JP2012216724A - 抵抗記憶装置およびその書き込み方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 イオン伝導領域を備えた抵抗記憶装置において、誤書き込みが発生しやすくなるという課題を解決する抵抗記憶装置およびその書き込み方法を提供する。
【解決手段】 抵抗記憶装置およびその書き込み方法であって、第１の絶縁体と、第１の絶縁体を挟んで対向して形成された第１の端子と第２の端子と、第１の絶縁体内に存在し第１の絶縁体が第１の端子と向かい合う面、もしくは第１の絶縁体が第２の端子と向かい合う面とほぼ平行な方向に延在する線状もしくは面状で第１の絶縁体に比べイオンが移動しやすいイオン伝導容易領域と、第１の端子と第２の端子の対向部を挟んで配置された第３の端子とイオン源とを有することを特徴としている。また、その書き込み方法は、書き込み処理を、読み出し端子をフローティング状態にして行うことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は抵抗記憶装置およびその書き込み方法に関し、特に２つの端子に挟まれた絶縁体内に設けたイオン伝導容易領域の導電性を変化させることで、端子間の抵抗を変化させる機能を有する抵抗記憶装置およびその書き込み方法に関する。

この種の抵抗記憶装置としては、例えば、ナノブリッジ素子を抵抗記憶素子として用いてクロスバースイッチを構成するものがあった。

まず、抵抗記憶素子の例として、ナノブリッジ素子と呼ばれる構造について説明する。図１３に非特許文献１（２０１０ ＩＥＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ ＭＥＥＴＩＮＧ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＤＩＧＥＳＴ (ｐｐ.３０３-３０６)）で報告されたナノブリッジ素子の例を示す。同図では、ナノブリッジ素子の断面形状と動作を示し、ルテニウム（Ｒｕ）電極１０１と固体電解質層１０２と銅（Ｃｕ）電極１０３とを積層した構造のナノブリッジ素子である。素子抵抗を低抵抗に変化させるには、図１３（ａ）に示すように、Ｃｕ電極１０３にプラスの電圧（＋Ｖ）を印加することでＣｕイオン（Ｃｕ^＋）をＲｕ電極１０１へ向かう方向に移動させ、固体電解質層１０２内にＣｕ導電領域１３２を形成して（図１３（ｂ）参照）、Ｃｕ電極１０３とＲｕ電極１０１の間を低抵抗（ＯＮ）にする。逆に、図１３（ｃ）に示すように、Ｒｕ電極１０１にプラスの電圧（＋Ｖ）を印加するとＣｕイオンがＣｕ電極１０３へ向かう方向に移動してＣｕ電極１０３に回収されるため、Ｃｕ電極１０３とＲｕ電極１０１の間は高抵抗（ＯＦＦ）に変化する（図１３（ｄ）参照）。このように、図１３に示すナノブリッジ素子では、電圧の印加方向により抵抗を変化させることができる。

次に、このナノブリッジ素子を用いて構成したクロスバースイッチについて図７を用いて説明する。本例では交差する２系統の配線群、例えば、ビット線Ｂ１乃至Ｂ３とワード線Ｗ1乃至Ｗ３の交差部分に両配線を接続するようにナノブリッジ素子Ａ１１乃至Ａ３３が配置されている。初期状態ではすべてのナノブリッジ素子が高抵抗の状態とする。ナノブリッジ素子Ａ１１を低抵抗にして配線Ｂ１と配線Ｗ１間を電気的接続状態にするには、Ｂ１とＷ１にそれぞれ電圧Ｖｄｄと０Ｖを、その他の配線にＶｄｄ/２を印加する。Ｖｄｄをナノブリッジ素子が低抵抗に変化する閾値電圧Ｖｔｈより大きく、かつＶｄｄ/２がＶｔｈより小さくなるように設定することで、所望のナノブリッジ素子Ａ１１だけ低抵抗に変化させることができる。これにより所望の１対の配線Ｂ１とＷ１が低抵抗で接続されることになる。

配線間を電気的に切断するには逆向きの電圧−Ｖｄｄを印加して、ナノブリッジ素子を高抵抗に変化させる。これらの動作により、２系統の配線群同士の接続を自由に切り替えるクロスバースイッチを構成することができる。

ほかの抵抗記憶素子の例として、特許文献１（国際公開番号ＷＯ２００５／００８７８３）で示された抵抗記憶素子の例を図１５に示す。図１５では、絶縁膜としてシリコン酸化膜がシリコン基板に被覆された基板１５５上に形成されたゲート電極１５３と、ゲート電極１５３上に形成されたイオン伝導体１５４と、イオン伝導体１５４上に形成されたソース電極１５１およびドレイン電極１５２とを有する。イオン伝導体１５４は電気化学反応のための金属イオンを含んでいる。また、ソース電極１５１とドレイン電極１５２は互いに所定の距離を隔てて形成さている。

ゲート電極１５３は、印加される電圧の大きさにより、ソース電極１５１とドレイン電極１５２の間に延在するイオン伝導体１５４の伝導度を制御するためのものである。ソース電極５１、ドレイン電極１５２およびゲート電極１５３は相互に電気的に絶縁された状態で配置されている。ゲート電極１５３は電気化学反応によってイオン伝導体１５４に金属イオンを供給するための材料を含んでいる。ソース電極１５１およびドレイン電極１５２のイオン伝導体１５４と接する部位には電気化学反応によってイオン伝導体と反応しない材料（例えば、白金等）が用いられているため、ソース電極１５１およびドレイン電極１５２は金属イオンを供給しない。

上記構成の抵抗記憶素子の動作について説明する。ソース電極１５１およびドレイン電極１５２に対してゲート電極１５３に正の電圧を印加すると、近接するソース電極１５１およびドレイン電極１５２上に金属イオンの還元反応によって金属が析出する。そして、ソース電極１５１およびドレイン電極１５２間のギャップに析出した金属のためにソース電極１５１およびドレイン電極１５２が電気的に接続されて、スイッチはオン状態に遷移する。

一方、ソース電極１５１およびドレイン電極１５２に対してゲート電極１５３に負の電圧を印加すると、電極間のギャップにおいて析出した金属が取り除かれてオフ状態に遷移する。これらのオン状態およびオフ状態は、ゲート電極１５３への電圧印加を中止しても、それぞれの状態が保持される。この抵抗記憶素子はソース電極とドレイン電極の間の抵抗値を、これらとは別のゲート電極に印加する電圧で制御する。イオン伝導体の導電性が変化しているためゲート電極とソース・ドレイン電極との間の抵抗も変化している。

このような抵抗記憶素子は、前述のような電気的接続経路を切り替えるスイッチ用途や、データを記憶するメモリ用途などに用いられる。

国際公開番号ＷＯ２００５／００８７８３ （図５）

２０１０ ＩＥＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ ＭＥＥＴＩＮＧ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＤＩＧＥＳＴ (ｐｐ.３０３-３０６)

図１３に示す抵抗記憶装置の動作速度は、固体電解質内のイオンの移動速度により決まる。図１３の素子において、イオンの移動速度を速めるには固体電解質１０２にイオンが移動しやすい材料を用いる。この場合、読み出しにおいてＲｕ電極１０１とＣｕ電極１０３に電圧を印加した際にもイオンが移動してしまい、誤書き込みされるという問題が発生する。

また、図１５の素子の場合もイオン伝導体１５４にイオンが移動しやすい材料を用いると、読み出し時にイオンが移動してしまい、誤書き込みされるという問題が発生する。これは、読み出し時に印加される電界方向でイオンが移動すると、抵抗が変化してしまう構造であることに起因する。このように、関連技術では動作を高速化しようとした場合、読み出し時の誤書き込みが発生しやすくなるという問題があった。

本発明の目的は、上述した課題を解決した抵抗記憶装置およびその書き込み方法を提供することにある。

本発明の抵抗記憶装置は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体を挟んで対向して形成された第１の端子と第２の端子と、第１の絶縁体内に存在し第１の絶縁体が第１の端子と向かい合う面、もしくは第１の絶縁体が第２の端子と向かい合う面とほぼ平行な方向に延在する線状もしくは面状で第１の絶縁体に比べイオンが移動しやすいイオン伝導容易領域と、第１の端子と第２の端子の対向部を挟んで配置された第３の端子とイオン源とを有することを特徴としている。

また、本発明の抵抗記憶装置の書き込み方法は、書き込み処理を、読み出し端子をフローティング状態にして行うことを特徴としている。

この発明によれば、読み出し時における誤書き込みの発生を抑制しながら、イオンの移動速度を速くすることができる。このため、動作速度が改善された抵抗記憶装置およびその書き込み方法が実現できる。

本発明の第一の実施の形態の要部概略平面図と概略断面図である。 本発明の第一の実施の形態の動作説明図である。 本発明の第一の実施の形態の別の形態を示す要部概略断面図である。 本発明の第二の実施の形態の要部概略平面図と概略断面図である。 本発明の第二の実施の形態の動作説明図である。 本発明の第三の実施の形態の要部概略平面図と概略断面図である。 本発明の第三の実施の形態の動作説明図である。 本発明の第一の実施例の要部概略平面図と概略断面図である。 本発明の第一の実施例の代表的な製造工程での概略平面図と概略断面図である。 本発明の第一の実施例の別の形態の要部概略平面図と概略断面図である。 本発明の第二の実施例の要部概略平面図と概略断面図である。 本発明の第二の実施例の代表的な製造工程での概略平面図と概略断面図である。 非特許文献１に開示の抵抗記憶素子とその動作を示す概略断面図である。 図６に示す抵抗記憶素子を用いたクロスバースイッチ回路を示す要部概要図である。 特許文献１に開示の抵抗記憶素子を示す要部概略断面図である。

本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。

図１を参照すると、本発明の第一の実施の形態として抵抗記憶装置の平面図が（ａ）に、Ｉ−Ｉ線に沿った断面図が（ｂ）に、ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図が（ｃ）に示されている。

第一の実施の形態の抵抗記憶装置は、図１に示すように、第１の読み出し端子１と、第２の読み出し端子２と、第１の書き込み端子３と、イオン源４と、第１の絶縁体５と、第１のイオン伝導容易領域６とを有する。第１の絶縁体５は、対向する第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２とに挟まれた位置に配置される。

第１のイオン伝導容易領域６は、第１の絶縁体５が第１の読み出し端子１と対向する面、もしくは第１の絶縁体５が第２の読み出し端子２と対向する面とこの領域ではほぼ平行な方向に延在し、形状は図１（ｃ）に示すようにその延在方向面で第１の絶縁体５形状そのまま、すなわち、第１のイオン伝導容易領域６の上下面が第１の絶縁体５で挟まれ、側面および端面が第１の絶縁体５から露出している構成である。あるいは図１（ｄ）に示すように、第１のイオン伝導容易領域６の幅が第１の絶縁体５の幅より小さく形成され、第１のイオン伝導容易領域６の側面が第１の絶縁体５から露出しないように内部に配置される構成である。

さらに第１のイオン伝導容易領域６の一部は、図１（ｂ）に示すように第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２とが対向する対向部と重なる。第１の書き込み端子３とイオン源４とは、上記対向部の少なくとも一部を、第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２とが対向する方向とは異なる方向（図面では互いに交差する方向）に挟んで配置される。

次に本抵抗記憶装置の動作について図２を用いて説明する。図２を参照すると、本発明の第一の実施の形態の動作時の状態変化が示されている。まず、本抵抗記憶装置の第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間の抵抗を、高抵抗から低抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。

高抵抗状態では、図２（ａ）に示すように第１のイオン伝導容易領域６には金属イオンがほとんど存在せず、第１の絶縁体５が間に挟まった第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間にはほとんど電流が流れない。ここで第１の書き込み端子３とイオン源４との間に、イオン源４の金属イオン６４が第１の書き込み端子３の方向に流れる第１の極性で所望の値の電圧Ｖw1、Ｖw２を所望の時間印加する。

これにより、図２（ｂ）のように金属イオン６４がイオン源４から第１のイオン伝導容易領域６に入り、第１の書き込み端子３に向かって広がる。第１の読み出し端子１と第１のイオン伝導容易領域６の金属イオン６４との間、および第１の読み出し端子１と第１のイオン伝導容易領域６の金属イオン６４との間の第１の絶縁体５の厚さを適切に設定することで、第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間に電圧Ｖr１、Ｖr２を印加することにより、図２（ｃ）に示すように第１の読み出し端子１と第１のイオン伝導容易領域６の金属イオン６４との間、および第２の読み出し端子２と第１のイオン伝導容易領域６の金属イオンとの間を電子がトンネルし、電流が流れるようになる。このようにして、低抵抗に変化させる。第１の絶縁体５の厚さは所望の抵抗値から設計する。

次に、低抵抗から高抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。第１の書き込み端子３とイオン源４との間に、第１の極性とは逆向きで所望の値の電圧を印加する。これにより、第１のイオン伝導容易領域６内の金属イオン６４がイオン源４の方向に移動し、図２（ａ）のようにほとんどがイオン源４に回収される。第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間に電圧Ｖr１、Ｖr２を印加したとき、第１のイオン伝導容易領域６に金属イオンが存在しないため、第１の絶縁体５全体が絶縁体として働く。トンネル電流は絶縁体厚に対し指数関数的に変化するため、流れる電流は非常に小さくなり、高抵抗を示すようになる。

次に、本抵抗記憶装置の読み出し方法について説明する。読み出しは第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間の抵抗を評価することで行う。たとえば、第１の読み出し端子１に電圧Ｖr１を印加して第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間に電位差を与えることにより、第２の読み出し端子２を充電し、一定時間後の第２の読み出し端子２の電位と所望の電位とをセンスアンプを用いて比較する。ほかには、低電流源から所望の電流を流したときの電位と所望の電位とをセンスアンプを用いて比較するなどの方法がある。

誤書き込み耐性を確保するため、読み出し端子１，２とイオン源４との間に発生する電界の影響を評価し、第１のイオン伝導容易領域６のイオンが移動してしまうなど問題になるのであれば、抵抗記憶装置にはイオン源４と第１の書き込み端子３をそれぞれフローティング（ｆｌｏａｔ）にして読み出す制御機能を設けることが望ましい。問題にならなければ接地するなど、電位を与えても良い。書き込み時には、読み出し端子１，２は、書き込みを助ける極性の電位を与えたり、フローティングにしてもよい。

第１のイオン伝導容易領域６は、固体電解質や空気との界面を持つポーラスな構造の絶縁体を用いたり、異なる絶縁体同士の界面を用いてもよい。

図３に示すように、絶縁体５と固体電解質６０との界面を第１のイオン伝導容易領域６として用いた場合、第１のイオン伝導容易領域６に金属イオンがある場合、読み出し端子１−２間に所望の電圧をかけることで、固体電解質内に電界方向に延在する金属フィラメント６４２を形成させ、さらなる低抵抗化を図ることができる。

この場合、高抵抗に変化させるときは、固体電解質内のイオンは移動しにくいため、読み出し端子１−２間への電圧印加により第１のイオン伝導容易領域６に金属イオンを移動させる手段を設けることが望ましい。この構造では、第１のイオン伝導容易領域６に金属イオンがなければ読み出し端子１−２間に電圧を印加しても金属フィラメントが形成されることはなく、高抵抗のままである。

絶縁体５としては、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁性酸化物、窒化物や第１のイオン伝導容易領域６よりイオン伝導しにくい固体電解質を用いる。イオン源４としてはＣｕなどのイオン化しやすい材料や、イオン化量を調整するためイオン源４と第１のイオン伝導容易領域６との間にイオン源以外の材料を挟んでも良い。第１の書き込み端子３は電界を生成するのが目的のため、第１のイオン伝導容易領域６との間に絶縁体を挟んでも良い。第１のイオン伝導容易領域６上下の第１の絶縁体５の厚さは同じでも、異なってもよい。材料についても上下で異なっても良い。

書き込み時に印加する電圧は矩形波であっても、印加中に変化する波形であってもよく、複数回印加しても良い。

本実施の形態では、絶縁体中の金属イオンを介したトンネル電流を用いているため、イオン伝導容易領域６における金属イオン６４同士は電気的につながっている必要はなく、散在していても良い。このように読み出し電流経路は面状、もしくは線状であるため、関連技術におけるフィラメント状電流経路にくらべて広い領域に電流が流れるため、信頼性が高い。また、読み出し電流経路と書き込み電流経路が異なるため、イオン伝導容易領域に伝導性の高い構造を利用しても読み出し時に誤書き込みが起こりにくい。さらに関連技術のように読み出し電流によってフィラメントが強化されたり弱体化したりして後の書き込み特性に影響を与えることもない。

このように、読み出しの信頼性、安定性が向上し、また容易にイオンが移動する構造を用いることができるため、より高速に動作し、信頼性のある抵抗記憶装置を得ることができる。これらを複数用いて回路制御することで、メモリ装置やスイッチ装置を構成することができる。

図４を参照すると、本発明の第二の実施の形態として抵抗記憶装置の平面図が（ａ）に、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図が（ｂ）に、ＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図が（ｃ）に示されている。

第二の実施の形態の抵抗記憶装置は、図４に示すように、第１の読み出し端子１と、第２の読み出し端子２と、第１の書き込み端子３と、イオン源４と、第１の絶縁体５と、二層に配置された第１のイオン伝導容易領域６とを有する。第１の絶縁体５は、対向する第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２とに挟まれた位置に配置される。複数の第１のイオン伝導容易領域６は、第１の絶縁体５が第１の読み出し端子１と対向する面、もしくは第１の絶縁体５が第２の読み出し端子２と対向する面とこの領域ではほぼ平行な方向に延在し、その形状は図４（ｃ）に示すようにその延在方向面で第１の絶縁体５形状そのまま、すなわち、各第１のイオン伝導容易領域６の上下面が第１の絶縁体５で挟まれ、側面および端面が第１の絶縁体５から露出している構成である。

もしくは図４（ｄ）に示すように、各第１のイオン伝導容易領域６の幅が第１の絶縁体５の幅より小さく形成され、各第１のイオン伝導容易領域６の側面が第１の絶縁体５から露出しないように内部に配置される構成である。

さらにそれぞれの第１のイオン伝導容易領域６の一部は、第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２とが対向する領域と重なる。第１の書き込み端子３とイオン源４とは、第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２とが対向する領域の少なくとも一部を挟み、第１の絶縁体５の第１の読み出し端子１が配置されたのと同一面、もしくは第１の絶縁体５の第２の読み出し端子２が配置されたのと同一面に配置されている。

次に本抵抗記憶装置の動作について図５を用いて説明する。図５を参照すると、本発明の第二の実施の形態の動作時の状態変化が示されている。まず、高抵抗から低抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。高抵抗状態では、図５（ａ）に示すように、イオン伝導容易領域６には金属イオン６４がほとんど存在せず、読み出し端子１−２間にはほとんど電流が流れない。ここで第１の書き込み端子３とイオン源４との間に、イオン源４の金属イオンが第１の書き込み端子３の方向に流れる第１の極性で所望の値の電圧を所望の時間印加する。イオン源４に接する絶縁体５として、イオンを透過する材料および厚さにすることより、図５（ｂ）のように金属イオン６４がイオン源４から第１のイオン伝導容易領域６に入り、第１の書き込み端子３に向かって広がる。第１の読み出し端子１と第１のイオン伝導容易領域６の金属イオン６４との間、および第１の読み出し端子１と第１のイオン伝導容易領域６の金属イオン６４との間、および第１のイオン伝導容易領域６の間に配置された第１の絶縁体５の厚さを適切に設定することで、第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間に電圧を印加することにより、図５（ｂ）に示すように第１の読み出し端子１と第１のイオン伝導容易領域６の金属イオン６４同士と第２の読み出し端子２との間を電子がトンネルし、電流が流れるようになる。このようにして、低抵抗に変化させる。

次に、低抵抗から高抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。第１の書き込み端子３とイオン源４との間に、第１の極性とは逆向きで所望の値の電圧を印加する。これにより、第１のイオン伝導容易領域６内の金属イオン６４がイオン源４の方向に移動し、図５（ａ）に示すように、そのほとんどがイオン源４に回収される。第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間に電圧を印加したとき、第１のイオン伝導容易領域６に金属イオンが存在しないため、第１の絶縁体５全体が絶縁体として働き、高抵抗を示すようになる。

読み出し方法は、前述した第１の実施の形態と同様である。

それぞれのイオン伝導容易領域６は互いに異なる構造でも良い。イオン源と接する絶縁体５は、それ自体、もしくは接する部分を固体電解質にすると金属イオンが導入しやすい。本実施の形態のように複数のイオン伝導容易領域６を用いる場合は、それぞれのイオン伝導容易領域６にある金属イオン６４が近い位置にあることが低抵抗を得るために重要である。関連技術のように金属イオンがフィラメント状につながって形成される可能性があるため、それぞれのイオン伝導容易領域を狭くし、隣接する２つのイオン伝導容易領域がたがいにほぼ重なるように配置することで、金属イオンがどこにあっても低抵抗が得られるような構成が実現できる。

本実施の形態では、複数用意したイオン伝導容易領域６の金属イオン６４を介したトンネル電流を用いているため、絶縁体５を厚くすることができ、高抵抗状態での抵抗値をより高くすることができる。また、絶縁体側面に端子を形成しなくて良いので、製造が容易である。

図６を参照すると、本発明の第三の実施の形態として抵抗記憶装置を構成する抵抗記憶素子の構成図が示されている。

第三の実施の形態の抵抗記憶装置は、図６に示すように、第１の読み出し端子１と、第２の読み出し端子２と、イオン源４と、第１の絶縁体５と、第１のイオン伝導容易領域６とを有する。第１の絶縁体５は、対向する第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２とに挟まれた位置に配置される。

第１のイオン伝導容易領域６は、第１の絶縁体５が第１の読み出し端子１と対向する面、もしくは第１の絶縁体５が第２の読み出し端子２と対向する面とこの領域ではほぼ平行な方向に延在し、その形状は図４（ｃ）に示すようにその延在方向面で第１の絶縁体５形状そのまま、もしくは図４（ｄ）に示すように図４（ｃ）の一部の形状であり、第１の絶縁体５の内部に第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２の間の方向に複数配置される。

さらにそれぞれの第１のイオン伝導容易領域６の一部は、第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２とが対向する領域と重なる。イオン源４は、第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２とは別の位置に配置される。本実施の形態では、第１の読み出し端子１、もしくは第２の読み出し端子２が、第１の実施の形態や第２の実施の形態の第１の書き込み端子の役割を共有する。

次に本抵抗記憶装置の動作について図７を用いて説明する。図７を参照すると、本発明の第三の実施の形態の動作時の状態変化が示されている。まず、高抵抗から低抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。高抵抗状態では、イオン伝導容易領域６には金属イオンがほとんど存在せず、読み出し端子間にはほとんど電流が流れない。ここで第１の読み出し端子１とイオン源４との間に、イオン源４の金属イオンが第１の読み出し端子１の方向に流れる第１の極性で所望の値の電圧を所望の時間印加する。これにより、図７に示すように金属イオン６４がイオン源４から各第１のイオン伝導容易領域６に入り、第１の読み出し端子１に向かって広がる。

第１の読み出し端子１と各第１のイオン伝導容易領域６の金属イオン６４との間、および第２の読み出し端子２と各第１のイオン伝導容易領域６の金属イオンとの間、および第１のイオン伝導容易領域６の間に配置された第１の絶縁体５の厚さを適切に設定することで、第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間に電圧を印加することにより、図７に示すように第１の読み出し端子１と第１のイオン伝導容易領域６の金属イオン６４同士と第２の読み出し端子２との間を電子がトンネルし、電流が流れるようになる。このようにして、低抵抗に変化させる。

次に、低抵抗から高抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。第１の読み出し端子１とイオン源４との間に、第１の極性とは逆向きで所望の値の電圧を印加する。これにより、第１のイオン伝導容易領域６内の金属イオン６４がイオン源４の方向に移動し、そのほとんどがイオン源４に回収される。第１の読み出し端子１と第２の読み出し端子２との間に電圧を印加したとき、第１のイオン伝導容易領域６に金属イオンが存在しないため、第１の絶縁体５全体が絶縁体として働き、高抵抗を示すようになる。

読み出し方法は、前述した第１の実施の形態と同様である。

それぞれのイオン伝導容易領域は異なる構造でも良い。書き込み時の電圧は、第１の読み出し端子１だけでなく第２の読み出し端子２にも印加することができる。

本実施の形態では、端子の数を減らすことができるので、微細化が可能である。
（実施例）
次に、具体的な実施例を用いて本発明の動作を説明する。
図８に示した抵抗記憶素子を用いて、本発明の第一の実施例を説明する。図８（ａ）は素子の平面図、（ｂ）はＶ−Ｖ線に沿った断面図、（ｃ）はＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。

本発明の第一の実施例は、第１の読み出し端子５６であるルテニウム（Ｒｕ）と、第２の読み出し端子５２であるＲｕと、第１の書き込み端子５８であるＲｕと、イオン源５７である銅（Ｃｕ）と、イオン伝導容易領域５４としての酸化ケイ素タンタル（ＴａＳｉＯ）と、イオン伝導容易領域５４を挟んで形成された絶縁体５３，５５（二酸化シリコン（ＳｉＯ_２））とを有している。各端子とイオン源は制御回路と電気的に接続されている。

次に、本実施例の製造方法について図９を用いて説明する。図９（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は、代表的な製造行程における平面図であり、図９（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）は図９（ａ）、（ｃ）および（ｅ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線およびＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図をそれぞれ示す。

まず、集積回路などが形成されたシリコン基板等の基板（図示せず）上にＳｉＯ_２層間膜５１を４００ｎｍの厚さに成膜し、フォトリソグラフィ技術により端子形成部以外をレジストで保護し、反応性イオンエッチング技術（以降ＲＩＥと称す）により層間膜５１を２００ｎｍの深さに選択エッチングする。

レジスト除去後、全面に第２の読み出し端子５２となるＲｕをスパッタリング法で３００ｎｍの厚さに成膜し、その後、化学的機械的研磨技術（以降ＣＭＰと称す）により第２の読み出し端子形成部以外のＲｕを研磨除去し、第２の読み出し端子５２のＲｕパターンを形成する。

次に、全面に第１の絶縁体５３を２ｎｍ、イオン伝導容易領域５４を１ｎｍ、第２の絶縁体５５を１ｎｍ、第１の読み出し端子５６を２０ｎｍ、の厚さでスパッタリング法や化学蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（以降ＣＶＤと称す）で順次成膜する。

次に、イオン源形成部以外をレジストで保護し、ＲＩＥによりイオン源形成部のＲｕ５６、第２の絶縁体５５、イオン伝導容易領域５４、第１の絶縁体５３を除去する。レジスト除去後全面にシード層とＣｕのイオン源５７をスパッタリング法とメッキ法を用いて形成した後、ＣＭＰにより平坦化することでイオン源５７の部分にＣｕを残す（図９（ａ）および（ｂ））。同様のプロセスを用いて第１の書き込み端子５８のための部分を開口し、Ｔａをスパッタリング法で３００ｎｍの厚さに形成し、さらにＣＭＰで平坦化し、第１の書き込み端子５８を形成する。

次に、抵抗記憶素子となる領域にレジスト６０を形成し、レジスト６０とＣｕのイオン源５７とをマスクとして、Ｔａの第１の書き込み端子５８、Ｒｕの第１の読み出し端子５６、第２の絶縁体５５、ＴａＳｉＯのイオン伝導容易領域５４、第１の絶縁体５３をＲＩＥにより選択的に除去する（図９（ｃ）および（ｄ））。

次にレジスト６０を除去した後、第１の読み出し端子５６の形状にレジストを形成し、ＲＩＥにより第１の読み出し端子５６を加工することで、抵抗記憶素子が形成できる（図９（ｅ）および（ｆ））。

次に、本実施例の動作方法について説明する。まず、記憶状態の読み出し方法について説明する。記憶状態は、第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２との間の抵抗として記憶される。このため、第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２との間に電圧を印加して流れる電流を評価したり、低電流を流すための印加電圧を評価したりすることで、抵抗値を評価して記憶状態を判別する。このとき、第１の書き込み端子５８とイオン源５７とはフローティング状態に設定する。メモリなどのようにデータ記憶装置として用いる場合は、読み出した抵抗値からデータを判別する。また、クロスバースイッチのような用途では、抵抗値により接続、非接続として働くように回路を構成する。

次に、抵抗記憶素子の抵抗を高抵抗から低抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２をフローティング状態に設定した後、第１の書き込み端子５８を接地し、イオン源５７に正の電位、たとえば２Ｖを１０ｎｓ印加する。イオン源からのＣｕイオンは正イオン（Ｃｕ⁺）としてイオン伝導容易領域５４内と、このイオン伝導容易領域５４と第２の絶縁体５５との界面およびイオン伝導容易領域５４と第１の絶縁体５３との界面を第１の書き込み端子５８へ向かう方向に移動する。これにより、第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２との間のイオン伝導容易領域５４部分にＣｕイオンが移動したため、Ｃｕイオンを介してトンネルする電子が増加し、低抵抗を示すようになる。

次に、抵抗記憶素子の抵抗を低抵抗から高抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２をフローティング状態に設定した後、イオン源５７を接地し、第１の書き込み端子５８に正の電位、たとえば３Ｖを１μｓ印加する。Ｃｕイオンはイオン源５７方向に移動するため、第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２との間のイオン伝導容易領域５４部分のＣｕイオンがなくなる。これにより、第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２との間は第２の絶縁体５５、イオン伝導容易領域５４および第１の絶縁体５３の全体で絶縁されるため、電子のトンネル確率が減少し、高抵抗を示すようになる。

読み出し時に第１の書き込み端子５８とイオン源５７に電位が与えられると、第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２からの電界が発生するため、イオン伝導容易領域５４中のイオンを移動させる可能性がある。移動量が使用上問題ない量であれば、第１の書き込み端子５８とイオン源５７に電位を与えても良い。例えば、第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２の電位の中間の値に設定すると、第１の読み出し端子５６側と第２の読み出し端子５２側で逆向きの電界となるため、影響を最小にすることができる。主な電界方向は、イオン伝導容易領域５４の延在方向とは異なるため、原理的に影響は小さく、読み出し時の誤書き込み発生を抑制することが可能である。

また、書き込み時には第１の読み出し端子５６と第２の読み出し端子５２にイオンの移動を助ける向きの電位を一時的に印加することも可能である。第１の読み出し端子５６とイオン伝導容易領域５４との間隔、および第２の読み出し端子５２とイオン伝導容易領域５４との間隔は、電子がトンネルできる距離にする必要がある。このため、どちらの間隔も３ｎｍ以下であることが望ましい。すなわち、第１の絶縁体５２および第２の絶縁体５５の厚みを３ｎｍ以下とすることが望ましい。

イオン伝導容易領域５４は、本実施例のように固体電解質や、膜内に空気との界面をもつポーラスＳｉＯ_２などの材料も利用可能である。また、二つの絶縁体を積層した界面も利用可能である。

図１０は図８における第１の絶縁体５３のかわりにイオン伝導容易領域５４を用いた構造であり、イオン伝導容易領域５４と第２の絶縁体５５との界面をイオン伝導容易領域として用いている。イオン源５７と第１の書き込み端子５８は直接イオン伝導容易領域５４であるＴａＳｉＯに接しているが、たとえばチタン（Ｔｉ）やＳｉＯ_２などの金属や絶縁体を介して接触させることにより、イオン化を調整することも可能である。また、イオン伝導容易領域６４は素子形状と同じである必要はなく、イオン源から対向部までイオンを導入できればいいので、金属イオンが拡散できる程度のイオン源近傍から対向部にわたり、少なくとも線状に存在すればよい。

本実施例によれば、読み出し時に誤書き込みの発生を抑制することができるため、イオンの移動速度が速い構造を利用できる。このため、動作速度が速い抵抗記憶装置が実現可能となる。

図１１に示した抵抗記憶素子を用いて、本発明の第二の実施例を説明する。図１１（ａ）は抵抗記憶素子の平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ線に沿った断面図、（ｃ）はＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。

本発明の第二の実施例は、第１の読み出し端子８９であるＴａと、第２の読み出し端子８２であるＴａと、第１の書き込み端子９１であるＴａと、イオン源８３であるＣｕと、イオン伝導容易領域８５，８７としての硫化銅（Ｃｕ_２Ｓ）と、イオン伝導容易領域を挟んで形成された第１および第２の絶縁体８４および８６としてのＳｉＯ_２と第３の絶縁体８８としての窒化シリコン（ＳｉＮ）を有している。さらにイオン導入部９０としてのＣｕ_２Ｓを有している。各端子とイオン源は制御回路と電気的に接続されている。

次に、本実施例の製造方法について図１２を用いて説明する。図１２（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は、代表的な製造行程における平面図であり、図１２（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）は図１２（ａ）、（ｃ）および（ｅ）のＸＩＩ−ＸＩＩ線、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線およびＩＸＸ−ＩＸＸ線に沿った断面図をそれぞれ示す（。まず、集積回路などが形成されたシリコン基板等の基板（図示せず）上に絶縁体ＳｉＯ_２層間膜８１を４００ｎｍの厚さに成膜し、フォトリソグラフィ技術により端子形成部以外をレジストで保護し、ＲＩＥにより層間膜８１を２００ｎｍの深さに選択エッチングする。

レジスト除去後、全面に第２の読み出し端子８２となるＴａをスパッタリング法で３００ｎｍの厚さに成膜し、その後、ＣＭＰにより端子形成部以外のＴａを研磨除去し、第２の読み出し端子８２のＴａパターンを形成する。次に、イオン源形成部以外をレジストで保護し、ＲＩＥにより絶縁体層間膜８１を２００ｎｍの深さに選択エッチングする。

レジスト除去後、全面にシード層とＣｕイオン源８３をスパッタリング法とメッキ法を用いて３００ｎｍ形成した後、ＣＭＰにより平坦化することでイオン源部分にイオン源８３を残す。

次に、全面に第１の絶縁体８４を１ｎｍ、第１のイオン伝導容易領域８５を０．７ｎｍ、第２の絶縁体８６を０．７ｎｍ、第２のイオン伝導容易領域８７を０．７ｎｍ、第３の絶縁体８８を２ｎｍ、第１の読み出し端子８９を５０ｎｍ、スパッタリング法とＣＶＤで順次成膜する。

次に、イオン源上部以外をレジストで保護し、ＲＩＥによりイオン源導入部の第１の読み出し端子８９から第１の絶縁体８４までを除去する。レジスト除去後全面にイオン導入部９０を１００ｎｍの厚さにスパッタリング法で成膜した後、ＣＭＰにより平坦化することでイオン導入部９０を形成する（図１２（ａ）および（ｂ））。次に、素子となる領域にレジストを形成し、レジストをマスクとして、イオン導入部９０と第１の読み出し端子８９から第１の絶縁体８４までをＲＩＥにより除去する（図１２（ｃ）および（ｄ））。

レジスト除去後、第１の読み出し端子８９と第１の書き込み端子９１の形状にレジストを形成し、ＲＩＥにより第１の読み出し端子８９を加工することで、素子形状が形成できる（図１２（ｅ）および（ｆ））。

次に、本実施例の動作方法について説明する。記憶状態は読み出し端子である第１の読み出し端子８９と第２の読み出し端子８２の間の抵抗として記憶されており、読み出し方法は第１の実施例と同様である。

次に、素子抵抗を高抵抗から低抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。第１の読み出し端子８９と第２の読み出し端子８２をフローティング状態に設定した後、第１の書き込み端子９１を接地し、イオン源８３に正の電位、たとえば２Ｖを１００ｎｓ印加する。イオン源からのＣｕイオンは正イオンとしてイオン導入部９０と、第１および第２のイオン伝導容易領域８５，８７を第１の書き込み端子９１方向に移動する。これにより、第１の読み出し端子８９と第２の読み出し端子８２との間の第１および第２のイオン伝導容易領域８５，８７部分にＣｕイオンが移動するため、Ｃｕイオンを介してトンネルする電子が増加し、低抵抗を示すようになる。

次に、素子抵抗を低抵抗から高抵抗に変化させる書き込み方法について説明する。第１の読み出し端子８９と第２の読み出し端子８２をフローティング状態に設定した後、イオン源８３を接地し、第１の書き込み端子９１に正の電位、たとえば３Ｖを１００μｓ印加する。Ｃｕイオンはイオン源８３方向に移動するため、第１の読み出し端子８９と第２の読み出し端子８２との間の第１のイオン伝導容易領域８５および第２のイオン伝導容易領域８７部分のＣｕイオンがなくなる。これにより、第１の読み出し端子８９と第２の読み出し端子８２の間は第３の絶縁体８８、第２のイオン伝導容易領域８７、第２の絶縁体８６、第１のイオン伝導容易領域８５、第１の絶縁体８４の全体で絶縁されるため、電子のトンネル確率が減少し、高抵抗を示すようになる。

各絶縁体８４、８６、８８の厚さは同じである必要はないが、金属イオンが到達しやすいよう、イオン源に近い側が薄い方が望ましい。本実施例ではイオン導入部９０により金属イオンをイオン伝導容易領域に導入しているが、イオン導入部９０がなくても第２の絶縁体８６および第１の絶縁体８４が薄いため、拡散で金属イオンを導入することもできる。このときイオン源表面を固体電解質膜で覆っておくとイオン化を促進できる。本実施例では、第１の読み出し端子８９と第１の書き込み端子９１を別々に設けたが、第１の読み出し端子８９を書き込みと読み出しの共用端子として使用し、第１の書き込み端子９１を省略することも可能である。

本実施例によれば、すべての端子が成膜面の上下にあるため製造が容易になる。
以上の実施例において、端子を構成する材料としてはＴｉ，Ｔａ，Ｐｔ，タングステン（Ｗ）,モリブデン（Ｍｏ），シリサイドなどがあげられる。また、イオン源としてはＣｕ，銀（Ａｇ）,鉛（Ｐｂ）などが利用できる。イオン伝導容易領域としては、カルコゲン元素（酸素（Ｏ）,硫黄（Ｓ）,セレン（Ｓｅ）,テリウム（Ｔｅ））と金属の化合物、シリコンを含む絶縁物（酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン）、ペロブスカイト型酸化物（ＡＢＯ_３：Ａ：（Ｍｇ）,カルシウム（Ｃａ）,ストロンチウム（Ｓｒ）,バリウム（Ｂａ）、ホウ素（Ｂ）：Ｔｉ）などでもよい。

なお、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
第１の絶縁体と、前記第１の絶縁体を挟んで対向して形成された第１の端子と第２の端子と、前記第１の絶縁体内に存在し前記第１の絶縁体が前記第１の端子と向かい合う面、もしくは前記第１の絶縁体が前記第２の端子と向かい合う面とほぼ平行な方向に延在する線状もしくは面状で前記第１の絶縁体に比べイオンが移動しやすいイオン伝導容易領域と、前記第１の端子と前記第２の端子の対向部を挟んで配置された第３の端子とイオン源とを有することを特徴とする抵抗記憶装置。
（付記２）
前記イオン伝導容易領域と前記第１の端子との距離と、前記イオン伝導容易領域と前記第２の端子との距離とが異なることを特徴とする付記１の抵抗記憶装置。
（付記３）
前記イオン伝導容易領域と前記第１の端子との距離、および記イオン伝導容易領域と前記第２の端子との距離それぞれが、電子がトンネルできる距離であることを特徴とする付記１から３のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記４）
前記イオン伝導容易領域が複数あることを特徴とする付記１から３のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記５）
前記イオン伝導容易領域と前記第１の端子との距離、もしくは前記イオン伝導容易領域と前記第２の端子との距離と、前記イオン伝導容易領域同士の距離とが異なることを特徴とする付記４の抵抗記憶装置。
（付記６）
前記イオン伝導容易領域同士の距離が、電子がトンネルできる距離であることを特徴とする付記４から５のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記７）
前記距離が３ｎｍ以下であることを特徴とする付記１から６のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記８）
前記第３の端子および／またはイオン源と前記イオン伝導容易領域が前記第２の絶縁体、もしくは導電体を介して接していることを特徴とする付記１から７のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記９）
前記第３の端子と前記第１の端子、もしくは前記第２の端子とが同一であることを特徴とする付記１から８のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記１０）
前記第３の端子と前記イオン源との間に電圧を印加することにより、前記イオン伝導容易領域にイオンを配置、除去することで、前記第１の端子と前記第２の端子との間で前記イオン伝導容易領域を介して流れるトンネル電流を変化させることを特徴とする付記１から９のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記１１）
前記第３の端子と前記イオン源との間に電圧を印加することにより、前記イオン伝導容易領域にイオンを配置、除去することで、前記第１の端子と前記第２の端子との間に電圧を印加したとき、前記イオン伝導容易領域と前記第１の端子、もしくは前記第２の端子との間への金属架橋の形成のしやすさを変化させることを特徴とする付記１から１０のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記１２）
前記イオン伝導容易領域が、前記第１の絶縁体内に形成された固体電解質材料であることを特徴とする付記１から１１のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記１３）
前記イオン伝導容易領域が、同一、もしくは異なる絶縁体が接する界面を含むことを特徴とする付記１から１２のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記１４）
読み出し時に印加される電界方向と、書き込み時にイオンが移動する方向とが異なることを特徴とする付記１から１３のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
（付記１５）
書き込み処理を、読み出し端子をフローティング状態にして行うことを特徴とする付記１から１４のいずれか１項記載の抵抗記憶装置の書き込み方法。
（付記１６）
書き込み手順が、読み出し端子にイオン移動を促進する電位を印加する手順を含むことを特徴とする付記１から１５のいずれか１項記載の抵抗記憶装置の書き込み方法。
（付記１７）
読み出し処理を、書き込み端子とイオン源とをフローティング状態にして行うことを特徴とする付記１から１６のいずれか１項記載の抵抗記憶装置の書き込み方法。
（付記１８）
読み出し処理を、読み出し端子に印加する電位の平均電位を書き込み端子とイオン源とに印加して行うことを特徴とする付記１から１６のいずれか１項記載の抵抗記憶装置の書き込み方法。

１ 第１の読み出し端子
２ 第２の読み出し端子
３ 第１の書き込み端子
４ イオン源
５ 第１の絶縁体
６ 第１のイオン伝導容易領域

Claims (10)

1. 第１の絶縁体と、前記第１の絶縁体を挟んで対向して形成された第１の端子と第２の端子と、前記第１の絶縁体内に存在し前記第１の絶縁体が前記第１の端子と向かい合う面、もしくは前記第１の絶縁体が前記第２の端子と向かい合う面とほぼ平行な方向に延在する線状もしくは面状で前記第１の絶縁体に比べイオンが移動しやすいイオン伝導容易領域と、前記第１の端子と前記第２の端子の対向部を挟んで配置された第３の端子とイオン源とを有することを特徴とする抵抗記憶装置。
2. 前記イオン伝導容易領域と前記第１の端子との距離と、前記イオン伝導容易領域と前記第２の端子との距離とが異なることを特徴とする請求項１の抵抗記憶装置。
3. 前記イオン伝導容易領域と前記第１の端子との距離、および前記イオン伝導容易領域と前記第２の端子との距離それぞれが、電子がトンネルできる距離であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
4. 前記イオン伝導容易領域が複数あることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
5. 前記イオン伝導容易領域と前記第１の端子との距離、もしくは前記イオン伝導容易領域と前記第２の端子との距離と、前記イオン伝導容易領域同士の距離とが異なることを特徴とする請求項４の抵抗記憶装置。
6. 前記イオン伝導容易領域同士の距離が、電子がトンネルできる距離であることを特徴とする請求項４乃至５のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
7. 前記第３の端子と前記第１の端子、もしくは前記第２の端子とが同一であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の抵抗記憶装置。
8. 書き込み処理を、読み出し端子をフローティング状態にして行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の抵抗記憶装置の書き込み方法。
9. 書き込み手順が、読み出し端子にイオン移動を促進する電位を印加する手順を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の抵抗記憶装置の書き込み方法。
10. 読み出し処理を、書き込み端子とイオン源とをフローティング状態にして行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の抵抗記憶装置の書き込み方法。

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