JP2012033649A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
第1電極12aと第2電極14の間に抵抗変化層13を挟持してなる可変抵抗素子2を情報の記憶に用いる不揮発性半導体記憶装置であり、可変抵抗素子2は、スイッチング界面が形成される第1電極12aと抵抗変化層13の間にバッファ層12bが挿入されてなる。バッファ層12bと抵抗変化層13はともにn型の金属酸化物を含んで構成され、バッファ層12bを構成するn型の金属酸化物の伝導帯の底のエネルギーが抵抗変化層13を構成するn型の金属酸化物のそれよりも低くなるように、バッファ層12aおよび抵抗変化層13の材料が選択される。
【選択図】 図1
Description
図1は本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置(以降、適宜「本発明装置1」と称す)において用いる可変抵抗素子2の素子構造を模式的に示す断面図である。尚、以降に示す図面では、説明の都合上、要部を強調して示すこととし、素子各部の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しない場合がある。
1.本発明における可変抵抗素子(図5):
セット: 5V、50nsec、Vg=1.8V
リセット:−2.1V、10nsec、Vg=9V
2.比較例1(図6)
セット: 5V、50nsec、Vg=1.6V
リセット:−1.9V、30nsec、Vg=9V
3.比較例2(図7)
セット: 5V、50nsec、Vg=1.6V
リセット:−2.1V、20nsec、Vg=9V
可変抵抗素子2〜4を備える不揮発性半導体記憶装置の例を図16に示す。図16は、本発明装置1の回路構成図であり、夫々、メモリセルアレイ21、制御回路22、電圧発生回路23、ワード線デコーダ24、ビット線デコーダ25を備えている。
2〜4: 本発明に係る可変抵抗素子
10: 基板
11: 絶縁膜
12: 第1電極材料
12a: 第1電極
12b: バッファ層
13: 抵抗変化層
14: 第2電極
15: 層間絶縁膜
16: 開口部
17: 下層配線
21,104,131: メモリセルアレイ
22: 制御回路
23: 電圧印加回路
24,106: ワード線デコーダ
25,105: ビット線デコーダ
26,107: ソース線デコーダ
101,120: 上部電極
102,119,134: 可変抵抗体
103,118: 下部電極
111: 基板
112: 素子分離領域
113: ゲート絶縁膜
114: ゲート電極
115: ドレイン拡散層領域
116: ソース拡散層領域
117,121〜123: コンタクトプラグ
123: ビット線配線
124: ソース線配線
132: 上部電極配線
133: 下部電極配線
BL1〜BLm: ビット線
R: 可変抵抗素子
SL1〜SLn: ソース線
T: 選択トランジスタ
WL1〜WLn: ワード線
Claims (10)
- 第1電極と第2電極の間に抵抗変化層を挟持してなる可変抵抗素子を情報の記憶に用いる不揮発性半導体記憶装置であって、
前記可変抵抗素子は、
前記抵抗変化層と前記第1電極の間に抵抗値が固定のバッファ層が挿入されてなり、
前記抵抗変化層がn型の第1金属酸化物を含み、
前記バッファ層がn型の第2金属酸化物を含み、
前記第1金属酸化物の伝導帯の底のエネルギーが、前記第2金属酸化物の伝導帯の底のエネルギーよりも高く、
前記第1金属酸化物のバンドギャップが、前記第2金属酸化物のバンドギャップよりも大きく、
前記第2電極は、前記抵抗変化層とオーミック接合をし、
前記第1電極の仕事関数が、前記第2電極の仕事関数よりも大きいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 第1電極と第2電極の間に抵抗変化層を挟持してなる可変抵抗素子を情報の記憶に用いる不揮発性半導体記憶装置であって、
前記可変抵抗素子は、
前記抵抗変化層と前記第1電極の間に抵抗値が固定のバッファ層が挿入されてなり、
前記抵抗変化層がn型の第1金属酸化物を含み、
前記バッファ層がn型の第2金属酸化物を含み、
前記第1金属酸化物の伝導帯の底のエネルギーが、前記第2金属酸化物の伝導帯の底のエネルギーよりも高く、
前記第1金属酸化物の生成エネルギーの絶対値が、前記第2金属酸化物の生成エネルギーの絶対値よりも大きく、
前記第2電極は、前記抵抗変化層とオーミック接合をし、
前記第1電極の仕事関数が、前記第2電極の仕事関数よりも大きいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記可変抵抗素子は、フォーミング処理を施すことにより、前記第1および第2電極間の抵抗状態が前記フォーミング処理前の初期高抵抗状態から可変抵抗状態に変化し、
前記可変抵抗状態の前記可変抵抗素子の前記第1電極と前記第2電極の間に電気的ストレスを与えることにより、前記可変抵抗状態における抵抗状態が二以上の異なる抵抗状態間で遷移し、当該遷移後の一の抵抗状態を情報の記憶に用いるものであり、
前記バッファ層は、前記フォーミング処理の完了に伴い前記可変抵抗素子の両電極間に流れる急激な電流の増大を抑制する抵抗として動作することを特徴とする請求項1または2に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記抵抗変化層が、Hf又はZrの何れかの元素の酸化物を含んでなることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記バッファ層が、Ti,Ta,Zn,Nb,Wの何れかの元素の酸化物を含んでなることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1電極が、Ti窒化物、Ta窒化物、又は、W,Ni,Coから選択される金属の何れかを含んでなることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第2電極が、Ti,Ta,Al,Hf,Zrから選択される金属の何れかを含んでなることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記バッファ層が、TiまたはTaの酸化物を含み、かつ、前記第1電極がTi窒化物またはTa窒化物を含んでなることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記可変抵抗素子が、
前記第1電極上の層間絶縁膜を貫通する開口部と、
前記開口部の内側壁面および底面を覆う抵抗変化層と、
前記開口部内の前記抵抗変化層を覆う前記第2電極を有し、
前記開口部の底部において、前記抵抗変化層が、前記第1電極を構成する金属の酸化物である前記バッファ層と接触し、
前記抵抗変化層は、前記バッファ層を介して前記第1電極と接続することを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記可変抵抗素子が、
下部配線上の層間絶縁膜を貫通する開口部と、
前記開口部を充填する第1電極と、
前記開口部の上面を覆う前記抵抗変化層と、
前記抵抗変化層上に形成された前記第2電極を有し、
前記開口部の上部に、前記第1電極を構成する金属の酸化物である前記バッファ層が形成され、
前記開口部上面において、前記抵抗変化層は、前記バッファ層を介して前記第1電極と接続することを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
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