JP2015103601A - Resistance change element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resistance change element in which high resistance ratio window, endurance and a stable electrode having less resistance fluctuation are achieved.SOLUTION: A resistance change element includes: a first electrode 11 and a second electrode 15; a resistance change layer 13 containing oxygen and a first metal; a resistance layer 14 which is arranged between the second electrode 15 and the resistance change layer 13, which includes oxygen and the second metal different from the first metal, and whose specific resistance is 1000 μ Ω cm or less; and a diffusion prevention layer 12 which is arranged between the first electrode 11 and the resistance change layer 13 and which has characteristics for preventing oxygen supplied from the resistance layer 14 to the resistance change layer 13 from being diffused to the first electrode 11.

Description

本発明は、抵抗変化素子に関する。   The present invention relates to a resistance change element.

自身に電圧を印加する(電流を流す)ことに応じて自身の抵抗値を変化させる抵抗変化素子が知られている。抵抗変化素子は、電圧の印加によって抵抗値が可逆的に変化する性質を有し、抵抗値に対応したデータを不揮発的に記憶することが可能であることから、不揮発性半導体記憶装置において用いられている。   2. Description of the Related Art A resistance change element that changes its resistance value in response to applying a voltage (flowing current) to itself is known. The resistance change element has a property that the resistance value reversibly changes when a voltage is applied, and can store data corresponding to the resistance value in a nonvolatile manner. Therefore, the resistance change element is used in a nonvolatile semiconductor memory device. ing.

例えば、特許文献1においては、第1電極と第2電極との間に抵抗変化層、及び、第2電極と接する低抵抗層(抵抗層)を挟持して構成される可変抵抗素子(抵抗変化素子)が開示されている。この低抵抗層は、抵抗変化層(例えば、HfO;x<2)を構成する金属酸化物に含まれる金属元素と同一の金属元素を含む酸化物(例えば、HfOx-δ;δ>0)であり、かつ、その抵抗値が抵抗変化層より低くなるように低抵抗化する処理がされている。低抵抗化する処理では、低抵抗層が抵抗変化層よりも酸素が不足するような処理が行われ、例えば、金属ターゲット(例えば、Hfターゲット)を用いてArとOの混合ガスをスパッタガスとして用いたリアクティブスパッタ法においてスパッタガス中の酸素分圧比を低くすることによって、低抵抗層を抵抗変化層よりも酸素不足にしている。 For example, in Patent Document 1, a variable resistance element (resistance change) configured by sandwiching a resistance change layer and a low resistance layer (resistance layer) in contact with the second electrode between the first electrode and the second electrode. Device). This low resistance layer is an oxide (for example, HfO x-δ ; δ> 0 containing the same metal element as the metal element included in the metal oxide constituting the resistance change layer (for example, HfO x ; x <2). And the resistance is reduced so that the resistance value is lower than that of the resistance change layer. In the process of reducing the resistance, a process in which the low resistance layer is deficient in oxygen than the resistance change layer is performed. For example, a mixed gas of Ar and O 2 is sputtered using a metal target (eg, Hf target). In the reactive sputtering method used in the above, the oxygen partial pressure ratio in the sputtering gas is lowered to make the low resistance layer oxygen deficient than the resistance change layer.

特許文献1に記載の抵抗変化素子は、第2電極を基準にして第1電極が負電圧となるようにパルスを印加すると、高抵抗状態から低抵抗状態に遷移(セット)し、第2電極を基準にして第1電極が正電圧となるパルスを印加すると、低抵抗状態から高抵抗状態に遷移(リセット)する。ここで、このような抵抗変化素子の抵抗変化に際しては、抵抗変化層から酸素イオンが低抵抗層に移動することによって抵抗変化層が低抵抗化し、一方、低抵抗層から引き抜かれた酸素イオンが抵抗変化層に取り込まれることによって抵抗変化層が高抵抗化すると考えられている。   The resistance change element described in Patent Document 1 transitions (sets) from a high resistance state to a low resistance state when a pulse is applied so that the first electrode has a negative voltage with respect to the second electrode. When a pulse in which the first electrode has a positive voltage is applied with reference to, the transition from the low resistance state to the high resistance state (reset). Here, in the resistance change of such a resistance change element, the resistance change layer is reduced in resistance by oxygen ions moving from the resistance change layer to the low resistance layer, while the oxygen ions extracted from the low resistance layer are reduced. It is considered that the resistance change layer is increased in resistance by being taken into the resistance change layer.

特開2012−79930号公報(図1)JP 2012-79930 A (FIG. 1)

以下の分析は、本願発明者により与えられる。   The following analysis is given by the inventor.

特許文献1に記載の可変抵抗素子においては、抵抗変化時に酸素イオンの移動によって低抵抗層の導電性まで変わってしまうという問題がある。特許文献1に記載の可変抵抗素子において、セット/リセットの書き替えを行うための酸素イオンの移動が発生すると、必然的に隣り合わせのメモリセルの低抵抗層にも酸素イオンの移動が及ぶ。低抵抗層は、抵抗変化層を構成する金属酸化物と同一の金属元素の酸化物であるため、抵抗変化層より酸素濃度を低減して(酸素欠損濃度を高めて)低抵抗にしていても、酸素イオンが出入りすると一定の導電性の変化が生じるのは避けられない。特に、酸素イオンが低抵抗層内に移動してきた場合の高抵抗化するリスクの高いことが大きな問題であり、最悪の場合、低抵抗層が電極伝導体としての役目を失う。実際、特許文献1の記載から低抵抗層の比抵抗を計算すると、5×10Ω・cmとかなり高い。 The variable resistance element described in Patent Document 1 has a problem that the conductivity of the low resistance layer changes due to the movement of oxygen ions when the resistance changes. In the variable resistance element described in Patent Document 1, when oxygen ions move for rewriting set / reset, oxygen ions move inevitably to the low resistance layers of adjacent memory cells. The low resistance layer is an oxide of the same metal element as the metal oxide constituting the resistance change layer. Therefore, even if the oxygen concentration is reduced (by increasing the oxygen deficiency concentration) than the resistance change layer, the low resistance layer has a low resistance. When oxygen ions enter and exit, it is inevitable that a certain change in conductivity occurs. In particular, the high risk of increasing the resistance when oxygen ions move into the low resistance layer is a big problem. In the worst case, the low resistance layer loses its role as an electrode conductor. Actually, when the specific resistance of the low resistance layer is calculated from the description in Patent Document 1, it is considerably high at 5 × 10 3 Ω · cm.

また、絶縁性酸化物に対して意図的に導電性を与えた物質中に、酸素イオンが侵入すると、酸化する方向には進みやすいが、還元する方向には進みにくい。読み出し信号の確保のためにも、このようなセット/リセット動作で低抵抗層の導電性が変動しないことが望ましいが、特許文献1に記載の可変抵抗素子では、低抵抗層の導電性が変動しやすく、特に高抵抗化しやすいため、スイッチングサイクルを繰り返しているうちに電極としての機能が劣化する。   In addition, when oxygen ions invade into a substance intentionally imparting conductivity to an insulating oxide, it tends to proceed in the direction of oxidation, but difficult to proceed in the direction of reduction. In order to secure the read signal, it is desirable that the conductivity of the low resistance layer does not vary in such a set / reset operation. However, in the variable resistance element described in Patent Document 1, the conductivity of the low resistance layer varies. In particular, since the resistance is easily increased, the function as an electrode deteriorates while the switching cycle is repeated.

また、特許文献1に記載の可変抵抗素子では、エンデュランス(書き替え回数)にも影響がある。繰り返しこのような酸素イオンの移動が発生すると、抵抗変化層と低抵抗層において初期にあった酸素量若しくは分布の不連続な差が均されてしまい、徐々に抵抗比ウィンドウが狭くなってエンデュランスが悪化する。   Further, the variable resistance element described in Patent Document 1 also affects the endurance (number of rewrites). When such movement of oxygen ions occurs repeatedly, the discontinuous difference in oxygen amount or distribution that was initially in the resistance change layer and the low resistance layer is averaged, and the resistance ratio window gradually narrows, resulting in an endurance. Getting worse.

また、特許文献1に記載の可変抵抗素子では、本来、絶縁体である材料に手を加えて低抵抗化して低抵抗層としているので、熱や酸化還元ガスに対して影響を受けやすく、可変抵抗素子を製作した後の半導体プロセスによって特性の変化を受けやすい。特に、半導体プロセスの中には強い酸化ダメージを与えるプロセス(例えば、アニール等)があり、このようなプロセスにより低抵抗層が高抵抗化してしまう可能性がある。   Further, in the variable resistance element described in Patent Document 1, since it is a low resistance layer by modifying the material that is originally an insulator to reduce resistance, it is easily affected by heat and redox gas, and is variable. It is susceptible to changes in characteristics due to the semiconductor process after the resistance element is manufactured. In particular, among semiconductor processes, there is a process (for example, annealing) that gives strong oxidative damage, and such a process may increase the resistance of the low resistance layer.

さらに、可変抵抗素子中の酸素の移動は第1電極に対しても発生する。これに対して、特許文献1では何ら対策がなされていない。   Furthermore, oxygen movement in the variable resistance element also occurs with respect to the first electrode. On the other hand, Patent Document 1 does not take any measures.

本発明の主な課題は、高い抵抗比ウィンドウとエンデュランス、抵抗変動が少ない安定な電極を実現する抵抗変化素子を提供することである。   The main subject of this invention is providing the variable resistance element which implement | achieves the stable electrode with a high resistance ratio window, endurance, and resistance variation few.

本発明の一視点においては、抵抗変化素子において、第1電極及び第2電極と、酸素及び第1金属を含む抵抗変化層と、前記第2電極と前記抵抗変化層との間に配されるとともに、酸素及び前記第1金属とは異なる第2金属を含み、かつ、比抵抗が1000μΩ・cm以下である抵抗層と、前記第1電極と前記抵抗変化層との間に配されるとともに、前記抵抗層から前記抵抗変化層へ供給される酸素の前記第1電極への拡散を妨げる特性を有する拡散防止層と、を備えることを特徴とする。   In one aspect of the present invention, in a resistance change element, the first electrode and the second electrode, a resistance change layer containing oxygen and a first metal, and the second electrode and the resistance change layer are arranged. And a resistance layer that includes oxygen and a second metal different from the first metal and has a specific resistance of 1000 μΩ · cm or less, and is disposed between the first electrode and the resistance change layer, A diffusion prevention layer having a property of preventing diffusion of oxygen supplied from the resistance layer to the resistance change layer into the first electrode.

本発明によれば、下部電極となるコンタクトプラグ11と抵抗変化層13との間に拡散防止層12を設けることで、酸素は抵抗変化層13に留まるとともに高濃度に濃縮されるので、抵抗値が上がりやすくなり、抵抗比ウィンドウが拡大し、エンデュランスを高くすることができる。また、本発明によれば、拡散防止層12を設けることで、従来技術よりも、酸素が下部電極となるコンタクトプラグ11に拡散しないので、酸素の分布が狭くなり、下部電極となるコンタクトプラグ11の抵抗バラツキを低減することができる。   According to the present invention, by providing the diffusion prevention layer 12 between the contact plug 11 serving as the lower electrode and the resistance change layer 13, oxygen remains in the resistance change layer 13 and is concentrated at a high concentration. The resistance ratio window is enlarged and the endurance can be increased. Further, according to the present invention, by providing the diffusion preventing layer 12, oxygen does not diffuse into the contact plug 11 serving as the lower electrode as compared with the prior art, so that the distribution of oxygen becomes narrower and the contact plug 11 serving as the lower electrode. The resistance variation can be reduced.

本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子を含むメモリセルの構成の一例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically an example of the structure of the memory cell containing the resistance change element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子の構成の一例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically an example of the structure of the resistance change element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子を含むメモリセルを備えた半導体記憶装置の回路構成の一例を模式的に示したブロック図である。It is the block diagram which showed typically an example of the circuit structure of the semiconductor memory device provided with the memory cell containing the resistance change element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子を含むメモリセルを備えた半導体記憶装置におけるメモリセルアレイの構成の一例を模式的に示した回路図である。1 is a circuit diagram schematically illustrating an example of a configuration of a memory cell array in a semiconductor memory device including a memory cell including a resistance change element according to an embodiment of the present invention.

本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子について図面を用いて説明する。図3は、本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子を含むメモリセルを備えた半導体記憶装置の回路構成の一例を模式的に示したブロック図である。   A variable resistance element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a block diagram schematically showing an example of a circuit configuration of a semiconductor memory device including a memory cell including a resistance change element according to an embodiment of the present invention.

半導体記憶装置20は、メモリ回路を備えた半導体チップである。半導体記憶装置20は、メモリ回路として、複数のBank0〜1に区分されたメモリセルアレイ30、各Bank0〜1に付随するロウデコーダ31、センスアンプ32、ライトアンプ33、判定レジスタ34、データレジスタ35、及び、カラムデコーダ36を有する。また、半導体記憶装置20は、メモリ回路の周辺に形成される周辺回路を有する。半導体記憶装置20は、周辺回路として、ロウアドレスバッファ37と、アレイコントロール回路38と、フェーズカウンタ39と、制御ロジック回路40と、コマンドレジスタ41と、ステータスレジスタ42と、コマンドディテクタ43と、I/Oコントロール回路44と、カラムアドレスバッファ45と、アドレスレジスタ46と、トランジスタ47と、を有する。なお、図3の例では、2個のBank0〜1が設けられているが、Bank数は特に制約されない。また、図示していないが、半導体記憶装置20には、外部から外部電源電圧VDD及びVSSが供給される。   The semiconductor memory device 20 is a semiconductor chip provided with a memory circuit. The semiconductor memory device 20 includes a memory cell array 30 divided into a plurality of Banks 0 to 1 as a memory circuit, a row decoder 31 associated with each Bank 0 to 1, a sense amplifier 32, a write amplifier 33, a determination register 34, a data register 35, And a column decoder 36. Further, the semiconductor memory device 20 has a peripheral circuit formed around the memory circuit. The semiconductor memory device 20 includes a row address buffer 37, an array control circuit 38, a phase counter 39, a control logic circuit 40, a command register 41, a status register 42, a command detector 43, an I / O as peripheral circuits. An O control circuit 44, a column address buffer 45, an address register 46, and a transistor 47 are included. In the example of FIG. 3, two Banks 0 to 1 are provided, but the number of Banks is not particularly limited. Although not shown, external power supply voltages VDD and VSS are supplied to the semiconductor memory device 20 from the outside.

メモリセルアレイ30は、複数のメモリセルMCが行方向及び列方向に配列して設けられた回路である。メモリセルアレイ30には、一方向に延在しかつ他方向(一方向の直角の方向)に並んだ複数のワード線WLと、他方向に延在しかつ一方向に並んだ複数のビット線BLと、ワード線WL及びビット線BLの各交点の近傍に設けられた複数のメモリセルMCと、を有する。ワード線WLは、ロウデコーダ31に電気的に接続されている。各ビット線BLは、センスアンプ32に電気的に接続されている。メモリセルアレイ30及びメモリセルMCの詳細については、後述する。   The memory cell array 30 is a circuit in which a plurality of memory cells MC are arranged in the row direction and the column direction. The memory cell array 30 includes a plurality of word lines WL extending in one direction and arranged in the other direction (a direction perpendicular to one direction) and a plurality of bit lines BL extending in the other direction and arranged in one direction. And a plurality of memory cells MC provided in the vicinity of each intersection of the word line WL and the bit line BL. The word line WL is electrically connected to the row decoder 31. Each bit line BL is electrically connected to the sense amplifier 32. Details of the memory cell array 30 and the memory cell MC will be described later.

ロウデコーダ31は、アレイコントロール回路38及びロウアドレスバッファ37からの信号に基づいて、対応するワード線WLを活性化して、ワード線WLを介してメモリセルアレイ30におけるロウ(行)アドレスを選択する回路である。   The row decoder 31 activates a corresponding word line WL based on signals from the array control circuit 38 and the row address buffer 37, and selects a row (row) address in the memory cell array 30 via the word line WL. It is.

センスアンプ32は、アレイコントロール回路38からの信号に基づいて、メモリセルアレイ30からビット線BLを介して読み出されたデータの電位を増幅する回路である。センスアンプ32は、電位増幅されたデータをデータレジスタ35及び判定レジスタ34に向けて出力する。   The sense amplifier 32 is a circuit that amplifies the potential of data read from the memory cell array 30 via the bit line BL based on a signal from the array control circuit 38. The sense amplifier 32 outputs the potential-amplified data to the data register 35 and the determination register 34.

ライトアンプ33は、アレイコントロール回路38からの信号に基づいて、データレジスタ35からのデータの電位を増幅する回路である。ライトアンプ33は、電位増幅されたデータを、選択されたビット線BLを介してメモリセルアレイ30及び判定レジスタ34に向けて出力する。   The write amplifier 33 is a circuit that amplifies the potential of data from the data register 35 based on a signal from the array control circuit 38. The write amplifier 33 outputs the potential amplified data to the memory cell array 30 and the determination register 34 via the selected bit line BL.

判定レジスタ34は、アレイコントロール回路38からの信号に基づいて、ライトアンプ33における書き込みデータと、センスアンプ32における読み出しデータと、を比較することによりパスかフェイルかを判定(ベリファイ動作)するレジスタである。判定レジスタ34がフェイルを検出した場合、メモリセルアレイ30への再書き込みが行われ、全てのセルがパスするまで、再書き込み、読み出しのループが繰り返される。   The determination register 34 is a register that determines whether a pass or a fail (verify operation) by comparing write data in the write amplifier 33 and read data in the sense amplifier 32 based on a signal from the array control circuit 38. is there. When the determination register 34 detects a failure, rewrite to the memory cell array 30 is performed, and the rewrite and read loops are repeated until all cells pass.

データレジスタ35は、データを保持するレジスタである。データレジスタ35は、I/Oコントロール回路44との間でデータのやり取りをする。データレジスタ35は、I/Oコントロール回路44又はセンスアンプ32からのデータを保持する。データレジスタ35は、書き込み時に、アレイコントロール回路38からの信号に基づいて、保持されたデータをライトアンプ33に向けて出力する。データレジスタ35は、読み出し時に、アレイコントロール回路38からの信号に基づいて、保持されたデータをI/Oコントロール回路44に向けて出力する。   The data register 35 is a register that holds data. The data register 35 exchanges data with the I / O control circuit 44. The data register 35 holds data from the I / O control circuit 44 or the sense amplifier 32. The data register 35 outputs the held data to the write amplifier 33 based on a signal from the array control circuit 38 at the time of writing. The data register 35 outputs the held data to the I / O control circuit 44 based on a signal from the array control circuit 38 at the time of reading.

カラムデコーダ36は、アレイコントロール回路38及びカラムアドレスバッファ45からの各信号に基づいて、ビット線BLを介してメモリセルアレイ30におけるカラム(列)アドレスを選択する回路である。   The column decoder 36 is a circuit that selects a column address in the memory cell array 30 via the bit line BL based on signals from the array control circuit 38 and the column address buffer 45.

ロウアドレスバッファ37は、アドレスレジスタ46からのアドレスのうちロウアドレスを保持するバッファである。ロウアドレスバッファ37は、保持されたロウアドレスをロウデコーダ31に向けて出力する。   The row address buffer 37 is a buffer that holds a row address among the addresses from the address register 46. The row address buffer 37 outputs the held row address to the row decoder 31.

アレイコントロール回路38は、制御ロジック回路40及びフェーズカウンタ39からの信号に基づいて、ロウデコーダ31、センスアンプ32、ライトアンプ33、判定レジスタ34、データレジスタ35、及び、カラムデコーダ36のそれぞれの動作を制御する回路である。アレイコントロール回路38は、ロウデコーダ31にワード線選択信号を供給し、カラムデコーダ36にビット線選択信号を供給し、センスアンプ32、ライトアンプ33、判定レジスタ34、及び、データレジスタ35に対しての各種制御信号を供給する。   Based on signals from the control logic circuit 40 and the phase counter 39, the array control circuit 38 operates the row decoder 31, the sense amplifier 32, the write amplifier 33, the determination register 34, the data register 35, and the column decoder 36, respectively. Is a circuit for controlling The array control circuit 38 supplies a word line selection signal to the row decoder 31, and supplies a bit line selection signal to the column decoder 36, and the sense amplifier 32, the write amplifier 33, the determination register 34, and the data register 35 are supplied. Various control signals are supplied.

フェーズカウンタ39は、アレイコントロール回路38におけるアクセス対象のフェーズを制御するためのカウンタである。   The phase counter 39 is a counter for controlling the phase to be accessed in the array control circuit 38.

制御ロジック回路40は、各種制御信号を周辺回路に向けて出力するロジック回路である。制御ロジック回路40は、コマンドディテクタ43及びコマンドレジスタ41からの信号に基づいて、各種制御信号をアレイコントロール回路38、ステータスレジスタ42、及び、トランジスタ47に向けて出力する。制御ロジック回路40は、アレイコントロール回路38との間で信号のやり取りを行なう。   The control logic circuit 40 is a logic circuit that outputs various control signals to peripheral circuits. The control logic circuit 40 outputs various control signals to the array control circuit 38, the status register 42, and the transistor 47 based on signals from the command detector 43 and the command register 41. The control logic circuit 40 exchanges signals with the array control circuit 38.

コマンドレジスタ41は、I/Oコントロール回路44からのコマンドを保持するレジスタである。コマンドレジスタ41は、保持されたコマンドを制御ロジック回路40に向けて出力する。   The command register 41 is a register that holds a command from the I / O control circuit 44. The command register 41 outputs the held command toward the control logic circuit 40.

ステータスレジスタ42は、制御ロジック回路40からのステータス信号を保持するレジスタである。ステータスレジスタ42は、保持されたステータス信号をI/Oコントロール回路44に向けて出力する。ここで、ステータス信号は、書き込みのパス、フェイル等の状態を示す情報である。   The status register 42 is a register that holds a status signal from the control logic circuit 40. The status register 42 outputs the held status signal to the I / O control circuit 44. Here, the status signal is information indicating a state such as a write pass or a failure.

コマンドディテクタ43は、コマンド(チップイネーブル/CE、コマンドラッチイネーブルCLE、アドレスラッチイネーブルALE、ライトイネーブル/WE、リードイネーブル/RE、/WP)が入力される回路である。   The command detector 43 is a circuit to which commands (chip enable / CE, command latch enable CLE, address latch enable ALE, write enable / WE, read enable / RE, / WP) are input.

ここで、/CEは、デバイス選択信号であり、例えば、リード状態でHighとするとスタンバイモードとなる。   Here, / CE is a device selection signal. For example, when it is High in the read state, the standby mode is set.

また、CLEは、コマンドをデバイス内部のコマンドレジスタ41への取り込みをコントロールするための信号である。/WEの立ち上がり時及び立ち下り時にCLEをHighとすることにより、I/O端子(I/O1〜I/O8)上のデータがコマンドとしてコマンドレジスタ41に取り込まれる。   CLE is a signal for controlling the command to be taken into the command register 41 in the device. By setting CLE to High when / WE rises and falls, data on the I / O terminals (I / O1 to I / O8) is taken into the command register 41 as commands.

また、ALEは、アドレス、データをデバイス内部のアドレスレジスタ46、データレジスタ35への取り込みをコントロールするための信号である。/WEの立ち上がり時及び立ち下り時にALEをHighとすることにより、I/O端子(I/O1〜I/O8)上のデータがアドレスデータとしてアドレスレジスタ46に取り込まれる。また、ALEをLowとすることによりI/O端子(I/O1〜I/O8)上のデータが入力データとしてデータレジスタ35に取り込まれる。   ALE is a signal for controlling the address and data taken into the address register 46 and the data register 35 in the device. By setting ALE to High when / WE rises and falls, data on the I / O terminals (I / O1 to I / O8) is taken into the address register 46 as address data. Further, by setting ALE to Low, data on the I / O terminals (I / O1 to I / O8) is taken into the data register 35 as input data.

また、/WEは、IO端子(I/O1〜I/O8)からのデータをデバイス内部に取り込むための書き込み信号である。   Further, / WE is a write signal for taking data from the IO terminals (I / O1 to I / O8) into the device.

また、/REは、データを出力(シリアル出力)させる信号である。   / RE is a signal for outputting data (serial output).

また、/WPは、書き込み、消去動作を禁止しデータを保護するための制御信号である。通常、/WP=Highとし、電源投入遮断時等に、/WP=Lowとする。   / WP is a control signal for protecting data by prohibiting write and erase operations. Normally, / WP = High, and / WP = Low when the power is turned off and the like.

I/Oコントロール回路44は、コマンド、アドレス、及び、データの入出力を制御する回路である。I/Oコントロール回路44は、外部に対してI/O端子(I/O1〜I/O8)を介してコマンド、アドレス、及び、データのやり取りを行なう。I/Oコントロール回路44は、入力されたコマンドをコマンドレジスタ41に向けて出力する。I/Oコントロール回路44は、入力されたアドレスをアドレスレジスタ46に向けて出力する。I/Oコントロール回路44は、データレジスタ35との間でデータのやり取りを行なう。I/Oコントロール回路44は、コマンドディテクタ43及びステータスレジスタ42からの信号に基づいて、コマンド、アドレス、及び、データの入出力を制御する。   The I / O control circuit 44 is a circuit that controls input / output of commands, addresses, and data. The I / O control circuit 44 exchanges commands, addresses, and data to the outside via the I / O terminals (I / O1 to I / O8). The I / O control circuit 44 outputs the input command toward the command register 41. The I / O control circuit 44 outputs the input address to the address register 46. The I / O control circuit 44 exchanges data with the data register 35. The I / O control circuit 44 controls the input / output of commands, addresses, and data based on signals from the command detector 43 and the status register 42.

ここで、I/O1〜8は、アドレス、コマンド、データを入出力する端子(ポート)である。   Here, I / O 1 to 8 are terminals (ports) for inputting and outputting addresses, commands, and data.

カラムアドレスバッファ45は、アドレスレジスタ46からのアドレスのうちカラムアドレスを保持するバッファである。カラムアドレスバッファ45は、保持されたカラムアドレスをカラムデコーダ36に向けて出力する。   The column address buffer 45 is a buffer that holds a column address among the addresses from the address register 46. The column address buffer 45 outputs the held column address to the column decoder 36.

アドレスレジスタ46は、I/Oコントロール回路44からのアドレスを保持するレジスタである。アドレスレジスタ46は、保持されたアドレスのうちロウアドレスをロウアドレスバッファ37に向けて出力する。アドレスレジスタ46は、保持されたアドレスのうちカラムアドレスをカラムアドレスバッファ45に向けて出力する。   The address register 46 is a register that holds an address from the I / O control circuit 44. The address register 46 outputs the row address among the held addresses to the row address buffer 37. The address register 46 outputs the column address among the held addresses toward the column address buffer 45.

トランジスタ47は、オープンドレイン構成のnMOSトランジスタである。トランジスタ47のゲートは制御ロジック回路40に接続されている。トランジスタ47のソースは、グランドに接続されている。トランジスタ47のドレインは、内部状態通知信号RY/BYの出力端子と接続されている。トランジスタ47のゲートは、プログラム・消去・リード動作時等の動作実行中、High電位とされる。トランジスタ47のゲートは、ターンオン(導通)し、RY/BY=Low(Busy)となり、動作が完了すると、Low電位とされ、RY/BYが電源電位にプルアップされ、RY/BY=High(Ready)となる。   The transistor 47 is an nMOS transistor having an open drain configuration. The gate of the transistor 47 is connected to the control logic circuit 40. The source of the transistor 47 is connected to the ground. The drain of the transistor 47 is connected to the output terminal of the internal state notification signal RY / BY. The gate of the transistor 47 is set to a high potential during the execution of operations such as a program / erase / read operation. The gate of the transistor 47 is turned on (conductive) and becomes RY / BY = Low (Busy). When the operation is completed, the potential is set to Low, RY / BY is pulled up to the power supply potential, and RY / BY = High (Ready). )

ここで、RY/BYは、デバイスの内部状態を外部に通知するための信号である。   Here, RY / BY is a signal for notifying the outside of the internal state of the device.

図4は、本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子を含むメモリセルを備えた半導体記憶装置におけるメモリセルアレイの構成の一例を模式的に示した回路図である。   FIG. 4 is a circuit diagram schematically showing an example of the configuration of the memory cell array in the semiconductor memory device including the memory cell including the resistance change element according to the embodiment of the present invention.

メモリセルアレイ(図3の30)は、一方向に延在しかつ他方向(一方向の直角の方向)に並んだ複数のワード線(図3のWL、図4のWL0〜WL5)と、他方向に延在しかつ一方向に並んだ複数のビット線(図3のBL、図4のBL0〜BL2)と、ワード線及びビット線の各交点の近傍に設けられた複数のメモリセルMCと、を有する。ワード線WL0〜WL5は、ロウデコーダ(図3の31)によって制御される。ビット線BL0〜BL2は、カラムデコーダ(図3の36)によって制御される。メモリセルMCは、1つのMOSトランジスタ19を有し、MOSトランジスタ19のソースが共通ソース線(図示せず)を介してグランドに電気的に接続され、MOSトランジスタ19のゲートが対応するワード線WL0〜WL5に電気的に接続され、MOSトランジスタ19のドレインが抵抗変化素子21を介して対応するビット線BL0〜BL2に電気的に接続されている。   The memory cell array (30 in FIG. 3) includes a plurality of word lines (WL in FIG. 3, WL0 to WL5 in FIG. 4) extending in one direction and arranged in the other direction (direction perpendicular to one direction) and the other A plurality of bit lines (BL in FIG. 3 and BL0 to BL2 in FIG. 4) extending in one direction and arranged in one direction, and a plurality of memory cells MC provided in the vicinity of each intersection of the word lines and bit lines Have. The word lines WL0 to WL5 are controlled by a row decoder (31 in FIG. 3). The bit lines BL0 to BL2 are controlled by a column decoder (36 in FIG. 3). The memory cell MC has one MOS transistor 19, the source of the MOS transistor 19 is electrically connected to the ground via a common source line (not shown), and the gate of the MOS transistor 19 corresponds to the corresponding word line WL0. Are electrically connected to WL5, and the drain of the MOS transistor 19 is electrically connected to the corresponding bit lines BL0 to BL2 via the resistance change element 21.

図1は、本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子を含むメモリセルの構成の一例を模式的に示した断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a configuration of a memory cell including a resistance change element according to an embodiment of the present invention.

メモリセル(図3、図4のMC)は、選択素子となるMOSトランジスタ19と、記録素子となる抵抗変化素子21と、を有する。メモリセルでは、p型の半導体基板1(例えば、p型シリコン基板)を有する。半導体基板1は、所定の深さの溝1aを有する。溝1aは、主面に対し垂直方向から見て網目状に形成されている。溝1aには、STI(Shallow Trench Isolation)型の絶縁膜2(例えば、シリコン酸化膜)が埋め込まれている。MOSトランジスタ19のチャネル領域となる部分の半導体基板1上には、ゲート絶縁膜3(例えば、シリコン酸化膜)を介して、MOSトランジスタ19のゲートとなるワード線4(例えば、ポリシリコン;図3のWL、図4のWL0〜WL5)が形成されている。ワード線4及びゲート絶縁膜3の側面の両側には、サイドウォール絶縁膜5(例えば、シリコン酸化膜)が形成されている。MOSトランジスタ19のチャネル領域となる部分の半導体基板1の両側には、MOSトランジスタ19のソース/ドレインとなるn型の拡散領域6a、6b(例えば、リンイオン拡散領域)が形成されている。   The memory cell (MC in FIGS. 3 and 4) includes a MOS transistor 19 serving as a selection element and a resistance change element 21 serving as a recording element. The memory cell has a p-type semiconductor substrate 1 (for example, a p-type silicon substrate). The semiconductor substrate 1 has a groove 1a having a predetermined depth. The groove 1a is formed in a mesh shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface. An STI (Shallow Trench Isolation) type insulating film 2 (for example, a silicon oxide film) is buried in the trench 1a. A word line 4 (for example, polysilicon; for example, polysilicon) serving as the gate of the MOS transistor 19 is provided on a portion of the semiconductor substrate 1 serving as a channel region of the MOS transistor 19 via a gate insulating film 3 (for example, silicon oxide film). WL, WL0 to WL5 in FIG. 4). Sidewall insulating films 5 (for example, silicon oxide films) are formed on both sides of the side surfaces of the word lines 4 and the gate insulating film 3. N-type diffusion regions 6 a and 6 b (for example, phosphorus ion diffusion regions) serving as the source / drain of the MOS transistor 19 are formed on both sides of the semiconductor substrate 1 in the portion serving as the channel region of the MOS transistor 19.

MOSトランジスタ19及び絶縁膜2上には、層間絶縁膜7(例えば、シリコン酸化膜)が形成されている。層間絶縁膜7には、拡散領域6aに通ずる下穴が形成されており、当該下穴にコンタクトプラグ8(例えば、タングステン)が埋め込まれている。コンタクトプラグ8を含む層間絶縁膜7上の所定の位置には、コンタクトプラグ8と電気的に接続されたソース線9(例えば、銅)が形成されている。ソース線9は、グランドと電気的に接続される。   On the MOS transistor 19 and the insulating film 2, an interlayer insulating film 7 (for example, a silicon oxide film) is formed. In the interlayer insulating film 7, a pilot hole communicating with the diffusion region 6 a is formed, and a contact plug 8 (for example, tungsten) is embedded in the pilot hole. A source line 9 (for example, copper) electrically connected to the contact plug 8 is formed at a predetermined position on the interlayer insulating film 7 including the contact plug 8. The source line 9 is electrically connected to the ground.

ソース線9を含む層間絶縁膜7上には、層間絶縁膜10(例えば、シリコン酸化膜)が形成されている。層間絶縁膜10及び層間絶縁膜7には、拡散領域6bに通ずる下穴が形成されており、当該下穴にコンタクトプラグ11(例えば、TiN)が埋め込まれている。コンタクトプラグ11を含む層間絶縁膜10上の所定の位置には、下から順に拡散防止層12(例えば、Si)、抵抗変化層13(例えば、HfO)、抵抗層14(例えば、MoO)、上部電極15(例えば、Ta)がこの順に積層している。コンタクトプラグ11、拡散防止層12、抵抗変化層13、抵抗層14、及び上部電極15は、抵抗変化素子21となる。なお、抵抗変化素子21の詳細な構成は、後述する。 An interlayer insulating film 10 (for example, a silicon oxide film) is formed on the interlayer insulating film 7 including the source line 9. In the interlayer insulating film 10 and the interlayer insulating film 7, a pilot hole leading to the diffusion region 6b is formed, and a contact plug 11 (for example, TiN) is embedded in the pilot hole. In a predetermined position on the interlayer insulating film 10 including the contact plug 11, a diffusion prevention layer 12 (for example, Si 3 N 4 ), a resistance change layer 13 (for example, HfO x ), a resistance layer 14 (for example, for example) MoO 2 ) and the upper electrode 15 (for example, Ta) are laminated in this order. The contact plug 11, the diffusion prevention layer 12, the resistance change layer 13, the resistance layer 14, and the upper electrode 15 become the resistance change element 21. The detailed configuration of the resistance change element 21 will be described later.

抵抗変化素子21を含む層間絶縁膜10上には、層間絶縁膜16(例えば、シリコン酸化膜)が形成されている。層間絶縁膜16には、上部電極15に通ずる下穴が形成されており、当該下穴にコンタクトプラグ17(例えば、TiN)が埋め込まれている。コンタクトプラグ17を含む層間絶縁膜16上の所定の位置には、コンタクトプラグ17と電気的に接続されたビット線18(例えば、銅)が形成されている。ビット線18は、カラムデコーダ(図3の36)と電気的に接続される。   An interlayer insulating film 16 (for example, a silicon oxide film) is formed on the interlayer insulating film 10 including the resistance change element 21. A pilot hole communicating with the upper electrode 15 is formed in the interlayer insulating film 16, and a contact plug 17 (for example, TiN) is embedded in the pilot hole. A bit line 18 (for example, copper) electrically connected to the contact plug 17 is formed at a predetermined position on the interlayer insulating film 16 including the contact plug 17. The bit line 18 is electrically connected to a column decoder (36 in FIG. 3).

図2は、本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子の構成の一例を模式的に示した断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the variable resistance element according to the embodiment of the present invention.

抵抗変化素子21は、抵抗変化層13を2つの電極(下部電極となるコンタクトプラグ11、上部電極15)で挟んだ構成となっている。抵抗変化素子21は、抵抗変化層13とコンタクトプラグ11との間において、抵抗変化層13からコンタクトプラグ11への酸素の拡散を防止する拡散防止層12が介在している。抵抗変化素子21は、抵抗変化層13と上部電極15との間において、1000μΩ・cm以下の導電性を有する金属酸化物によって構成された抵抗層14が介在している。   The resistance change element 21 has a configuration in which the resistance change layer 13 is sandwiched between two electrodes (a contact plug 11 serving as a lower electrode and an upper electrode 15). In the variable resistance element 21, a diffusion prevention layer 12 that prevents diffusion of oxygen from the variable resistance layer 13 to the contact plug 11 is interposed between the variable resistance layer 13 and the contact plug 11. In the resistance change element 21, a resistance layer 14 made of a metal oxide having a conductivity of 1000 μΩ · cm or less is interposed between the resistance change layer 13 and the upper electrode 15.

下部電極となるコンタクトプラグ11には、例えば、半導体装置においてよく用いられる導電性膜のTiNを用いることができる。   For the contact plug 11 serving as the lower electrode, for example, TiN which is a conductive film often used in a semiconductor device can be used.

拡散防止層12は、下部電極となるコンタクトプラグ11と抵抗変化層13との間に配され、コンタクトプラグ11及び抵抗変化層13のそれぞれと接合する。拡散防止層12は、抵抗変化層13から下部電極となるコンタクトプラグ11に酸素の拡散を抑制する酸素ストッパとして機能する。拡散防止層12には、抵抗変化層13中の酸素に対する酸素バリア性を有する材料を用いることができ、酸素を含まないか、もしくは酸素を受け入れにくい材料を用いることができる。そのような材料は絶縁体である場合が多いので、そういう場合には1nm前後(0.5nm以上かつ1.5nm以下)の極薄膜とする。そうすれば、電子はトンネルするので電流が流れることが可能である。これにより、下部電極となるコンタクトプラグ11に酸素が流出入することはなく、かつ、電子は通る。これは、特にリセット時に重要となる。リセット時に下部電極となるコンタクトプラグ11に酸素が流出してしまうということは、抵抗変化層13から酸素の一部が抜けるということであり、リセット抵抗が上がらないことを意味する。   The diffusion prevention layer 12 is disposed between the contact plug 11 serving as the lower electrode and the resistance change layer 13, and is joined to each of the contact plug 11 and the resistance change layer 13. The diffusion prevention layer 12 functions as an oxygen stopper that suppresses the diffusion of oxygen from the resistance change layer 13 to the contact plug 11 serving as the lower electrode. For the diffusion preventing layer 12, a material having an oxygen barrier property against oxygen in the resistance change layer 13 can be used, and a material that does not contain oxygen or hardly accept oxygen can be used. Since such a material is often an insulator, in such a case, an ultrathin film of about 1 nm (0.5 nm to 1.5 nm) is used. Then, since electrons tunnel, current can flow. As a result, oxygen does not flow into and out of the contact plug 11 serving as the lower electrode, and electrons pass. This is particularly important at reset. The fact that oxygen flows out to the contact plug 11 serving as the lower electrode at the time of reset means that a part of oxygen is released from the resistance change layer 13 and means that the reset resistance does not increase.

拡散防止層12には、窒化膜を用いることができ、例えば、下部電極となるコンタクトプラグ11のTiNよりも共有結合性が強い窒化膜(例えば、Si、AlN、BN等、複層でも可)が望ましい。また、拡散防止層12には、完全に酸化した酸化物を用いることができ、例えば、共有結合性の酸化膜(例えば、SiO、Al等、複層でも可)が望ましい。完全に酸化した酸化膜は、新たに酸素イオンを受け入れにくく、また、原子間の結合が強いので、酸素イオンを抵抗変化層13に与えにくい。また、拡散防止層12には、酸窒化膜を用いることができ、例えば、共有結合性の酸窒化膜(例えば、SiON、AlON、SiAlON等、複層でも可)が望ましい。例えば、Si(エネルギーバンドギャップ約5eV)、AlN(約6eV)、BN(約6eV)、SiO(約9eV)等を用いることができる。拡散防止層12の膜厚は、1nm前後(0.5nm以上かつ1.5nm以下)とすることができる。 For the diffusion prevention layer 12, a nitride film can be used, for example, a nitride film (for example, Si 3 N 4 , AlN, BN, etc.) having a stronger covalent bond than TiN of the contact plug 11 serving as the lower electrode. But it is possible). In addition, a completely oxidized oxide can be used for the diffusion preventing layer 12, and for example, a covalent oxide film (for example, a multilayer such as SiO 2 , Al 2 O 3, etc.) is desirable. A completely oxidized oxide film is difficult to accept new oxygen ions and has a strong bond between atoms, so that it is difficult to give oxygen ions to the resistance change layer 13. In addition, an oxynitride film can be used for the diffusion preventing layer 12, and for example, a covalent oxynitride film (for example, a multilayer such as SiON, AlON, SiAlON, etc.) is desirable. For example, Si 3 N 4 (energy band gap of about 5 eV), AlN (about 6 eV), BN (about 6 eV), SiO 2 (about 9 eV), or the like can be used. The film thickness of the diffusion preventing layer 12 can be about 1 nm (0.5 nm or more and 1.5 nm or less).

抵抗変化層13は、拡散防止層12と抵抗層14との間に配され、拡散防止層12及び抵抗層14のそれぞれと接合する。抵抗変化層13は、酸素及び金属を含む材料が用いられ、例えば、HfO(x<2)を用いることができる。抵抗変化層13は、HfOターゲットに対してArスパッタガスのみを用いることで、酸素が不足気味の(酸素欠損がある)HfO(x<2)を作製することができる。抵抗変化層13の膜厚は、1nm以上かつ10nm以下であり、好ましくは2nm以上かつ3nm以下である。10nmを超えるとフォーミング電圧が高すぎ、1nm未満では抵抗率一定の組成範囲から外れやすくなる。 The resistance change layer 13 is disposed between the diffusion prevention layer 12 and the resistance layer 14 and is joined to each of the diffusion prevention layer 12 and the resistance layer 14. The resistance change layer 13 is made of a material containing oxygen and metal, and for example, HfO x (x <2) can be used. The resistance change layer 13 can produce HfO x (x <2) that is deficient in oxygen (has oxygen vacancies) by using only Ar sputtering gas for the HfO 2 target. The film thickness of the resistance change layer 13 is 1 nm or more and 10 nm or less, preferably 2 nm or more and 3 nm or less. If it exceeds 10 nm, the forming voltage is too high, and if it is less than 1 nm, it tends to be out of the composition range where the resistivity is constant.

抵抗層14は、抵抗変化層13と上部電極15との間に配され、抵抗変化層13及び上部電極15のそれぞれと接合する。抵抗層14には、1000μΩ・cm以下の導電性を有する金属酸化物を用いることができ、好ましくは100μΩ・cm以下の導電性を有する金属酸化物である。金属酸化物でも高い導電性を有する材料があり、そのような金属酸化物は、酸素の増減に対しても比較的安定であり、抵抗層14に適している。また、そのような金属酸化物は、抵抗変化層13からの酸素の流入に対する十分な耐性と、抵抗変化層13への酸素配給性能とを有するというメリットがあり、酸素リザーバとして機能する抵抗層14に適している。抵抗層14は、特に、セット動作時に酸素が注入されても高抵抗化しないことが重要である。つまり、抵抗層14は、抵抗変化動作において、上部電極15側に酸素が注入されても、(1)最初から酸素を大量に含有するので電極としての役割を失わず、(2)大量の酸素を含有するため酸素量の変化に対して導電性の変化が極めて小さく、(3)抵抗変化層13に酸素が移動する際に十分な酸素配給源として機能する。   The resistance layer 14 is disposed between the resistance change layer 13 and the upper electrode 15 and is joined to each of the resistance change layer 13 and the upper electrode 15. A metal oxide having a conductivity of 1000 μΩ · cm or less can be used for the resistance layer 14, and a metal oxide having a conductivity of 100 μΩ · cm or less is preferable. There are materials having high conductivity even in metal oxides, and such metal oxides are relatively stable with respect to increase and decrease of oxygen and are suitable for the resistance layer 14. In addition, such a metal oxide has a merit that it has sufficient resistance against inflow of oxygen from the resistance change layer 13 and oxygen distribution performance to the resistance change layer 13, and the resistance layer 14 functions as an oxygen reservoir. Suitable for In particular, it is important that the resistance layer 14 does not increase in resistance even when oxygen is injected during the set operation. That is, even if oxygen is injected into the upper electrode 15 side in the resistance change operation, the resistance layer 14 does not lose its role as an electrode because it contains a large amount of oxygen from the beginning, and (2) a large amount of oxygen Therefore, the change in conductivity with respect to the change in the amount of oxygen is extremely small, and (3) it functions as a sufficient oxygen distribution source when oxygen moves to the resistance change layer 13.

抵抗層14には、例えば、強誘電体材料の電極として使用されるRuO、IrO等を用いることができる。ペロブスカイト酸化物強誘電体は電極反転を繰り返すと酸素が抜けて劣化するのに対し、RuO、IrO等の材料は酸素を適宜補い劣化が抑えられる。RuO、IrO等の比抵抗は100μΩ・cm以下であり、特許文献1の低抵抗層の5×10Ω・cmより桁違いに低く、かつ、酸素の変動に対して導電性の変化は小さい。また、RuO、IrO等は熱安定性や拡散バリア性も高く、半導体プロセスを経ても特性の変化は生じない。もっともRuO、IrO等は高価な材料でもある。また、抵抗層14には、例えば、安価な材料として、VO、CoO、MoO、WO等を用いることができる。VO、CoO、MoO、WO等の材料は、比抵抗が100〜1000μΩ・cmとRuO、IrO等の比抵抗よりもやや高いが、特許文献1の低抵抗層の比抵抗よりもきわめて低い。材料としてはMoOが最も扱いやすい。MoOも500℃以下の半導体プロセスに対しては安定的である。MoOは、スパッタ法により、MoターゲットにAr+Oガス雰囲気でRF(radio frequency)スパッタリングにより形成できる。抵抗層14の膜厚は、1nm以上かつ10nm以下であり、好ましくは2nm以上かつ3nm以下である。10nmを超えると抵抗変化層13の組成に影響を与えやすくなり、1nm未満では抵抗変化層13から酸素が侵入した場合に抵抗率一定の組成範囲から外れやすくなる。 For the resistance layer 14, for example, RuO 2 or IrO 2 used as an electrode of a ferroelectric material can be used. Perovskite oxide ferroelectrics deteriorate due to the loss of oxygen when electrode inversion is repeated, while materials such as RuO 2 and IrO 2 appropriately supplement oxygen to suppress deterioration. The specific resistance of RuO 2 , IrO 2, etc. is 100 μΩ · cm or less, which is orders of magnitude lower than 5 × 10 3 Ω · cm of the low resistance layer of Patent Document 1, and the change in conductivity with respect to oxygen fluctuations Is small. In addition, RuO 2 , IrO 2 and the like have high thermal stability and diffusion barrier properties, and their characteristics do not change even after a semiconductor process. However, RuO 2 , IrO 2 and the like are also expensive materials. For the resistance layer 14, for example, VO 2 , CoO 2 , MoO 2 , WO 2 or the like can be used as an inexpensive material. Materials such as VO 2 , CoO 2 , MoO 2 , and WO 2 have a specific resistance of 100 to 1000 μΩ · cm, which is slightly higher than that of RuO 2 , IrO 2, and the like. Is much lower. As a material, MoO 2 is the easiest to handle. MoO 2 is also stable for semiconductor processes at 500 ° C. or lower. MoO 2 can be formed by RF (radio frequency) sputtering in a Ar + O 2 gas atmosphere on a Mo target by sputtering. The film thickness of the resistance layer 14 is 1 nm or more and 10 nm or less, preferably 2 nm or more and 3 nm or less. If the thickness exceeds 10 nm, the composition of the resistance change layer 13 is likely to be affected. If the thickness is less than 1 nm, oxygen tends to deviate from the constant composition range when oxygen enters from the resistance change layer 13.

上部電極15には、例えば、Taを用いることができる。上部電極15は、例えば、TaターゲットをDC(Direct Current)スパッタリングにより成膜することができる。上部電極15の膜厚は、15nm以上かつ25nm以下である。   For the upper electrode 15, for example, Ta can be used. For the upper electrode 15, for example, a Ta target can be formed by DC (Direct Current) sputtering. The film thickness of the upper electrode 15 is 15 nm or more and 25 nm or less.

以上のような抵抗変化素子21は、上部電極15を基準にして下部電極となるコンタクトプラグ11に負電圧となるパルスを印加すると、高抵抗状態から低抵抗状態に遷移(セット)し、上部電極15を基準にして下部電極となるコンタクトプラグ11に正電圧となるパルスを印加すると、低抵抗状態から高抵抗状態に遷移(リセット)する。このような抵抗変化は、少なくとも酸素元素が絡む現象であり、抵抗変化層13に対する酸素の増減によって発生する。例えば、抵抗変化層13がn型金属酸化物の場合、酸素が抜けることで導電性が上がり、酸素が注入されることで絶縁性が上がる。酸素の増減は、抵抗変化素子21の両電極11、15に電圧をかけることで負イオンの酸素が移動して起こる。したがって、セット時には酸素イオンのいくらかは上部電極15側に移動し、リセット時は下部電極となるコンタクトプラグ11側に移動する。   The resistance change element 21 as described above transitions (sets) from the high-resistance state to the low-resistance state when a pulse that is a negative voltage is applied to the contact plug 11 that is the lower electrode with reference to the upper electrode 15. When a pulse having a positive voltage is applied to the contact plug 11 serving as the lower electrode with reference to 15, the transition is made from the low resistance state to the high resistance state (reset). Such a resistance change is a phenomenon in which at least an oxygen element is entangled, and is generated by an increase or decrease of oxygen with respect to the resistance change layer 13. For example, in the case where the resistance change layer 13 is an n-type metal oxide, the conductivity is increased by the release of oxygen, and the insulation is improved by the implantation of oxygen. The increase / decrease in oxygen occurs when negative ions of oxygen move by applying a voltage to both electrodes 11, 15 of the resistance change element 21. Therefore, some oxygen ions move to the upper electrode 15 side during setting, and move to the contact plug 11 side serving as the lower electrode during resetting.

なお、半導体記憶装置(図3の20)の製造方法については、抵抗変化素子21における拡散防止層12及び抵抗層14以外の部分については、従来技術と同様な製造方法とすることができる。また、抵抗変化素子21の形状加工については、下部電極となるコンタクトプラグ11が露出する面の上に拡散防止層12、抵抗変化層13、抵抗層14、上部電極15までを連続して形成した後、半導体プロセスにおける写真製版と加工技術によって、図1のようにコンタクトプラグ11、拡散防止層12、抵抗変化層13、抵抗層14、上部電極15が電気的に接続される構造を形成することができる。拡散防止層12は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法やPVD(Physical Vapor Deposition)法により成膜することができる。また、抵抗層14は、RF(Radio Frequency)スパッタリングにより成膜することができる。   The manufacturing method of the semiconductor memory device (20 in FIG. 3) can be the same manufacturing method as that of the prior art for portions other than the diffusion prevention layer 12 and the resistance layer 14 in the resistance change element 21. Further, for the shape processing of the resistance change element 21, the diffusion prevention layer 12, the resistance change layer 13, the resistance layer 14, and the upper electrode 15 were continuously formed on the surface where the contact plug 11 serving as the lower electrode is exposed. Thereafter, a structure in which the contact plug 11, the diffusion prevention layer 12, the resistance change layer 13, the resistance layer 14, and the upper electrode 15 are electrically connected as shown in FIG. 1 is formed by photolithography and processing technology in a semiconductor process. Can do. The diffusion prevention layer 12 can be formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a PVD (Physical Vapor Deposition) method. The resistance layer 14 can be formed by RF (Radio Frequency) sputtering.

実施形態によれば、下部電極となるコンタクトプラグ11と抵抗変化層13との間に拡散防止層12を設けることで、酸素は抵抗変化層13に留まるとともに高濃度に濃縮されるので、抵抗値が上がりやすくなり、抵抗比ウィンドウが拡大し、エンデュランスを高くすることができる。また、実施形態によれば、拡散防止層12を設けることで、従来技術よりも、酸素が下部電極となるコンタクトプラグ11に拡散しないので、酸素の分布が狭くなり、下部電極となるコンタクトプラグ11の抵抗バラツキを低減することができる。さらに、実施形態1によれば、セット/リセット動作に対して十分なマージンが可能になり、チップの歩留まり、及び性能を高くすることができる。   According to the embodiment, by providing the diffusion prevention layer 12 between the contact plug 11 serving as the lower electrode and the resistance change layer 13, oxygen remains in the resistance change layer 13 and is concentrated at a high concentration. The resistance ratio window is enlarged and the endurance can be increased. In addition, according to the embodiment, by providing the diffusion prevention layer 12, oxygen does not diffuse into the contact plug 11 serving as the lower electrode as compared with the prior art, so that the distribution of oxygen becomes narrower and the contact plug 11 serving as the lower electrode. The resistance variation can be reduced. Furthermore, according to the first embodiment, a sufficient margin for the set / reset operation is possible, and the yield and performance of the chip can be increased.

なお、本出願において図面参照符号を付している場合は、それらは、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。   Note that, in the present application, where reference numerals are attached to the drawings, these are only for the purpose of helping understanding, and are not intended to be limited to the illustrated embodiments.

(付記)
本発明の一視点においては、抵抗変化素子において、第1電極及び第2電極と、酸素及び第1金属を含む抵抗変化層と、前記第2電極と前記抵抗変化層との間に配されるとともに、酸素及び前記第1金属とは異なる第2金属を含み、かつ、比抵抗が1000μΩ・cm以下である抵抗層と、前記第1電極と前記抵抗変化層との間に配されるとともに、前記抵抗層から前記抵抗変化層へ供給される酸素の前記第1電極への拡散を妨げる特性を有する拡散防止層と、を備えることを特徴とする。
(Appendix)
In one aspect of the present invention, in a resistance change element, the first electrode and the second electrode, a resistance change layer containing oxygen and a first metal, and the second electrode and the resistance change layer are arranged. And a resistance layer that includes oxygen and a second metal different from the first metal and has a specific resistance of 1000 μΩ · cm or less, and is disposed between the first electrode and the resistance change layer, A diffusion prevention layer having a property of preventing diffusion of oxygen supplied from the resistance layer to the resistance change layer into the first electrode.

本発明の前記抵抗変化素子において、前記拡散防止層は、前記第1電極の材料よりも共有結合性が強い窒化膜、又は、酸化膜若しくは酸窒化膜であることが好ましい。共有結合性の強弱は、例えば、膜を構成する異元素間の電気陰性度の差を尺度とすればよい。構成元素が3つ以上の場合は、その中の2つの元素のすべての組み合わせでの電気陰性度の差のうち、もっとも大きいものを共有結合性の強弱の尺度とすれば良い。電気陰性度の差が小さいほうが、共有結合性が高いということになる。   In the variable resistance element according to the aspect of the invention, it is preferable that the diffusion preventing layer is a nitride film, an oxide film, or an oxynitride film having a stronger covalent bond than the material of the first electrode. The strength of the covalent bond may be determined, for example, by measuring the difference in electronegativity between different elements constituting the film. When there are three or more constituent elements, the largest difference among the electronegativity differences in all combinations of the two elements may be used as a measure of the strength of the covalent bond. The smaller the difference in electronegativity, the higher the covalent bond.

本発明の前記抵抗変化素子において、前記拡散防止層は、Si、AlN、BN、SiO、Al、SiON、AlON、SiAlONのいずれか1つ以上の材料よりなることが好ましい。 In the resistance change element of the present invention, it is preferable that the diffusion prevention layer is made of one or more materials of Si 3 N 4 , AlN, BN, SiO 2 , Al 2 O 3 , SiON, AlON, and SiAlON. .

本発明の前記抵抗変化素子において、前記抵抗層は、前記抵抗変化層に対して酸素配給源として機能する金属酸化膜であることが好ましい。   In the resistance change element of the present invention, it is preferable that the resistance layer is a metal oxide film that functions as an oxygen distribution source with respect to the resistance change layer.

本発明の前記抵抗変化素子において、前記抵抗層は、RuO、IrO、VO、CoO、MoO、WOのいずれか1つ以上の材料よりなることが好ましい。 In the resistance change element of the present invention, it is preferable that the resistance layer is made of one or more materials of RuO 2 , IrO 2 , VO 2 , CoO 2 , MoO 2 , and WO 2 .

なお、本発明の全開示(特許請求の範囲及び図面を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲及び図面を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。また、本願に記載の数値及び数値範囲については、明記がなくともその任意の中間値、下位数値、及び、小範囲が記載されているものとみなされる。   It should be noted that the embodiments or examples can be changed or adjusted within the scope of the entire disclosure (including claims and drawings) of the present invention and based on the basic technical concept. Various combinations or selections of various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each embodiment or example, each element of each drawing, etc.) are included within the scope of the claims of the present invention. Is possible. That is, the present invention naturally includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the drawings, and the technical idea. Further, regarding numerical values and numerical ranges described in the present application, it is considered that any intermediate value, lower numerical value, and small range are described even if not specified.

1 半導体基板
1a 溝
2 絶縁膜
3 ゲート絶縁膜
4 ワード線
5 サイドウォール絶縁膜
6a、6b 拡散領域
7 層間絶縁膜
8 コンタクトプラグ
9 ソース線
10 層間絶縁膜
11 コンタクトプラグ(下部電極、第1電極)
12 拡散防止層
13 抵抗変化層
14 抵抗層
15 上部電極(第2電極)
16 層間絶縁膜
17 コンタクトプラグ
18 ビット線
19 MOSトランジスタ
20 半導体記憶装置
21 抵抗変化素子
30 メモリセルアレイ
31 ロウデコーダ
32 センスアンプ
33 ライトアンプ
34 判定レジスタ
35 データレジスタ
36 カラムデコーダ
37 ロウアドレスバッファ
38 アレイコントロール回路
39 フェーズカウンタ
40 制御ロジック回路
41 コマンドレジスタ
42 ステータスレジスタ
43 コマンドディテクタ
44 I/Oコントロール回路
45 カラムアドレスバッファ
46 アドレスレジスタ
47 トランジスタ
WL、WL0〜WL5 ワード線
BL、BL0〜BL2 ビット線
MC メモリセル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 1a Groove 2 Insulating film 3 Gate insulating film 4 Word line 5 Side wall insulating film 6a, 6b Diffusion area 7 Interlayer insulating film 8 Contact plug 9 Source line 10 Interlayer insulating film 11 Contact plug (lower electrode, first electrode)
12 Diffusion Prevention Layer 13 Resistance Change Layer 14 Resistance Layer 15 Upper Electrode (Second Electrode)
16 Interlayer insulating film 17 Contact plug 18 Bit line 19 MOS transistor 20 Semiconductor memory device 21 Resistance change element 30 Memory cell array 31 Row decoder 32 Sense amplifier 33 Write amplifier 34 Decision register 35 Data register 36 Column decoder 37 Row address buffer 38 Array control circuit 39 Phase counter 40 Control logic circuit 41 Command register 42 Status register 43 Command detector 44 I / O control circuit 45 Column address buffer 46 Address register 47 Transistor WL, WL0 to WL5 Word line BL, BL0 to BL2 Bit line MC Memory cell

Claims (5)

第1電極及び第2電極と、
酸素及び第1金属を含む抵抗変化層と、
前記第2電極と前記抵抗変化層との間に配されるとともに、酸素及び前記第1金属とは異なる第2金属を含み、かつ、比抵抗が1000μΩ・cm以下である抵抗層と、
前記第1電極と前記抵抗変化層との間に配されるとともに、前記抵抗層から前記抵抗変化層へ供給される酸素の前記第1電極への拡散を妨げる特性を有する拡散防止層と、
を備えることを特徴とする抵抗変化素子。
A first electrode and a second electrode;
A resistance change layer including oxygen and a first metal;
A resistance layer disposed between the second electrode and the resistance change layer, including a second metal different from oxygen and the first metal, and having a specific resistance of 1000 μΩ · cm or less;
A diffusion preventing layer disposed between the first electrode and the resistance change layer and having a property of preventing diffusion of oxygen supplied from the resistance layer to the resistance change layer into the first electrode;
A variable resistance element comprising:
前記拡散防止層は、前記第1電極の材料よりも共有結合性が強い窒化膜、又は、酸化膜若しくは酸窒化膜であることを特徴とする請求項1記載の抵抗変化素子。   The resistance change element according to claim 1, wherein the diffusion prevention layer is a nitride film, an oxide film, or an oxynitride film having a stronger covalent bond than the material of the first electrode. 前記拡散防止層は、Si、AlN、BN、SiO、Al、SiON、AlON、SiAlONのいずれか1つ以上の材料よりなることを特徴とする請求項2記載の抵抗変化素子。 The resistance change according to claim 2, wherein the diffusion prevention layer is made of one or more materials of Si 3 N 4 , AlN, BN, SiO 2 , Al 2 O 3 , SiON, AlON, and SiAlON. element. 前記抵抗層は、前記抵抗変化層に対して酸素配給源として機能する金属酸化膜であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に記載の抵抗変化素子。   4. The variable resistance element according to claim 1, wherein the resistance layer is a metal oxide film that functions as an oxygen distribution source for the variable resistance layer. 5. 前記抵抗層は、RuO、IrO、VO、CoO、MoO、WOのいずれか1つ以上の材料よりなることを特徴とする請求項4記載の抵抗変化素子。 The variable resistance element according to claim 4, wherein the resistance layer is made of one or more materials of RuO 2 , IrO 2 , VO 2 , CoO 2 , MoO 2 , and WO 2 .
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