input gate of the pass transistor, it operates as a switch, applying a negative voltage pulse to V1 closes the pass transistor, and applying a positive voltage pulse to V1 opens the pass transistor.
本実施の形態においても、抵抗変化層が、電源がなくても状態を保持する不揮発性を有しているため、電源をOFFにしても、R1、R2の記憶情報は失われない。また、1つの素子でスイッチとして機能するため、高集積化に非常に有利である。さらに、記憶原理が電荷の蓄積によるものでないため、原理的に宇宙線の影響を受けにくく、高い信頼性が得られる。なお、第1の金属酸化物による層と第2の金属酸化物による層とを入れ替えることで、出力が反転する。 Also in this embodiment, since the resistance change layer has a non-volatility that maintains the state even when there is no power supply, the stored information of R1 and R2 is not lost even when the power supply is turned off. In addition, since one element functions as a switch, it is very advantageous for high integration. Furthermore, since the memory principle is not based on charge accumulation, in principle it is hardly affected by cosmic rays and high reliability is obtained. Note that the output is inverted by switching the layer made of the first metal oxide and the layer made of the second metal oxide.
また、横型の構造を用いることで、後述する製造法の説明に示すように、パターニング工程が減り、製造コストを下げることができる。 Moreover, by using a horizontal structure, as shown in the description of the manufacturing method described later, the patterning process is reduced, and the manufacturing cost can be reduced.
以下、本実施の形態における不揮発性記憶装置の製造方法について説明する。まず、図11Aに示すように、ビア209が形成された層間膜208上に、出力電極704の材料としてRuを堆積してRu膜を形成する。さらに、形成したRu膜の上に公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてエッチングマスク1101を形成し、エッチングマスク1101を用いてRu膜をドライエッチングして出力電極704を形成する。エッチングマスク1101には、例えば、TiNなどのRuとの選択比の高い材料を用いる。以上のようにして出力電極704を形成した後に、エッチングマスク1101をエッチングして除去する。
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile memory device in the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 11A, Ru is deposited as a material of the
次に、第2の金属酸化物層1003および第3の金属酸化物層1005となるTiO2、第1の金属酸化物層1002および第4の金属酸化物層1006となるTa2O5、第1側壁電極701および第2側壁電極707となるRuを順次堆積し、図11Bに示すように、TiO2膜1102,Ta2O5膜1103,およびRu膜1104が積層された状態とする。ここで、TiO2膜1102,Ta2O5膜1103,およびRu膜1104は、図11Bの紙面左右方向において、出力電極704を跨ぐように形成されている。一方、紙面の前後の方向の出力電極704の側方には、TiO2膜1102,Ta2O5膜1103,およびRu膜1104は形成されていない。
Next, TiO 2 serving as the second
次に、積層されたTiO2膜1102,Ta2O5膜1103,およびRu膜1104を、順次エッチバックして出力電極704の上部を露出させることで、図9Cに示すように、第2の金属酸化物層1003,第3の金属酸化物層1005、および、第1の金属酸化物層1002,第4の金属酸化物層1006、ならびに、第1側壁電極701,第2側壁電極707を形成する。これらのことにより、本実施の形態における不揮発性記憶装置が得られる。
Next, the stacked TiO 2 film 1102, Ta 2 O 5 film 1103, and Ru film 1104 are sequentially etched back to expose the upper portion of the
101…第1入力電極、102…第1金属酸化物層、103…第2金属酸化物層、104…出力電極、105…第3金属酸化物層、106…第4金属酸化物層、107…第2入力電極、120…第1抵抗変化層、130…第2抵抗変化層。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1入力電極および前記出力電極の間に挟まれた第1抵抗変化層と、
前記第2入力電極および前記出力電極の間に挟まれた第2抵抗変化層と
を備え、
前記第1抵抗変化層は、第1金属酸化物層および第2金属酸化物層を備え、
前記第2抵抗変化層は、第3金属酸化物層および第4金属酸化物層を備え、
前記第1金属酸化物層および前記第2金属酸化物層の一方は、非晶質な酸化タンタルから構成され、
前記第1金属酸化物層および前記第2金属酸化物層の他方は、遷移金属の酸化物から構成され、
前記第3金属酸化物層および前記第4金属酸化物層の一方は、非晶質な酸化タンタルから構成され、
前記第3金属酸化物層および前記第4金属酸化物層の他方は、遷移金属の酸化物から構成されている
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。 An output electrode, and a first input electrode and a second input electrode arranged so as to sandwich the output electrode;
A first variable resistance layer sandwiched between the first input electrode and the output electrode;
A second variable resistance layer sandwiched between the second input electrode and the output electrode,
The first resistance change layer includes a first metal oxide layer and a second metal oxide layer,
The second resistance change layer includes a third metal oxide layer and a fourth metal oxide layer,
One of the first metal oxide layer and the second metal oxide layer is composed of amorphous tantalum oxide,
The other of the first metal oxide layer and the second metal oxide layer is composed of an oxide of a transition metal,
One of the third metal oxide layer and the fourth metal oxide layer is composed of amorphous tantalum oxide,
The other of the third metal oxide layer and the fourth metal oxide layer is made of a transition metal oxide.
前記前記第1入力電極、前記第1抵抗変化層、前記出力電極、前記第2抵抗変化層、および前記第2入力電極は、基板の法線方向に積層されている
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。 The nonvolatile memory device according to claim 1,
The first input electrode, the first variable resistance layer, the output electrode, the second variable resistance layer, and the second input electrode are stacked in a normal direction of the substrate. Storage device.
前記前記第1入力電極、前記第1抵抗変化層、前記出力電極、前記第2抵抗変化層、および前記第2入力電極は、基板の平面方向に配列されている
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。 The nonvolatile memory device according to claim 1,
The non-volatile memory, wherein the first input electrode, the first variable resistance layer, the output electrode, the second variable resistance layer, and the second input electrode are arranged in a planar direction of a substrate. apparatus.
前記遷移金属は、酸化ニッケルおよび酸化チタンの少なくとも1つである
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。 The non-volatile memory device according to claim 1,
The non-volatile memory device, wherein the transition metal is at least one of nickel oxide and titanium oxide.
前記出力電極は、パストランジスタに接続されるものである
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。 The non-volatile memory device according to claim 1,
The non-volatile memory device, wherein the output electrode is connected to a pass transistor.
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