JP2013197172A - Resistance change memory - Google Patents

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美尚 中野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resistance change memory that is capable of suppressing power consumption at the time of switching of resistance of a resistance change layer.SOLUTION: A storage element 10 of a resistance change memory includes: a plate electrode 13; a fine wire electrode 16; and a resistance change layer 14 that is arranged between the plate electrode 13 and the fine wire electrode 16 and is made of a metallic oxide whose resistance changes due to application of a voltage between the plate electrode 13 and the fine wire electrode 16. Also, the storage element 10 includes a current barrier part 15 formed between the fine wire electrode 16 and the resistance change layer 14. Current is hard to flow through the current barrier part 15 in one current flow direction between the plate electrode 13 and the fine wire electrode 16 in comparison with the resistance change layer 14.

Description

本開示の技術は、互いに異なる複数の抵抗値が情報として保持される層である抵抗変化層を有するメモリに関する。   The technology of the present disclosure relates to a memory having a resistance change layer that is a layer in which a plurality of resistance values different from each other are held as information.

抵抗変化層を有するメモリである抵抗変化メモリは、高速の動作と多値の記憶とが可能であるため、次世代のメモリとして期待されている。こうした抵抗変化層のうち特許文献1に記載される二元系の金属酸化物からなる抵抗変化層では、以下に示される機構によって抵抗値の切り替えが起こると考えられている。   A resistance change memory, which is a memory having a resistance change layer, is expected as a next-generation memory because it can operate at high speed and store multiple values. Among such resistance change layers, in the resistance change layer made of a binary metal oxide described in Patent Document 1, it is considered that the resistance value is switched by the mechanism described below.

まず、初期状態の抵抗変化層に情報を書き込むセット電圧が印加されることにより、導電性のフィラメントが2つの電極間に形成される。そして、抵抗変化層に書き込まれた情報を消去するリセット電圧が印加されると、抵抗変化層に電場が形成されて、あるいは、抵抗変化層に磁場が形成されて、フィラメントのうち電極の近傍の部分が消失する。これによって、抵抗変化層は、その抵抗値が相対的に高い状態である高抵抗状態となる。   First, a conductive voltage is formed between two electrodes by applying a set voltage for writing information to the initial resistance change layer. When a reset voltage for erasing information written in the resistance change layer is applied, an electric field is formed in the resistance change layer, or a magnetic field is formed in the resistance change layer. The part disappears. Thereby, the resistance change layer is in a high resistance state in which the resistance value is relatively high.

次いで、高抵抗状態の抵抗変化層に対してセット電圧が印加されると、抵抗変化層に電場が形成されて、あるいは、抵抗変化層に磁場が形成されて、消失した導電性のフィラメントが再び形成される。これによって、抵抗変化層は、その抵抗値が相対的に低い状態である低抵抗状態となる。   Next, when a set voltage is applied to the resistance change layer in the high resistance state, an electric field is formed in the resistance change layer, or a magnetic field is formed in the resistance change layer, and the lost conductive filament is again formed. It is formed. As a result, the resistance change layer is in a low resistance state in which the resistance value is relatively low.

特開2004−363604号公報JP 2004-363604 A

ところで、抵抗変化メモリでは、低抵抗状態から高抵抗状態への切り替えであるセット動作と、高抵抗状態から低抵抗状態への切り替えであるリセット動作と、抵抗変化層における抵抗値の検出であるリード動作とに際して、電力が消費される。特に、抵抗変化層の抵抗値を切り替える際に、相対的に大きい電流が流れるため、抵抗変化メモリでは、記憶素子に対する情報の書き込みと消去とを行う度に、相対的に大きい電力が消費されてしまうことになる。そこで、上述の抵抗変化メモリには、抵抗変化層での抵抗の切り替えによって消費される電力を抑えることが求められている。   By the way, in the resistance change memory, a set operation that is switching from the low resistance state to the high resistance state, a reset operation that is switching from the high resistance state to the low resistance state, and a read that is detection of the resistance value in the resistance change layer. In operation, power is consumed. In particular, since a relatively large current flows when switching the resistance value of the resistance change layer, the resistance change memory consumes relatively large power each time information is written to and erased from the storage element. Will end up. Therefore, the above-described resistance change memory is required to suppress the power consumed by switching the resistance in the resistance change layer.

なお、ペロブスカイト型金属酸化物等の多元系の金属酸化物を用いた抵抗変化メモリでは、抵抗変化の生じる機構が二元系の金属酸化物とは異なっていると考えられている。しかしながら、こうした抵抗変化メモリにおいても、電圧の印加によって抵抗値が切り替えられ、且つ、電圧の印加によって電力が消費される点は共通しているため、上述と概ね共通した問題が生じる。   Note that in a resistance change memory using a multi-component metal oxide such as a perovskite-type metal oxide, it is considered that the mechanism of resistance change is different from that of a binary metal oxide. However, even in such a resistance change memory, the resistance value is switched by applying a voltage, and the power is consumed by applying the voltage. Therefore, the problem generally common to the above occurs.

本開示の技術は、抵抗変化層の抵抗値を切り替えるときに電力の消費を抑えることのできる抵抗変化メモリを提供することを目的とする。   An object of the technology of the present disclosure is to provide a resistance change memory capable of suppressing power consumption when switching the resistance value of a resistance change layer.

以下、上述の課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
本開示における抵抗変化メモリの一態様は、抵抗変化層と、前記抵抗変化層に書き込み電圧を印加する書き込み電極とを備え、前記書き込み電極が、前記書き込み電圧の印加により電流が流れることを抑制するエネルギー障壁を介して前記抵抗変化層に連結され、前記抵抗変化層と連結される部分を、前記書き込み電圧により前記抵抗変化層の抵抗値を変える微細な点状とする。
Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.
One aspect of the resistance change memory according to the present disclosure includes a resistance change layer and a write electrode that applies a write voltage to the resistance change layer, and the write electrode suppresses a current from flowing due to the application of the write voltage. A portion connected to the variable resistance layer through an energy barrier and connected to the variable resistance layer is formed as a fine dot that changes the resistance value of the variable resistance layer by the write voltage.

上述の態様によれば、抵抗変化層の抵抗値を変える書き込み電極が、エネルギー障壁を介して抵抗変化層に連結されるため、抵抗変化層に書き込み電圧が印加される際に、抵抗変化層に電流が流れることが抑えられる。そして、エネルギー障壁により電流が流れなくとも抵抗変化層の抵抗値が変わるように、抵抗変化層に連結される書き込み電極の部分が微小な点状とされるから、互いに異なる複数の抵抗値が情報として扱われる抵抗変化メモリにて、その電力の消費が抑えられる。   According to the above-described aspect, the write electrode that changes the resistance value of the variable resistance layer is connected to the variable resistance layer via the energy barrier. Therefore, when a write voltage is applied to the variable resistance layer, Current flow is suppressed. And since the portion of the write electrode connected to the resistance change layer is formed in a minute dot shape so that the resistance value of the resistance change layer is changed even if no current flows due to the energy barrier, a plurality of different resistance values are information. In the resistance change memory treated as, the power consumption is suppressed.

本開示における抵抗変化メモリの他の態様は、前記エネルギー障壁が、前記抵抗変化層と前記書き込み電極との接合によって形成されるショットキー障壁である。
上述の態様によれば、抵抗変化層と書き込み電極とがショットキー接合を形成するため、抵抗変化層や書き込み電極とは異なる部材によってエネルギー障壁が形成される構成と比べて、抵抗変化メモリの構成を簡素にすることが可能である。
Another aspect of the resistance change memory according to the present disclosure is a Schottky barrier in which the energy barrier is formed by a junction between the resistance change layer and the write electrode.
According to the above aspect, since the resistance change layer and the write electrode form a Schottky junction, the configuration of the resistance change memory is compared with the configuration in which the energy barrier is formed by a member different from the resistance change layer and the write electrode. Can be simplified.

本開示における抵抗変化メモリの他の態様は、前記抵抗変化層と前記書き込み電極とに挟まれるエネルギー障壁層をさらに備え、前記エネルギー障壁層が、前記抵抗変化層と前記書き込み電極とのいずれか一方との接合によって前記エネルギー障壁であるショットキー障壁を形成する。   Another aspect of the resistance change memory according to the present disclosure further includes an energy barrier layer sandwiched between the resistance change layer and the write electrode, and the energy barrier layer is one of the resistance change layer and the write electrode. The Schottky barrier which is the energy barrier is formed by the junction with.

上述の態様によれば、抵抗変化層と書き込み電極とにエネルギー障壁層が挟まれるため、抵抗変化層と書き込み電極との接合によってエネルギー障壁が形成される構成と比べて、抵抗変化層を形成する材料の範囲や書き込み電極を形成する材料の範囲を広げることが可能にもなる。   According to the above aspect, since the energy barrier layer is sandwiched between the resistance change layer and the write electrode, the resistance change layer is formed as compared with the configuration in which the energy barrier is formed by joining the resistance change layer and the write electrode. It is also possible to expand the range of materials and the range of materials for forming the writing electrode.

本開示における抵抗変化メモリの他の態様は、前記抵抗変化層の抵抗値を読み出す読み出し電極をさらに備え、前記書き込み電極が、前記読み出し電極を兼ね、前記ショットキー障壁に対し読み出し電圧として順方向の電圧を印加する。   Another aspect of the resistance change memory according to the present disclosure further includes a read electrode that reads a resistance value of the resistance change layer, and the write electrode also serves as the read electrode and serves as a read voltage with respect to the Schottky barrier in a forward direction. Apply voltage.

上述の態様では、書き込み電極が読み出し電極を兼ねるため、書き込み電極と読み出し電極とが互いに異なる構成と比べて、抵抗変化メモリの構成を簡素にすることが可能にもなる。   In the above-described aspect, since the write electrode also serves as the read electrode, the configuration of the resistance change memory can be simplified as compared with a configuration in which the write electrode and the read electrode are different from each other.

本開示における抵抗変化メモリの他の態様は、前記抵抗変化層の抵抗値を読み出す読み出し電極をさらに備え、前記書き込み電極と前記読み出し電極とが互いに異なる。
上述の態様では、書き込み電極と読み出し電極とが互いに異なるため、電極の構造や電極の材料に対し、抵抗変化層の抵抗値を読み出すうえで必要とされる制約を書き込み電極が受けることはない。それゆえに、電極の構造や電極の材料に対し、抵抗変化層の抵抗値の変化に特化したものを書き込み電極や読み出し電極に適用することが可能にもなる。
Another aspect of the resistance change memory according to the present disclosure further includes a read electrode that reads a resistance value of the resistance change layer, and the write electrode and the read electrode are different from each other.
In the above-described aspect, since the write electrode and the read electrode are different from each other, the write electrode does not receive restrictions necessary for reading the resistance value of the resistance change layer with respect to the electrode structure and the electrode material. Therefore, it is also possible to apply to the write electrode and the read electrode those specialized in the change in the resistance value of the resistance change layer with respect to the electrode structure and the electrode material.

本開示における抵抗変化メモリの他の態様は、前記抵抗変化層と前記書き込み電極とに挟まれる絶縁層をさらに備え、前記エネルギー障壁が、前記書き込み電極と前記絶縁層との接合と、前記抵抗変化層と前記絶縁層との接合とによって形成される。   Another aspect of the resistance change memory according to the present disclosure further includes an insulating layer sandwiched between the resistance change layer and the write electrode, wherein the energy barrier includes a junction between the write electrode and the insulating layer, and the resistance change. It is formed by joining the layer and the insulating layer.

上述の態様では、書き込み電極と絶縁層との接合と、抵抗変化層と絶縁層との接合とによってエネルギー障壁が形成されるため、抵抗変化層から書き込み電極に流れる電流と、書き込み電極から抵抗変化層に電流とを確実に抑えることができる。   In the above-described aspect, an energy barrier is formed by the junction between the write electrode and the insulating layer and the junction between the variable resistance layer and the insulating layer, so that the current flowing from the variable resistance layer to the write electrode and the resistance change from the write electrode Current can be reliably suppressed in the layer.

本開示における抵抗変化メモリの他の態様は、前記抵抗変化層が、チタン酸化物からなり、前記書き込み電極にて前記抵抗変化層と接する部位が、ロジウム及びイリジウムのいずれかからなり、前記書き込み電極にて前記抵抗変化層と接する面の面積が、0.01μm以下である。 In another aspect of the resistance change memory according to the present disclosure, the resistance change layer is made of titanium oxide, and a portion of the write electrode that is in contact with the resistance change layer is made of rhodium or iridium. The area of the surface in contact with the variable resistance layer is 0.01 μm 2 or less.

上述の態様では、書き込み電極にて抵抗変化層と接する部位が、ロジウム及びイリジウムのいずれかからなり、且つ、書き込み電極と抵抗変化層との接触面積が、0.01μm以下であり、抵抗変化層がチタン酸化物からなるから、書き込み電極と抵抗変化層との接触面でショットキー障壁が形成される。こうした態様によれば、書き込み電極と抵抗変化層とによってエネルギー障壁が形成されるから、抵抗変化メモリの形成に必要な工程の数を減らすことができる。 In the above aspect, the portion of the writing electrode that contacts the resistance change layer is made of either rhodium or iridium, and the contact area between the writing electrode and the resistance change layer is 0.01 μm 2 or less, and the resistance change Since the layer is made of titanium oxide, a Schottky barrier is formed at the contact surface between the write electrode and the resistance change layer. According to such an aspect, since the energy barrier is formed by the write electrode and the resistance change layer, the number of steps necessary for forming the resistance change memory can be reduced.

本開示における抵抗変化メモリの他の態様は、前記抵抗変化層が、チタン酸化物からなり、前記書き込み電極が、カーボンナノチューブからなる。
上述の態様では、書き込み電極がカーボンナノチューブからなり、抵抗変化層がチタン酸化物からなるから、書き込み電極と抵抗変化層との接触面でショットキー障壁が形成される。こうした態様によれば、書き込み電極と抵抗変化層とによってエネルギー障壁が形成されるから、抵抗変化メモリの形成に必要な工程を減らすことができる。また、カーボンナノチューブによれば、直径が数十nm程度の微小な電極を形成しやすいため、他の金属材料を加工して微小な電極を形成する場合と比べて、より抵抗変化メモリの形成が容易にもなる。
In another aspect of the resistance change memory according to the present disclosure, the resistance change layer is made of titanium oxide, and the write electrode is made of a carbon nanotube.
In the above-described aspect, since the write electrode is made of carbon nanotubes and the variable resistance layer is made of titanium oxide, a Schottky barrier is formed at the contact surface between the write electrode and the variable resistance layer. According to such an aspect, the energy barrier is formed by the write electrode and the resistance change layer, so that the steps necessary for forming the resistance change memory can be reduced. In addition, according to the carbon nanotube, since it is easy to form a minute electrode having a diameter of about several tens of nanometers, it is possible to form a resistance change memory more than in the case of forming a minute electrode by processing another metal material. It will be easy.

本開示における抵抗変化メモリの第1実施形態を構成する記憶素子の断面構造を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a memory element constituting the first embodiment of the resistance change memory according to the present disclosure. 第1実施形態の記憶素子におけるセット動作を示す作用図。FIG. 6 is an operation diagram illustrating a setting operation in the memory element according to the first embodiment. 第1実施形態の記憶素子におけるリセット動作を示す作用図。FIG. 6 is an operation diagram illustrating a reset operation in the memory element according to the first embodiment. 第1実施形態の記憶素子におけるリード動作を示す作用図。FIG. 6 is an operation diagram showing a read operation in the memory element of the first embodiment. 本開示における抵抗変化メモリの第2実施形態を構成する記憶素子の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the memory element which comprises 2nd Embodiment of the resistance change memory in this indication. 第2実施形態の記憶素子におけるセット動作を示す作用図。FIG. 9 is an operation diagram illustrating a setting operation in the memory element according to the second embodiment. 第2実施形態の記憶素子におけるリセット動作を示す作用図。FIG. 9 is an operation diagram illustrating a reset operation in the memory element according to the second embodiment. 第2実施形態の記憶素子におけるリード動作を示す作用図。FIG. 9 is an operation diagram illustrating a read operation in the memory element according to the second embodiment. 本開示における抵抗変化メモリの第3実施形態を構成する記憶素子の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the memory element which comprises 3rd Embodiment of the resistance change memory in this indication. 実施例1の抵抗変化メモリを構成する記憶素子に対して印加される電圧と流れる電流との関係を示す電流−電圧特性グラフ。3 is a current-voltage characteristic graph showing a relationship between a voltage applied to a memory element constituting the resistance change memory of Example 1 and a flowing current. 実施例2の抵抗変化メモリを構成する記憶素子に対して印加される電圧と流れる電流との関係を示す電流−電圧特性グラフ。9 is a current-voltage characteristic graph showing a relationship between a voltage applied to a storage element constituting the resistance change memory of Example 2 and a flowing current. 本開示における抵抗変化メモリの変形例を構成する記憶素子の断面構造を示す断面図。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of a memory element that constitutes a modification of the resistance change memory according to the present disclosure. 本開示における抵抗変化メモリの変形例を構成する記憶素子の断面構造を示す断面図。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of a memory element that constitutes a modification of the resistance change memory according to the present disclosure. 本開示における抵抗変化メモリの変形例を構成する記憶素子の断面構造を示す断面図。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of a memory element that constitutes a modification of the resistance change memory according to the present disclosure.

[第1実施形態]
以下、本開示における抵抗変化メモリの第1実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。まず、抵抗変化メモリを構成する記憶素子の概略構成について、図1を参照して説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of a resistance change memory according to the present disclosure will be described with reference to FIGS. First, a schematic configuration of a memory element constituting the resistance change memory will be described with reference to FIG.

図1に示されるように、基板11の上に形成される下地層12には、板状電極13が積層され、板状電極13における上面の一部には、抵抗変化層14が積層されている。抵抗変化層14における上面の一部には、書き込み電極としての微細線状電極16が積層されている。本実施形態では、抵抗変化層14における微細線状電極16との界面が、エネルギー障壁としての電流障壁部15であり、電流障壁部15は、抵抗変化層14の上面と対向する方向から見て微細な点状をなしている。また、抵抗変化層14と板状電極13と微細線状電極16とによって記憶素子10が構成されている。   As shown in FIG. 1, a plate-like electrode 13 is laminated on the base layer 12 formed on the substrate 11, and a resistance change layer 14 is laminated on a part of the upper surface of the plate-like electrode 13. Yes. A fine linear electrode 16 as a writing electrode is laminated on a part of the upper surface of the resistance change layer 14. In the present embodiment, the interface between the resistance change layer 14 and the fine linear electrode 16 is a current barrier portion 15 as an energy barrier, and the current barrier portion 15 is viewed from the direction facing the upper surface of the resistance change layer 14. It is in the form of fine dots. The resistance change layer 14, the plate-like electrode 13, and the fine linear electrode 16 constitute the memory element 10.

基板11には、シリコン基板や化合物半導体基板等の半導体基板、あるいは、ガラス基板や石英基板や樹脂基板等の絶縁体基板が用いられる。
下地層12には、例えば、シリコン酸化物層やシリコン窒化物層等の各種のシリコン化合物が用いられる。下地層12は、基板の上面に形成される能動素子や配線のうち、記憶素子10の接続先以外となる要素と記憶素子10とを電気的に絶縁する絶縁性を有する。
As the substrate 11, a semiconductor substrate such as a silicon substrate or a compound semiconductor substrate, or an insulator substrate such as a glass substrate, a quartz substrate, or a resin substrate is used.
For the underlayer 12, for example, various silicon compounds such as a silicon oxide layer and a silicon nitride layer are used. The underlayer 12 has an insulating property to electrically insulate the memory element 10 from elements other than the connection destination of the memory element 10 among the active elements and wirings formed on the upper surface of the substrate.

板状電極13は、4族から14族に含まれる金属元素が用いられる。また、板状電極13には、上述の形成材料からなる単層構造、あるいは、上述の形成材料のうちで互いに異なる形成材料からなる2以上の層の積層構造が用いられる。   The plate electrode 13 is made of a metal element included in Group 4 to Group 14. Further, the plate-like electrode 13 has a single layer structure made of the above-mentioned forming material or a laminated structure of two or more layers made of different forming materials among the above-mentioned forming materials.

抵抗変化層14には、抵抗変化層14に印加される電圧の絶対値によって高抵抗状態と低抵抗状態とが切替えられるノンポーラー型の抵抗変化材料、あるいは、抵抗変化層14に印加される電圧の向きによって高抵抗状態と低抵抗状態とが切替えられるバイポーラー型の抵抗変化材料が用いられる。ノンポーラー型の抵抗変化材料には、チタン酸化物と、タングステン酸化物と、コバルト酸化物と、タンタル酸化物とからなる群から選択される1つ、あるいは、これら酸化物の少なくとも2つを含む混合物が用いられる。なお、二元系金属酸化物の1つ、あるいはこれら酸化物の少なくとも2つを含む混合物は、ノンポーラー型の抵抗変化材料としてだけでなく、例えば、書き込み電極が本実施形態のような微細線状である場合や、特定の抵抗変化材料と電極材料との組み合わせによっては、バイポーラー型の抵抗変化材料としても機能する。また、ノンポーラー型の抵抗変化材料には、上述の二元系金属酸化物の他に、SrZrO、ZrTiO、Pb(Zr,Ti)O、Zn0.4Cd0.6S、Pr0.7Ca0.3MnO等のペロブスカイト系酸化物が用いられる。バイポーラー型の抵抗変化材料には、ゲルマニウム−錫−テルルやインジウム−錫−テルル等のカルコゲナイド材料が用いられる。なお、抵抗変化層14には、上述の形成材料からなる単層構造、あるいは、上述の形成材料のうち互いに異なる形成材料からなる2以上の層の積層構造が用いられる。そして、抵抗変化層14では、板状電極13と微細線状電極16との間に印加される電圧によって、その抵抗値が以下のように変化する。 The resistance change layer 14 includes a non-polar variable resistance material that can be switched between a high resistance state and a low resistance state according to an absolute value of a voltage applied to the resistance change layer 14, or a voltage applied to the resistance change layer 14. A bipolar variable resistance material that can be switched between a high-resistance state and a low-resistance state depending on the orientation is used. The nonpolar resistance change material includes one selected from the group consisting of titanium oxide, tungsten oxide, cobalt oxide, and tantalum oxide, or at least two of these oxides. A mixture is used. Note that one of the binary metal oxides or a mixture containing at least two of these oxides is not only used as a non-polar variable resistance material, but, for example, the writing electrode is a fine line as in this embodiment. Or a specific resistance change material and an electrode material, it also functions as a bipolar resistance change material. In addition to the above-described binary metal oxides, non-polar variable resistance materials include SrZrO 3 , ZrTiO 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 , Zn 0.4 Cd 0.6 S, Pr Perovskite oxides such as 0.7 Ca 0.3 MnO 3 are used. As the bipolar variable resistance material, a chalcogenide material such as germanium-tin-tellurium or indium-tin-tellurium is used. Note that the variable resistance layer 14 has a single-layer structure made of the above-described forming material or a laminated structure of two or more layers made of different forming materials among the above-described forming materials. In the resistance change layer 14, the resistance value changes as follows according to the voltage applied between the plate-like electrode 13 and the fine linear electrode 16.

すなわち、板状電極13の電位に対して微細線状電極16が負となる電圧であって、相対的に絶対値の大きい所定のしきい値以上の電圧であるセット電圧Vsetが抵抗変化層14に印加されると、抵抗変化層14は高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する。また、板状電極13の電位に対して微細線状電極16が正となる電圧であって、相対的に絶対値の小さい電圧であるリセット電圧Vresetが印加されると、抵抗変化層14は低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する。   That is, the set voltage Vset, which is a voltage at which the fine linear electrode 16 is negative with respect to the potential of the plate electrode 13 and has a relatively large absolute value or more than a predetermined threshold value, When applied to, the resistance change layer 14 transitions from the high resistance state to the low resistance state. In addition, when the reset voltage Vreset, which is a voltage at which the fine linear electrode 16 is positive with respect to the potential of the plate electrode 13 and has a relatively small absolute value, is applied, the resistance change layer 14 becomes low. Transition from the resistance state to the high resistance state.

微細線状電極16は、抵抗変化層14と接する面の直径が5nm以上100nm以下となる円形柱状、あるいは、抵抗変化層14と接する面の一辺が5nm以上100nm以下となる矩形柱状をなし、4族から14族に含まれる金属元素、あるいは、カーボンナノチューブからなる微細な電極である。なお、微細線状電極16には、板状電極13と同様に、上述の形成材料からなる単層構造、あるいは、上述の形成材料のうちで互いに異なる形成材料からなる2以上の層の積層構造が用いられる。   The fine linear electrode 16 has a circular column shape in which the diameter of the surface in contact with the resistance change layer 14 is 5 nm or more and 100 nm or less, or a rectangular column shape in which one side of the surface in contact with the resistance change layer 14 is 5 nm or more and 100 nm or less. It is a fine electrode made of a metal element included in Group 14 to Group 14 or a carbon nanotube. The fine linear electrode 16 has a single-layer structure made of the above-described forming material, or a laminated structure of two or more layers made of different forming materials among the above-mentioned forming materials, like the plate-like electrode 13. Is used.

抵抗変化層14における微細線状電極16との界面である電流障壁部15は、微細線状電極16が上述の形成材料からなり、且つ、微細線状電極16と抵抗変化層14との接触する部位が微小な点状であることにより、下記の第1ショットキー接合、あるいは、下記の第2ショットキー接合を形成する。すなわち、抵抗変化層14の形成材料と微細線状電極16の形成材料、並びに、抵抗変化層14と微細線状電極16との接する面の面積は、これらの界面で第1ショットキー接合、あるいは、第2ショットキー接合が形成される組み合わせから選択される。なお、抵抗変化層14の上面にて1辺が10μmとなる矩形平面に対し、こうした微細線状電極16の本数は、100本以下であることが好ましい。   The current barrier portion 15 which is an interface between the variable resistance electrode 14 and the fine linear electrode 16 is such that the fine linear electrode 16 is made of the above-described forming material, and the fine linear electrode 16 and the variable resistance layer 14 are in contact with each other. The following first Schottky junction or the following second Schottky junction is formed because the part is a minute dot. That is, the forming material of the variable resistance layer 14 and the forming material of the fine linear electrode 16 and the area of the surface where the variable resistance layer 14 and the fine linear electrode 16 are in contact with each other are the first Schottky junction or , Selected from the combination in which the second Schottky junction is formed. Note that the number of such fine linear electrodes 16 is preferably 100 or less with respect to a rectangular plane having a side of 10 μm on the upper surface of the resistance change layer 14.

第1ショットキー接合とは、板状電極13に電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極16に上述のセット電圧Vsetが印加されるとき、ショットキー障壁である電流障壁部15にて、板状電極13から微細線状電極16への順方向の電流が流れる接合である。また、第1ショットキー接合とは、板状電極13に電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極16に上述のリセット電圧Vresetが印加されるとき、ショットキー障壁である電流障壁部15にて、微細線状電極16から板状電極13に流れる逆方向の電流が順方向の電流に比べて抑えられる接合である。   In the first Schottky junction, when the power supply voltage Vss is applied to the plate electrode 13 and the set voltage Vset is applied to the fine linear electrode 16, the current barrier portion 15 that is a Schottky barrier is used. This is a junction through which a forward current flows from the plate electrode 13 to the fine linear electrode 16. The first Schottky junction is a current barrier portion 15 that is a Schottky barrier when the power supply voltage Vss is applied to the plate electrode 13 and the reset voltage Vreset is applied to the fine linear electrode 16. In this connection, the reverse current flowing from the fine linear electrode 16 to the plate electrode 13 is suppressed compared to the forward current.

第2ショットキー接合とは、板状電極13に電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極16に上述のリセット電圧Vresetが印加されるとき、ショットキー障壁である電流障壁部15にて、微細線状電極16から板状電極13への逆方向の電流が流れる接合である。また、第2ショットキー接合とは、板状電極13に電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極16に上述のセット電圧Vsetが印加されるとき、ショットキー障壁である電流障壁部15にて、板状電極13から微細線状電極16に流れる順方向の電流が逆方向の電流に比べて抑えられる接合である。   In the second Schottky junction, when the power supply voltage Vss is applied to the plate-like electrode 13 and the above-described reset voltage Vreset is applied to the fine linear electrode 16, the current Schottky junction is the current barrier portion 15 that is a Schottky barrier. This is a junction in which a current in the reverse direction flows from the fine linear electrode 16 to the plate electrode 13. The second Schottky junction is a current barrier portion 15 that is a Schottky barrier when the power supply voltage Vss is applied to the plate electrode 13 and the set voltage Vset is applied to the fine linear electrode 16. In this connection, forward current flowing from the plate electrode 13 to the fine linear electrode 16 is suppressed as compared with current in the reverse direction.

そして、上述の第1ショットキー接合が電流障壁部15で形成される場合には、記憶素子10では、逆方向の電流が相対的に流れにくく、順方向の電流が相対的に流れやすくなる。反対に、上述の第2ショットキー接合が電流障壁部15で形成される場合には、記憶素子10では、逆方向の電流が相対的に流れやすく、順方向の電流が相対的に流れにくくなる。   When the above-described first Schottky junction is formed by the current barrier portion 15, the reverse current is less likely to flow in the memory element 10, and the forward current is relatively easier to flow. On the other hand, when the second Schottky junction described above is formed by the current barrier 15, in the memory element 10, the reverse current is relatively easy to flow and the forward current is relatively difficult to flow. .

次に、上述の記憶素子10におけるセット動作とリセット動作とリード動作とについて、図2〜図4を参照して説明する。まず、電流障壁部15が第1ショットキー接合である場合について説明する。   Next, the set operation, the reset operation, and the read operation in the memory element 10 will be described with reference to FIGS. First, the case where the current barrier unit 15 is the first Schottky junction will be described.

図2に示されるように、板状電極13に例えば0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極16に例えば−5.0Vのセット電圧Vsetが印加されると、板状電極13から微細線状電極16に向く電場が抵抗変化層14にて局所的に形成される。そして、順方向の電流であるセット電流Isetが抵抗変化層14に流れることによって、抵抗変化層14が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する。   As shown in FIG. 2, when a power supply voltage Vss of, for example, 0V is applied to the plate-like electrode 13 and a set voltage Vset of, for example, −5.0V is applied to the fine linear electrode 16, the plate-like electrode 13. An electric field directed from 1 to the fine linear electrode 16 is locally formed in the resistance change layer 14. Then, when the set current Iset that is a forward current flows through the resistance change layer 14, the resistance change layer 14 transitions from the high resistance state to the low resistance state.

図3に示されるように、板状電極13に電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極16に例えば2.0Vのリセット電圧Vresetが書き込み電圧として印加されると、微細線状電極16から板状電極13に向く電場が抵抗変化層14にて局所的に形成される。あるいは、こうした電圧の変化に伴う磁場が抵抗変化層14にて局所的に形成される。この際、ショットキー障壁である電流障壁部15にて、微細線状電極16から板状電極13に流れる逆方向の電流が抑えられながら、上述の電場、あるいは、磁場が局所的に作用することで、抵抗変化層14が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する。すなわち、抵抗変化層14が高抵抗状態であることが、記憶素子10にて書き込まれる。   As shown in FIG. 3, when the power supply voltage Vss is applied to the plate-like electrode 13 and the reset voltage Vreset of 2.0 V, for example, is applied to the fine linear electrode 16 as a writing voltage, the fine linear electrode 16 An electric field from the first electrode to the plate electrode 13 is locally formed in the resistance change layer 14. Alternatively, a magnetic field accompanying such a change in voltage is locally formed in the resistance change layer 14. At this time, the electric field or the magnetic field described above acts locally while the reverse current flowing from the fine linear electrode 16 to the plate electrode 13 is suppressed by the current barrier unit 15 which is a Schottky barrier. Thus, the resistance change layer 14 transitions from the low resistance state to the high resistance state. That is, the memory element 10 writes that the resistance change layer 14 is in a high resistance state.

図4に示されるように、板状電極13に電源電圧Vssが印加され、且つ、セット電圧Vsetよりも絶対値が小さい負の電圧である例えば−1.0Vのリード電圧Vsensが読み出し電圧として微細線状電極16に印加されると、抵抗変化層14の抵抗状態に応じた順方向のリード電流Isensが、記憶素子10の外部で検出される。すなわち、抵抗変化層14が低抵抗状態であるか、あるいは、高抵抗状態であるかが読み出される。   As shown in FIG. 4, a power supply voltage Vss is applied to the plate electrode 13 and a negative voltage having a smaller absolute value than the set voltage Vset, for example, a read voltage Vsens of −1.0 V is fine as a read voltage. When applied to the linear electrode 16, a forward read current Isens corresponding to the resistance state of the resistance change layer 14 is detected outside the memory element 10. That is, it is read out whether the resistance change layer 14 is in a low resistance state or a high resistance state.

そのため、第1ショットキー接合を有する記憶素子10では、抵抗変化層14に印加される電圧の向き、あるいは、絶対値が変更されることで、抵抗変化層14における抵抗状態が切り替えられる。そして、抵抗変化層14が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する際には、ショットキー障壁である電流障壁部15が、逆方向の電流が流れることを抑える。これにより、こうした電流障壁部15が形成されない場合と比べて、抵抗変化層14の抵抗値を切り替えるときに消費される電力を抑えることができる。   Therefore, in the memory element 10 having the first Schottky junction, the resistance state in the resistance change layer 14 is switched by changing the direction of the voltage applied to the resistance change layer 14 or the absolute value. Then, when the resistance change layer 14 transitions from the low resistance state to the high resistance state, the current barrier portion 15 that is a Schottky barrier suppresses a current in the reverse direction from flowing. Thereby, compared with the case where such a current barrier part 15 is not formed, the electric power consumed when switching the resistance value of the resistance change layer 14 can be suppressed.

なお、電流障壁部15にて第2ショットキー接合が形成されている場合には、板状電極13に電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極16にセット電圧Vsetが書き込み電圧として印加されることでセット動作が行われる。この際、板状電極13から微細線状電極16に向けて流れる順方向の電流が、ショットキー障壁である電流障壁部15によって抑えられる。また、板状電極13に電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極16にリセット電圧Vresetが印加されることでリセット動作が行われる。この際、微細線状電極16から板状電極13に向けた逆方向の電流が、ショットキー障壁である電流障壁部15を通じて流れる。そして、微細線状電極16に電源電圧Vssが印加され、且つ、板状電極13にリード電圧Vsensが読み出し電圧として印加されることで、抵抗変化層14の抵抗状態に応じた逆方向のリード電流Isensが、記憶素子10の外部で検出される。   When the second Schottky junction is formed in the current barrier portion 15, the power supply voltage Vss is applied to the plate electrode 13 and the set voltage Vset is applied as the write voltage to the fine linear electrode 16. As a result, the set operation is performed. At this time, the forward current flowing from the plate-like electrode 13 toward the fine linear electrode 16 is suppressed by the current barrier portion 15 which is a Schottky barrier. Further, the reset operation is performed by applying the power supply voltage Vss to the plate electrode 13 and applying the reset voltage Vreset to the fine linear electrode 16. At this time, a current in the reverse direction from the fine linear electrode 16 toward the plate electrode 13 flows through the current barrier portion 15 which is a Schottky barrier. Then, the power supply voltage Vss is applied to the fine linear electrode 16 and the read voltage Vsens is applied to the plate electrode 13 as a read voltage, so that a reverse read current corresponding to the resistance state of the resistance change layer 14 is obtained. Isens is detected outside the storage element 10.

上述の記憶素子10を備える抵抗変化メモリは、例えば、抵抗変化メモリの単位構造としてトランジスタと記憶素子10とを1つずつ有する1T1R型、あるいは、抵抗変化メモリの単位構造として整流素子と記憶素子10とを1つずつ有する1D1R型に具体化される。例えば、1T1R型では、トランジスタのドレインが微細線状電極16に接続され、板状電極13がGND線に接続される。そして、トランジスタのゲートとソースとの間の電位差によって、上述のセット電圧Vsetとリセット電圧Vresetとリード電圧Vsensとが各別に微細線状電極16に印加される。これによって、2以上のトランジスタのゲートが接続されたワード線の選択と、2以上のトランジスタのソースが接続されたビット線の選択とによって、当該選択されたトランジスタに接続される記憶素子10で、上述のセット動作とリセット動作とリード動作とのいずれかが行われる。   The resistance change memory including the memory element 10 described above is, for example, a 1T1R type having one transistor and one memory element 10 as a unit structure of the resistance change memory, or a rectifier element and the memory element 10 as a unit structure of the resistance change memory. And 1D1R type having one each. For example, in the 1T1R type, the drain of the transistor is connected to the fine linear electrode 16, and the plate electrode 13 is connected to the GND line. Then, the set voltage Vset, the reset voltage Vreset, and the read voltage Vsens are applied to the fine linear electrode 16 separately by the potential difference between the gate and the source of the transistor. Accordingly, the memory element 10 connected to the selected transistor by selecting the word line to which the gates of two or more transistors are connected and selecting the bit line to which the sources of the two or more transistors are connected. Any of the set operation, the reset operation, and the read operation described above is performed.

以上説明したように、本開示の抵抗変化メモリにおける第1実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
(1)抵抗変化層14の抵抗値を変える微細線状電極16が、ショットキー障壁を介して抵抗変化層14に連結されるため、抵抗変化層14にセット電圧Vsetが印加される際に、あるいは、抵抗変化層14にリセット電圧Vresetが印加される際に、抵抗変化層14に電流が流れることが抑えられる。そして、ショットキー障壁により電流が流れなくとも抵抗変化層14の抵抗値が変わるように、抵抗変化層14に連結される微細線状電極16の部分が微小な点状とされるため、互いに異なる複数の抵抗値が情報として扱われる抵抗変化メモリにて、その電力の消費が抑えられる。
As described above, according to the first embodiment of the resistance change memory of the present disclosure, the effects listed below can be obtained.
(1) Since the fine linear electrode 16 that changes the resistance value of the resistance change layer 14 is connected to the resistance change layer 14 via a Schottky barrier, when the set voltage Vset is applied to the resistance change layer 14, Alternatively, when the reset voltage Vreset is applied to the resistance change layer 14, it is possible to suppress a current from flowing through the resistance change layer 14. The portions of the fine linear electrodes 16 connected to the resistance change layer 14 are made minute dots so that the resistance value of the resistance change layer 14 is changed even if no current flows due to the Schottky barrier, and therefore different from each other. In a resistance change memory in which a plurality of resistance values are handled as information, power consumption can be suppressed.

(2)しかも、抵抗変化層14と微細線状電極16とがショットキー接合を形成するため、抵抗変化層14や微細線状電極16とは異なる部材によってエネルギー障壁が形成される構成と比べて、抵抗変化メモリの構成を簡素にすることが可能である。   (2) Moreover, since the variable resistance layer 14 and the fine linear electrode 16 form a Schottky junction, the energy barrier is formed by a member different from the variable resistance layer 14 and the fine linear electrode 16. It is possible to simplify the configuration of the resistance change memory.

(3)微細線状電極16が、情報である抵抗値を抵抗変化層14に書き込む電極として機能し、さらに、抵抗変化層14における抵抗値を読み出す電極としても機能する。それゆえに、こうした書き込み電極と読み出し電極とが互いに異なる構成と比べて、抵抗変化メモリの構成を簡素にすることが可能にもなる。   (3) The fine linear electrode 16 functions as an electrode that writes a resistance value, which is information, to the resistance change layer 14, and also functions as an electrode that reads the resistance value in the resistance change layer 14. Therefore, the configuration of the resistance change memory can be simplified as compared with a configuration in which the write electrode and the read electrode are different from each other.

(4)抵抗変化層14と微細線状電極16との接触する部位の大きさによる抵抗状態の切り替えの差異は、接触する部分の直径、あるいは、接する部分の一辺が約50nm以下になると、抵抗変化層14にて電場の集中が起こりやすくなる。それゆえに、ショットキー障壁の順方向に流れる電流が流れる場合であっても、こうした電場による補助によって抵抗状態が変わりやすくなるため、その際の抵抗状態の切り替えに必要とされる電力を低くすることが可能にもなる。
[第2実施形態]
以下、本開示における抵抗変化メモリの第2実施形態について、図5〜図8を参照して説明する。なお、第2実施形態における抵抗変化メモリの記憶素子は、上述した第1実施形態における抵抗変化メモリの記憶素子と比べて、抵抗変化層に電圧を印加する電極が3つ備えられている点が異なっている。そのため、以下では、こうした相違点について詳しく説明する。
(4) The difference in switching of the resistance state depending on the size of the contact area between the resistance change layer 14 and the fine linear electrode 16 is that the diameter of the contact area or one side of the contact area is about 50 nm or less. Electric field concentration is likely to occur in the change layer 14. Therefore, even when a current that flows in the forward direction of the Schottky barrier flows, the resistance state is easily changed by the assistance of such an electric field, so the power required for switching the resistance state at that time should be reduced. Is also possible.
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the resistance change memory according to the present disclosure will be described with reference to FIGS. The memory element of the resistance change memory in the second embodiment is provided with three electrodes for applying a voltage to the resistance change layer, as compared with the memory element of the resistance change memory in the first embodiment described above. Is different. Therefore, in the following, such differences will be described in detail.

図5に示されるように、基板31上の下地層32における上面の一部には、電流障壁部34を含む抵抗変化層33と、微細線状電極35とが積層されている。また、抵抗変化層33と微細線状電極35とが下地層32に積層される方向を積層方向とし、その積層方向と直交する方向を面方向とすると、抵抗変化層33の面方向における両端部には、第1板状電極36と第2板状電極37とが、抵抗変化層33を面方向で挟むように形成されている。本実施形態では、電流障壁部34を含む微細線状電極35と、抵抗変化層33と、第1板状電極36と、第2板状電極37とによって記憶素子30が構成されている。   As shown in FIG. 5, a resistance change layer 33 including a current barrier portion 34 and a fine linear electrode 35 are stacked on a part of the upper surface of the base layer 32 on the substrate 31. Further, assuming that the direction in which the resistance change layer 33 and the fine linear electrode 35 are laminated on the base layer 32 is a lamination direction and the direction perpendicular to the lamination direction is a plane direction, both end portions in the surface direction of the resistance change layer 33 The first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 are formed so as to sandwich the resistance change layer 33 in the surface direction. In the present embodiment, the memory element 30 is configured by the fine linear electrode 35 including the current barrier portion 34, the resistance change layer 33, the first plate electrode 36, and the second plate electrode 37.

基板31と、下地層32と、抵抗変化層33と、微細線状電極35とには、それぞれ第1実施形態における基板11と、下地層12と、抵抗変化層14と、微細線状電極16と同様の材料が用いられる。また、第1板状電極36と第2板状電極37とには、第1実施形態における板状電極13と同様の材料が用いられる。そして、微細線状電極35における抵抗変化層33との界面であるエネルギー障壁としての電流障壁部34は、微細線状電極35が上述の形成材料からなり、且つ、微細線状電極35と抵抗変化層33との接触する部位が微小であることにより、第1実施形態と同様に、上述の第1ショットキー接合、あるいは、上述の第2ショットキー接合を形成する。   The substrate 31, the base layer 32, the resistance change layer 33, and the fine linear electrode 35 include the substrate 11, the base layer 12, the resistance change layer 14, and the fine linear electrode 16 in the first embodiment, respectively. The same material is used. Further, the same material as that of the plate electrode 13 in the first embodiment is used for the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37. The current barrier portion 34 as an energy barrier, which is an interface with the variable resistance layer 33 in the fine linear electrode 35, includes the fine linear electrode 35 made of the above-described forming material, and the resistance change with the fine linear electrode 35. Since the portion in contact with the layer 33 is minute, the first Schottky junction described above or the second Schottky junction described above is formed as in the first embodiment.

次に、上述の記憶素子30におけるセット動作とリセット動作とリード動作とについて、図6〜図8を参照して説明する。まず、電流障壁部34が第1ショットキー接合である場合について説明する。   Next, the set operation, the reset operation, and the read operation in the memory element 30 described above will be described with reference to FIGS. First, the case where the current barrier part 34 is the first Schottky junction will be described.

図6に示されるように、第1板状電極36と第2板状電極37とに例えば0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極35に例えば−5.0Vのセット電圧Vsetが印加されると、第1板状電極36と第2板状電極37とから微細線状電極35に向く電場が抵抗変化層33にて局所的に形成される。そして、第1板状電極36と第2板状電極37とから微細線状電極35に向けてセット電流Isetが流れることによって、抵抗変化層33が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する。   As shown in FIG. 6, a power supply voltage Vss of, for example, 0V is applied to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37, and a set voltage Vset of, for example, -5.0V is applied to the fine linear electrode 35. Is applied, the electric field from the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 toward the fine linear electrode 35 is locally formed in the resistance change layer 33. When the set current Iset flows from the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 toward the fine linear electrode 35, the resistance change layer 33 transitions from the high resistance state to the low resistance state.

図7に示されるように、第1板状電極36と第2板状電極37とに例えば0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極35に例えば2.0Vのリセット電圧Vresetが書き込み電圧として印加されると、第1板状電極36と第2板状電極37とから微細線状電極35に向く電場が局所的に形成される。あるいは、こうした電圧の変化に伴う磁場が抵抗変化層33にて局所的に形成される。この際、ショットキー障壁である電流障壁部34にて、微細線状電極35から第1板状電極36と第2板状電極37とに流れる逆方向の電流が抑えられながら、上述の電場、あるいは、磁場が局所的に作用することで、抵抗変化層33が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する。すなわち、抵抗変化層33が高抵抗状態であることが、記憶素子30にて書き込まれる。   As shown in FIG. 7, for example, a power supply voltage Vss of 0 V is applied to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37, and a reset voltage Vreset of 2.0 V, for example, is applied to the fine linear electrode 35. When applied as a write voltage, an electric field directed from the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 toward the fine linear electrode 35 is locally formed. Alternatively, a magnetic field accompanying such a change in voltage is locally formed in the resistance change layer 33. At this time, in the current barrier portion 34 which is a Schottky barrier, while the reverse current flowing from the fine linear electrode 35 to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 is suppressed, the above-described electric field, Alternatively, when the magnetic field acts locally, the resistance change layer 33 transitions from the low resistance state to the high resistance state. That is, the memory element 30 writes that the resistance change layer 33 is in the high resistance state.

図8に示されるように、第1板状電極36に例えば0Vの電源電圧Vssが印加され、第2板状電極37に例えば−1.0Vのリード電圧Vsensが読み出し電圧として印加され、且つ、微細線状電極35に例えば0Vの電源電圧Vssが印加される。これによって、抵抗変化層33の抵抗状態に応じたリード電流Isensが、記憶素子30の外部で検出される。すなわち、抵抗変化層33が低抵抗状態であるか、あるいは、高抵抗状態であるかが読み出される。   As shown in FIG. 8, for example, a power supply voltage Vss of 0 V is applied to the first plate electrode 36, a read voltage Vsens of −1.0 V, for example, is applied to the second plate electrode 37 as a read voltage, and For example, a power supply voltage Vss of 0 V is applied to the fine linear electrode 35. As a result, the read current Isens corresponding to the resistance state of the resistance change layer 33 is detected outside the storage element 30. That is, it is read out whether the resistance change layer 33 is in a low resistance state or a high resistance state.

そのため、第1ショットキー接合を有する記憶素子30では、第1実施形態と同じく、抵抗変化層33が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する際に、ショットキー障壁である電流障壁部34が、逆方向の電流が流れることを抑える。これにより、こうした電流障壁部34が形成されない場合と比べて、抵抗変化層33の抵抗値を切り替えるときに消費される電力を抑えることができる。しかも、第1板状電極36と抵抗変化層33との間と、第2板状電極37と抵抗変化層33との間とには、ショットキー障壁が形成されていないため、リード電圧Vsensが電源電圧Vssと異なる電圧であれば、リード電流Isensが流れることになる。それゆえに、リード電圧Vsensの絶対値がセット電圧Vsetよりも小さいという制約を受けることなく、上記の記憶素子30では、抵抗変化層33の抵抗状態を検出することが可能となる。   Therefore, in the memory element 30 having the first Schottky junction, as in the first embodiment, when the variable resistance layer 33 transitions from the low resistance state to the high resistance state, the current barrier portion 34 that is a Schottky barrier is Suppresses reverse current flow. Thereby, compared with the case where such a current barrier part 34 is not formed, the electric power consumed when switching the resistance value of the resistance change layer 33 can be suppressed. In addition, since no Schottky barrier is formed between the first plate electrode 36 and the resistance change layer 33 and between the second plate electrode 37 and the resistance change layer 33, the read voltage Vsens is If the voltage is different from the power supply voltage Vss, the read current Isens flows. Therefore, the memory element 30 can detect the resistance state of the resistance change layer 33 without being restricted by the absolute value of the read voltage Vsens being smaller than the set voltage Vset.

なお、電流障壁部34にて第2ショットキー接合が形成されている場合には、第1板状電極36と第2板状電極37とにセット電圧Vsetが書き込み電圧として印加され、且つ、微細線状電極35に電源電圧Vssが印加されることでセット動作が行われる。この際、第1板状電極36と第2板状電極37とから微細線状電極35に向けて流れる順方向の電流が、ショットキー障壁である電流障壁部34によって抑えられる。また、第1板状電極36と第2板状電極37とにリセット電圧Vresetが印加され、且つ、微細線状電極35に電源電圧Vssが印加されることでリセット動作が行われる。この際、微細線状電極35から第1板状電極36と第2板状電極37とに向けた逆方向の電流が、ショットキー障壁である電流障壁部34を通じて流れる。そして、第1板状電極36と微細線状電極35とに電源電圧Vssが印加され、且つ、第2板状電極37にリード電圧Vsensが印加されることで、抵抗変化層33の抵抗状態に応じたリード電流Isensが、記憶素子30の外部で検出される。   When the second Schottky junction is formed in the current barrier portion 34, the set voltage Vset is applied as the write voltage to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37, and fine The set operation is performed by applying the power supply voltage Vss to the linear electrode 35. At this time, the forward current flowing from the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 toward the fine linear electrode 35 is suppressed by the current barrier portion 34 that is a Schottky barrier. Further, the reset operation is performed by applying the reset voltage Vreset to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 and applying the power supply voltage Vss to the fine linear electrode 35. At this time, a current in a reverse direction from the fine linear electrode 35 toward the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 flows through the current barrier portion 34 that is a Schottky barrier. The power supply voltage Vss is applied to the first plate electrode 36 and the fine linear electrode 35, and the lead voltage Vsens is applied to the second plate electrode 37, whereby the resistance change layer 33 is brought into the resistance state. The corresponding read current Isens is detected outside the storage element 30.

上述の記憶素子30を備える抵抗変化メモリは、例えば、抵抗変化メモリの単位構造として2つのトランジスタと記憶素子30とを有する2T1R型、あるいは、例えば、抵抗変化メモリの単位構造として2つの整流素子と記憶素子30とを有する2D1R型に具体化される。例えば、第1トランジスタのドレインが微細線状電極35に接続され、第1板状電極36がGND線に接続される。また、第2トランジスタのドレインが第2板状電極37に接続される。そして、第1トランジスタのゲートとソースとの間の電位差によって、上述のセット電圧Vsetとリセット電圧Vresetと電源電圧Vssとが各別に微細線状電極35に印加される。また、第2トランジスタのゲートとソースとの電位差によって、電源電圧Vssとリード電圧Vsensとが各別に第2板状電極37に印加される。これによって、選択されたトランジスタに接続される記憶素子30で、上述のセット動作とリセット動作とリード動作のいずれかが行われる。   The resistance change memory including the memory element 30 described above is, for example, a 2T1R type having two transistors and the memory element 30 as a unit structure of the resistance change memory, or two rectifying elements as a unit structure of the resistance change memory, for example. The 2D1R type having the memory element 30 is embodied. For example, the drain of the first transistor is connected to the fine linear electrode 35, and the first plate electrode 36 is connected to the GND line. The drain of the second transistor is connected to the second plate electrode 37. Then, the set voltage Vset, the reset voltage Vreset, and the power supply voltage Vss are applied to the fine linear electrode 35 separately by the potential difference between the gate and the source of the first transistor. Further, the power supply voltage Vss and the read voltage Vsens are applied to the second plate electrode 37 separately by the potential difference between the gate and the source of the second transistor. As a result, any one of the above-described set operation, reset operation, and read operation is performed in the memory element 30 connected to the selected transistor.

以上説明したように、本開示の抵抗変化メモリにおける第2実施形態によれば、第1実施形態にて得られる効果に加えて、以下に挙げる効果を得ることができる。
(5)情報である抵抗値を抵抗変化層33に書き込む微細線状電極35と、抵抗変化層33における抵抗値を読み出す第2板状電極37とが互いに異なるため、電極の構造や電極の材料に対し、抵抗変化層33の抵抗値を読み出すうえで必要とされる制約を微細線状電極35が受けることはない。それゆえに、電極の構造や電極の材料に対し、抵抗変化層33にて抵抗値を変化させるために特化したものを微細線状電極35に適用し、抵抗変化層33にて抵抗値を読み出すために特化したものを第2板状電極37に適用することが可能にもなる。例えば、リード電圧Vsensの絶対値がセット電圧Vsetよりも小さいという制約を受けることなく、第1板状電極36に印加される電圧とは異なる電圧が第2板状電極37に印加されることで、抵抗変化層33の抵抗状態を検出することが可能となる。
[第3実施形態]
以下、本開示における抵抗変化メモリの第3実施形態について、図9を参照して説明する。なお、第3実施形態における抵抗変化メモリの記憶素子は、上述した第2実施形態における抵抗変化メモリの記憶素子と比べて、電流障壁の構成が異なっている。そのため、以下では、こうした相違点について詳しく説明する。
As described above, according to the second embodiment of the resistance change memory of the present disclosure, the following effects can be obtained in addition to the effects obtained in the first embodiment.
(5) Since the fine linear electrode 35 that writes the resistance value as information to the resistance change layer 33 and the second plate electrode 37 that reads the resistance value in the resistance change layer 33 are different from each other, the electrode structure and the electrode material On the other hand, the fine linear electrode 35 does not receive the restriction required for reading the resistance value of the resistance change layer 33. Therefore, what is specialized for changing the resistance value in the resistance change layer 33 with respect to the electrode structure and the electrode material is applied to the fine linear electrode 35, and the resistance value is read out in the resistance change layer 33. Therefore, it is possible to apply a specialized one to the second plate electrode 37. For example, a voltage different from the voltage applied to the first plate electrode 36 is applied to the second plate electrode 37 without being restricted by the absolute value of the read voltage Vsens being smaller than the set voltage Vset. The resistance state of the resistance change layer 33 can be detected.
[Third Embodiment]
Hereinafter, a third embodiment of the resistance change memory according to the present disclosure will be described with reference to FIG. 9. Note that the memory element of the resistance change memory according to the third embodiment has a different current barrier configuration from the memory element of the resistance change memory according to the second embodiment described above. Therefore, in the following, such differences will be described in detail.

図9に示されるように、基板31上の下地層32における上面の一部には、抵抗変化層33と電流障壁層38とが順に積層されている。電流障壁層38における上面の一部には、微細線状電極35が積層されている。また、抵抗変化層33の面方向における両端部には、第2実施形態と同様に、第1板状電極36と第2板状電極37とが、抵抗変化層33を面方向で挟むように接続されている。本実施形態では、抵抗変化層33と、微細線状電極35と、第1板状電極36と、第2板状電極37と、電流障壁層38とによって記憶素子40が構成されている。   As illustrated in FIG. 9, a resistance change layer 33 and a current barrier layer 38 are sequentially stacked on a part of the upper surface of the base layer 32 on the substrate 31. A fine linear electrode 35 is laminated on a part of the upper surface of the current barrier layer 38. Further, similarly to the second embodiment, the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 sandwich the resistance change layer 33 in the surface direction at both ends in the surface direction of the resistance change layer 33. It is connected. In the present embodiment, the resistance change layer 33, the fine linear electrode 35, the first plate electrode 36, the second plate electrode 37, and the current barrier layer 38 constitute the memory element 40.

電流障壁層38は、シリコン酸化物やシリコン窒化物等のシリコン化合物、あるいは、これらと同程度のバンドギャップを有する金属酸化物や金属窒化物等の金属化合物からなる絶縁膜であって、抵抗変化層33における上面の全体に形成されている。なお、電流障壁層38には、上述の形成材料からなる単層構造、あるいは、上述の形成材料のうちで互いに異なる形成材料からなる2以上の層の積層構造が用いられる。すなわち、電流障壁層38における微細線状電極35との界面と、電流障壁層38における抵抗変化層33との界面とには、電流障壁層38からなる絶縁障壁が形成され、微細線状電極35に印加される電圧値に関わらず、抵抗変化層33と微細線状電極35との間に流れる電流が抑えられる。こうした電流障壁層38が、エネルギー障壁層と、絶縁層とを構成している。   The current barrier layer 38 is an insulating film made of a silicon compound such as silicon oxide or silicon nitride, or a metal compound such as a metal oxide or metal nitride having a band gap comparable to these, and changes in resistance. The layer 33 is formed on the entire top surface. The current barrier layer 38 has a single-layer structure made of the above-described forming material or a stacked structure of two or more layers made of different forming materials among the above-described forming materials. That is, an insulating barrier composed of the current barrier layer 38 is formed at the interface between the current barrier layer 38 and the fine linear electrode 35 and the interface between the current barrier layer 38 and the resistance change layer 33. Regardless of the voltage value applied to, current flowing between the resistance change layer 33 and the fine linear electrode 35 is suppressed. Such a current barrier layer 38 constitutes an energy barrier layer and an insulating layer.

次に、上述の記憶素子40におけるセット動作とリセット動作とリード動作とについて説明する。なお、上述の記憶素子40における各種の動作では、微細線状電極35と第1板状電極36と第2板状電極37とに印加される電圧が第2実施形態と同じであって、セット動作とリセット動作とにおいて抵抗変化層33に流れる電流値が異なる。それゆえに、以下では、こうした相違点について詳しく説明する。   Next, the set operation, the reset operation, and the read operation in the memory element 40 will be described. In the various operations in the memory element 40 described above, the voltages applied to the fine linear electrode 35, the first plate electrode 36, and the second plate electrode 37 are the same as those in the second embodiment, and the set The value of the current flowing through the resistance change layer 33 differs between the operation and the reset operation. Therefore, these differences will be described in detail below.

まず、セット動作では、第1板状電極36と第2板状電極37とに例えば0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極35に例えば−5.0Vのセット電圧Vsetが書き込み電圧として印加される。この際、第1板状電極36と第2板状電極37とから微細線状電極35に向く電場が抵抗変化層33にて局所的に形成される。そして、絶縁障壁である電流障壁層38にて、微細線状電極35から第1板状電極36と第2板状電極37とに流れる電流が抑えられながら、上述の電場、あるいは、磁場が局所的に作用することで、抵抗変化層33が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する。すなわち、抵抗変化層33が高抵抗状態であることが、記憶素子40に書き込まれる。   First, in the set operation, a power supply voltage Vss of, for example, 0 V is applied to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37, and a set voltage Vset of, for example, −5.0 V is written to the fine linear electrode 35. Applied as a voltage. At this time, an electric field from the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 toward the fine linear electrode 35 is locally formed in the resistance change layer 33. The current or magnetic field described above is locally generated while the current flowing from the fine linear electrode 35 to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 is suppressed by the current barrier layer 38 which is an insulating barrier. Thus, the resistance change layer 33 transitions from the low resistance state to the high resistance state. That is, the fact that the resistance change layer 33 is in the high resistance state is written in the memory element 40.

次いで、リセット動作では、第1板状電極36と第2板状電極37とに例えば0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極35に例えば2.0Vのリセット電圧Vresetが書き込み電圧として印加される。この際、第1板状電極36と第2板状電極37とから微細線状電極35に向く電場が局所的に形成される。あるいは、こうした電圧の変化に伴う磁場が抵抗変化層33にて局所的に形成される。そして、絶縁障壁である電流障壁層38にて、微細線状電極35から第1板状電極36と第2板状電極37とに流れる逆方向の電流が抑えられながら、上述の電場、あるいは、磁場が局所的に作用することで、抵抗変化層33が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する。すなわち、抵抗変化層33が低抵抗状態であることが、記憶素子40に書き込まれる。   Next, in the reset operation, a power supply voltage Vss of, for example, 0V is applied to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37, and a reset voltage Vreset of, for example, 2.0V is applied to the fine linear electrode 35 as a write voltage. As applied. At this time, an electric field directed from the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 toward the fine linear electrode 35 is locally formed. Alternatively, a magnetic field accompanying such a change in voltage is locally formed in the resistance change layer 33. Then, in the current barrier layer 38 which is an insulating barrier, while the reverse current flowing from the fine linear electrode 35 to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 is suppressed, the above electric field, or When the magnetic field acts locally, the resistance change layer 33 transitions from the high resistance state to the low resistance state. That is, it is written in the memory element 40 that the resistance change layer 33 is in the low resistance state.

この際、絶縁障壁を有する記憶素子40では、抵抗変化層33が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する際と、抵抗変化層33が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する際との双方で、絶縁障壁である電流障壁層38が、電流の流れを抑える。これにより、こうした電流障壁層38が形成されない場合と比べて、抵抗変化層33の抵抗値を切り替えるときに消費される電力を抑えることができる。   At this time, in the memory element 40 having an insulating barrier, both when the resistance change layer 33 transits from the low resistance state to the high resistance state and when the resistance change layer 33 transits from the high resistance state to the low resistance state. The current barrier layer 38 which is an insulating barrier suppresses the flow of current. Thereby, compared with the case where such a current barrier layer 38 is not formed, the electric power consumed when switching the resistance value of the resistance change layer 33 can be suppressed.

以上説明したように、本開示の抵抗変化メモリにおける第3実施形態によれば、第1実施形態にて得られる効果と第2実施形態にて得られる効果とに加えて、以下に挙げる効果を得ることができる。   As described above, according to the third embodiment of the resistance change memory of the present disclosure, in addition to the effects obtained in the first embodiment and the effects obtained in the second embodiment, the following effects can be obtained. Can be obtained.

(6)微細線状電極35と電流障壁層38との接合と、抵抗変化層33と電流障壁層38との接合とによってエネルギー障壁が形成されるため、抵抗変化層33から微細線状電極35に流れる電流と、微細線状電極35から抵抗変化層33に流れる電流とを確実に抑えることができる。   (6) Since the energy barrier is formed by the junction of the fine linear electrode 35 and the current barrier layer 38 and the junction of the resistance change layer 33 and the current barrier layer 38, the resistance change layer 33 to the fine linear electrode 35. And the current flowing from the fine linear electrode 35 to the resistance change layer 33 can be reliably suppressed.

[実施例1]
熱酸化膜を有するシリコン基板に対し、板状電極13としてチタン層をスパッタ成膜し、チタン層上に、抵抗変化層14としてチタン酸化物層をスパッタ成膜した。なお、チタン酸化物層は、アルゴンガスの流量を9.5sccm、酸素ガスの流量を0.5sccm、成膜圧力を0.5Pa、ターゲット電力を200Wとして二酸化チタンターゲットをスパッタすることで形成した。また、チタン酸化物層の膜厚は30nmとした。そして、抵抗変化層14との接触面の直径が30nmである微細線状電極16をロジウムによって形成して、実施例1の記憶素子を得た。この記憶素子から得られた電流−電圧特性の測定結果を図10に示す。なお、図10におけるバイアス電圧は、板状電極13の電位に対する微細線状電極16の電位を示し、マイナスは、板状電極13の電位よりも微細線状電極16が低いことを示し、プラスは、板状電極13の電位よりも微細線状電極16が高いことを示す。また、図10における実線は、抵抗変化層14が高抵抗状態であるときの電流−電圧特性を示し、図10における一点鎖線は、抵抗変化層14が低抵抗状態であるときの電流−電圧特性を示す。
[Example 1]
A titanium layer as a plate electrode 13 was formed by sputtering on a silicon substrate having a thermal oxide film, and a titanium oxide layer was formed by sputtering as a resistance change layer 14 on the titanium layer. The titanium oxide layer was formed by sputtering a titanium dioxide target with an argon gas flow rate of 9.5 sccm, an oxygen gas flow rate of 0.5 sccm, a deposition pressure of 0.5 Pa, and a target power of 200 W. The thickness of the titanium oxide layer was 30 nm. And the fine linear electrode 16 whose diameter of a contact surface with the resistance change layer 14 is 30 nm was formed with rhodium, and the memory element of Example 1 was obtained. The measurement result of the current-voltage characteristic obtained from this memory element is shown in FIG. 10 indicates the potential of the fine linear electrode 16 relative to the potential of the plate electrode 13, minus indicates that the fine linear electrode 16 is lower than the potential of the plate electrode 13, and plus indicates This indicates that the fine linear electrode 16 is higher than the potential of the plate electrode 13. Also, the solid line in FIG. 10 shows the current-voltage characteristics when the resistance change layer 14 is in the high resistance state, and the alternate long and short dash line in FIG. 10 shows the current-voltage characteristics when the resistance change layer 14 is in the low resistance state. Indicates.

図10に示されるように、−0.5Vのバイアス電圧で板状電極13と微細線状電極16との間に電流が流れない状態を初期状態とし、初期状態から−3.0Vのバイアス電圧が印加されると、−0.5Vのバイアス電圧で板状電極13と微細線状電極16との間に−0.5nAの電流が流れることが認められた。これによって、−3.0Vのセット電圧Vsetにより、抵抗変化層14が高抵抗状態から低抵抗状態に切り替わることが認められた。   As shown in FIG. 10, a state in which no current flows between the plate-like electrode 13 and the fine linear electrode 16 at a bias voltage of −0.5V is defined as an initial state, and a bias voltage of −3.0V from the initial state. It was confirmed that a current of −0.5 nA flows between the plate electrode 13 and the fine linear electrode 16 with a bias voltage of −0.5V. Accordingly, it was recognized that the resistance change layer 14 was switched from the high resistance state to the low resistance state by the set voltage Vset of −3.0V.

次いで、低抵抗状態の抵抗変化層14に対して1.0Vのバイアス電圧が印加されると、−0.5Vのバイアス電圧で板状電極13と微細線状電極16との間に電流が流れないことが認められた。これによって、1.0Vのリセット電圧Vresetにより、抵抗変化層14が低抵抗状態から高抵抗状態に切り替わることが認められた。   Next, when a bias voltage of 1.0 V is applied to the resistance change layer 14 in the low resistance state, a current flows between the plate electrode 13 and the fine linear electrode 16 with a bias voltage of −0.5 V. It was recognized that there was no. Accordingly, it was recognized that the resistance change layer 14 is switched from the low resistance state to the high resistance state by the reset voltage Vreset of 1.0 V.

そして、こうした電流−電圧特性の測定を通じて、正のバイアス電圧では板状電極13と微細線状電極16との間に電流が流れないことが認められた。これによって、抵抗変化層14と微細線状電極16との界面には、抵抗変化層14から微細線状電極16に流れる電流を抑えるショットキー障壁が形成されていることが認められた。   Through the measurement of the current-voltage characteristics, it was confirmed that no current flows between the plate electrode 13 and the fine linear electrode 16 at a positive bias voltage. Accordingly, it was recognized that a Schottky barrier that suppresses a current flowing from the resistance change layer 14 to the fine linear electrode 16 is formed at the interface between the resistance change layer 14 and the fine linear electrode 16.

[実施例2]
針状のシリコンの表面にロジウムを付着させた電極を微細線状電極16とし、微細線状電極16におけるロジウムと抵抗変化層との接触面の直径を50nmとし、それ以外の構成に実施例1と同じ構成を用いて実施例2の記憶素子を得た。この記憶素子における電流−電圧特性を実施例1と同じ条件で測定した結果を図11に示す。なお、図11においても、先に示した図10と同様、マイナスは、板状電極13の電位よりも微細線状電極16が低いことを示し、プラスは、板状電極13の電位よりも微細線状電極16が高いことを示す。
[Example 2]
An electrode in which rhodium is adhered to the surface of acicular silicon is used as a fine linear electrode 16, and the diameter of the contact surface between rhodium and the resistance change layer in the fine linear electrode 16 is 50 nm. A memory element of Example 2 was obtained using the same configuration as in Example 1. FIG. 11 shows the result of measuring the current-voltage characteristics of this memory element under the same conditions as in Example 1. In FIG. 11, similarly to FIG. 10 described above, minus indicates that the fine linear electrode 16 is lower than the potential of the plate electrode 13, and plus indicates finer than the potential of the plate electrode 13. It shows that the linear electrode 16 is high.

図11に示されるように、実施例1にて得られた結果である図10に示される電流−電圧特性と同等の電流−電圧特性が得られることが認められた。つまり、−3.0Vのセット電圧Vsetにより、抵抗変化層14が高抵抗状態から低抵抗状態に切り替わることが認められ、また、1.0Vのリセット電圧Vresetにより、抵抗変化層14が低抵抗状態から高抵抗状態に切り替わることが認められた。そして、抵抗変化層14と微細線状電極16との界面には、抵抗変化層14から微細線状電極16に流れる電流を抑えるショットキー障壁が形成されていることが認められた。   As shown in FIG. 11, it was confirmed that the current-voltage characteristic equivalent to the current-voltage characteristic shown in FIG. 10 which is the result obtained in Example 1 was obtained. That is, it is recognized that the resistance change layer 14 is switched from the high resistance state to the low resistance state by the set voltage Vset of −3.0 V, and the resistance change layer 14 is in the low resistance state by the reset voltage Vreset of 1.0 V. It was observed that the switch to the high resistance state. It was recognized that a Schottky barrier that suppresses the current flowing from the resistance change layer 14 to the fine linear electrode 16 is formed at the interface between the resistance change layer 14 and the fine linear electrode 16.

[実施例3]
直径が約5nmのカーボンナノチューブを微細線状電極16として用い、それ以外の構成に実施例1と同じ構成を用いて実施例3の記憶素子を得た。この記憶素子における電流−電圧特性を実施例1と同じ条件で測定したところ、実施例1や実施例2と同等の結果が得られた。つまり、こうしたカーボンナノチューブからなる微細線状電極16と抵抗変化層14との界面にも、抵抗変化層14から微細線状電極16に流れる電流を抑えるショットキー障壁が形成されていることが認められた。
[Example 3]
A carbon nanotube having a diameter of about 5 nm was used as the fine linear electrode 16, and the same configuration as in Example 1 was used for the other configuration, so that a memory element of Example 3 was obtained. When the current-voltage characteristics of this memory element were measured under the same conditions as in Example 1, results equivalent to those in Example 1 and Example 2 were obtained. That is, it is recognized that a Schottky barrier that suppresses the current flowing from the resistance change layer 14 to the fine linear electrode 16 is also formed at the interface between the fine linear electrode 16 made of carbon nanotubes and the resistance change layer 14. It was.

[実施例4]
熱酸化膜を有するシリコン基板に対し、抵抗変化層33としてチタン酸化物層をスパッタ成膜した。また、こうした抵抗変化層33に対し、第1板状電極36と第2板状電極37としてチタン層をスパッタ成膜し、さらに、微細線状電極35としてカーボンナノチューブを形成することによって、図5に示される構造からなる実施例4の記憶素子を得た。なお、カーボンナノチューブの直径は約5nmである。
[Example 4]
A titanium oxide layer was formed by sputtering as the resistance change layer 33 on the silicon substrate having the thermal oxide film. Further, by forming a titanium layer as the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 on the resistance change layer 33 by sputtering and further forming carbon nanotubes as the fine linear electrode 35, FIG. A memory element of Example 4 having the structure shown in FIG. The diameter of the carbon nanotube is about 5 nm.

この記憶素子において、第1板状電極36と第2板状電極37とに0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極35に−1.0Vの電圧が印加され、微細線状電極35に電流が流れていない状態を初期状態とする。初期状態から、微細線状電極35に−5.0Vの電圧が印加されると、微細線状電極35において−5.0nAの電流が流れていることが認められた。これによって、−5.0Vのセット電圧Vsetにより、抵抗変化層33が高抵抗状態から低抵抗状態に切り替わることが認められた。このとき、第1板状電極36と微細線状電極35とに0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、第2板状電極37にリード電圧Vsensとして−1.0Vの電圧が印加されると、リード電流Isensとして−0.5nAの電流が流れることが認められた。   In this memory element, a power supply voltage Vss of 0 V is applied to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37, and a voltage of −1.0 V is applied to the fine linear electrode 35, thereby forming a fine linear shape. A state where no current flows through the electrode 35 is defined as an initial state. From the initial state, it was recognized that when a voltage of −5.0 V was applied to the fine linear electrode 35, a current of −5.0 nA was flowing in the fine linear electrode 35. Accordingly, it was recognized that the resistance change layer 33 was switched from the high resistance state to the low resistance state by the set voltage Vset of −5.0V. At this time, when a power supply voltage Vss of 0 V is applied to the first plate electrode 36 and the fine linear electrode 35 and a voltage of −1.0 V is applied to the second plate electrode 37 as the lead voltage Vsens. It was confirmed that a current of -0.5 nA flows as the read current Isens.

次いで、第1板状電極36と第2板状電極37とに0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、微細線状電極35に2.0Vの電圧が印加されると、上述の読み取り動作にて、リード電流Isensが0.1pA以下であって、ほぼ絶縁状態であることが認められた。これによって、2.0Vのリセット電圧Vresetにより、抵抗変化層14が低抵抗状態から高抵抗状態に切り替わることが認められた。   Next, when the power supply voltage Vss of 0 V is applied to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 and the voltage of 2.0 V is applied to the fine linear electrode 35, the above-described reading operation is performed. Thus, it was confirmed that the read current Isens was 0.1 pA or less, and it was almost in an insulating state. Accordingly, it was recognized that the resistance change layer 14 was switched from the low resistance state to the high resistance state by the reset voltage Vreset of 2.0V.

そして、こうした電流−電圧特性の測定を通じて、微細線状電極35から第1板状電極36に流れる電流と、微細線状電極35から第2板状電極37に流れる電流とが認められなかった。これによって、こうした記憶素子においても、抵抗変化層33と微細線状電極35との界面には、抵抗変化層33から微細線状電極35に流れる電流を抑えるショットキー障壁が形成されていることが認められた。   Further, through the measurement of the current-voltage characteristics, the current flowing from the fine linear electrode 35 to the first plate electrode 36 and the current flowing from the fine linear electrode 35 to the second plate electrode 37 were not recognized. Accordingly, even in such a memory element, a Schottky barrier that suppresses a current flowing from the resistance change layer 33 to the fine linear electrode 35 is formed at the interface between the resistance change layer 33 and the fine linear electrode 35. Admitted.

[実施例5]
厚さが1nmのシリコン酸化膜を電流障壁層38として用い、それ以外の構成に実施例4と同じ構成を用いて、図9の構造からなる実施例5の記憶素子を得た。
[Example 5]
A memory element of Example 5 having the structure of FIG. 9 was obtained by using a silicon oxide film having a thickness of 1 nm as the current barrier layer 38 and using the same configuration as that of Example 4 for other configurations.

この記憶素子においても、実施例4と同様に、−5.0Vのセット電圧Vsetが微細線状電極35に印加されると、抵抗変化層33が高抵抗状態から低抵抗状態に切り替わることが認められた。また、2.0Vのリセット電圧Vresetが微細線状電極35に印加されると、抵抗変化層33が低抵抗状態から高抵抗状態に切り替わることが認められた。この間、微細線状電極35から電流障壁層38を通じて第1板状電極36に流れる電流と、微細線状電極35から電流障壁層38を通じて第2板状電極37に流れる電流とは、認められなかった。   In this memory element as well, as in Example 4, when the set voltage Vset of −5.0 V is applied to the fine linear electrode 35, it is recognized that the resistance change layer 33 is switched from the high resistance state to the low resistance state. It was. Further, it was recognized that when the reset voltage Vreset of 2.0 V is applied to the fine linear electrode 35, the resistance change layer 33 is switched from the low resistance state to the high resistance state. During this time, the current flowing from the fine linear electrode 35 to the first plate electrode 36 through the current barrier layer 38 and the current flowing from the fine linear electrode 35 to the second plate electrode 37 through the current barrier layer 38 are not recognized. It was.

[実施例6]
外部磁場によって磁化するロジウムを微細線状電極35として用い、それ以外の構成に実施例4と同じ構成を用いて実施例5の記憶素子を得た。なお、微細線状電極35における抵抗変化層33との接触面の直径は30nmとした。
[Example 6]
A rhodium magnetized by an external magnetic field was used as the fine linear electrode 35, and the same configuration as that of Example 4 was used for the other configuration, thereby obtaining a memory element of Example 5. In addition, the diameter of the contact surface with the resistance change layer 33 in the fine linear electrode 35 was 30 nm.

この記憶素子において、第1板状電極36と第2板状電極37とに0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、抵抗変化層33から微細線状電極35に向く外部磁場が印加され、微細線状電極35に電流が流れていない状態を初期状態とする。初期状態から、外部磁場が反転されると、微細線状電極35において−5.0nAの電流が流れていることが認められた。これによって、微細線状電極35から抵抗変化層33に向く外部磁場により、抵抗変化層33が高抵抗状態から低抵抗状態に切り替わることが認められた。このとき、第1板状電極36に0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、第2板状電極37にリード電圧Vsensとして−1.0Vの電圧が印加されると、リード電流Isensとして−0.5nAの電流が流れることが認められた。   In this memory element, a power supply voltage Vss of 0 V is applied to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37, and an external magnetic field from the resistance change layer 33 toward the fine linear electrode 35 is applied. A state in which no current flows through the linear electrode 35 is defined as an initial state. From the initial state, it was recognized that when the external magnetic field was reversed, a current of −5.0 nA was flowing in the fine linear electrode 35. Accordingly, it was recognized that the resistance change layer 33 was switched from the high resistance state to the low resistance state by the external magnetic field from the fine linear electrode 35 toward the resistance change layer 33. At this time, when a power supply voltage Vss of 0V is applied to the first plate electrode 36 and a voltage of −1.0V is applied to the second plate electrode 37 as a read voltage Vsens, −0 as a read current Isens. A current of .5 nA was observed to flow.

次いで、第1板状電極36と第2板状電極37とに0Vの電源電圧Vssが印加され、且つ、抵抗変化層33から微細線状電極35に向く外部磁場が印加されると、上述の読み取り動作にて、リード電流Isensが0.1pA以下であって、ほぼ絶縁状態であることが認められた。これによって、抵抗変化層33から微細線状電極35に向く外部磁場により、抵抗変化層14が低抵抗状態から高抵抗状態に切り替わることが認められた。   Next, when a power supply voltage Vss of 0 V is applied to the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 and an external magnetic field from the resistance change layer 33 toward the fine linear electrode 35 is applied, In the reading operation, it was confirmed that the read current Isens was 0.1 pA or less and was almost in an insulating state. Thus, it was recognized that the resistance change layer 14 was switched from the low resistance state to the high resistance state by an external magnetic field directed from the resistance change layer 33 to the fine linear electrode 35.

なお、こうした電場あるいは磁場による抵抗状態の切り替えは、ショットキー障壁である電流障壁部、あるいは、絶縁障壁である電流障壁層に電荷が蓄積され、それによって抵抗状態が維持されることを示唆している。   This switching of the resistance state by an electric field or a magnetic field suggests that charges are accumulated in the current barrier part that is a Schottky barrier or the current barrier layer that is an insulating barrier, thereby maintaining the resistance state. Yes.

[比較例1]
抵抗変化層14との接触面の直径が30nmである微細線状電極16を金によって形成し、それ以外の構成に実施例1と同じ構成を用いて、比較例1の記憶素子を得た。比較例1の記憶素子における電流−電圧特性を実施例1と同じ条件で測定したところ、低抵抗状態から高抵抗状態への切り替えにおいても電流が流れることが認められた。つまり、抵抗変化層と上部電極との接触面には、抵抗変化層から上部電極に向かう電流に対する障壁となるショットキー障壁が形成されていないことが認められた。
[Comparative Example 1]
A fine linear electrode 16 having a contact surface with the resistance change layer 14 having a diameter of 30 nm was formed of gold, and the memory element of Comparative Example 1 was obtained by using the same configuration as that of Example 1 for other configurations. When the current-voltage characteristics of the memory element of Comparative Example 1 were measured under the same conditions as in Example 1, it was recognized that current flowed even when switching from the low resistance state to the high resistance state. In other words, it was recognized that a Schottky barrier serving as a barrier against a current from the resistance change layer to the upper electrode was not formed on the contact surface between the resistance change layer and the upper electrode.

なお、上述の各実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・第1実施形態における電流障壁部15は、抵抗変化層14とは異なる層であってもよい。また、第2実施形態における電流障壁部34は、抵抗変化層33とは異なる層であってもよい。例えば、図12に示されるように、基板11の上に形成される下地層12には、板状電極13と抵抗変化層14とが順に積層され、抵抗変化層14における上面の全体には、エネルギー障壁層としての電流障壁層15aが積層され、電流障壁層15aにおける上面の一部分に微細線状電極16が積層されている。こうした構成であっても、電流障壁層15aが、上記の第1ショットキー接合、あるいは、上記の第2ショットキー接合を形成する材料であれば、第1実施形態と同様の効果を得ることは可能である。
In addition, each above-mentioned embodiment can also be suitably changed and implemented as follows.
The current barrier 15 in the first embodiment may be a layer different from the resistance change layer 14. Further, the current barrier section 34 in the second embodiment may be a layer different from the resistance change layer 33. For example, as shown in FIG. 12, a plate electrode 13 and a resistance change layer 14 are sequentially stacked on the base layer 12 formed on the substrate 11, and the entire upper surface of the resistance change layer 14 is A current barrier layer 15a as an energy barrier layer is stacked, and a fine linear electrode 16 is stacked on a part of the upper surface of the current barrier layer 15a. Even in such a configuration, if the current barrier layer 15a is a material that forms the first Schottky junction or the second Schottky junction, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Is possible.

・第2実施形態における微細線状電極35は、抵抗変化層33の上面ではなく、抵抗変化層33における下地層32側の面である下面に接続されてもよい。すなわち、図13に示されるように、記憶素子30の有する基板31の上面には、微細線状電極35の接続先となる配線35aと下地層32とが積層され、下地層32の内部に微細線状電極35が埋め込まれている。下地層32の上面のうち、微細線状電極35の上面が含まれる部分には、抵抗変化層33が積層され、抵抗変化層33における面方向の両端部には、第1板状電極36と第2板状電極37とが接続されている。こうした記憶素子の構造であっても、第2実施形態と同様の効果を得ることは可能である。   The fine linear electrode 35 in the second embodiment may be connected not to the upper surface of the resistance change layer 33 but to the lower surface that is the surface of the resistance change layer 33 on the base layer 32 side. That is, as shown in FIG. 13, the wiring 35 a to be connected to the fine linear electrode 35 and the base layer 32 are laminated on the upper surface of the substrate 31 of the memory element 30, and the fine layer is formed inside the base layer 32. A linear electrode 35 is embedded. A resistance change layer 33 is laminated on a portion of the upper surface of the base layer 32 including the upper surface of the fine linear electrode 35, and the first plate electrode 36 and the both ends of the resistance change layer 33 in the surface direction are stacked. A second plate electrode 37 is connected. Even with such a memory element structure, it is possible to obtain the same effect as in the second embodiment.

・第3実施形態における電流障壁層38と微細線状電極35とは、抵抗変化層33の上面ではなく、抵抗変化層33における下地層32側の面である下面側に形成されてもよい。すなわち、図14に示されるように、記憶素子40の有する基板31の上面には、微細線状電極35の接続先となる配線35aと下地層32とが積層され、下地層32の内部に微細線状電極35が埋め込まれている。下地層32の上面のうち、微細線状電極35の上面が含まれる部分には、電流障壁層38と抵抗変化層33とが順に積層され、抵抗変化層33における面方向の両端部には、第1板状電極36と第2板状電極37とが接続されている。こうした記憶素子の構造であっても、第3実施形態と同様の効果を得ることは可能である。   The current barrier layer 38 and the fine linear electrode 35 in the third embodiment may be formed not on the upper surface of the resistance change layer 33 but on the lower surface side that is the surface on the base layer 32 side of the resistance change layer 33. That is, as shown in FIG. 14, the wiring 35 a to which the fine linear electrode 35 is connected and the base layer 32 are laminated on the upper surface of the substrate 31 of the memory element 40, and the base layer 32 has a fine structure. A linear electrode 35 is embedded. A current barrier layer 38 and a resistance change layer 33 are sequentially stacked on a portion of the upper surface of the base layer 32 including the upper surface of the fine linear electrode 35, and at both ends in the surface direction of the resistance change layer 33, The first plate electrode 36 and the second plate electrode 37 are connected. Even with such a memory element structure, it is possible to obtain the same effects as those of the third embodiment.

・電流障壁層15a,38の面方向における大きさは、微細線状電極と抵抗変化層との間に介在する大きさであれば、抵抗変化層の面方向における大きさより小さくてもよく、あるいは、抵抗変化層の面方向における大きさより大きくてもよい。   The size in the surface direction of the current barrier layers 15a and 38 may be smaller than the size in the surface direction of the resistance change layer as long as the size is interposed between the fine linear electrode and the resistance change layer, or The size in the surface direction of the resistance change layer may be larger.

・第2実施形態では、微細線状電極35と、第1板状電極36及び第2板状電極37のいずれか一方とを用いて抵抗変化層33の抵抗状態を検出してもよい。   In the second embodiment, the resistance state of the resistance change layer 33 may be detected using the fine linear electrode 35 and one of the first plate electrode 36 and the second plate electrode 37.

10,30,40…記憶素子、11,31…基板、12,32…下地層、13…板状電極、14,33…抵抗変化層、15,34…電流障壁部、15a,38…電流障壁層、16,35…微細線状電極、35a…配線、36…第1板状電極、37…第2板状電極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 30, 40 ... Memory element 11, 31 ... Substrate, 12, 32 ... Underlayer, 13 ... Plate electrode, 14, 33 ... Resistance change layer, 15, 34 ... Current barrier part, 15a, 38 ... Current barrier Layers 16, 35 ... fine linear electrodes, 35a ... wiring, 36 ... first plate electrode, 37 ... second plate electrode.

Claims (8)

抵抗変化層と、
前記抵抗変化層に書き込み電圧を印加する書き込み電極とを備え、
前記書き込み電極が、
前記書き込み電圧の印加により電流が流れることを抑制するエネルギー障壁を介して前記抵抗変化層に連結され、前記抵抗変化層と連結される部分を、前記書き込み電圧により前記抵抗変化層の抵抗値を変える微細な点状とする
抵抗変化メモリ。
A resistance change layer;
A write electrode for applying a write voltage to the variable resistance layer;
The write electrode is
The resistance change layer is connected to the variable resistance layer through an energy barrier that suppresses the flow of current by applying the write voltage, and the resistance value of the variable resistance layer is changed by the write voltage at a portion connected to the variable resistance layer. Resistance change memory with minute dots.
前記エネルギー障壁が、
前記抵抗変化層と前記書き込み電極との接合によって形成されるショットキー障壁である
請求項1に記載の抵抗変化メモリ。
The energy barrier is
The resistance change memory according to claim 1, wherein the resistance change memory is a Schottky barrier formed by a junction between the resistance change layer and the write electrode.
前記抵抗変化層と前記書き込み電極とに挟まれるエネルギー障壁層をさらに備え、
前記エネルギー障壁層が、前記抵抗変化層と前記書き込み電極とのいずれか一方との接合によって前記エネルギー障壁であるショットキー障壁を形成する
請求項1に記載の抵抗変化メモリ。
An energy barrier layer sandwiched between the variable resistance layer and the write electrode;
The resistance change memory according to claim 1, wherein the energy barrier layer forms a Schottky barrier, which is the energy barrier, by a junction between the resistance change layer and the write electrode.
前記抵抗変化層の抵抗値を読み出す読み出し電極をさらに備え、
前記書き込み電極が、前記読み出し電極を兼ね、前記ショットキー障壁に対し読み出し電圧として順方向の電圧を印加する
請求項2又は3に記載の抵抗変化メモリ。
It further comprises a read electrode for reading the resistance value of the variable resistance layer,
The resistance change memory according to claim 2, wherein the write electrode also serves as the read electrode and applies a forward voltage as a read voltage to the Schottky barrier.
前記抵抗変化層の抵抗値を読み出す読み出し電極をさらに備え、
前記書き込み電極と前記読み出し電極とが互いに異なる
請求項2又は3に記載の抵抗変化メモリ。
It further comprises a read electrode for reading the resistance value of the variable resistance layer,
The resistance change memory according to claim 2, wherein the write electrode and the read electrode are different from each other.
前記抵抗変化層と前記書き込み電極とに挟まれる絶縁層をさらに備え、
前記エネルギー障壁が、前記書き込み電極と前記絶縁層との接合と、前記抵抗変化層と前記絶縁層との接合とによって形成される
請求項5に記載の抵抗変化メモリ。
An insulating layer sandwiched between the variable resistance layer and the write electrode;
The resistance change memory according to claim 5, wherein the energy barrier is formed by a junction between the write electrode and the insulating layer and a junction between the resistance change layer and the insulating layer.
前記抵抗変化層が、チタン酸化物からなり、
前記書き込み電極にて前記抵抗変化層と接する部位が、ロジウム及びイリジウムのいずれかからなり、
前記書き込み電極にて前記抵抗変化層と接する面の面積が、0.01μm以下である
請求項2〜5のいずれか1つに記載の抵抗変化メモリ。
The variable resistance layer is made of titanium oxide,
The portion in contact with the resistance change layer in the writing electrode is composed of either rhodium or iridium,
The resistance change memory according to claim 2 , wherein an area of a surface of the write electrode that contacts the resistance change layer is 0.01 μm 2 or less.
前記抵抗変化層が、チタン酸化物からなり、
前記書き込み電極が、カーボンナノチューブからなる
請求項2〜5のいずれか1つに記載の抵抗変化メモリ。
The variable resistance layer is made of titanium oxide,
The resistance change memory according to claim 2, wherein the write electrode is made of a carbon nanotube.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017143154A (en) * 2016-02-09 2017-08-17 株式会社東芝 Superlattice memory and crosspoint memory device
WO2017218057A1 (en) * 2016-06-16 2017-12-21 Western Digital Technologies, Inc. Non-volatile double schottky barrier memory cell

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