JP2014056888A - 記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】微細で動作安定性が高い抵抗変化型記憶装置を提供する。
【解決手段】記憶装置1は、第1電極13と、第2電極11と、第1電極13と第2電極11との間に接続された抵抗変化膜12と、を備える。抵抗変化膜12においては、マトリクス材料中にイオンメタルが導入されている。抵抗変化膜12の第1電極側の第1領域12aにおけるイオンメタルの濃度は、抵抗変化膜12の第2電極側の第2領域12bにおけるイオンメタルの濃度よりも高い。また、記憶装置1には、イオンメタルのみからなる層は設けられていない。
【選択図】図1
【解決手段】記憶装置1は、第1電極13と、第2電極11と、第1電極13と第2電極11との間に接続された抵抗変化膜12と、を備える。抵抗変化膜12においては、マトリクス材料中にイオンメタルが導入されている。抵抗変化膜12の第1電極側の第1領域12aにおけるイオンメタルの濃度は、抵抗変化膜12の第2電極側の第2領域12bにおけるイオンメタルの濃度よりも高い。また、記憶装置1には、イオンメタルのみからなる層は設けられていない。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、記憶装置に関する。
従来より、抵抗変化型メモリ(ReRAM:Resistance Random Access Memory)が提案されている。ReRAMとは、印加する電圧によって高抵抗状態(オフ状態)と低抵抗状態(オン状態)とを切り替えられるメモリセルを備えた記憶装置である。メモリセルは、2つの電極間に接続された抵抗変化膜を含んでおり、電極間に電流を流すことにより、抵抗変化膜の抵抗状態を変化させる。ReRAMは、その構造上、電荷蓄積型のフラッシュメモリと比べて微細化しやすく、且つ、書き込み時間も短いため、次世代の不揮発性メモリ材料として期待され、開発が進められている。
ReRAMには、金属酸化膜中に酸素欠損部を生じさせて電流経路を形成する酸素欠損型のReRAMと、絶縁膜中に金属フィラメントを析出させて電流経路を形成する金属フィラメント型のReRAMが提案されている。酸素欠損型のReRAMは、抵抗変化膜の抵抗状態を変化させるために一定の電流が必要であり、このため、微細化に必要な電流スケーリングが難しい。また、微細化に伴って配線抵抗が増大するため、通電時のRIドロップ(電圧降下)の影響が大きくなり、回路動作が困難になる。一方、金属フィラメント型のReRAMにおいては、絶縁膜中に金属イオンを拡散させ析出させることにより、絶縁膜中に金属の細線を形成し、低抵抗状態を実現している。このため、酸素欠損型のReRAMと比較して低電流での動作が可能であり、微細化に伴って細線の本数も減少するため、微細化に伴う電流スケーリングが可能である。
本発明の目的は、微細で動作安定性が高い記憶装置を提供することである。
実施形態に係る記憶装置は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に接続された抵抗変化膜と、を備える。前記抵抗変化膜においては、マトリクス材料中にイオンメタルが導入されている。前記抵抗変化膜の前記第1電極側の第1領域における前記イオンメタルの濃度は、前記抵抗変化膜の前記第2電極側の第2領域における前記イオンメタルの濃度よりも高い。また、前記記憶装置には、前記イオンメタルのみからなる層は設けられていない。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1(a)は、本実施形態に係る記憶装置を例示する断面図であり、(b)は、横軸に上下方向の位置をとり、縦軸に銀濃度をとって、抵抗変化膜内の銀濃度プロファイルを例示するグラフ図である。
図1(a)及び(b)に示すように、本実施形態に係る記憶装置1は金属フィラメント型のReRAMである。図1(a)及び(b)は、記憶装置1に設けられた1つのメモリセルを示している。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1(a)は、本実施形態に係る記憶装置を例示する断面図であり、(b)は、横軸に上下方向の位置をとり、縦軸に銀濃度をとって、抵抗変化膜内の銀濃度プロファイルを例示するグラフ図である。
図1(a)及び(b)に示すように、本実施形態に係る記憶装置1は金属フィラメント型のReRAMである。図1(a)及び(b)は、記憶装置1に設けられた1つのメモリセルを示している。
図1(a)に示すように、本実施形態に係る記憶装置1の各メモリセルにおいては、下部電極11が設けられており、下部電極11上には抵抗変化膜12が設けられており、抵抗変化膜12上には上部電極13が設けられている。抵抗変化膜12は、下部電極11と上部電極13との間に接続されている。なお、本明細書において、「上」及び「下」の区別は便宜的なものであり、重力の方向とは無関係である。下部電極11及び上部電極13は、導電性の材料からなり、例えば、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)若しくはタンタル(Ta)等の金属、若しくは、これらの金属の酸化物若しくは窒化物、又は、不純物が添加されたポリシリコン等によって形成されている。
抵抗変化膜12は、マトリクス材料にイオンメタルが導入されることにより、形成されている。イオンメタルは、単体としての電気抵抗率がマトリクス材料よりも低く、マトリクス材料よりもイオン化しやすい金属である。マトリクス材料は、イオンメタルと反応せず、イオンメタルの陽イオンを拡散させることができる材料である。本実施形態においては、マトリクス材料は例えばアモルファスシリコン(a−Si)であり、イオンメタルは例えば銀(Ag)である。抵抗変化膜12の膜厚は、例えば、1nm以上100nm以下である。
図1(a)に示すように、抵抗変化膜12の上部、すなわち、上部電極13側の部分は、上側領域12aとなっている。また、抵抗変化膜12の下部、すなわち、下部電極11側の部分は、下側領域12bとなっている。例えば、上側領域12aは、抵抗変化膜12における上部電極13側の表面(上面)12Uから、抵抗変化膜12の膜厚tの三分の二以下の距離にある部分であり、下側領域12bは、抵抗変化膜12における下部電極11側の表面(下面)12Lから、抵抗変化膜12の膜厚tの三分の一以下の距離にある部分である。すなわち、上側領域12a及び下側領域12bは上下方向に積層されており、上側領域12aの厚さは(2t/3)であり、下側領域12bの厚さは(t/3)である。なお、上側領域12aと下側領域12bとの間には、明確な界面が観察されなくてもよい。
図1(b)に示すように、上側領域12aにおけるイオンメタル(銀)の濃度は下側領域12bよりも高い。例えば、上側領域12aにおける銀の濃度は、1×1018(原子/cm3)以上、2×1022(原子/cm3)以下であり、より望ましくは、1×1020(原子/cm3)以上、1×1022(原子/cm3)以下である。また、下側領域12bにおける銀の濃度は、上側領域12aにおける銀濃度よりも低く、且つ、1×1021(原子/cm3)以下であり、より望ましくは、8×1018(原子/cm3)以下である。また、下側領域12bの抵抗率は8×104(Ω・m)以上であり、より好ましくは、2×105(Ω・m)以上である。
抵抗変化膜12内における上下方向に沿った銀の濃度プロファイルは、図1(b)に実線で示すように、上側領域12a内にピークを持つ曲線状のプロファイルであってもよく、図1(b)に破線で示すように、上側領域12a内及び下側領域12b内でそれぞれ均一な階段状に近いプロファイルであってもよい。
そして、図1(a)に示すように、記憶装置1の各メモリセルには、イオンメタルのみからなる層、すなわち、銀層は設けられていない。
そして、図1(a)に示すように、記憶装置1の各メモリセルには、イオンメタルのみからなる層、すなわち、銀層は設けられていない。
次に、本実施形態に係る記憶装置の製造方法について説明する。
図2(a)〜(d)、図3(a)〜(d)、図4(a)〜(d)は、本実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図2(a)〜図4(d)の各図において、左側の図は上部電極13が延びる方向に対して平行な断面を示し、右側の図は下部電極11が延びる方向に対して平行な断面を示す。各図の左側の図と右側の図は、同じ工程の相互に直交する断面を示す。
図2(a)〜(d)、図3(a)〜(d)、図4(a)〜(d)は、本実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図2(a)〜図4(d)の各図において、左側の図は上部電極13が延びる方向に対して平行な断面を示し、右側の図は下部電極11が延びる方向に対して平行な断面を示す。各図の左側の図と右側の図は、同じ工程の相互に直交する断面を示す。
先ず、図2(a)に示すように、層間絶縁膜10a上に、導電性の材料、例えば、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)若しくはタンタル(Ta)等の金属、若しくは、これらの金属の酸化物若しくは窒化物、又は、不純物が添加されたポリシリコン等を堆積させて導電膜11aを形成する。
次に、図2(b)に示すように、導電膜11a上にレジスト膜を成膜し、リソグラフィ技術により、一方向に延びるストライプ状のレジストパターン18aに加工する。
次に、図2(c)に示すように、レジストパターン18aをマスクとしてRIE(reactive ion etching:反応性イオンエッチング)等の異方性エッチングを施し、導電膜11aを選択的に除去する。これにより、導電膜11aから下部電極11を形成する。下部電極11は、例えば一方向に延びる配線状であってもよく、複数本の下部電極11が相互に平行に配列されていてもよい。その後、レジストパターン18aを除去する。
次に、図2(d)に示すように、下部電極11間に絶縁材料を埋め込み、CMP(chemical mchanical polishing:化学的機械研磨)等により平坦化して、層間絶縁膜10bを形成する。
次に、図2(b)に示すように、導電膜11a上にレジスト膜を成膜し、リソグラフィ技術により、一方向に延びるストライプ状のレジストパターン18aに加工する。
次に、図2(c)に示すように、レジストパターン18aをマスクとしてRIE(reactive ion etching:反応性イオンエッチング)等の異方性エッチングを施し、導電膜11aを選択的に除去する。これにより、導電膜11aから下部電極11を形成する。下部電極11は、例えば一方向に延びる配線状であってもよく、複数本の下部電極11が相互に平行に配列されていてもよい。その後、レジストパターン18aを除去する。
次に、図2(d)に示すように、下部電極11間に絶縁材料を埋め込み、CMP(chemical mchanical polishing:化学的機械研磨)等により平坦化して、層間絶縁膜10bを形成する。
次に、図3(a)に示すように、例えばアモルファスシリコン(a−Si)等のマトリクス材料を堆積させることにより、マトリクス材料膜15を成膜する。マトリクス材料膜15の膜厚tは、1nm以上100nm以下とし、メモリセルに要求される特性に応じて決定する。なお、下部電極11とマトリクス材料膜15との間には、必要に応じて、例えば密着性を改善するためのバリアメタル層を形成してもよい。
次に、マトリクス材料膜15中に、例えば銀(Ag)等のイオンメタルを導入する。これにより、抵抗変化膜12が形成される。このとき、抵抗変化膜12中におけるイオンメタルの濃度分布は、抵抗変化膜12の上側領域12aにおけるイオンメタル濃度が、抵抗変化膜12の下側領域12bにおけるイオンメタル濃度よりも高くなるようにする。
イオンメタルを、マトリクス材料膜15内に導入する方法としては、例えば、イオン注入による方法、熱拡散による方法、及び成膜時に導入する方法がある。
イオン注入法で導入する場合は、マトリクス材料膜15を成膜した後、加速電圧及びドーズ量を調整してイオンメタルをイオン注入することにより、所望の濃度分布を実現する。なお、必要に応じて、マトリクス材料膜15上にダミー層を形成し、ダミー層越しにイオン注入し、その後、ダミー層を剥離してもよい。
イオン注入法で導入する場合は、マトリクス材料膜15を成膜した後、加速電圧及びドーズ量を調整してイオンメタルをイオン注入することにより、所望の濃度分布を実現する。なお、必要に応じて、マトリクス材料膜15上にダミー層を形成し、ダミー層越しにイオン注入し、その後、ダミー層を剥離してもよい。
熱拡散法で導入する場合は、マトリクス材料膜15を成膜した後、その上にイオンメタルからなるイオンメタル層を形成し、熱処理を施すことにより、イオンメタル層内のイオンメタルをマトリクス材料膜15内に拡散させて、上述の濃度分布を実現する。そして、その後、イオンメタル層を除去する。なお、必要に応じて、マトリクス材料膜15とイオンメタル層との間に、イオンメタルの拡散を抑制するバリア層を形成してもよい。例えば、マトリクス材料がアモルファスシリコンであり、イオンメタルが銀である場合には、シリコン中の銀の拡散速度は極めて高いため、熱拡散の制御が困難である。そこで、マトリクス材料層15(アモルファスシリコン層)とイオンメタル層(銀層)との間に、バリア層としてシリコン酸化層又はシリコン窒化層を形成し、バリア層の厚さと熱拡散の温度を調整することにより、アモルファスシリコン層中の銀の濃度分布を適切に制御することが容易となる。
マトリクス材料膜の成膜と同時にイオンメタルを導入することも可能である。この場合は、CVD(chemical vapor deposition:化学気相成長)法又はPVD(Physical Vapor Deposition:物理気相成長法)により、マトリクス材料とイオンメタルを交互に堆積させる。このとき、マトリクス材料の堆積量とイオンメタルの堆積量との比率を制御することにより、所望の濃度分布を実現できる。もしくは、あらかじめイオンメタルを含んだ材料を用意して成膜する方法も可能である。
以上のいずれかの方法により、抵抗変化膜12を形成する。
以上のいずれかの方法により、抵抗変化膜12を形成する。
次に、図3(b)に示すように、図3(b)に示すように、抵抗変化膜12上にレジスト膜を成膜し、リソグラフィ技術により加工する。これにより、抵抗変化膜12上に円柱状のレジストパターン18bを形成する。
次に、図3(c)に示すように、レジストパターン18bをマスクとしてRIEを施すことにより、抵抗変化膜12を選択的に除去する。これにより、抵抗変化膜12が円柱形のピラー状に加工される。その後、レジストパターン18bを除去する。
次に、図3(d)に示すように、抵抗変化膜12の相互間に絶縁材料を埋め込み、上面をCMP等により平坦化して、層間絶縁膜10cを形成する。
次に、図3(c)に示すように、レジストパターン18bをマスクとしてRIEを施すことにより、抵抗変化膜12を選択的に除去する。これにより、抵抗変化膜12が円柱形のピラー状に加工される。その後、レジストパターン18bを除去する。
次に、図3(d)に示すように、抵抗変化膜12の相互間に絶縁材料を埋め込み、上面をCMP等により平坦化して、層間絶縁膜10cを形成する。
次に、図4(a)に示すように、抵抗変化膜12及び層間絶縁膜10cの上に、導電性材料、例えば、下部電極11を形成する導電性材料と同じ導電性材料を堆積させて、導電膜13aを成膜する。このとき、抵抗変化膜12と導電膜13aとの間には、例えば密着性を改善するためのバリアメタル層を形成してもよいが、イオンメタルのみからなる層は形成しない。
次に、図4(b)に示すように、導電膜13a上にレジスト膜を成膜する。次に、リソグラフィ技術により、このレジスト膜をパターニングして、導電膜13a上にレジストパターン18cを形成する。レジストパターン18cの形状は、例えば、下部電極11が延びる方向に対して直交した方向に延びるストライプ状とする。
次に、図4(c)に示すように、レジストパターン18cをマスクとしてRIEを行い、導電膜13aを選択的に除去してパターニングする。これにより、導電膜13aが複数本の上部電極13に分割される。その後、レジストパターン18cを除去する。
次に、図4(d)に示すように、上部電極13の相互間に絶縁材料を埋め込み、上面をCMP等により平坦化して、層間絶縁膜10dを形成する。これにより、記憶装置1が製造される。
次に、図4(d)に示すように、上部電極13の相互間に絶縁材料を埋め込み、上面をCMP等により平坦化して、層間絶縁膜10dを形成する。これにより、記憶装置1が製造される。
次に、本実施形態の動作について説明する。
図5(a)及び(b)は、本実施形態に係る記憶装置の動作を模式的に例示する図であり、(a)は高抵抗状態を示し、(b)は低抵抗状態を示す。
図5(a)及び(b)は、本実施形態に係る記憶装置の動作を模式的に例示する図であり、(a)は高抵抗状態を示し、(b)は低抵抗状態を示す。
図5(a)に示すように、高抵抗状態においては、抵抗変化膜12において、マトリクス材料15内にイオンメタル16の原子が分散している。このとき、抵抗変化膜12の上側領域12aは、イオンメタル16の濃度が高く電気抵抗が低い状態にあるが、下側領域12bはイオンメタル16の濃度が低く電気抵抗が高い状態にあり、抵抗変化膜12全体としては、膜厚方向の電気抵抗値が高い状態にある。
次に、セット動作、すなわち、抵抗変化膜12を高抵抗状態から低抵抗状態に移行させる動作について説明する。
図5(b)に示すように、上部電極13が正極となり、下部電極11が負極となるような電圧を印加すると、上側領域12aにおいて、イオンメタル16の原子(M)から電子(e−)が分離し、イオンメタル16が陽イオン(M+)となる。すなわち、下記化学式(1)の反応が進行する。
図5(b)に示すように、上部電極13が正極となり、下部電極11が負極となるような電圧を印加すると、上側領域12aにおいて、イオンメタル16の原子(M)から電子(e−)が分離し、イオンメタル16が陽イオン(M+)となる。すなわち、下記化学式(1)の反応が進行する。
M→M++e− (1)
分離した電子(e−)は、正極である上部電極13から排出される。一方、陽イオン(M+)は負極である下部電極11に引き寄せられて、下側領域12b内に進入する。そして、下側領域12bにおいて、この陽イオン(M+)が下部電極11を介して供給された電子(e−)と結合し、イオンメタル16が単体(M)として析出する。すなわち、下記化学式(2)の反応が進行する。
M++e−→M (2)
このような一連の反応により、下側領域12b内にイオンメタルからなる金属フィラメント19が形成され、上側領域12aと下部電極11との間に接続される。この結果、この金属フィラメント19が膜厚方向に延びる電流経路を形成し、抵抗変化膜12が低抵抗状態となる。
次に、リセット動作、すなわち、抵抗変化膜12を低抵抗状態から高抵抗状態に移行させる動作について説明する。
図5(b)に示す状態から、図5(a)に示すように、上部電極13が負極となり、下部電極11が正極となるような電圧を印加する。これにより、金属フィラメント19を形成するイオンメタル16の原子(M)から電子(e−)が分離し、陽イオン(M+)となる。すなわち、下側領域12b内で、上記化学式(1)の反応が進行する。これにより、分離した電子(e−)は正極である下部電極11を介して排出され、陽イオン(M+)は負極である上部電極13に引き寄せられて上側領域12a内に戻る。そして、上部電極13を介して供給された電子(e−)と結合し、単体(M)に戻る。すなわち、上側領域12a内において、上記化学式(2)の反応が進行する。この結果、下側領域12b内において、金属フィラメント19の少なくとも一部が消失し、下部電極11から絶縁される。これにより、膜厚方向の電流経路が断線し、高抵抗状態に戻る。
図5(b)に示す状態から、図5(a)に示すように、上部電極13が負極となり、下部電極11が正極となるような電圧を印加する。これにより、金属フィラメント19を形成するイオンメタル16の原子(M)から電子(e−)が分離し、陽イオン(M+)となる。すなわち、下側領域12b内で、上記化学式(1)の反応が進行する。これにより、分離した電子(e−)は正極である下部電極11を介して排出され、陽イオン(M+)は負極である上部電極13に引き寄せられて上側領域12a内に戻る。そして、上部電極13を介して供給された電子(e−)と結合し、単体(M)に戻る。すなわち、上側領域12a内において、上記化学式(2)の反応が進行する。この結果、下側領域12b内において、金属フィラメント19の少なくとも一部が消失し、下部電極11から絶縁される。これにより、膜厚方向の電流経路が断線し、高抵抗状態に戻る。
このように、セット動作及びリセット動作により、抵抗変化膜12の抵抗状態を切り替えることができる。そして、抵抗変化膜12の抵抗状態に対応させて、メモリセルに値を記憶させることができる。また、抵抗変化膜12の抵抗状態を検出することにより、各メモリセルに記憶された値を読み出すことができる。セット動作及びリセット動作において、抵抗変化膜12の上側領域12aはイオンメタル源として機能し、下側領域12bは金属フィラメントの形成領域として機能する。
次に、本実施形態の効果について説明する。
上述の如く、金属フィラメント型のReRAMの動作は、イオンメタルがイオン化して移動し、移動先で単体として析出する現象を基本としている。このため、イオンメタルはイオン化しやすく、且つ、マトリクス材料中を拡散しやすい金属であることが必要である。しかしながら、このような金属は熱的及び化学的に不安定な材料であることが多く、熱的負荷及び化学的負荷に対する耐性が低い。このため、イオンメタルは、記憶装置の製造プロセスにおいて種々の問題を生じることが多い。
上述の如く、金属フィラメント型のReRAMの動作は、イオンメタルがイオン化して移動し、移動先で単体として析出する現象を基本としている。このため、イオンメタルはイオン化しやすく、且つ、マトリクス材料中を拡散しやすい金属であることが必要である。しかしながら、このような金属は熱的及び化学的に不安定な材料であることが多く、熱的負荷及び化学的負荷に対する耐性が低い。このため、イオンメタルは、記憶装置の製造プロセスにおいて種々の問題を生じることが多い。
そこで、本実施形態においては、イオンメタルのみからなる層を設けず、金属フィラメント19の形成に必要なイオンメタルを抵抗変化膜12内に予め導入している。また、抵抗変化膜12の上側領域12aにおけるイオンメタル濃度を、下側領域12bにおけるイオンメタル濃度よりも高くしている。
これにより、上述の如く、図5(a)に示す高抵抗状態であるときに、図5(b)に示すように、上部電極13を正極とし、下部電極11を負極とするような電圧を印加すると、上側領域12aに含まれるイオンメタルがイオン化して下側領域12bに移動し、下側領域12bにおいて析出して金属フィラメント19が形成されて、低抵抗状態となる。このようにして、セット動作が可能となる。
また、上述の如く、図5(b)に示す低抵抗状態であるときに、図5(a)に示すように、上部電極13を負極とし、下部電極11を正極とするような電圧を印加すると、金属フィラメント19に含まれるイオンメタルがイオン化して上側領域12aに移動し、上側領域12aにおいて析出する。この結果、下側領域12bから金属フィラメント19の少なくとも一部が消失して、高抵抗状態となる。これにより、リセット動作が可能となる。
このように、本実施形態によれば、抵抗変化膜12内のイオンメタルの濃度分布を上述の如く規定することにより、不安定なイオンメタルのみからなる層を設けることなく、スイッチング動作が可能となる。記憶装置1は、イオンメタルのみからなる層が設けられていないため、その製造プロセスにおいて印加される熱的負荷及び化学的負荷に対する耐性が高く、製造安定性が高い。例えば、図3(c)に示す工程において、抵抗変化膜12を容易に加工することができる。これにより、微細化しても動作安定性が高い記憶装置を実現することができる。
また、イオンメタルのみからなる層を形成しないことにより、これを形成する場合と比較して、抵抗変化膜12を含むピラーのアスペクト比を低減することができると共に、工程数を低減することができる。これによっても、記憶装置の製造が容易になると共に、製造コストを削減することができる。
なお、上側領域12aと下側領域12bとの間には、明確な界面は観察されなくてもよい。本実施形態においては、抵抗変化膜12全体の膜厚をtとしたとき、上部電極13、すなわち、セット動作の際に正極となる電極の側から(2t/3)の厚さの部分を上側領域12aとし、下部電極11、すなわち、セット動作の際に負極となる電極の側から(t/3)の厚さの部分をした下側領域12bとしている。この厚さの比は、実験的に見いだされたものである。
そして、抵抗変化膜12においては、上側領域12aにおけるイオンメタルの平均濃度が、下側領域12bにおけるイオンメタルの平均濃度よりも高ければよい。すなわち、実際の濃度プロファイルは、図1(b)に実線で示すように、上側領域12a及び下側領域12bのそれぞれの内部で分布を持っているとしても、図1(b)に破線で示すように、各部分内には濃度勾配がないものとみなして、電気特性を議論することができる。これも、実験事実により確認されている。そこで、イオンメタル濃度に関する定量的な議論は、各領域の平均値によって行う。以下、本実施形態における数値限定理由について説明する。
(1)上側領域12aにおける銀濃度:1×1018(原子/cm3)〜2×1022(原子/cm3)
抵抗変化膜12の上側領域12aにおけるイオンメタルの濃度は、主として、スイッチングの特性と製造の容易性との兼ね合いから決定される。イオンメタルに銀を用い、マトリクス材料にアモルファスシリコンを用いる場合の例を以下に示す。
抵抗変化膜12の上側領域12aにおけるイオンメタルの濃度は、主として、スイッチングの特性と製造の容易性との兼ね合いから決定される。イオンメタルに銀を用い、マトリクス材料にアモルファスシリコンを用いる場合の例を以下に示す。
図6は、横軸にサイクル数をとり、縦軸に、オン/オフ電流比をとって、金属フィラメントの形成容易性を例示するグラフ図である。
図6の縦軸に示す「オン/オフ電流比」は、ある電圧におけるオフ電流Ioffに対するオン電流Ionの比の値を表している。また、図6においては、本実施形態の実施例に係る記憶装置、すなわち、銀層が設けられていない記憶装置を白丸(○)で示し、比較例に係る記憶装置、すなわち、抵抗変化膜と上部電極との間に銀層を設けた記憶装置を黒丸(●)で示している。
図6の縦軸に示す「オン/オフ電流比」は、ある電圧におけるオフ電流Ioffに対するオン電流Ionの比の値を表している。また、図6においては、本実施形態の実施例に係る記憶装置、すなわち、銀層が設けられていない記憶装置を白丸(○)で示し、比較例に係る記憶装置、すなわち、抵抗変化膜と上部電極との間に銀層を設けた記憶装置を黒丸(●)で示している。
図6に示すように、銀層が設けられた比較例に係る記憶装置においては、一度の電圧印加により、抵抗変化膜中に金属フィラメントが形成され、十分なオン/オフ電流比を得ることができる。これに対して、銀層が設けられていない実施例に係る記憶装置においては、一度の電圧印加で抵抗変化膜中に金属フィラメントが完全に形成される場合は少なく、通常、数回程度の電圧サイクルが必要となる。そして、上側領域12a内における銀濃度が低いほど、金属フィラメントが形成されるまでの電圧サイクル数が多くなり、銀濃度が更に低くなると、十分な回数の電圧サイクルを印加しても金属フィラメントが形成されない確率が増加する。すなわち、スイッチング確率が低下する。
図7は、横軸に抵抗変化膜の上側領域の銀濃度をとり、縦軸に単ビットのスイッチング確率をとって、上側領域の銀濃度がメモリセルのスイッチング確率に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
図7に示すように、上側領域12aの銀濃度が1×1018(原子/cm3)以上だとスイッチング確率が高く、1×1020(原子/cm3)以上だとスイッチング確率が特に高い。このため、上側領域12aの銀濃度は1×1018(原子/cm3)以上であることが好ましく、1×1020(原子/cm3)以上であることがより好ましい。
図7に示すように、上側領域12aの銀濃度が1×1018(原子/cm3)以上だとスイッチング確率が高く、1×1020(原子/cm3)以上だとスイッチング確率が特に高い。このため、上側領域12aの銀濃度は1×1018(原子/cm3)以上であることが好ましく、1×1020(原子/cm3)以上であることがより好ましい。
一方、上側領域12aのイオンメタル濃度が高いと、スイッチング特性は安定するものの、RIE及びCMP等の加工工程において発生する残渣物の量が増加し、加工の難易度が増加してしまう。
図8は、横軸に上側領域の銀濃度をとり、縦軸に残渣物の発生量をとって、銀濃度が残渣物量に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
図8は、横軸に上側領域の銀濃度をとり、縦軸に残渣物の発生量をとって、銀濃度が残渣物量に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
図8は、アモルファスシリコン内に銀を導入した抵抗変化膜をCHF3ガスを用いてRIE加工したときに、表面に残る残渣物の個数密度を示している。この残渣物のほとんどはRIE加工に伴う反応生成物であり、その主成分は銀のハロゲン化合物である。銀のハロゲン化合物は融点が高く、蒸気圧が低いため、除去が困難である。このため、残渣物量が多くなると、通常の半導体プロセスによる加工が困難になる。また、銀は熱負荷にも弱く、アモルファスシリコン中の銀濃度が高すぎる場合は、アモルファスシリコン中で銀が凝集し、製造過程における膜剥がれの起点となる場合がある。
図8に示すように、上側領域12aの銀濃度が高いほど残渣物量が多く、銀濃度がある値を超えると残渣物量が急激に増加する。但し、上側領域12aにおける銀濃度が2×1022(原子/cm3)以下であれば、残渣物の量が過剰になることなく、通常の半導体プロセスにおける取り扱いが可能である。このため、上側領域12aにおける銀濃度は、2×1022(原子/cm3)以下であることが好ましく、1×1022(原子/cm3)以下であることがより好ましい。
以上をまとめると、スイッチング確率と製造の容易性の観点から、上側領域12aにおけるアモルファスシリコン中の銀の濃度は、1×1018(原子/cm3)以上2×1022(原子/cm3)以下とすることが好ましく、1×1020(原子/cm3)以上1×1022(原子/cm3)以下とすることがより好ましい。
(2)下側領域の抵抗率:8×104(Ω・m)以上
抵抗変化膜12の下側領域12bのイオンメタル濃度は、下側領域12bの抵抗率から決定される。下側領域12bの抵抗率が低いと、下側領域12bに電界が印加されにくくなる。そうすると、上側領域12aにおいてイオンメタルがイオン化したとしても、このイオンメタルの陽イオンが下側領域12b内を移動できず、金属フィラメントを形成できない。
抵抗変化膜12の下側領域12bのイオンメタル濃度は、下側領域12bの抵抗率から決定される。下側領域12bの抵抗率が低いと、下側領域12bに電界が印加されにくくなる。そうすると、上側領域12aにおいてイオンメタルがイオン化したとしても、このイオンメタルの陽イオンが下側領域12b内を移動できず、金属フィラメントを形成できない。
図9は、横軸に抵抗変化膜の下側領域の抵抗率をとり、縦軸にメモリセルのスイッチング確率をとって、下側領域の抵抗率がスイッチング確率に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
図9に示すように、下側領域12bの抵抗率とメモリセルのスイッチング確率には正の相関関係がある。下側領域12bの抵抗率が8×104(Ω・m)以上であれば、一定のスイッチング確率を実現することができ、2×105(Ω・m)以上であれば、ほぼ100%のスイッチング確率を実現することができる。このため、下側領域12bの抵抗率は8×104(Ω・m)以上であることが好ましく、2×105(Ω・m)以上であることがより好ましい。
(3)下側領域の銀濃度:1×1021(原子/cm3)以下
図10は、横軸に抵抗変化膜の下側領域の銀濃度をとり、縦軸に抵抗率をとって、銀濃度と抵抗率との関係を例示するグラフ図であり、
図11は、横軸に抵抗変化膜の下側領域の銀濃度をとり、縦軸にメモリセルのスイッチング確率をとって、下側領域の銀濃度がスイッチング確率に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
図10は、横軸に抵抗変化膜の下側領域の銀濃度をとり、縦軸に抵抗率をとって、銀濃度と抵抗率との関係を例示するグラフ図であり、
図11は、横軸に抵抗変化膜の下側領域の銀濃度をとり、縦軸にメモリセルのスイッチング確率をとって、下側領域の銀濃度がスイッチング確率に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
マトリクス材料としてアモルファスシリコンを使用し、イオンメタルとして銀を使用する場合、図10及び図11に示すように、有意のスイッチング確率を得るためには、銀濃度を1×1021(原子/cm3)以下とすることが好ましく、100%に近いスイッチング確率を得るためには、銀濃度を8×1018(原子/cm3)以下とすることが好ましい。
次に、第2の実施形態について説明する。
図12は、本実施形態に係る記憶装置を例示する断面図である。
図12に示すように、本実施形態に係る記憶装置2は、前述の第1の実施形態に係る記憶装置1(図1(a)参照)と比較して、抵抗変化膜が二層膜である点が異なっている。すなわち、記憶装置2においては、下部電極11と上部電極13との間に抵抗変化膜22が接続されており、抵抗変化膜22においては、下層側にシリコン酸化膜23が設けられ、上層側にアモルファスシリコン膜24が設けられており、全体に銀が導入されている。すなわち、シリコン酸化膜23のマトリクス材料はシリコン酸化物(SiO2)であり、イオンメタルは銀(Ag)であり、アモルファスシリコン膜24のマトリクス材料はアモルファスシリコン(a−Si)であり、イオンメタルは銀(Ag)である。
図12は、本実施形態に係る記憶装置を例示する断面図である。
図12に示すように、本実施形態に係る記憶装置2は、前述の第1の実施形態に係る記憶装置1(図1(a)参照)と比較して、抵抗変化膜が二層膜である点が異なっている。すなわち、記憶装置2においては、下部電極11と上部電極13との間に抵抗変化膜22が接続されており、抵抗変化膜22においては、下層側にシリコン酸化膜23が設けられ、上層側にアモルファスシリコン膜24が設けられており、全体に銀が導入されている。すなわち、シリコン酸化膜23のマトリクス材料はシリコン酸化物(SiO2)であり、イオンメタルは銀(Ag)であり、アモルファスシリコン膜24のマトリクス材料はアモルファスシリコン(a−Si)であり、イオンメタルは銀(Ag)である。
また、抵抗変化膜22におけるアモルファスシリコン膜24の全体及びシリコン酸化膜23の上部は、上側領域22aとなり、イオンメタル源として機能する。一方、シリコン酸化膜23の下部は、下側領域22bとなり、金属フィラメントの形成領域として機能する。そして、前述の第1の実施形態と同様に、上側領域22aのイオンメタル濃度は、下側領域22bのイオンメタル濃度よりも高い。この場合、イオンメタル濃度は、単位体積当たりの原子数で評価する。上側領域22a及び下側領域22bにおけるイオンメタル濃度の好適範囲、並びに、下側領域22bの抵抗率の好適範囲は、前述の第1の実施形態と同様である。
本実施形態においては、抵抗変化膜22の下部、すなわち、シリコン酸化膜23のマトリクス材料はシリコン酸化物であるため、前述の第1の実施形態のように、抵抗変化膜12全体でマトリクス材料をアモルファスシリコンとする場合と比較して、データリテンション特性が良好である。また、本実施形態においては、抵抗変化膜22の上部、すなわち、アモルファスシリコン膜24のマトリクス材料はアモルファスシリコンであるため、抵抗変化膜全体でマトリクス材料をシリコン酸化物とする場合と比較して、動作電圧を低くすることができる。
一般に、イオンメタルとして銀を用いる場合は、マトリクス材料がアモルファスシリコンであると、動作電圧を低減できる反面、データリテンション特性が低下する傾向がある。一方、マトリクス材料がシリコン酸化物であると、データリテンション特性は良好であるが、動作電圧は高くなる傾向がある。そこで、本実施形態においては、シリコン酸化膜とアモルファスシリコン膜を積層させて抵抗変化膜を構成することにより、これらの特性のバランスをとり、動作電圧を低く保ちつつ、データリテンション特性が高いメモリセルを形成することができる。特に、シリコン酸化膜23をアモルファスシリコン膜24よりも薄くすることにより、動作電圧の大幅な増加を回避することができる。
また、イオンメタルをスパッタ法により成膜して、抵抗変化膜中に導入する場合において、シリコン酸化物はアモルファスシリコンと比較して、スパッタリング時に受けるダメージが大きい。このため、抵抗変化膜の一部をアモルファスシリコンによって形成することにより、シリコン酸化物のみによって形成する場合と比較して、メモリセルの特性のばらつきを抑えることができる。例えば、高抵抗状態におけるリーク電流(オフリーク)を低減することができる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
次に、第3の実施形態について説明する。
図13は、本実施形態に係る記憶装置を例示する断面図である。
図13に示すように、本実施形態に係る記憶装置3においては、前述の第2の実施形態に係る記憶装置2(図12参照)と比較して、抵抗変化膜32において、アモルファスシリコン膜24が下層側に配置されており、シリコン酸化膜23が上層側に配置されている点が異なっている。
図13は、本実施形態に係る記憶装置を例示する断面図である。
図13に示すように、本実施形態に係る記憶装置3においては、前述の第2の実施形態に係る記憶装置2(図12参照)と比較して、抵抗変化膜32において、アモルファスシリコン膜24が下層側に配置されており、シリコン酸化膜23が上層側に配置されている点が異なっている。
本実施形態においては、抵抗変化膜32の上側領域32aの大部分がシリコン酸化膜23によって構成されている。シリコン酸化物の抵抗率はアモルファスシリコンの抵抗率よりも高いため、下部電極11と上部電極13との間に電圧を印加したときに、シリコン酸化膜23中の銀原子には高い電界が印加される。このため、セット動作時において、上側領域32a内の銀原子がイオン化されやすくなる。この結果、一定の電圧を印加したときに金属フィラメントが形成される確率が高くなり、スイッチング確率が増加する。
図14は、横軸に抵抗変化膜の構成をとり、縦軸にメモリセルのスイッチング確率をとって、抵抗変化膜の構成がスイッチング確率に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
図14に示すように、前述の第1の実施形態のように、抵抗変化膜全体についてマトリクス材料をアモルファスシリコンとしたサンプル(図14において、「(a−Si)単層膜」と表記する)と、本実施形態のように、抵抗変化膜の下層側にアモルファスシリコン膜24を配置し、上層側にシリコン酸化膜23を配置したサンプル(図14において、「(a−Si/SiO2)二層膜」と表記する)を製造し、同じ条件でメモリセルのスイッチング確率を評価した。なお、イオンメタルは銀とした。その結果、サンプル「(a−Si/SiO2)二層膜」は、サンプル「(a−Si)単層膜」と比較して、スイッチング確率が高かった。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第2の実施形態と同様である。
図14に示すように、前述の第1の実施形態のように、抵抗変化膜全体についてマトリクス材料をアモルファスシリコンとしたサンプル(図14において、「(a−Si)単層膜」と表記する)と、本実施形態のように、抵抗変化膜の下層側にアモルファスシリコン膜24を配置し、上層側にシリコン酸化膜23を配置したサンプル(図14において、「(a−Si/SiO2)二層膜」と表記する)を製造し、同じ条件でメモリセルのスイッチング確率を評価した。なお、イオンメタルは銀とした。その結果、サンプル「(a−Si/SiO2)二層膜」は、サンプル「(a−Si)単層膜」と比較して、スイッチング確率が高かった。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第2の実施形態と同様である。
前述の第2及び第3の実施形態に示すように、抵抗変化膜の上側領域におけるイオンメタル濃度が下側領域におけるイオンメタル濃度よりも高ければ、抵抗変化膜の構造は単層構造には限定されず、積層構造であってもよい。なお、第2及び第3の実施形態においては、抵抗変化膜が二層膜である例を示したが、三層以上の層が積層された多層膜であってもよい。また、シリコン酸化膜23のマトリクス材料として、シリコン酸化物の替わりに、シリコン窒化物又はシリコン酸窒化物を用いてもよい。更に、アモルファスシリコン膜24のマトリクス材料として、アモルファスシリコンの替わりに、ポリシリコンを用いてもよい。
次に、第4の実施形態について説明する。
図15(a)は、本実施形態に係る記憶装置を例示する断面図であり、(b)は、縦軸に上下方向(Z方向)の位置をとり、横軸に抵抗変化膜中の銀濃度をとって、イオンメタルの濃度分布を例示するグラフ図である。
図15(a)は、本実施形態に係る記憶装置を例示する断面図であり、(b)は、縦軸に上下方向(Z方向)の位置をとり、横軸に抵抗変化膜中の銀濃度をとって、イオンメタルの濃度分布を例示するグラフ図である。
図15(a)に示すように、本実施形態に係る記憶装置4においては、ワード線配線層41とビット線配線層42とがZ方向に沿って交互に積層されている。各ワード線配線層41においては、同一平面上にX方向に延びる複数本のワード線WLが周期的に配列されている。また、各ビット線配線層42においては、同一平面上にY方向に延びる複数本のビット線BLが周期的に配列されている。X方向、Y方向、Z方向は、相互に直交する方向である。各ワード線WLと各ビット線BLとの間には、抵抗変化膜43が接続されている。抵抗変化膜43は、例えば、マトリクス材料としてのアモルファスシリコンにイオンメタルとしての銀が導入されて形成されている。ワード線WL、ビット線BL、抵抗変化膜43の相互間には、層間絶縁膜44が配置されている。
図15(b)に示すように、各抵抗変化膜43内においては、Z方向に沿って銀濃度が変化している。抵抗変化膜43の膜厚をtとするとき、ビット線BL側に位置する厚さが例えば(2t/3)のビット線側領域43aにおける銀濃度は、ワード線WL側に位置する厚さが例えば(t/3)のワード線側領域43bの銀濃度よりも高い。
そして、1本のワード線WL、1本のビット線BL、及びこれらの間に接続された1枚の抵抗変化膜43により、1つのメモリセルが構成されている。従って、記憶装置4においては、複数個のメモリセルが3次元マトリクス状に配列されている。X方向、Y方向及びZ方向において隣り合うメモリセル間においては、ワード線WL又はビット線BLが共有されている。
各メモリセルの構造は、前述の第1の実施形態におけるメモリセル(図1(a)参照)の構造と同様である。すなわち、本実施形態におけるワード線WL、ビット線BL、抵抗変化膜43、ビット線側領域43a及びワード線側領域43bは、それぞれ、第1の実施形態における下部電極11、上部電極13、抵抗変化膜12、上側領域12a及び下側領域12bに相当する。各領域の銀濃度及び抵抗率の好適範囲も、前述の第1の実施形態と同様である。
本実施形態に係る記憶装置4は、図2(a)〜図4(d)に示す工程を繰り返すことにより、製造することができる。但し、ビット線BL上に抵抗変化膜43を形成する場合は、抵抗変化膜43の下部にイオンメタル濃度が相対的に高いビット線側領域43aが位置し、上部にイオンメタル濃度が相対的に低いワード線側領域43bが位置するため、図3(a)に示すイオンメタルの導入工程において、抵抗変化膜43の下部のイオンメタル濃度が上部のイオンメタル濃度よりも高くなるような条件で、イオンメタル16を導入する必要がある。
本実施形態によれば、クロスポイント構造を実現し、メモリセルを3次元的に集積することができるため、記憶密度が高い記憶装置を実現することができる。本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
なお、前述の各実施形態においては、マトリクス材料がアモルファスシリコンである場合を例にとって説明したが、マトリクス材料はこれには限定されず、例えば、ポリシリコンであってもよい。また、マトリクス材料は、シリコン以外の材料であってもよい。例えば、マトリクス材料は、シリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、シリコン硫化物、シリコン塩化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウムシリケート化合物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウムシリケート化合物、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、アルミニウムシリケート化合物、チタン酸化物、チタン窒化物、及びチタンシリケート化合物からなる群より選択された1種以上の材料とすることができる。
また、前述の各実施形態においては、イオンメタルが銀である場合を例にとって説明したが、イオンメタルは銀には限定されない。例えば、イオンメモリは、金、銀、銅、白金、パラジウム、チタン、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、アルミニウム、インジウム、テルリウム(テルル)、ナトリウム及びカルシウムからなる群から選択された1種以上の金属とすることができる。
以上説明した実施形態によれば、微細で動作安定性が高い記憶装置を実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
本発明は、以下の態様を含む。
(付記1)
第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に接続された抵抗変化膜と、
を備え、
前記抵抗変化膜においては、マトリクス材料中にイオンメタルが導入されており、
前記抵抗変化膜の前記第1電極側の第1領域における前記イオンメタルの濃度は、前記抵抗変化膜の前記第2電極側の第2領域における前記イオンメタルの濃度よりも高く、
前記イオンメタルのみからなる層は設けられていない記憶装置。
(付記2)
前記マトリクス材料は、シリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、シリコン硫化物、シリコン塩化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウムシリケート化合物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウムシリケート化合物、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、アルミニウムシリケート化合物、チタン酸化物、チタン窒化物、及びチタンシリケート化合物からなる群より選択された1種以上の材料である付記1記載の記憶装置。
(付記3)
前記イオンメモリは、金、銀、銅、白金、パラジウム、チタン、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、アルミニウム、インジウム、テルリウム、ナトリウム及びカルシウムからなる群から選択された1種以上の金属である付記1または2記載の記憶装置。
(付記1)
第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に接続された抵抗変化膜と、
を備え、
前記抵抗変化膜においては、マトリクス材料中にイオンメタルが導入されており、
前記抵抗変化膜の前記第1電極側の第1領域における前記イオンメタルの濃度は、前記抵抗変化膜の前記第2電極側の第2領域における前記イオンメタルの濃度よりも高く、
前記イオンメタルのみからなる層は設けられていない記憶装置。
(付記2)
前記マトリクス材料は、シリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、シリコン硫化物、シリコン塩化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウムシリケート化合物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウムシリケート化合物、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、アルミニウムシリケート化合物、チタン酸化物、チタン窒化物、及びチタンシリケート化合物からなる群より選択された1種以上の材料である付記1記載の記憶装置。
(付記3)
前記イオンメモリは、金、銀、銅、白金、パラジウム、チタン、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、アルミニウム、インジウム、テルリウム、ナトリウム及びカルシウムからなる群から選択された1種以上の金属である付記1または2記載の記憶装置。
1、2、3、4:記憶装置、10a、10b、10c、10d:層間絶縁膜、11:下部電極、11a:導電膜、12:抵抗変化膜、12a:上側領域、12b:下側領域、12L:下面、12U:上面、13:上部電極、13a:導電膜、15:マトリクス材料膜、16:イオンメタル、18a、18b、18c:レジストパターン、19:金属フィラメント、22:抵抗変化膜、22a:上側領域、22b:下側領域、23:シリコン酸化膜、24:アモルファスシリコン膜、32:抵抗変化膜、32a:上側領域、32b:下側領域、41:ワード線配線層、42:ビット線配線層、43:抵抗変化膜、43a:ビット線側領域、43b:ワード線側領域、44:層間絶縁膜、BL:ビット線、WL:ワード線、t:膜厚
Claims (11)
- 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に接続され、膜厚が1nm以上100nm以下である抵抗変化膜と、
を備え、
前記抵抗変化膜においては、アモルファスシリコン中に銀が導入されており、
前記抵抗変化膜の前記第1電極側の表面から前記抵抗変化膜の膜厚の三分の二以下の距離にある第1領域における銀の濃度は、前記抵抗変化膜の前記第2電極側の表面から前記抵抗変化膜の膜厚の三分の一以下の距離にある第2領域における銀の濃度よりも高く、
前記第1領域における銀の濃度は1×1018(原子/cm3)以上、2×1022(原子/cm3)以下であり、
前記第2領域における銀の濃度は1×1021(原子/cm3)以下であり、
前記第2領域の抵抗率は8×104(Ω・m)以上であり、
前記抵抗変化膜を高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させるときは、前記第1電極を正極とし前記第2電極を負極とした電圧を印加することにより、前記第2領域内に金属フィラメントを形成し、
前記抵抗変化膜を低抵抗状態から高抵抗状態に遷移させるときは、前記第1電極を負極とし前記第2電極を正極とした電圧を印加することにより、前記金属フィラメントの少なくとも一部を消失させ、
銀のみからなる層は設けられていない記憶装置。 - 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に接続された抵抗変化膜と、
を備え、
前記抵抗変化膜においては、マトリクス材料中にイオンメタルが導入されており、
前記抵抗変化膜の前記第1電極側の第1領域における前記イオンメタルの濃度は、前記抵抗変化膜の前記第2電極側の第2領域における前記イオンメタルの濃度よりも高く、
前記イオンメタルのみからなる層は設けられていない記憶装置。 - 前記第1領域は、前記抵抗変化膜における前記第1電極側の表面から、前記抵抗変化膜の膜厚の三分の二以下の距離にある領域であり、
前記第2領域は、前記抵抗変化膜における前記第2電極側の表面から、前記抵抗変化膜の膜厚の三分の一以下の距離にある領域である請求項2記載の記憶装置。 - 前記第2領域の抵抗率が8×104(Ω・m)以上である請求項2または3に記載の記憶装置。
- 前記マトリクス材料がアモルファスシリコンであり、
前記イオンメタルが銀であり、
前記第2領域における前記イオンメタルの濃度が1×1021(原子/cm3)以下である請求項2〜4のいずれか1つに記載の記憶装置。 - 前記第1領域における前記イオンメタルの濃度が1×1018(原子/cm3)以上、2×1022(原子/cm3)以下である請求項5記載の記憶装置。
- 前記抵抗変化膜が、前記マトリクス材料が相互に異なる複数の層が積層された積層膜である請求項2〜6のいずれか1つに記載の記憶装置。
- 前記抵抗変化膜は、
前記第1電極側に配置され、前記マトリクス材料がアモルファスシリコン又はポリシリコンである第1層と、
前記第2電極側に配置され、前記マトリクス材料がシリコン酸化物、シリコン窒化物又はシリコン酸窒化物である第2層と、
を有した請求項7記載の記憶装置。 - 前記抵抗変化膜は、
前記第1電極側に配置され、前記マトリクス材料がシリコン酸化物、シリコン窒化物又はシリコン酸窒化物である第1層と、
前記第2電極側に配置され、前記マトリクス材料がアモルファスシリコン又はポリシリコンである第2層と、
を有した請求項8記載の記憶装置。 - 前記抵抗変化膜の膜厚が、1nm以上100nm以下である請求項2〜9のいずれか1つに記載の記憶装置。
- 前記抵抗変化膜を高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させるときは、前記第1電極を正極とし前記第2電極を負極とした電圧を印加することにより、前記第2領域内に金属フィラメントを形成し、
前記抵抗変化膜を低抵抗状態から高抵抗状態に遷移させるときは、前記第1電極を負極とし前記第2電極を正極とした電圧を印加することにより、前記金属フィラメントの少なくとも一部を消失させる請求項2〜10のいずれか1つに記載の記憶装置。
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