JP2010199348A - Semiconductor memory and method for manufacturing the same - Google Patents

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明弘 小田川
Shigeo Yoshii
重雄 吉井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a variable resistance semiconductor memory for reducing a forming process load and dispersion of a memory bit. <P>SOLUTION: A variable resistance memory bit part 1 composed of a first electrode section 12, a second electrode section 13, a variable resistance layer 14 and a third electrode section 15 is three-dimensionally constituted on a conductor 10, an insulator 20 and an insulating layer 11, and a conductor 16 is disposed at the upper part. The conductor 10 or the conductor 16 is made a bit line 32, and the first electrode section 12 is made a word line 33 to apply voltage or an electric current to the variable resistance layer 14 containing a metal oxide as a main component, thus achieving the resistance change of the memory bit part 1. To form the variable resistance semiconductor memory, a through-hole part is formed in the insulating layer 11, and the exposed surface of the conductive layer 12 is provided with an electrode 13 made of metal nano particles using ferritin containing a metal compound. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、抵抗変化型の半導体メモリの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method of manufacturing a resistance change type semiconductor memory.

近年、メモリ素子の微細化の要求が高まっている。それに伴い、微細化による悪影響を受けにくいメモリ素子として、電荷容量ではなく電気抵抗の変化によって情報を記録する半導体メモリ素子(不揮発性メモリ素子)が注目されている。   In recent years, there is an increasing demand for miniaturization of memory elements. Accordingly, a semiconductor memory element (nonvolatile memory element) that records information by a change in electric resistance rather than a charge capacity has attracted attention as a memory element that is not easily affected by miniaturization.

抵抗変化型のメモリ素子は、抵抗変化層と、抵抗変化層を挟むように配置された2つの電極とを含む。この素子は電気抵抗が異なる複数の状態をとることができ、電極間に所定の電圧または電流を印加することによって、その状態を変化させることが可能である。そして、選択された1つの状態は、所定の操作が加わらない限り基本的に保持される(すなわち不揮発である)。このような効果は、巨大抵抗変化効果(Colossal Electro−Resistance:CER)と呼ばれている。これらCER効果にはサイズの課題が無いことや、桁違いに大きな抵抗変化を示すことから、半導体メモリ素子は、微細化が求められている次世代の不揮発メモリとしての期待が高い。ヒックモットによるジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(J. Appl. Phys., vol.88 pp.2805, 2000)(非特許文献1)に記載された報告では、各種酸化物において、電流−電圧特性にヒステリシスが表れる、所謂CER効果の発現可能性が指摘されている。また半導体メモリ素子としては、特表2002−537627号公報(特許文献1)には、各種酸化物を用いた素子が開示されている。これらの素子を用いることで構成する不揮発性メモリは、抵抗変化型ランダムアクセスメモリ(Resistance RAM:ReRAM)と呼ばれて注目を集めている。特に、電気抵抗値の変化によって情報を記録するこれらの不揮発性メモリ素子は、サイズにおける制限が小さいために、超高集積化への期待が高い。ReRAMに適用される抵抗変化を促す材料には、特許文献1に示されたペロブスカイト材料や、ベクらによるインターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング・2004(Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet. 2004, 587)(非特許文献2)に示された、ニッケル、チタン、ハフニウム、ジルコニウムの酸化物や、特許3919205号公報(特許文献2)には、鉄酸化物、ウェイらによるインターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング・2008(Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet. 2008, 293)(非特許文献3)に示されたタンタル酸化物などが検討されている。   The resistance change type memory element includes a resistance change layer and two electrodes arranged so as to sandwich the resistance change layer. This element can take a plurality of states having different electric resistances, and the state can be changed by applying a predetermined voltage or current between the electrodes. One selected state is basically maintained (that is, non-volatile) unless a predetermined operation is applied. Such an effect is called a giant resistance change effect (CER). Since there is no size problem in these CER effects and the resistance change is insignificant, semiconductor memory elements are highly expected as next-generation nonvolatile memories that are required to be miniaturized. According to a report described in J. Appl. Phys., Vol.88 pp.2805, 2000 (Non-Patent Document 1) by Hick Mott, hysteresis is observed in current-voltage characteristics of various oxides. It has been pointed out that the so-called CER effect may appear. As a semiconductor memory element, Japanese Patent Publication No. 2002-537627 (Patent Document 1) discloses an element using various oxides. Nonvolatile memories formed by using these elements are called resistance change random access memories (Resistance RAM: ReRAM) and have attracted attention. In particular, these nonvolatile memory elements that record information by a change in electric resistance value have high expectations for ultra-high integration due to small size restrictions. Examples of materials that promote resistance change applied to ReRAM include perovskite materials disclosed in Patent Document 1 and International Electron Device Meeting 2004 (Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. 2004, by Bek et al. 587) The oxides of nickel, titanium, hafnium, zirconium shown in (Non-patent Document 2), and Japanese Patent No. 3919205 (Patent Document 2) include iron oxides, international electron devices by Way et al. Tantalum oxides shown in Meeting 2008 (Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. 2008, 293) (Non-Patent Document 3) have been studied.

これら大きな抵抗変化を示す動作機構についても近年、明らかになっている。オダガワによるアプライド・フィジックス・レター(Appl. Phys. Lett., vol.91, 133503, 2007)(非特許文献4)に記載された報告によると、駆動電圧あるいは電流の印加によって、抵抗変化層と電極との界面での酸化還元反応が起こり、その際に生成される高抵抗性の金属酸化物を電気的に検知することで抵抗変化が生じる。上記の動作機構に基づいた、メモリ構造や製造方法の選択を行うことによって、安定的に動作可能な半導体メモリを実現することができる。   In recent years, an operation mechanism showing such a large resistance change has also been clarified. According to a report described in Odagawa's Applied Physics Letter (Appl. Phys. Lett., Vol.91, 133503, 2007) (Non-Patent Document 4), the resistance change layer and the electrode can be applied by applying a drive voltage or current. Oxidation-reduction reaction occurs at the interface, and a resistance change is caused by electrically detecting a high-resistance metal oxide generated at that time. By selecting a memory structure and a manufacturing method based on the above operation mechanism, a semiconductor memory that can operate stably can be realized.

ReRAMにおいては高集積の実現にむけて、特開2003−197877号公報(特許文献3)にあるように、半導体メモリを多層にスタックさせて構成する取り組みもなされている。さらに一層の集積度向上へ向けて、特開2008−181978(特許文献4)にあるように、貫通ホールの側面にメモリ機能部を設けた新しい構造も提案されている。この構造によれば、特許文献2記載の多層スタック構造の形成の際、各層のスタック時に生じるグローバル段差に起因する平坦性欠如による配線の断線などの不具合要因を無くし、高集積メモリの実現性を一層向上させることができると期待される。   In order to achieve high integration in the ReRAM, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-197877 (Patent Document 3), efforts are made to stack and configure semiconductor memories. In order to further improve the degree of integration, a new structure in which a memory function part is provided on the side surface of a through hole has been proposed as disclosed in JP-A-2008-181978 (Patent Document 4). According to this structure, when forming the multi-layer stack structure described in Patent Document 2, it is possible to eliminate problems such as disconnection of wiring due to lack of flatness due to global steps caused when stacking each layer, and to realize the possibility of highly integrated memory. It is expected that it can be further improved.

また特許文献3に示されたような多層スタック型では、抵抗値を決定する含有酸素量を精度良く制御した金属酸化物からなる抵抗変化層を何層にも渡って均一に作製する技術が必要であるが、貫通ホールの側面にメモリ機能部を設ける特許文献4に示されたような構造では、抵抗変化層を一回の堆積プロセスにて形成できるので、超高集積メモリの実現に一層効果的と考えられる。   In addition, the multilayer stack type as shown in Patent Document 3 requires a technique for uniformly producing a variable resistance layer made of a metal oxide in which the amount of oxygen contained to determine the resistance value is accurately controlled. However, in the structure as shown in Patent Document 4 in which the memory function part is provided on the side surface of the through hole, the resistance change layer can be formed by a single deposition process, which is more effective in realizing an ultra-high integrated memory. It is considered to be the target.

しかしながら非特許文献4に示された動作機構によれば、酸化還元反応によって生じる高抵抗性の金属酸化物の生成度合いの違いに対しても、高抵抗状態の抵抗値がメモリビット毎に大きく依存することとなる。抵抗値をメモリ情報とするメモリビットのバラツキを効果的に低減させるためには、酸化還元反応を制御する必要がある。酸化還元反応の制御には、抵抗変化層と電極との界面へ供給する電子と酸素イオンの量を制御するのが良く、そのためには、局所的に過重な電子が流れすぎることを制限する電流狭窄路を抵抗変化層と電極との界面に均一に設けることが効果的である。電流狭窄構造を設ける利点にはいくつかの技術が既に公開されている。国際公開第2005/041303号パンフレット(特許文献5)によれば抵抗変化層と電極の界面に凹部凸部を設けた構造あるいは金属微粒子を配置した構造、特開2006−203178号公報(特許文献6)によれば超微細突起(ナノチップ)を設けた構造、特開2007−180473号公報(特許文献7)によれば電極側に突起物を設けた構造、特開2007−180174号公報(特許文献8)によれば金属微粒子を結晶成長核とした構造、特開2006−210639号公報(特許文献9)によれば、フェリチンを利用して誘電体中に埋め込まれた柱状導電体上に微粒子を配置した構造などが、それぞれ開示されている。
特表2002−537627号公報 特許第3919205号公報 特開2003−197877号公報 特開2008−181978号公報 国際公開第2005/041303号パンフレット 特開2006−203178号公報 特開2007−180473号公報 特開2007−180174号公報 特開2006−210639号公報 T.W. Hickmott, J. Appl. Phys., vol.88 pp.2805, 2000. I.G. Baek et al., Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet. 2004, 587. Z. Wei et al., Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet. 2008, 293. A. Odagawa et al., Appl. Phys. Lett., vol.91, 133503, 2007.
However, according to the operation mechanism shown in Non-Patent Document 4, the resistance value in the high resistance state greatly depends on each memory bit even for the difference in the generation degree of the high resistance metal oxide caused by the oxidation-reduction reaction. Will be. In order to effectively reduce variations in memory bits whose resistance value is memory information, it is necessary to control the oxidation-reduction reaction. To control the oxidation-reduction reaction, it is better to control the amount of electrons and oxygen ions supplied to the interface between the resistance change layer and the electrode, and for this purpose, a current that restricts excessively excessive electrons from flowing locally. It is effective to provide a narrow path uniformly at the interface between the resistance change layer and the electrode. Several techniques have already been published for the advantage of providing a current confinement structure. According to the pamphlet of International Publication No. 2005/041303 (Patent Document 5), a structure in which concave protrusions are provided at the interface between the resistance change layer and the electrode, or a structure in which metal fine particles are arranged, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-203178 (Patent Document 6). ) According to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-180174 (Patent Document 7), a structure provided with ultrafine protrusions (nanochips), according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-180473 (Patent Document 7), and structure provided with protrusions on the electrode side. According to 8), a structure in which metal fine particles are used as crystal growth nuclei, and according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-210639 (Patent Document 9), fine particles are deposited on columnar conductors embedded in a dielectric using ferritin. Arranged structures and the like are disclosed respectively.
JP 2002-537627 A Japanese Patent No. 3919205 JP 2003-197877 A JP 2008-181978 A International Publication No. 2005/041303 Pamphlet JP 2006-203178 A JP 2007-180473 A JP 2007-180174 A JP 2006-210639 A TW Hickmott, J. Appl. Phys., Vol.88 pp.2805, 2000. IG Baek et al., Tech. Dig.- Int. Electron Devices Meet. 2004, 587. Z. Wei et al., Tech. Dig.- Int. Electron Devices Meet. 2008, 293. A. Odagawa et al., Appl. Phys. Lett., Vol.91, 133503, 2007.

高集積の半導体メモリを実現するためには、貫通ホールの側面にメモリ機能部を設ける構造が有望であり、抵抗変化層を一回の堆積プロセスにて形成できるので、プロセスバラツキを最小限に留めることができる。また酸化還元反応によって生じるメモリビットのバラツキ低減をさせる上で、局所的に過重な電子が流れすぎることを制限する電流狭窄路を抵抗変化層と電極との界面に均一に設けることが有効である。   In order to realize a highly integrated semiconductor memory, a structure in which a memory function part is provided on the side surface of the through hole is promising, and the resistance change layer can be formed by a single deposition process, thereby minimizing process variations. be able to. In order to reduce the variation in the memory bit caused by the oxidation-reduction reaction, it is effective to uniformly provide a current constriction path at the interface between the resistance change layer and the electrode to restrict excessively excessive electrons from flowing locally. .

しかしながら、特許文献5−7では電流狭窄の構造は開示しているが、いずれも高精度なプロセス技術が要求されるばかりでなく、貫通ホールの側壁といった立体構造部分に造作するのに全く困難である。また特許文献8−9でも、微粒子を用いた構造を開示しているが、やはり貫通ホールの側壁といった立体構造部分に配置し構造を形成するのに全く困難である。本発明は、前記従来の課題を解決するもので、単純且つ容易な工程を用いて超高集積のメモリを実現する製造方法を提供することを目的とする。   However, Patent Documents 5-7 disclose current confinement structures, but not only a high-precision process technique is required, but it is quite difficult to produce a three-dimensional structure such as a side wall of a through hole. is there. Also, Patent Documents 8 to 9 disclose a structure using fine particles, but it is quite difficult to form a structure by arranging it on a three-dimensional structure such as a side wall of a through hole. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a manufacturing method for realizing an ultra-highly integrated memory using simple and easy processes.

上記課題を解決するために、本発明の半導体メモリの製造方法は、少なくとも2体以上の第1電極部を構成するための導電層と絶縁層からなる多層構造を形成し、多層構造の一部に第1電極部を貫通するようにホール部を形成し、その側壁部に露出した第1電極部に対して、第1電極部とは異なる元素を主成分とする金属化合物を内包するフェリチンを用いて第1電極部上に配置し、その後にフェリチンのタンパク質を除去し、フェリチンに内包された金属化合物を金属ナノ粒子として第1電極部に対して電気的に接続するようにした第2電極部を設けて、その上に抵抗変化層を設けて、その上に第3電極部を設けて、第1電極部に接する第2電極部と第3電極部との間の抵抗変化層に駆動電圧あるいは電流を印加することにより、抵抗変化型の半導体メモリを形成する。ホール部にフェリチンを配置させる際には、ホール部が半導体メモリ形成雰囲気より負圧とすることで、ホール部にフェリチンを導入する工程を含むのが好ましい。また第1電極部と電気的に接続された帯状の配線電極を、さらに第3電極部と電気的に接続された帯状の配線電極をそれぞれ形成するのが好ましい。またホール部の底部を導電体として形成するのが好ましい。第1電極部は少なくともチタン(Ti)を含む導電材料を主成分とし、第2電極部は少なくとも白金(Pt)、あるいは、金(Au)を含む導電材料を主成分とし、絶縁層は少なくともシリコン(Si)を含む絶縁材料を主成分とするのが好ましい。   In order to solve the above problems, a method for manufacturing a semiconductor memory according to the present invention forms a multilayer structure including a conductive layer and an insulating layer for constituting at least two first electrode portions, and a part of the multilayer structure. A hole portion is formed so as to penetrate the first electrode portion, and ferritin containing a metal compound containing an element different from the first electrode portion as a main component with respect to the first electrode portion exposed on the side wall portion. A second electrode that is disposed on the first electrode part, and thereafter the ferritin protein is removed, and the metal compound encapsulated in ferritin is electrically connected to the first electrode part as metal nanoparticles. A variable resistance layer is provided thereon, a third electrode part is provided thereon, and the resistance change layer is driven between the second electrode part and the third electrode part in contact with the first electrode part. Resistance change by applying voltage or current To form a semiconductor memory. When arranging ferritin in the hole portion, it is preferable to include a step of introducing ferritin into the hole portion by setting the hole portion to a negative pressure from the semiconductor memory forming atmosphere. Further, it is preferable to form a strip-shaped wiring electrode electrically connected to the first electrode portion and further form a strip-shaped wiring electrode electrically connected to the third electrode portion. Further, it is preferable to form the bottom of the hole portion as a conductor. The first electrode portion is mainly composed of a conductive material containing at least titanium (Ti), the second electrode portion is mainly composed of a conductive material containing at least platinum (Pt) or gold (Au), and the insulating layer is at least silicon. It is preferable that the main component is an insulating material containing (Si).

本発明によれば、単純且つ容易に超高集積の半導体メモリを実現することができる。   According to the present invention, an ultra-highly integrated semiconductor memory can be realized simply and easily.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態および実施例の説明に限定されない。以下の説明では、特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In addition, this invention is not limited to description of the following embodiment and an Example. In the following description, specific numerical values and specific materials may be exemplified, but other numerical values and other materials may be applied as long as the effect of the present invention is obtained.

本発明に係わる半導体メモリの一部を、図1にて示す。図1は断面図(図3の上面図に示すb-b’の断面)を示している。導電体10、絶縁体20、および絶縁層11の上に、第1電極部12、第2電極部13、抵抗変化層14、第3電極部15で構成される抵抗変化型のメモリビット部1が立体的に構成され、上部に導電体16が配置されて構成されている。導電体10あるいは導電体16をビット線32と接続して構成し、第1電極部12をワード線33と接続して構成し、抵抗変化層14に所望の電圧あるいは電流を印加することにより、メモリビット部1の抵抗変化を実現でき、本発明の製造方法にて半導体メモリ100を実現することができる。図2A〜図2Hは、図1に示した半導体メモリ100の製造方法の一例を示している。図2A〜図2Hは断面図を示している。   A part of the semiconductor memory according to the present invention is shown in FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional view (b-b 'cross section shown in the top view of FIG. 3). On the conductor 10, the insulator 20, and the insulating layer 11, a resistance change type memory bit part 1 including a first electrode part 12, a second electrode part 13, a resistance change layer 14, and a third electrode part 15 is provided. Is three-dimensionally configured with the conductor 16 disposed on the top. The conductor 10 or the conductor 16 is configured to be connected to the bit line 32, the first electrode portion 12 is configured to be connected to the word line 33, and by applying a desired voltage or current to the resistance change layer 14, The resistance change of the memory bit unit 1 can be realized, and the semiconductor memory 100 can be realized by the manufacturing method of the present invention. 2A to 2H show an example of a method for manufacturing the semiconductor memory 100 shown in FIG. 2A to 2H show cross-sectional views.

図2Aは絶縁体20の一部に導電体10が形成されている。導電体10は帯状の配線であるのが好ましいが、プラグ形状にて他の帯状の配線に電気的に接続されていても構わない。絶縁体20は、絶縁体であれば良い。例えばTEOS(Tetra ethyl ortho silicate)を原料とするSiO膜や、熱酸化Si(SiO)、SiOCやその他の低誘電率の有機系材料などを用いても良い。導電体10は、基本的には抵抗率が100mΩcm以下での導電性を有していればよい。例えば、銅(Cu)やアルミニウム(Al)、白金(Pt)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、窒化タンタル(Ta−N)、窒化チタン(Ti−N)、窒化アルミチタン(Ti−Al−N)などによって形成できる。図2Aに示す例では、絶縁体20の一部に導電体10を埋め込んだ形状にて形成しており、導電体10にCuを用いる場合には、Cuダマシンプロセスなどの技術を用いて形成する。導電体10の表面にはCuが露出している必要はなく、例えばTa−Nなどの導電性の被覆がなされていても良い。またダマシンプロセス適用には、性質の異なる低誘電絶縁積層膜に配線と接続ビアを同時に導通形成するハイブリッドデュアルダマシンや、単層の低誘電絶縁膜に配線と接続ビアを同時に導通形成するデュアルダマシン、配線と接続ビアそれぞれにダマシンを行うシングルダマシンなど、いずれの方法を用いても構わない。またこの際の絶縁膜形成、溝加工、メタル埋め込み等の各要素技術には、ダマシンプロセスに標準的な技術を用いることが出来る。また本発明に係わる半導体メモリを配置する基体(図示していない)には、たとえば半導体基板(たとえばシリコン基板)を用いることができる。半導体基板を用いる場合、本発明に係わる半導体メモリと、その他の半導体素子や回路を、同一基板上に容易に形成できる。なお、図2Aに示す構造は、半導体基板上に形成しても良く、更にはトランジスタやコンタクトプラグなどが予め形成された基板も含まれる。 In FIG. 2A, the conductor 10 is formed on a part of the insulator 20. The conductor 10 is preferably a strip-shaped wiring, but may be electrically connected to another strip-shaped wiring in a plug shape. The insulator 20 may be an insulator. For example, a SiO 2 film using TEOS (Tetra ethyl orthosilicate) as a raw material, thermally oxidized Si (SiO 2 ), SiOC, or other organic material having a low dielectric constant may be used. The conductor 10 basically has only to have conductivity with a resistivity of 100 mΩcm or less. For example, copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), tantalum (Ta), tungsten (W), tantalum nitride (Ta-N), titanium nitride (Ti-N), aluminum titanium nitride (Ti-Al) -N) or the like. In the example shown in FIG. 2A, the conductor 10 is formed in a shape embedded in a part of the insulator 20, and when Cu is used for the conductor 10, it is formed using a technique such as a Cu damascene process. . It is not necessary for Cu to be exposed on the surface of the conductor 10, and for example, a conductive coating such as Ta-N may be provided. For damascene process applications, hybrid dual damascenes that simultaneously form wiring and connection vias in low dielectric insulating laminated films with different properties, dual damascenes that simultaneously form wiring and connection vias in a single layer of low dielectric insulation film, Any method such as single damascene for performing damascene on each of wiring and connection vias may be used. In addition, a standard technique for the damascene process can be used for each elemental technique such as insulating film formation, groove processing, and metal filling. For example, a semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) can be used as a base (not shown) on which the semiconductor memory according to the present invention is disposed. In the case of using a semiconductor substrate, the semiconductor memory according to the present invention and other semiconductor elements and circuits can be easily formed on the same substrate. Note that the structure shown in FIG. 2A may be formed over a semiconductor substrate, and further includes a substrate on which a transistor, a contact plug, and the like are formed in advance.

次に図2Bに示すように、図2Aの構造の上に、絶縁層11と第1電極部12を積層した多層膜を形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, a multilayer film in which the insulating layer 11 and the first electrode portion 12 are stacked is formed on the structure of FIG. 2A.

次に図2Cに示すように、導電体10が露出するまでの深さを有するホール部21を形成する。形成したホール部には、絶縁層11および第1電極部12の一部が露出している。また図には示していないが、図2Bに示す多層膜を予め配線形状に加工したのちに図2Cに示すホール部21形成を行っても良い。また導電体10が帯状の配線の場合、その伸長方向と並走しない方向に多層膜の配線を形成することで、導電体10と多層膜との交差点中心近傍にホール部21を設けるのが好ましい。この際の加工には標準的なリソグラフィーおよびエッチング手法を用いることができる。この際の絶縁層11には少なくともシリコン(Si)を含む絶縁材料を主成分とするのが好ましい。また第1電極部12には、少なくともチタン(Ti)を含む導電材料を主成分とするのが好ましい。   Next, as shown in FIG. 2C, a hole portion 21 having a depth until the conductor 10 is exposed is formed. A part of the insulating layer 11 and the first electrode part 12 is exposed in the formed hole part. Although not shown in the figure, the hole portion 21 shown in FIG. 2C may be formed after the multilayer film shown in FIG. 2B is processed into a wiring shape in advance. In the case where the conductor 10 is a strip-like wiring, it is preferable to provide the hole portion 21 near the intersection center between the conductor 10 and the multilayer film by forming a multilayer film wiring in a direction not parallel to the extending direction. . Standard lithography and etching techniques can be used for processing at this time. The insulating layer 11 at this time preferably contains an insulating material containing at least silicon (Si) as a main component. Moreover, it is preferable that the 1st electrode part 12 has as a main component a conductive material containing at least titanium (Ti).

次に図2Dに示すように、ホール部21に露出した第1電極部12の表面に、第1電極部とは異なる元素を主成分とする金属化合物を内包するフェリチンを配置し、その後にフェリチンのタンパク質を、例えばUV光/オゾン処理を施して除去し、フェリチンに内包された金属化合物を金属ナノ粒子として第1電極部に対して電気的に接続するようにした第2電極部を設ける。内包金属として金属硫化物を出発原料とする場合には、UV光/オゾン処理によるタンパク質除去と同時に金属硫化物から硫黄が除去され、金属ナノ粒子を得ることが出来る。また場合によっては例えばUV光/オゾン処理を施した後に、第1電極部ならびに第2電極部の導電性向上のために、水素(H)を少なくとも含むガス雰囲気中で還元熱処理(典型的には100〜600℃)を施すこともありうる。 Next, as shown in FIG. 2D, ferritin containing a metal compound containing as a main component an element different from the first electrode portion is disposed on the surface of the first electrode portion 12 exposed in the hole portion 21, and then ferritin is disposed. The protein is removed by, for example, UV light / ozone treatment, and a second electrode part is provided in which the metal compound encapsulated in ferritin is electrically connected to the first electrode part as metal nanoparticles. When metal sulfide is used as the encapsulated metal as a starting material, sulfur is removed from the metal sulfide simultaneously with protein removal by UV light / ozone treatment, and metal nanoparticles can be obtained. In some cases, for example, after performing UV light / ozone treatment, a reduction heat treatment (typically, in a gas atmosphere containing at least hydrogen (H 2 ) in order to improve the conductivity of the first electrode portion and the second electrode portion. 100-600 ° C.).

フェリチンをホール部21へ導入する際、予め半導体メモリとなるチップを大気圧に比べて負圧の雰囲気に置き、フェリチンを含む溶液をホール部上部に配した後に、大気圧下に置くように処理することにより、ホール深部への導入を行うことが出来る。また大気圧下の雰囲気にて、フェリチンを含む溶液をホール部上部に配した後に、加圧雰囲気下に置くように処理することによっても良く、ホール部がホール外部の雰囲気より負圧下の雰囲気中に置くことで、ホール部へのフェリチン導入が実現可能である。第2電極部となる金属ナノ粒子は少なくとも白金(Pt)、あるいは、金(Au)を含む導電材料を主成分とするのが好ましい。フェリチンに内包された金属化合物の形成については、後述する。またフェリチンをホール部21に導入する際に予めホール内部に表面処理を施すことにより、絶縁層11表面に比して第1電極部12表面に選択的な配置を向上させる上で好ましく、詳細な処理については後述する。   When introducing ferritin into the hole portion 21, the chip serving as a semiconductor memory is previously placed in an atmosphere of a negative pressure compared to the atmospheric pressure, and a solution containing ferritin is disposed on the upper portion of the hole portion and then placed under the atmospheric pressure. By doing so, it is possible to introduce into the deep part of the hole. Also, after placing a solution containing ferritin in the atmosphere under atmospheric pressure at the top of the hole part, it may be treated in a pressurized atmosphere. In the atmosphere where the hole part is under negative pressure than the atmosphere outside the hole. It is possible to introduce ferritin into the hall. The metal nanoparticles serving as the second electrode part preferably have a conductive material containing at least platinum (Pt) or gold (Au) as a main component. The formation of the metal compound encapsulated in ferritin will be described later. Further, when introducing ferritin into the hole portion 21, it is preferable to improve the selective arrangement on the surface of the first electrode portion 12 as compared with the surface of the insulating layer 11 by applying a surface treatment to the inside of the hole in advance. The process will be described later.

次に図2Eに示すように、ホール部21の側壁に接するように抵抗変化層14を形成する。抵抗変化層14には、金属酸化物を主成分として構成するのが好ましく、鉄酸化物(FeO)、チタン酸化物(TiO)、タングステン酸化物(WO)、タンタル酸化物(TaO)、ハフニウム酸化物(HfO)を主成分として構成するのが好ましい。これら主成分を構成する金属酸化物MO(Mは金属元素で、Fe、Ti、W、Ta、Hfなどから選ばれる)は金属母材を酸化して形成するのが好ましく、その際の金属母材として、酸化物(M−O)、窒化物(M−N)、金属(M)あるいはこれらの混合体を主成分として含むのが良い。例えばFeOの母材としてFeOx0(x=4/3)を用いて、その後の酸化によって得られるFeO(3/2≧x>4/3)は抵抗変化層14として好ましい。また例えば、TiOの母材としてTiNを用いて、その後の酸化によって得られるTiO(0.5≦x<2、0<y<1)も抵抗変化層12として好ましい。また例えば、TaOの母材としてTaNを用いて、その後の酸化によって得られるTaO(1≦x<2.5、0<y<1)も抵抗変化層12として好ましい。またTaOを直接側壁部に形成する際、ホール部21のアスペクト比(α=高さ/開口径)が小さい場合(例えばαが5以下)には、マグネトロンスパッタ法などのような成膜手法などを用いることができ、ホール部21のアスペクト比が大きい場合(例えばαが1以上)には、CVD(化学気相堆積)法などのような成膜手法を用いるのが好ましい。例えばTaOの場合には、CVD法によりα≧1000の条件下での堆積が可能である。 Next, as illustrated in FIG. 2E, the resistance change layer 14 is formed so as to be in contact with the side wall of the hole portion 21. The resistance change layer 14 is preferably composed of a metal oxide as a main component. Iron oxide (FeO x ), titanium oxide (TiO x ), tungsten oxide (WO x ), tantalum oxide (TaO x). ) And hafnium oxide (HfO x ) as a main component. The metal oxide MO x constituting the main component (M is a metal element and is selected from Fe, Ti, W, Ta, Hf, etc.) is preferably formed by oxidizing a metal base material. As a base material, an oxide (MO), a nitride (MN), a metal (M), or a mixture thereof may be contained as a main component. For example FeO x0 as a base material of FeO x with (x 0 = 4/3) , preferred as FeO x (3/2 ≧ x > 4/3) the resistance change layer 14 obtained by subsequent oxidation. Further, for example, by using the TiN as a base material of TiO x, preferred TiO x N y (0.5 ≦ x <2,0 <y <1) the resistance change layer 12 obtained by subsequent oxidation. Further, for example, using TaN as the base material of the TaO x, preferably as TaO x N y (1 ≦ x <2.5,0 <y <1) the resistance change layer 12 obtained by subsequent oxidation. Further, when TaO x is directly formed on the side wall portion, if the aspect ratio (α = height / opening diameter) of the hole portion 21 is small (for example, α is 5 or less), a film forming method such as a magnetron sputtering method is used. When the aspect ratio of the hole portion 21 is large (for example, α is 1 or more), it is preferable to use a film forming method such as a CVD (chemical vapor deposition) method. For example, in the case of TaO x , deposition under the condition of α ≧ 1000 is possible by the CVD method.

次に図2Fに示すように、不要な抵抗変化層付着部分をエッチング手法により除去する。またこの際には指向性の良いドライエッチング手法を用いるのが良い。更にはこの際に予めCMP手法などを用いて表面平坦化を行い、その後にイオンエッチング手法を用いるような2段階の処理も、チップ全体の凹凸となるグローバル段差を緩和することに効果的な上で好ましい。   Next, as shown in FIG. 2F, unnecessary resistance change layer adhering portions are removed by an etching technique. In this case, it is preferable to use a dry etching method with good directivity. Furthermore, a two-step process such as pre-planarizing the surface using a CMP method and then using an ion etching method at this time is effective in reducing the global step that is the unevenness of the entire chip. Is preferable.

次に図2Gに示すように、抵抗変化層14に接するようにして第3電極部15をホール部内部に充填するようにして形成する。   Next, as shown in FIG. 2G, the third electrode portion 15 is formed so as to fill the inside of the hole portion so as to be in contact with the resistance change layer 14.

最後に図2Hに示すように、第3電極部15から接続される帯状の配線として導電体16を形成する。この際、導電体10からなる帯状の配線の伸長方向と並走するように形成するのが好ましい。第3電極部15ならびに導電体16は、基本的には抵抗率が100mΩcm以下での導電性を有していればよい。例えば、銅(Cu)やアルミニウム(Al)、白金(Pt)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、窒化タンタル(Ta−N)、窒化チタン(Ti−N)、窒化アルミチタン(Ti−Al−N)などによって形成でき、またこれらを皮膜状(例えば10nm以下程度)に形成した後、タングステン(W)などで充填しても良い。   Finally, as shown in FIG. 2H, the conductor 16 is formed as a strip-like wiring connected from the third electrode portion 15. At this time, it is preferable to form it so as to run in parallel with the extending direction of the strip-like wiring made of the conductor 10. The third electrode portion 15 and the conductor 16 may basically have conductivity with a resistivity of 100 mΩcm or less. For example, copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt), tantalum (Ta), tungsten (W), tantalum nitride (Ta-N), titanium nitride (Ti-N), aluminum titanium nitride (Ti-Al) -N), etc., and these may be formed into a film (for example, about 10 nm or less) and then filled with tungsten (W) or the like.

図1ならびに図2A〜図2Hに示した、導電体10を下部に配置することで、導電体10の層以下に予め形成したトランジスタや配線などと接続し易く、導電体16から接続されるビアプラグ接続だけでは冗長となる配線を簡便にする利点がある。   1 and 2A to 2H, the via plug is connected from the conductor 16 because the conductor 10 is arranged in the lower portion so that it can be easily connected to a transistor or a wiring formed in advance below the conductor 10 layer. The connection alone has the advantage of simplifying the redundant wiring.

図2A〜図2Hに示す各工程は、公知の技術、たとえば、半導体素子の製造プロセスや、薄膜形成プロセスや、微細加工プロセスで用いられている技術を適用することによって実施できる。各層の形成には、たとえば、原子層堆積法(ALD)、パルスレーザデポジション(PLD)、イオンビームデポジション(IBD)、クラスターイオンビーム、およびRF、DC、電子サイクロトン共鳴(ECR)、ヘリコン、誘導結合プラズマ(ICP)、対向ターゲットなどの各種スパッタリング法、分子線エピタキシャル法(MBE)、イオンプレーティング法などを適用することができる。これらPVD(Physical Vapor Deposition)法の他に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法、メッキ法、MOD(Metalorganic Decomposition)法、あるいは、ゾルゲル法などを用いてもよい。特にCVD法を用いることにより、抵抗変化層12を立体構造の側壁部に均一に形成でき易い上で好ましい。   Each of the steps shown in FIGS. 2A to 2H can be performed by applying a known technique, for example, a technique used in a semiconductor element manufacturing process, a thin film forming process, or a microfabrication process. The formation of each layer includes, for example, atomic layer deposition (ALD), pulse laser deposition (PLD), ion beam deposition (IBD), cluster ion beam, and RF, DC, electron cycloton resonance (ECR), helicon. Various sputtering methods such as inductively coupled plasma (ICP) and a counter target, molecular beam epitaxial method (MBE), ion plating method, and the like can be applied. In addition to the PVD (Physical Vapor Deposition) method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) method, a plating method, a MOD (Metalorganic Decomposition) method, or a sol-gel method may be used. In particular, the CVD method is preferable because the variable resistance layer 12 can be easily formed on the side wall portion of the three-dimensional structure.

各層の微細加工には、たとえば、半導体素子の製造プロセスや、磁性デバイス(GMRやTMRなどの磁気抵抗素子など)の製造プロセスに用いられる方法を適用できる。たとえば、イオンミリング、RIE(Reactive Ion Etching)、FIB(Focused Ion Beam)などの物理的あるいは化学的エッチング法を用いてもよい。また、微細パターン形成のためのステッパー、EB(Electron Beam)法などを用いたリソグラフィー技術を組み合わせて用いてもよい。層間絶縁層や、コンタクトホールに堆積させた導電体の表面の平坦化は、たとえば、CMPやクラスターイオンビームエッチングなどで行うことができる。また、電極や抵抗変化層の製造時における酸化処理は、たとえば、酸素の、原子、分子、イオンまたはラジカルなどを含む適当な雰囲気中で行われる。酸化処理は、雰囲気、温度、時間、反応性を変化させてもよい。なお、プラズマやラジカルを発生させる手段としては、たとえば、ECR放電、グロ−放電、RF放電、ヘリコンあるいはICP等の公知の手段を適用できる。窒素を用いた窒化についても、同様の手法によって実施できる。   For microfabrication of each layer, for example, a method used in a semiconductor element manufacturing process or a magnetic device (such as a magnetoresistive element such as GMR or TMR) can be applied. For example, physical or chemical etching methods such as ion milling, RIE (Reactive Ion Etching), and FIB (Focused Ion Beam) may be used. Further, a stepper for forming a fine pattern, a lithography technique using an EB (Electron Beam) method, or the like may be used in combination. The planarization of the interlayer insulating layer and the surface of the conductor deposited in the contact hole can be performed by, for example, CMP or cluster ion beam etching. In addition, the oxidation treatment at the time of manufacturing the electrode and the resistance change layer is performed in an appropriate atmosphere containing, for example, oxygen atoms, molecules, ions or radicals. The oxidation treatment may change the atmosphere, temperature, time, and reactivity. As means for generating plasma and radicals, for example, known means such as ECR discharge, glow discharge, RF discharge, helicon or ICP can be applied. Nitriding using nitrogen can be performed by the same method.

図3は図2A〜図2Hで示した製造方法で形成できる、図1の半導体メモリの上面図を、図4は同じく図1の紙面と垂直方向での断面図(図3の上面図に示すc-c’の断面)の一例を示している。   3 is a top view of the semiconductor memory of FIG. 1 that can be formed by the manufacturing method shown in FIGS. 2A to 2H, and FIG. 4 is a cross-sectional view in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 (shown in the top view of FIG. 3). An example of the cross section of c-c 'is shown.

図5は、本発明に係わる半導体メモリの別な一例を示している。その製造方法としては、図2A〜図2Fまでに示すのと同じ工程を経て後、抵抗変化層14に接するようにして第3電極部15をホール部内部の側壁に形成し、導電体16からなる配線形状に加工を施し、絶縁体17をその上に堆積して実現する。この際、第3電極部15をホール部内部の側壁に形成した後に、直ちに絶縁体17を堆積して、導電体16の配線として所望の形状となるように加工を施すようにしても良い。   FIG. 5 shows another example of the semiconductor memory according to the present invention. 2A to 2F, the third electrode part 15 is formed on the side wall inside the hole part so as to be in contact with the resistance change layer 14, and the conductor 16 This is realized by processing the wiring shape to be formed and depositing the insulator 17 thereon. At this time, after the third electrode portion 15 is formed on the side wall inside the hole portion, the insulator 17 may be immediately deposited and processed so as to have a desired shape as the wiring of the conductor 16.

図6は、図1の半導体メモリに示すメモリビット部1の一例を示している。第1電極部12と第2電極部13との間に半導体25を設けることにより、非線形伝導部を形成することができる。第1電極部12/半導体25/第2電極部13/抵抗変化層14/第3電極部15の伝導パスを経ることで、図7に示すような(ダイオード動作+メモリビット動作)を確保することができ、メモリビット同士の選択性を向上する上で好ましい。半導体25は、チタン(Ti)の酸化物を主成分とするのが好ましい。製造方法としては、図2A〜図2Cまでに示すのと同じ工程を経て後、ホール部21に露出した第1電極部12表面に対して酸化処理を施すことで得ることができる。さらに図2Dにてフェリチンをホール部内部に導入してタンパクを除去する際に用いる酸化処理(オゾン処理含む)ならびにUV光処理によっても得ることができる。   FIG. 6 shows an example of the memory bit unit 1 shown in the semiconductor memory of FIG. By providing the semiconductor 25 between the first electrode part 12 and the second electrode part 13, a nonlinear conduction part can be formed. 7 (diode operation + memory bit operation) as shown in FIG. 7 is ensured through the conduction path of the first electrode unit 12 / semiconductor 25 / second electrode unit 13 / resistance change layer 14 / third electrode unit 15. This is preferable in improving the selectivity between memory bits. The semiconductor 25 is preferably mainly composed of an oxide of titanium (Ti). As a manufacturing method, it can obtain by performing the oxidation process with respect to the 1st electrode part 12 surface exposed to the hole part 21, after passing through the same process as shown to FIG. 2A-FIG. 2C. Further, it can be obtained by oxidation treatment (including ozone treatment) and UV light treatment used when removing the protein by introducing ferritin into the hole portion in FIG. 2D.

図8は、図1に示すような半導体メモリおよび図6ならびに図7に示すメモリビットが多数集積された半導体メモリの一例を示している。導電体10はワード線32として機能するように配置し、第1電極部12はビット線33として機能するように配置して構成できる。例えばワード線32側に対して、ビット線33側から所望の大きさを持つ正負の電圧あるいは電流を印加することにより、抵抗変化が不揮発に発現する本発明に係わる半導体メモリを実現することができる。また各メモリビットにはダイオード動作の非線形伝導部が形成されることにより、一つのビット線と一つのワード線を選択し、書き込み/読み出しすることができ、ランダムアクセス性を有する半導体メモリを実現することができる。   FIG. 8 shows an example of a semiconductor memory as shown in FIG. 1 and a semiconductor memory in which a large number of memory bits shown in FIGS. 6 and 7 are integrated. The conductor 10 can be arranged to function as the word line 32, and the first electrode unit 12 can be arranged to function as the bit line 33. For example, by applying a positive or negative voltage or current having a desired magnitude from the bit line 33 side to the word line 32 side, the semiconductor memory according to the present invention in which the resistance change appears in a nonvolatile manner can be realized. . In addition, each memory bit is formed with a diode-operated non-linear conducting portion, so that one bit line and one word line can be selected and written / read, thereby realizing a semiconductor memory having random accessibility. be able to.

本発明に係わる半導体メモリのメモリ情報は、抵抗変化特性に表される。なお、抵抗変化比とは、メモリビットの指標となる数値であり、具体的には、メモリビットが示す高抵抗状態での抵抗値をRHigh、低抵抗状態での抵抗値をRLowとしたときに、以下の式で求められる値である。 Memory information of the semiconductor memory according to the present invention is represented by resistance change characteristics. The resistance change ratio is a numerical value serving as an index of the memory bit. Specifically, the resistance value in the high resistance state indicated by the memory bit is R High and the resistance value in the low resistance state is R Low . Sometimes it is the value obtained by the following equation.

[抵抗変化比]=(RHigh−RLow)/RLow
特定の電気抵抗値を示す特定の状態は、メモリビット部に再び書き込みに必要な所定の電圧または電流が印加されるまで保持される。印加する電圧または電流は、パルス状であることが好ましい。パルスの形状は、特に限定されず、たとえば、正弦波状、矩形波状および三角波状から選ばれる少なくとも1つの形状であってもよい。パルスの幅は、通常、数ナノ秒〜数ミリ秒の範囲であればよい。
[Resistance change ratio] = (R High −R Low ) / R Low
A specific state indicating a specific electric resistance value is maintained until a predetermined voltage or current necessary for writing is applied to the memory bit portion again. The applied voltage or current is preferably pulsed. The shape of the pulse is not particularly limited, and may be, for example, at least one shape selected from a sine wave shape, a rectangular wave shape, and a triangular wave shape. The width of the pulse may usually be in the range of several nanoseconds to several milliseconds.

以下、電圧印加によって素子の状態を変化させる方法について説明する。例えばビット線33の電位に対してワード線32の電位が正となるような2種類のバイアス電圧(正バイアス電圧)を両電極間に印加することによって、低抵抗状態から高抵抗状態へとあるいは高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させることができる。例えば電圧V1のResetパルスを印加することによって低抵抗状態から高抵抗状態へ変化し、電圧V2(>V1)のSetパルスを印加することによって低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させることができる。このような動作をユニポーラ動作と呼び、同極性の2種類のパルス印加によりSet/Resetの書き込みを行う。また極性を反転させた動作においても負バイアス印加による同様の手順で行うことができる。メモリビット部の特性に応じて正バイアス印加あるいは負バイアス印加での駆動を選択すれば良い。また例えば正負バイアス電圧印加により、低抵抗状態から高抵抗状態へ、あるいは高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させることができる。このような動作をバイポーラ動作と呼び、極性の異なる2種類のパルス印加によりSet/Resetの書き込みを行う。例えば負電圧V1のResetパルスを印加することによって低抵抗状態から高抵抗状態へ変化し、正電圧V2のSetパルスを印加することによって低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させることができる。この場合、V1およびV2の極性が反転しての動作もあり得る。   Hereinafter, a method for changing the state of the element by applying a voltage will be described. For example, by applying two kinds of bias voltages (positive bias voltage) between the electrodes so that the potential of the word line 32 becomes positive with respect to the potential of the bit line 33, the low resistance state is changed to the high resistance state or It can be changed from a high resistance state to a low resistance state. For example, it is possible to change from a low resistance state to a high resistance state by applying a Reset pulse of voltage V1, and to change from a low resistance state to a high resistance state by applying a Set pulse of voltage V2 (> V1). Such an operation is called a unipolar operation, and Set / Reset is written by applying two types of pulses having the same polarity. Also, the operation with the polarity reversed can be performed in the same procedure by applying a negative bias. The drive with positive bias application or negative bias application may be selected according to the characteristics of the memory bit part. Further, for example, by applying a positive / negative bias voltage, the low resistance state can be changed to the high resistance state, or the high resistance state can be changed to the low resistance state. Such an operation is called a bipolar operation, and Set / Reset writing is performed by applying two types of pulses having different polarities. For example, it is possible to change from a low resistance state to a high resistance state by applying a reset pulse of a negative voltage V1, and to change from a low resistance state to a high resistance state by applying a set pulse of a positive voltage V2. In this case, there may be an operation in which the polarities of V1 and V2 are reversed.

メモリビットの読み出しには、その抵抗値(または出力電流値)と特定の参照ビットの抵抗値(または参照出力電流値)との差分に基づいて算出することが好ましい。参照ビットの参照抵抗値は、メモリビットとは別に準備し、参照ビットに対してもメモリビットと同様にリード電圧を印加することによって得られる。このような方法で測定するための回路の構成の一例を、図9に示す。   It is preferable to read the memory bit based on the difference between the resistance value (or output current value) and the resistance value (or reference output current value) of a specific reference bit. The reference resistance value of the reference bit is prepared separately from the memory bit, and is obtained by applying a read voltage to the reference bit in the same manner as the memory bit. An example of a circuit configuration for measuring by such a method is shown in FIG.

図9に示す方法では、メモリビット300からの出力91を負帰還増幅回路92aによって増幅した出力93と、参照ビット94からの出力95を負帰還増幅回路92bによって増幅した出力96とを、差動増幅回路97に入力する。そして、差動増幅回路97から得られた出力信号98を用いて、メモリビットの抵抗が求められる。   In the method shown in FIG. 9, an output 93 obtained by amplifying the output 91 from the memory bit 300 by the negative feedback amplifying circuit 92a and an output 96 obtained by amplifying the output 95 from the reference bit 94 by the negative feedback amplifying circuit 92b are differentiated. Input to the amplifier circuit 97. Then, the resistance of the memory bit is obtained using the output signal 98 obtained from the differential amplifier circuit 97.

図10に単一のメモリビットの動作の一例を示す。メモリビットが、初期には低抵抗状態にあるとする。第1電極部12の電位に対して導電体10の電位が正となるようなパルス状の正バイアス電圧Vを印加すると、メモリビット部1の状態は低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する(リセット動作)。ここで、大きさがV未満の正バイアス電圧をメモリビット部1に印加することによって、その電流出力からその電気抵抗値が求められる。これらの電圧をリード電圧(Read電圧:VRE)とする。VREの極性は正でも負でも構わない。リード電圧は、図10に示すようにパルス状であるのが良い。パルス状のリード電圧を用いることによって、メモリビットの動作における消費電力の低減やスイッチング効率の向上を図ることができる(以下で説明するリード電圧に関しても同様である)。リード電圧を印加してもメモリビット部1の状態が変化することはないため、複数回リード電圧を印加しても、同一の電気抵抗値が検出される(以下で説明するリード電圧に関しても同様である)。 FIG. 10 shows an example of the operation of a single memory bit. Assume that the memory bit is initially in a low resistance state. When a pulsed positive bias voltage V 1 is applied so that the potential of the conductor 10 becomes positive with respect to the potential of the first electrode portion 12, the state of the memory bit portion 1 changes from the low resistance state to the high resistance state. (Reset operation) Here, by applying a positive bias voltage having a magnitude of less than V 1 to the memory bit unit 1, the electric resistance value is obtained from the current output. These voltages are referred to as a read voltage (Read voltage: V RE ). The polarity of the V RE is not may be positive or negative. The read voltage is preferably pulsed as shown in FIG. By using the pulsed read voltage, it is possible to reduce the power consumption and improve the switching efficiency in the operation of the memory bit (the same applies to the read voltage described below). Even if the read voltage is applied, the state of the memory bit unit 1 does not change, so even if the read voltage is applied a plurality of times, the same electric resistance value is detected (the same applies to the read voltage described below). Is).

次に、パルス状の負バイアス電圧であるセット電圧Vを印加すると、高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する(セット動作)。ここで、メモリビット部1にリード電圧VREを印加することによって、その電流出力から電気抵抗値が求められる。 Then, upon application of a set voltage V 2 is a pulsed negative bias voltage is changed from the high resistance state to the low resistance state (set operation). Here, by applying the read voltage V RE to the memory bit unit 1, the electric resistance value is obtained from the current output.

このように、パルス状の電圧の印加によって、メモリビット部1への情報の記録および読み出しを行うことができる。読み出しの際の、メモリビット部1の出力電流の大きさは、その状態に対応して異なる。ここで、相対的に出力電流の小さい状態(図10におけるOUTPUT1)を「1」、相対的に出力電流の大きい状態(図10におけるOUTPUT2)を「0」とすれば、リセット電圧によって情報「1」が記録され、セット電圧によって情報「0」が記録される(情報「1」を消去する)。   In this manner, information can be recorded and read from the memory bit unit 1 by applying a pulsed voltage. The magnitude of the output current of the memory bit unit 1 at the time of reading varies depending on the state. Here, if the relatively small output current state (OUTPUT1 in FIG. 10) is “1” and the relatively large output current state (OUTPUT2 in FIG. 10) is “0”, the information “1” is set by the reset voltage. "Is recorded, and information" 0 "is recorded by the set voltage (information" 1 "is deleted).

リード電圧の大きさは、セット電圧およびリセット電圧の大きさに対して、通常、1/2〜1/1000程度の範囲にあることが好ましい。セット電圧およびリセット電圧の具体的な値は、メモリビット部1および半導体メモリの構成にもよるが、通常、0.1V〜20Vの範囲であり、0.5V〜10Vの範囲が好ましい。   The magnitude of the read voltage is usually preferably in the range of about 1/2 to 1/1000 of the set voltage and the reset voltage. Although the specific values of the set voltage and the reset voltage depend on the configuration of the memory bit unit 1 and the semiconductor memory, they are usually in the range of 0.1V to 20V, and preferably in the range of 0.5V to 10V.

図11は、本発明に係る不揮発性の半導体メモリの構成を示すブロック図である。図11に示すように、本発明に係わる半導体メモリ400は、半導体基板上に、メモリ本体部401を備えており、このメモリ本体部401は、メモリアレイ402と、行選択回路/ドライバ403と、列選択回路/ドライバ404と、情報の書き込みを行うための書き込み回路405と、選択ビット線に流れる電流量を検出し、データ「1」または「0」と判定するセンスアンプ406と、端子DQを介して入出力データの入出力処理を行うデータ入出力回路407とを具備している。また、半導体メモリ400は、外部から入力されるアドレス信号を受け取るアドレス入力回路408と、外部から入力されるコントロール信号に基づいて、メモリ本体部401の動作を制御する制御回路409とをさらに備えている。   FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a nonvolatile semiconductor memory according to the present invention. As shown in FIG. 11, a semiconductor memory 400 according to the present invention includes a memory main body 401 on a semiconductor substrate. The memory main body 401 includes a memory array 402, a row selection circuit / driver 403, A column selection circuit / driver 404, a write circuit 405 for writing information, a sense amplifier 406 that detects the amount of current flowing through the selected bit line and determines data “1” or “0”, and a terminal DQ And a data input / output circuit 407 for performing input / output processing of the input / output data. The semiconductor memory 400 further includes an address input circuit 408 that receives an address signal input from the outside, and a control circuit 409 that controls the operation of the memory body 401 based on a control signal input from the outside. Yes.

メモリアレイ402は、図11に示すように、半導体基板の上に互いに平行に形成された複数のワード線WL0,WL1,WL2,…と、これらの複数のワード線WL0,WL1,WL2,…の上方にその半導体基板の主面に平行な面内において互いに平行に、しかも複数のワード線WL0,WL1,WL2,…に立体交差するように形成された複数のビット線BL0,BL1,BL2,…とを備えている。   As shown in FIG. 11, the memory array 402 includes a plurality of word lines WL0, WL1, WL2,... Formed in parallel with each other on a semiconductor substrate, and a plurality of word lines WL0, WL1, WL2,. A plurality of bit lines BL0, BL1, BL2,... Formed above and parallel to each other in a plane parallel to the main surface of the semiconductor substrate and three-dimensionally intersecting the plurality of word lines WL0, WL1, WL2,. And.

また、これらの複数のワード線WL0,WL1,WL2,…と複数のビット線BL0,BL1,BL2,…との立体交差点に対応してマトリクス状に設けられた、本発明に係わる半導体メモリを構成する、複数のメモリビットM111,M112,M113,M121,M122,M123,M131,M132,M133,…(以下、「メモリセルM111,M112,…」と記載する)が配置されている。   Further, a semiconductor memory according to the present invention is provided which is provided in a matrix corresponding to the three-dimensional intersections between the plurality of word lines WL0, WL1, WL2,... And the plurality of bit lines BL0, BL1, BL2,. A plurality of memory bits M111, M112, M113, M121, M122, M123, M131, M132, M133,... (Hereinafter referred to as “memory cells M111, M112,...”) Are arranged.

アドレス入力回路408は、外部回路(図示せず)からアドレス信号を受け取り、このアドレス信号に基づいて行アドレス信号を行選択回路/ドライバ403へ出力するとともに、列アドレス信号を列選択回路/ドライバ404へ出力する。ここで、アドレス信号は、複数のメモリセルM111,M112,…のうちの選択される特定のメモリセルのアドレスを示す信号である。また、行アドレス信号は、アドレス信号に示されたアドレスのうちの行のアドレスを示す信号であり、列アドレス信号は、アドレス信号に示されたアドレスのうちの列のアドレスを示す信号である。   The address input circuit 408 receives an address signal from an external circuit (not shown), outputs a row address signal to the row selection circuit / driver 403 based on the address signal, and outputs a column address signal to the column selection circuit / driver 404. Output to. Here, the address signal is a signal indicating the address of a specific memory cell selected from among the plurality of memory cells M111, M112,. The row address signal is a signal indicating a row address among the addresses indicated by the address signal, and the column address signal is a signal indicating a column address among the addresses indicated by the address signal.

制御回路409は、情報の書き込みサイクルにおいては、データ入出力回路407に入力された入力データDinに応じて、書き込み用電圧の印加を指示する書き込み信号を書き込み回路405へ出力する。他方、情報の読み出しサイクルにおいて、制御回路409は、読み出し用電圧の印加を指示する読み出し信号を列選択回路/ドライバ404へ出力する。   In the information write cycle, the control circuit 409 outputs a write signal instructing application of a write voltage to the write circuit 405 in accordance with the input data Din input to the data input / output circuit 407. On the other hand, in the information read cycle, the control circuit 409 outputs a read signal instructing application of the read voltage to the column selection circuit / driver 404.

行選択回路/ドライバ403は、アドレス入力回路408から出力された行アドレス信号を受け取り、この行アドレス信号に応じて、複数のワード線WL0,WL1,WL2,…のうちの何れかを選択し、その選択されたワード線に対して、所定の電圧を印加する。   The row selection circuit / driver 403 receives the row address signal output from the address input circuit 408, and selects any of the plurality of word lines WL0, WL1, WL2,. A predetermined voltage is applied to the selected word line.

また、列選択回路/ドライバ404は、アドレス入力回路408から出力された列アドレス信号を受け取り、この列アドレス信号に応じて、複数のビット線BL0,BL1,BL2,…のうちの何れかを選択し、その選択されたビット線に対して、書き込み用電圧または読み出し用電圧を印加する。   Further, the column selection circuit / driver 404 receives the column address signal output from the address input circuit 408, and selects one of the plurality of bit lines BL0, BL1, BL2,... According to the column address signal. Then, a write voltage or a read voltage is applied to the selected bit line.

書き込み回路405は、制御回路409から出力された書き込み信号を受け取った場合、行選択回路/ドライバ403に対して選択されたワード線に対する電圧の印加を指示する信号を出力するとともに、列選択回路/ドライバ404に対して選択されたビット線に対して書き込み用電圧の印加を指示する信号を出力する。   When the write circuit 405 receives the write signal output from the control circuit 409, the write circuit 405 outputs a signal for instructing the row selection circuit / driver 403 to apply a voltage to the selected word line, and the column selection circuit / A signal for instructing the driver 404 to apply a write voltage to the selected bit line is output.

また、センスアンプ406は、情報の読み出しサイクルにおいて、読み出し対象となる選択ビット線に流れる電流量を検出し、データ「1」または「0」と判定する。その結果得られた出力データDOは、データ入出力回路407を介して、外部回路へ出力される。   Further, the sense amplifier 406 detects the amount of current flowing through the selected bit line to be read in the information read cycle, and determines the data to be “1” or “0”. The output data DO obtained as a result is output to an external circuit via the data input / output circuit 407.

本発明によれば、図11に示したメモリアレイ402の部分を、図8に示した3次元に積み重なったメモリアレイとして実現することができる。   According to the present invention, the memory array 402 shown in FIG. 11 can be realized as a three-dimensionally stacked memory array shown in FIG.

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(実施例1)
実施例1では、図2A〜図2Hに示す半導体メモリの製造方法を用いてサンプル1−1を作製し、その抵抗変化特性について評価した。
Example 1
In Example 1, Sample 1-1 was manufactured using the method for manufacturing a semiconductor memory shown in FIGS. 2A to 2H, and its resistance change characteristic was evaluated.

まず、表面にTEOS膜(SiO膜)が形成された絶縁体20を用意した。そして、絶縁体20上に、帯状の配線形状の導電体10を、銅(Cu)を主成分として用いて作製した。作製には、標準的な銅ダマシン配線形成手法を用い、配線の底部および側壁にはTa/TaNを配して形成した。さらに導電体10の銅配線部を形成の後、その上部にはTa/TaNを配して、導電体10とした。典型的な配線幅は1μmとした。次に絶縁層11としてTEOS膜を、第1電極部12として窒化チタン(TiN)を積層した、([絶縁層11/第1電極部12]2回/絶縁層11)からなる多層膜を形成した。TEOS膜の膜厚は500nm、TiN層の膜厚は50nmとした。TiN層は、Tiターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法によって堆積させた。スパッタリングは、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス(窒素ガス:アルゴンガスの体積比が約4:1)の雰囲気下(圧力:0.1Pa)において、基板温度を0〜400℃の範囲(主に350℃)とし、印加電力をDC4kWとして作製を行った。第1電極部12の上に形成する絶縁膜であるTEOS膜の膜厚は500nmとした。絶縁層11と第1電極部12を積層した多層膜部分を帯状の配線形状に、標準的なリソグラフィーおよびエッチング手法を用いて加工した。配線幅は5μmとした。次に帯状配線の導電体10と、帯状加工した第1電極部12を含む多層膜の交差部分に、導電体10が露出するまでの深さを有するホール部21を形成した。ホール部21の大きさは、0.4μmφとして形成した。この後にUV光/オゾン処理装置を用いて5分間、基板温度110℃でUV光を照射しつつ酸素およびオゾンガスを供給し、基板表面を酸化および親水化した。この工程において、ホール部21内部での露出している窒化チタン膜の表面が酸化され、その表面に酸窒化チタン層が形成された。 First, an insulator 20 having a TEOS film (SiO 2 film) formed on the surface was prepared. And the conductor 10 of the strip | belt-shaped wiring shape was produced on the insulator 20 using copper (Cu) as a main component. For the production, a standard copper damascene wiring formation method was used, and Ta / TaN was arranged on the bottom and side walls of the wiring. Furthermore, after forming the copper wiring part of the conductor 10, Ta / TaN was distribute | arranged to the upper part, and it was set as the conductor 10. FIG. A typical wiring width was 1 μm. Next, a TEOS film is formed as the insulating layer 11 and titanium nitride (TiN) is stacked as the first electrode portion 12 to form a multilayer film composed of ([insulating layer 11 / first electrode portion 12] twice / insulating layer 11). did. The film thickness of the TEOS film was 500 nm, and the film thickness of the TiN layer was 50 nm. The TiN layer was deposited by magnetron sputtering using a Ti target. Sputtering is performed in an atmosphere (pressure: 0.1 Pa) of a mixed gas of nitrogen gas and argon gas (nitrogen gas: argon gas volume ratio is approximately 4: 1) in a range of 0 to 400 ° C. (mainly To 350 ° C.), and the applied power was set to DC 4 kW. The thickness of the TEOS film that is an insulating film formed on the first electrode portion 12 was 500 nm. The multilayer film portion in which the insulating layer 11 and the first electrode portion 12 were laminated was processed into a strip-like wiring shape using standard lithography and etching techniques. The wiring width was 5 μm. Next, a hole portion 21 having a depth until the conductor 10 is exposed is formed at the intersection of the multilayer film including the strip-shaped conductor 10 and the strip-processed first electrode portion 12. The size of the hole 21 was set to 0.4 μmφ. Thereafter, oxygen and ozone gas were supplied while irradiating UV light at a substrate temperature of 110 ° C. for 5 minutes using a UV light / ozone treatment apparatus to oxidize and hydrophilize the substrate surface. In this step, the exposed surface of the titanium nitride film inside the hole portion 21 was oxidized, and a titanium oxynitride layer was formed on the surface.

次にアポフェリチン内部の空洞に、金硫化物コアを導入して形成した金属内包フェリチンの作成について述べる。金属内包フェリチンの形成は、まず、20mM塩化金酸カリウム(KAuCl4)溶液1mLに対して17mgのチオウレア(thiourea)を加えて混合し、数分後、Au(III) イオンの黄色溶液がAu(I)- チオウレア錯体の無色透明に変化したので、これを20mM 金チオウレア錯体溶液とした。次にリン酸緩衝液(pH8)に、精製したウマ由来アポフェリチン溶液と、上記の金チオウレア錯体溶液を混合した。ここで最終混合溶液のリン酸緩衝液濃度が50mM、チオウレア濃度が3mM、ウマ由来アポフェリチン濃度が0.5mg/mLとなるようにした。金硫化物のアポフェリチン内部への取り込み反応を完了させるため、混合溶液をそのまま一晩放置した。この操作により、アポフェリチンの保持部に金硫化物が導入され、金硫化物フェリチン(アポフェリチンと金硫化物微粒子の複合体)が生成された。次に、混合溶液を容器に入れ、遠心分離機を用いて毎分10,000回転、15―30分の条件で遠心分離し、沈殿を除去した。続いて、沈殿を除去した後の上澄み液をさらに毎分10,000回転、30分の条件で遠心分離した。このとき、溶解可能な金硫化物フェリチンは上澄み液中に分散し、凝集した金硫化物フェリチンは集合体となって沈殿する。これにより得られた金属硫化物を内包するフェリチン溶液の上澄み液の溶媒を限外ろ過膜[アミコンウルトラ-15(NMWL:50,000)]を用いて濃縮し、この濃縮されたフェリチン画分をさらに25℃下、50mmol/LのTris(2-Amino-2-(hydroxymethyl)-1,3-propanediol)緩衝液(pH8)で平衡化されたSephacryl S-300(ゲルろ過カラム)に流してカラムクロマトグラフィを行なうことにより精製した。これにより、ゲルろ過カラムによりフェリチン粒子の凝集体が除かれた、溶出液を得た。溶出液は、さらに限外ろ過膜と超遠心分離装置を用いて溶液中のフェリチンを濃縮し、次に、110mMのMES(2-(4-Morpholino) ethanesulfonic acid)および110mMのTris(2-Amino-2-(hydroxymethyl)-1,3-propanediol)を含有するpH7の緩衝液により希釈した。この濃縮および希釈の操作を3回ないし7回繰り返し、最終的にタンパク質濃度として0.2mg/mLのフェリチンが水中に分散したフェリチン溶液を得ることができた。   Next, preparation of metal-encapsulated ferritin formed by introducing a gold sulfide core into the cavity inside apoferritin will be described. To form metal-encapsulated ferritin, first add 17 mL of thiourea to 1 mL of 20 mM potassium chloroaurate (KAuCl4) solution, and after a few minutes, a yellow solution of Au (III) ions becomes Au (I Since the thiourea complex turned colorless and transparent, this was used as a 20 mM gold thiourea complex solution. Next, the purified horse-derived apoferritin solution and the gold thiourea complex solution were mixed in a phosphate buffer (pH 8). Here, the phosphate buffer concentration of the final mixed solution was 50 mM, the thiourea concentration was 3 mM, and the equine-derived apoferritin concentration was 0.5 mg / mL. In order to complete the reaction of incorporating gold sulfide into apoferritin, the mixed solution was allowed to stand overnight. By this operation, gold sulfide was introduced into the apoferritin holding part, and gold sulfide ferritin (a complex of apoferritin and gold sulfide fine particles) was generated. Next, the mixed solution was put in a container and centrifuged using a centrifuge at 10,000 rpm for 15-30 minutes to remove precipitates. Subsequently, the supernatant after removing the precipitate was further centrifuged at 10,000 rpm for 30 minutes. At this time, soluble gold sulfide ferritin is dispersed in the supernatant, and the aggregated gold sulfide ferritin precipitates as an aggregate. The solvent of the supernatant of the ferritin solution containing the metal sulfide thus obtained was concentrated using an ultrafiltration membrane [Amicon Ultra-15 (NMWL: 50,000)], and this concentrated ferritin fraction was further added to 25%. Column chromatography was performed by running on Sephacryl S-300 (gel filtration column) equilibrated with 50 mmol / L Tris (2-Amino-2- (hydroxymethyl) -1,3-propanediol) buffer (pH 8) at ℃. Purified by performing. Thereby, the eluate from which the aggregate of the ferritin particle was removed by the gel filtration column was obtained. For the eluate, ferritin in the solution was further concentrated using an ultrafiltration membrane and an ultracentrifugation apparatus, and then 110 mM MES (2- (4-Morpholino) ethanesulfonic acid) and 110 mM Tris (2-Amino) were concentrated. The solution was diluted with a pH 7 buffer solution containing -2- (hydroxymethyl) -1,3-propanediol). This concentration and dilution operation was repeated 3 to 7 times, and finally a ferritin solution in which 0.2 mg / mL of ferritin as a protein concentration was dispersed in water could be obtained.

前述のフェリチンの精製により作製した、1%程度の界面活性剤(TWEEN20:mono-9-octadecanoate poly(oxy-1,2-ethanediyl)からなる誘導体)を含むフェリチン溶液を、大気圧に比して負圧の雰囲気下に置いたサンプル1−1のホール部21上部に滴下し、その後に大気圧に戻して室温にて30分間静置した。この操作によりホール部内部にフェリチン溶液が導入され、フェリチンがホール部内部の側壁に吸着する。サンプル1−1を水洗し、その後に乾燥処理として110℃で3分間ベーキングして、吸着したフェリチンを第1電極部12上に固定した。さらにその後にUV光/オゾン処理装置に入れ、基板温度110℃でUV光を照射しつつ酸素およびオゾンガスを供給して5分間保持し、フェリチンの外側タンパク質を除去された。また同時に、フェリチンの内部の直径6nmの金硫化物コアが還元し、直径5nmの金ナノ粒子を形成できた。   A ferritin solution containing about 1% of a surfactant (TWEEN 20: a derivative consisting of mono-9-octadecanoate poly (oxy-1,2-ethanediyl)) prepared by purifying ferritin as described above is compared with atmospheric pressure. It was dripped at the upper part of the hole part 21 of the sample 1-1 placed under a negative pressure atmosphere, and then returned to atmospheric pressure and allowed to stand at room temperature for 30 minutes. By this operation, the ferritin solution is introduced into the hole portion, and ferritin is adsorbed on the side wall inside the hole portion. Sample 1-1 was washed with water and then baked at 110 ° C. for 3 minutes as a drying treatment, and the adsorbed ferritin was fixed on the first electrode portion 12. After that, it was placed in a UV light / ozone treatment apparatus, and oxygen and ozone gas were supplied for 5 minutes while irradiating UV light at a substrate temperature of 110 ° C., and the outer protein of ferritin was removed. At the same time, the gold sulfide core with a diameter of 6 nm inside ferritin was reduced, and gold nanoparticles with a diameter of 5 nm could be formed.

次に、抵抗変化膜の母材としてFeをマグネトロンスパッタ法により堆積させた。母材Feの堆積は、FeO0.75をターゲットとして用い、マグネトロンスパッタ法により、圧力0.6Paのアルゴン雰囲気下において、成膜温度を室温〜400℃の範囲(主に300℃)とし、印加する電力をRF100Wとして行った。この条件で別に作製したFe層の比抵抗は5−50mΩcm(典型的には10mΩcm)程度で、X線回折および赤外吸収、ラマン分光などによって、Fe層であることを同定した。その後に、酸化中熱処理(300℃1分)を経てホール部21の側壁に抵抗変化層14を形成した。ベタ膜に対して同条件での熱処理により、抵抗変化層14はFeO(3/2≧x>4/3)とすることができる。また抵抗変化層14である側壁部のFe−Oの膜厚は、20nm程度であった。 Next, Fe 3 O 4 was deposited by a magnetron sputtering method as a base material of the resistance change film. The deposition of the base material Fe 3 O 4 uses FeO 0.75 as a target, and the film forming temperature ranges from room temperature to 400 ° C. (mainly 300 ° C.) in a argon atmosphere at a pressure of 0.6 Pa by magnetron sputtering. The applied power was RF100W. The specific resistance of the Fe 3 O 4 layer prepared separately under these conditions is about 5-50 mΩcm (typically 10 mΩcm), and it is confirmed that it is an Fe 3 O 4 layer by X-ray diffraction, infrared absorption, Raman spectroscopy, and the like. Identified. Thereafter, a resistance change layer 14 was formed on the side wall of the hole portion 21 through heat treatment during oxidation (300 ° C. for 1 minute). The resistance change layer 14 can be made to be FeO x (3/2 ≧ x> 4/3) by heat treatment under the same conditions for the solid film. The film thickness of Fe—O on the side wall portion that is the resistance change layer 14 was about 20 nm.

次に第3電極部15を形成するための導電膜としてPt/TaN/Wを堆積させた。Ptは10nm、TaNは20nm、Wはホール部21を充填するように堆積させた。その上にTaNを50nm堆積して導電体16とし、導電体16を帯状の配線形状となるように加工を行った。配線幅は5μmとした。   Next, Pt / TaN / W was deposited as a conductive film for forming the third electrode portion 15. Pt was 10 nm, TaN was 20 nm, and W was deposited so as to fill the hole 21. On top of that, TaN was deposited to a thickness of 50 nm to form a conductor 16, and the conductor 16 was processed into a strip-like wiring shape. The wiring width was 5 μm.

作製したサンプル1−1は、初期特性として非線形伝導となるバイアス印加性を示した。これは、第1電極部12と第2電極部13との間に、半導体25となる酸窒化チタンが形成され、金属/半導体/金属となる部分の伝導により引き起こされたものと考えられる。   The produced Sample 1-1 exhibited a bias applicability as non-linear conduction as an initial characteristic. This is considered to be caused by the conduction of the metal / semiconductor / metal portion where titanium oxynitride that becomes the semiconductor 25 is formed between the first electrode portion 12 and the second electrode portion 13.

次に作製したサンプル1−1に対し、図10で示したパルス状の電圧を印加して、その抵抗変化比を評価した。抵抗変化比の評価は以下のように行った。パルスジェネレータを用いて、サンプル1−1の第1電極部12と導電体10との間にパルス電圧を印加するようにし、リセット電圧として2.5Vを、セット電圧として−2.5Vを、リード電圧として0.05V(正バイアス電圧)を印加した。各電圧のパルス幅は10ms(ミリ秒)とした。セット電圧印加後の状態、およびリセット電圧印加後の状態の、それぞれの状態において、リード電圧を印加したときの出力電流値から素子の電気抵抗値を算出した。   Next, the pulsed voltage shown in FIG. 10 was applied to the produced sample 1-1, and the resistance change ratio was evaluated. The resistance change ratio was evaluated as follows. Using a pulse generator, a pulse voltage is applied between the first electrode portion 12 and the conductor 10 of the sample 1-1, and 2.5V is read as the reset voltage and -2.5V is read as the set voltage. A voltage of 0.05 V (positive bias voltage) was applied. The pulse width of each voltage was 10 ms (milliseconds). In each of the states after applying the set voltage and after applying the reset voltage, the electric resistance value of the element was calculated from the output current value when the read voltage was applied.

算出された電気抵抗の高抵抗状態の値をRHigh、低抵抗状態の値をRHighとして、以下の式から抵抗変化比を求めた。 The resistance change ratio was calculated from the following formula, where the calculated value of the high resistance state of the electric resistance was R High and the value of the low resistance state was R High .

[抵抗変化比]=(RHigh−RLow)/RLow
その結果、サンプル1−1に含まれる2つの第1電極部12で形成された2つのメモリビット部1はそれぞれ10倍以上の抵抗変化比を示した。
[Resistance change ratio] = (R High −R Low ) / R Low
As a result, the two memory bit parts 1 formed by the two first electrode parts 12 included in the sample 1-1 each exhibited a resistance change ratio of 10 times or more.

本実施例により本発明にかかる半導体メモリは良好な抵抗変化特性を示すことが分かり、本発明の製造方法は、素子微細化が可能な高集積メモリへ適用することができる。   This example shows that the semiconductor memory according to the present invention exhibits good resistance change characteristics, and the manufacturing method of the present invention can be applied to a highly integrated memory capable of miniaturizing elements.

(実施例2)
実施例2では、図2A〜図2Hに示す半導体メモリの製造方法を用いてサンプル2−1を作製し、その抵抗変化特性について評価した。
(Example 2)
In Example 2, a sample 2-1 was manufactured using the method for manufacturing a semiconductor memory shown in FIGS. 2A to 2H, and its resistance change characteristics were evaluated.

サンプル2−1では、白金硫化物フェリチンを用いて形成した白金ナノ粒子を第2電極部として形成した。その他の部位については、実施例1のサンプル1−1と同様に形成した。フェリチンのホール部21への導入その他についても実施例1と同様である。   In Sample 2-1, platinum nanoparticles formed using platinum sulfide ferritin were formed as the second electrode portion. Other portions were formed in the same manner as Sample 1-1 in Example 1. The introduction of ferritin into the hole 21 is the same as in Example 1.

アポフェリチンへ白金硫化物コアを導入するための操作を以下で説明する。   The operation for introducing the platinum sulfide core into apoferritin is described below.

まず、100mg/mLのチオウレア(thiourea)溶液0.85mL と、100mMの塩化白金(II)酸カリウム(K2(PtCl4))溶液1mL、および純水0.15mLを混合し、これを50mM 白金チオウレア錯体溶液とした。次に、リン酸緩衝液(pH8)に、精製したウマ由来アポフェリチン溶液と、上記の白金チオウレア錯体溶液を混合した。ここで最終混合溶液のリン酸緩衝液濃度が50mM、チオウレア濃度が3mM、ウマ由来アポフェリチン濃度が0.5mg/mLとなるようにした。白金硫化物のアポフェリチン内部への取り込み反応を完了させるため、混合溶液をそのまま一晩放置した。この操作により、アポフェリチンの保持部に白金硫化物が導入され、白金硫化物フェリチン(アポフェリチンと白金硫化物微粒子の複合体)が生成された。次に、混合溶液を容器に入れ、遠心分離機を用いて毎分10,000回転、15―30分の条件で遠心分離し、沈殿を除去した。続いて、沈殿を除去した後の上澄み液をさらに毎分10,000回転、30分の条件で遠心分離した。このとき、溶解可能な白金硫化物フェリチンは上澄み液中に分散し、凝集した白金硫化物フェリチンは集合体となって沈殿する。   First, 0.85 mL of 100 mg / mL thiourea solution, 1 mL of 100 mM potassium platinum (II) chloride (K2 (PtCl4)) solution, and 0.15 mL of pure water were mixed, and this was mixed with 50 mM platinum thiourea complex solution. did. Next, the purified horse-derived apoferritin solution and the above platinum thiourea complex solution were mixed in a phosphate buffer (pH 8). Here, the phosphate buffer concentration of the final mixed solution was 50 mM, the thiourea concentration was 3 mM, and the equine-derived apoferritin concentration was 0.5 mg / mL. In order to complete the reaction of incorporating the platinum sulfide into apoferritin, the mixed solution was allowed to stand overnight. By this operation, platinum sulfide was introduced into the holding portion of apoferritin, and platinum sulfide ferritin (a complex of apoferritin and platinum sulfide fine particles) was generated. Next, the mixed solution was put in a container and centrifuged using a centrifuge at 10,000 rpm for 15-30 minutes to remove precipitates. Subsequently, the supernatant after removing the precipitate was further centrifuged at 10,000 rpm for 30 minutes. At this time, the dissolvable platinum sulfide ferritin is dispersed in the supernatant, and the aggregated platinum sulfide ferritin precipitates as an aggregate.

上記により得られた、白金硫化物を内包するフェリチン溶液の上澄み液の溶媒を限外ろ過膜[アミコンウルトラ-15 (NMWL:50,000)]を用いて濃縮し、この濃縮されたフェリチン画分をさらに25℃下、50mmol/LのTris(2-Amino-2-(hydroxymethyl)-1,3-propanediol)緩衝液(pH8)で平衡化されたSephacryl S-300(ゲルろ過カラム)に流してカラムクロマトグラフィを行なうことにより精製した。これにより、ゲルろ過カラムによりフェリチン粒子の凝集体が除かれた、溶出液を得た。溶出液は、さらに限外ろ過膜と超遠心分離装置を用いて溶液中のフェリチンを濃縮し、次に、20mMのMES(2-(4-Morpholino) ethanesulfonic acid)および6mMのTris(2-Amino-2-(hydroxymethyl)-1,3-propanediol)を含有するpH5.8の緩衝液により希釈した。この濃縮および希釈の操作を3回ないし7回繰り返し、最終的にタンパク質濃度として0.2mg/mLのフェリチンが水中に分散したフェリチン溶液を得た。   The solvent of the supernatant of the ferritin solution containing platinum sulfide obtained as described above is concentrated using an ultrafiltration membrane [Amicon Ultra-15 (NMWL: 50,000)], and the concentrated ferritin fraction is further purified. Column chromatography by flowing through Sephacryl S-300 (gel filtration column) equilibrated with 50 mmol / L Tris (2-Amino-2- (hydroxymethyl) -1,3-propanediol) buffer (pH 8) at 25 ° C Was purified by performing Thereby, the eluate from which the aggregate of the ferritin particle was removed by the gel filtration column was obtained. For the eluate, ferritin in the solution is further concentrated using an ultrafiltration membrane and an ultracentrifugation device, and then 20 mM MES (2- (4-Morpholino) ethanesulfonic acid) and 6 mM Tris (2-Amino) are concentrated. Dilution was carried out with a pH 5.8 buffer solution containing -2- (hydroxymethyl) -1,3-propanediol). This concentration and dilution operation was repeated 3 to 7 times to finally obtain a ferritin solution in which 0.2 mg / mL ferritin as a protein concentration was dispersed in water.

前述のフェリチンの精製により作製した、1%程度の界面活性剤(TWEEN20:mono-9-octadecanoate poly(oxy-1,2-ethanediyl)からなる誘導体)を含むフェリチン溶液を、大気圧に比して負圧の雰囲気下に置いたサンプル2−1のホール部21上部に滴下し、その後に大気圧に戻して室温にて30分間静置した。この操作によりホール部内部にフェリチン溶液が導入され、フェリチンがホール部内部の側壁に吸着する。サンプル2−1を水洗し、その後に乾燥処理として110℃で3分間ベーキングして、吸着したフェリチンを第1電極部12上に固定した。さらにその後にUV光/オゾン処理装置に入れ、基板温度110℃でUV光を照射しつつ酸素およびオゾンガスを供給して5分間保持し、フェリチンの外側タンパク質を除去された。また同時に、フェリチンの内部の直径6nmの白金硫化物コアが還元し、直径5nmの白金ナノ粒子を形成できた。   A ferritin solution containing about 1% of a surfactant (TWEEN 20: a derivative consisting of mono-9-octadecanoate poly (oxy-1,2-ethanediyl)) prepared by purifying ferritin as described above is compared with atmospheric pressure. It was dripped at the upper part of the hole part 21 of the sample 2-1 placed under a negative pressure atmosphere, and then returned to atmospheric pressure and allowed to stand at room temperature for 30 minutes. By this operation, the ferritin solution is introduced into the hole portion, and ferritin is adsorbed on the side wall inside the hole portion. Sample 2-1 was washed with water, and then baked at 110 ° C. for 3 minutes as a drying treatment, so that the adsorbed ferritin was fixed on the first electrode portion 12. After that, it was placed in a UV light / ozone treatment apparatus, and oxygen and ozone gas were supplied for 5 minutes while irradiating UV light at a substrate temperature of 110 ° C., and the outer protein of ferritin was removed. At the same time, a platinum sulfide core with a diameter of 6 nm inside ferritin was reduced, and platinum nanoparticles with a diameter of 5 nm could be formed.

作製したサンプル2−1に対し、図10で示したパルス状の電圧を印加して、その抵抗変化比を評価した。抵抗変化比の評価は以下のように行った。パルスジェネレータを用いて、サンプル2−1の第1電極部12と導電体10との間にパルス電圧を印加するようにし、リセット電圧として2.5Vを、セット電圧として−2.5Vを、リード電圧として0.05V(正バイアス電圧)を印加した。各電圧のパルス幅は10ms(ミリ秒)とした。セット電圧印加後の状態、およびリセット電圧印加後の状態の、それぞれの状態において、リード電圧を印加したときの出力電流値から素子の電気抵抗値を算出した。   The pulsed voltage shown in FIG. 10 was applied to the produced sample 2-1, and the resistance change ratio was evaluated. The resistance change ratio was evaluated as follows. Using a pulse generator, a pulse voltage is applied between the first electrode portion 12 and the conductor 10 of the sample 2-1, and the reset voltage is 2.5V and the set voltage is -2.5V. A voltage of 0.05 V (positive bias voltage) was applied. The pulse width of each voltage was 10 ms (milliseconds). In each of the states after applying the set voltage and after applying the reset voltage, the electric resistance value of the element was calculated from the output current value when the read voltage was applied.

算出された電気抵抗の高抵抗状態の値をRHigh、低抵抗状態の値をRHighとして、以下の式から抵抗変化比を求めた。 The resistance change ratio was calculated from the following formula, where the calculated value of the high resistance state of the electric resistance was R High and the value of the low resistance state was R High .

[抵抗変化比]=(RHigh−RLow)/RLow
その結果、サンプル2−1に含まれる2つの第1電極部12で形成された2つのメモリビット部1はそれぞれ10倍以上の抵抗変化比を示した。
[Resistance change ratio] = (R High −R Low ) / R Low
As a result, the two memory bit portions 1 formed by the two first electrode portions 12 included in the sample 2-1 each exhibited a resistance change ratio of 10 times or more.

本実施例により本発明にかかる半導体メモリは良好な抵抗変化特性を示すことが分かり、本発明の製造方法は、素子微細化が可能な高集積メモリへ適用することができる。   This example shows that the semiconductor memory according to the present invention exhibits good resistance change characteristics, and the manufacturing method of the present invention can be applied to a highly integrated memory capable of miniaturizing elements.

(実施例3)
図2A〜図2Hに示す半導体メモリの製造方法を用いてサンプル3−1〜3−4を作製し、その抵抗変化特性について評価した。
(Example 3)
Samples 3-1 to 3-4 were manufactured using the method for manufacturing the semiconductor memory shown in FIGS. 2A to 2H, and the resistance change characteristics were evaluated.

実施例3では、抵抗変化層14の材料として、
サンプル3−1:タンタル酸化物Ta−O
サンプル3−2:チタン酸化物Ti−O
サンプル3−3:タングステン酸化物W−O
サンプル3−4:ハフニウム酸化物Hf−O
を、それぞれ用いて形成した。
In Example 3, as a material of the resistance change layer 14,
Sample 3-1: Tantalum oxide Ta-O
Sample 3-2: Titanium oxide Ti-O
Sample 3-3: Tungsten oxide WO
Sample 3-4: Hafnium oxide Hf-O
Were formed using each.

サンプル3−1〜3−4では、白金硫化物フェリチンを用いて形成した白金ナノ粒子を第2電極部として形成した。その他の部位については、実施例1のサンプル1−1と同様に形成した。フェリチンのホール部21への導入その他についても実施例1と同様である。   In Samples 3-1 to 3-4, platinum nanoparticles formed using platinum sulfide ferritin were formed as the second electrode portion. Other portions were formed in the same manner as Sample 1-1 in Example 1. The introduction of ferritin into the hole 21 is the same as in Example 1.

サンプル3−1において抵抗変化層14としてTa−Oを形成する際には、Taターゲットを用いたRFマグネトロンスパッタリング法によって堆積させた。スパッタリングは、酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガス(酸素流量比は0.1−10%)の雰囲気下(圧力は0.2−5Pa)において、基板温度を20〜400℃の範囲(主に300℃)とし、印加電力を150−300Wとして行い、Ta−O(20nm)を堆積した。ベタ膜に対して同条件でTa−Oを形成することにより、酸素含有量(O/(Ta+O))が0.5−0.7程度の膜を作製することができる。   When Ta-O was formed as the resistance change layer 14 in the sample 3-1, it was deposited by an RF magnetron sputtering method using a Ta target. Sputtering is performed in an atmosphere of a mixed gas of oxygen gas and argon gas (oxygen flow ratio is 0.1-10%) (pressure is 0.2-5 Pa), and the substrate temperature is in the range of 20 to 400 ° C. (mainly 300 ° C.), the applied power was 150 to 300 W, and Ta—O (20 nm) was deposited. By forming Ta—O on the solid film under the same conditions, a film having an oxygen content (O / (Ta + O)) of about 0.5 to 0.7 can be manufactured.

サンプル3−2において抵抗変化層14としてTi−Oを形成する際には、Tiターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法によって堆積させた。スパッタリングは、酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガス(酸素流量比は0.1−10%)の雰囲気下(圧力は0.2−5Pa)において、基板温度を20〜400℃の範囲(主に300℃)とし、印加電力をRF150−300Wとして行い、TiO(0.5≦x<2)を堆積した。 When Ti-O was formed as the resistance change layer 14 in the sample 3-2, it was deposited by a magnetron sputtering method using a Ti target. Sputtering is performed in an atmosphere of a mixed gas of oxygen gas and argon gas (oxygen flow ratio is 0.1-10%) (pressure is 0.2-5 Pa), and the substrate temperature is in the range of 20 to 400 ° C. (mainly and 300 ° C.), subjected to applied power as RF150-300W, was deposited TiO x (0.5 ≦ x <2 ).

サンプル3−3において抵抗変化層14としてW−Oを形成する際には、Wターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法によって堆積させた。スパッタリングは、酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガス(酸素流量比は0.1−10%)の雰囲気下(圧力は0.2−5Pa)において、基板温度を20〜400℃の範囲(主に300℃)とし、印加電力をRF150−300Wとして行い、WO(0.5≦x<3)を堆積した。 In forming the resistance change layer 14 in the sample 3-3, W—O was deposited by magnetron sputtering using a W target. Sputtering is performed in an atmosphere of a mixed gas of oxygen gas and argon gas (oxygen flow ratio is 0.1-10%) (pressure is 0.2-5 Pa), and the substrate temperature is in the range of 20 to 400 ° C. (mainly 300 [deg.] C.), the applied power was RF 150-300 W, and WO x (0.5 ≦ x <3) was deposited.

サンプル3−4において抵抗変化層14としてHf−Oを形成する際には、Hfターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法によって堆積させた。スパッタリングは、酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガス(酸素流量比は0.1−10%)の雰囲気下(圧力は0.2−5Pa)において、基板温度を20〜400℃の範囲(主に300℃)とし、印加電力をRF150−300Wとして行い、HfO(0.5≦x<2)を堆積した。 When Hf-O was formed as the resistance change layer 14 in the sample 3-4, it was deposited by a magnetron sputtering method using an Hf target. Sputtering is performed in an atmosphere of a mixed gas of oxygen gas and argon gas (oxygen flow ratio is 0.1-10%) (pressure is 0.2-5 Pa), and the substrate temperature is in the range of 20 to 400 ° C. (mainly and 300 ° C.), subjected to applied power as RF150-300W, was deposited HfO x (0.5 ≦ x <2 ).

作製したサンプル3−1〜3−4に対し、図10で示したパルス状の電圧を印加して、その抵抗変化比を評価した。抵抗変化比の評価は以下のように行った。パルスジェネレータを用いて、各サンプルの第1電極部12と導電体10との間にパルス電圧を印加するようにし、リセット電圧として2.5Vを、セット電圧として−2.5Vを、リード電圧として0.05V(正バイアス電圧)を印加した。各電圧のパルス幅は10ms(ミリ秒)とした。セット電圧印加後の状態、およびリセット電圧印加後の状態の、それぞれの状態において、リード電圧を印加したときの出力電流値から素子の電気抵抗値を算出した。   The pulse voltage shown in FIG. 10 was applied to the produced samples 3-1 to 3-4, and the resistance change ratio was evaluated. The resistance change ratio was evaluated as follows. Using a pulse generator, a pulse voltage is applied between the first electrode portion 12 and the conductor 10 of each sample, and 2.5V is set as a reset voltage, -2.5V is set as a set voltage, and a lead voltage is set. 0.05 V (positive bias voltage) was applied. The pulse width of each voltage was 10 ms (milliseconds). In each of the states after applying the set voltage and after applying the reset voltage, the electric resistance value of the element was calculated from the output current value when the read voltage was applied.

算出された電気抵抗の高抵抗状態の値をRHigh、低抵抗状態の値をRHighとして、以下の式から抵抗変化比を求めた。 The resistance change ratio was calculated from the following formula, where the calculated value of the high resistance state of the electric resistance was R High and the value of the low resistance state was R High .

[抵抗変化比]=(RHigh−RLow)/RLow
その結果、各サンプルに含まれる2つの第1電極部12で形成された2つのメモリビット部1はそれぞれ10倍以上の抵抗変化比を示した。結果は、表1に示す通り。
[Resistance change ratio] = (R High −R Low ) / R Low
As a result, the two memory bit portions 1 formed by the two first electrode portions 12 included in each sample each exhibited a resistance change ratio of 10 times or more. The results are as shown in Table 1.

Figure 2010199348
Figure 2010199348

本実施例により本発明にかかる半導体メモリは良好な抵抗変化特性を示すことが分かり、本発明の製造方法は、素子微細化が可能な高集積メモリへ適用することができる。   This example shows that the semiconductor memory according to the present invention exhibits good resistance change characteristics, and the manufacturing method of the present invention can be applied to a highly integrated memory capable of miniaturizing elements.

(実施例4)
実施例4では、図2A〜図2Hに示す半導体メモリの製造方法を用いて、1つのホール部当たり2ビットのメモリをマトリクス状(8×8)に配列した64×2=128ビットのメモリからなるサンプル4−1を作製し、その特性について評価した。メモリアレイの各素子の個別動作の確認を行った結果、ランダムアクセス型の半導体メモリとしての動作を確認できた。
Example 4
In the fourth embodiment, by using the method for manufacturing a semiconductor memory shown in FIGS. 2A to 2H, a memory of 2 bits per hole portion is arranged from a 64 × 2 = 128 bit memory in a matrix (8 × 8). Sample 4-1 was prepared and evaluated for its characteristics. As a result of confirming the individual operation of each element of the memory array, the operation as a random access type semiconductor memory was confirmed.

以上の各実施例に示されるように、本発明の半導体メモリの製造方法を用いることにより、良好な抵抗変化特性を示す半導体メモリを実現できることから、素子の微細化が求められる高集積メモリへ適用することが可能である。   As shown in each of the above embodiments, a semiconductor memory exhibiting good resistance change characteristics can be realized by using the method for manufacturing a semiconductor memory of the present invention, so that it can be applied to highly integrated memories that require element miniaturization. Is possible.

本発明は、半導体メモリおよびそれを含む電子デバイスに適用できる。本発明に係わる半導体メモリは微細化ならびに高密度化が可能であり、様々な電子デバイスへ適用できる。本発明の半導体メモリを用いた電子デバイスとしては、たとえば、情報通信端末などに使用される不揮発性RAM、スイッチング素子、センサ、画像表示装置、デジタル家電、携帯電話機、およびPCなどが挙げられる。   The present invention can be applied to a semiconductor memory and an electronic device including the semiconductor memory. The semiconductor memory according to the present invention can be miniaturized and densified, and can be applied to various electronic devices. Examples of the electronic device using the semiconductor memory of the present invention include a non-volatile RAM, a switching element, a sensor, an image display device, a digital home appliance, a mobile phone, and a PC used for an information communication terminal.

本発明に係わる半導体メモリの一例を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically an example of the semiconductor memory concerning this invention 本発明の半導体メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図Process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the semiconductor memory of this invention 図2Aの工程に続く工程を示す図The figure which shows the process following the process of FIG. 2A 図2Bの工程に続く工程を示す図The figure which shows the process following the process of FIG. 2B 図2Cの工程に続く工程を示す図The figure which shows the process following the process of FIG. 2C 図2Dの工程に続く工程を示す図The figure which shows the process following the process of FIG. 2D 図2Eの工程に続く工程を示す図The figure which shows the process following the process of FIG. 2E. 図2Fの工程に続く工程を示す図The figure which shows the process following the process of FIG. 2F 図2Gの工程に続く工程を示す図The figure which shows the process following the process of FIG. 2G. 図1の半導体メモリの一例を模式的に示す上面図FIG. 1 is a top view schematically showing an example of the semiconductor memory of FIG. 図1の半導体メモリの一例を別な方向で見た断面図Sectional drawing which looked at the example of the semiconductor memory of FIG. 1 in another direction 本発明に係わる半導体メモリの別の一例を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically another example of the semiconductor memory concerning this invention 本発明に係わる半導体メモリのメモリビット部を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically the memory bit part of the semiconductor memory concerning this invention 図6のメモリビット部の等価回路を用いた模式図Schematic diagram using equivalent circuit of memory bit part of FIG. 本発明に係わる半導体メモリ(メモリアレイ)の一例を示す模式図Schematic diagram showing an example of a semiconductor memory (memory array) according to the present invention. 本発明に係わる半導体メモリにおける情報の読み出し方法の一例を説明するための図The figure for demonstrating an example of the reading method of the information in the semiconductor memory concerning this invention 本発明に係わる半導体メモリにおける情報の記録および読み出し方法の一例を説明するための図The figure for demonstrating an example of the recording and the reading method of the information in the semiconductor memory concerning this invention 本発明の半導体メモリの構成を示すブロック図の一例を示す図The figure which shows an example of the block diagram which shows the structure of the semiconductor memory of this invention

1 メモリビット部
10 導電体
11 絶縁層
12 第1電極部
13 第2電極部
14 抵抗変化層
15 第3電極部
16 導電体
17 絶縁体
20 絶縁体
21 ホール部
25 半導体
32 ビット線
33 ワード線
91 出力
92a 負帰還増幅回路
92b 負帰還増幅回路
93 出力
94 参照ビット
95 出力
96 出力
97 差動増幅回路
98 出力信号
100 半導体メモリ
200 半導体メモリ
300 メモリビット
400 半導体メモリ
401 メモリ本体部
402 メモリアレイ
403 行選択回路/ドライバ
404 列選択回路/ドライバ
405 書き込み回路
406 センスアンプ
407 データ入出力回路
408 アドレス入力回路
409 制御回路
BL0,BL1,… ビット線
M111,M112,… メモリセル
WL0,WL1,… ワード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Memory bit part 10 Conductor 11 Insulating layer 12 1st electrode part 13 2nd electrode part 14 Resistance change layer 15 3rd electrode part 16 Conductor 17 Insulator 20 Insulator 21 Hole part 25 Semiconductor 32 Bit line 33 Word line 91 Output 92a Negative feedback amplifier circuit 92b Negative feedback amplifier circuit 93 Output 94 Reference bit 95 Output 96 Output 97 Differential amplifier circuit 98 Output signal 100 Semiconductor memory 200 Semiconductor memory 300 Memory bit 400 Semiconductor memory 401 Memory body 402 Memory array 403 Row selection Circuit / driver 404 Column selection circuit / driver 405 Write circuit 406 Sense amplifier 407 Data input / output circuit 408 Address input circuit 409 Control circuit BL0, BL1, ... Bit lines M111, M112, ... Memory cells WL0, WL1, ... Lead wire

Claims (9)

(1)少なくとも2体以上の第1電極部を構成するための導電層と絶縁層からなる多層構造を形成し、
(2)前記多層構造の一部に、前記第1電極部を貫通するようにホール部を形成し、
(3)前記ホール部の少なくとも側壁部に露出した前記第1電極部に対して、前記第1電極部とは異なる元素を主成分とする金属化合物を内包するフェリチンを用いて前記第1電極部上に配置し、前記フェリチンのタンパク質を除去して前記フェリチンに内包された前記金属化合物を金属ナノ粒子として前記第1電極部に対して電気的に接続するようにした第2電極部を配し、
(4)前記ホール部の少なくとも側壁部に少なくとも前記第2電極部と電気的に接続された抵抗変化層を設け、
(5)前記第1電極部および前記第2電極部と離間して配される、第3電極部を前記抵抗変化層と電気的に接続して形成し、
前記第1電極部と電気的に接続された前記第2電極部と前記第3電極部との間の前記抵抗変化層を介して、駆動電圧あるいは電流を印加することによって電気抵抗値を異なる複数の状態間で変化させることが可能である抵抗変化型の半導体メモリの製造方法。
(1) forming a multilayer structure comprising a conductive layer and an insulating layer for constituting at least two first electrode portions;
(2) forming a hole part in a part of the multilayer structure so as to penetrate the first electrode part;
(3) The first electrode unit using ferritin containing a metal compound whose main component is different from the first electrode unit with respect to the first electrode unit exposed at least on the side wall of the hole unit. A second electrode portion disposed on the ferritin, wherein the metal compound encapsulated in the ferritin is electrically connected to the first electrode portion as metal nanoparticles. ,
(4) A variable resistance layer electrically connected to at least the second electrode part is provided on at least the side wall part of the hole part,
(5) forming a third electrode portion, which is disposed apart from the first electrode portion and the second electrode portion, electrically connected to the resistance change layer;
A plurality of different electric resistance values by applying a driving voltage or current through the resistance change layer between the second electrode portion and the third electrode portion electrically connected to the first electrode portion. A method of manufacturing a resistance change type semiconductor memory that can be changed between different states.
前記ホール部に前記フェリチンを配置する際に前記ホール部が半導体メモリ形成雰囲気に比べて負圧とすることにより前記ホール部に前記フェリチンを導入する工程を、前記(3)の工程に更に含むことを特徴とする請求項1記載の半導体メモリの製造方法。 The step (3) further includes the step of introducing the ferritin into the hole portion by placing the ferritin in the hole portion so that the hole portion has a negative pressure compared to a semiconductor memory forming atmosphere. The method of manufacturing a semiconductor memory according to claim 1. 前記第1電極部と電気的に接続された帯状の配線電極を形成する工程を、前記(1)−(5)の工程のいずれかに更に含むことを特徴とする請求項1記載の半導体メモリの製造方法。 2. The semiconductor memory according to claim 1, further comprising a step of forming a strip-shaped wiring electrode electrically connected to the first electrode portion in any of the steps (1) to (5). Manufacturing method. 前記第3電極部と電気的に接続された帯状の配線電極を形成する工程を、前記(1)−(5)の工程のいずれかに更に含むことを特徴とする請求項3記載の半導体メモリの製造方法。 4. The semiconductor memory according to claim 3, further comprising a step of forming a strip-shaped wiring electrode electrically connected to the third electrode portion in any of the steps (1) to (5). Manufacturing method. 前記ホール部の底部を導電体として形成する工程を、前記(1)−(5)の工程のいずれかに更に含むことを特徴とする請求項1記載の半導体メモリの製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor memory according to claim 1, further comprising a step of forming the bottom of the hole portion as a conductor in any of the steps (1) to (5). 前記第1電極部が少なくともチタン(Ti)を含む導電材料を主成分とすることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリの製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor memory according to claim 1, wherein the first electrode portion includes a conductive material containing at least titanium (Ti) as a main component. 前記第2電極部が少なくとも白金(Pt)あるいは金(Au)を含む導電材料を主成分とすることを特徴とする請求項1−2記載の半導体メモリの製造方法。 3. The method of manufacturing a semiconductor memory according to claim 1-2, wherein the second electrode portion is mainly composed of a conductive material containing at least platinum (Pt) or gold (Au). 前記絶縁層が少なくともシリコン(Si)を含む絶縁材料を主成分とすることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリの製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor memory according to claim 1, wherein the insulating layer contains an insulating material containing at least silicon (Si) as a main component. マトリクス状に配置された複数の前記半導体メモリを含む請求項1−8記載の半導体メモリの製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor memory according to claim 1, comprising a plurality of said semiconductor memories arranged in a matrix.
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