JP2015185605A - Resistance change element and nonvolatile storage device - Google Patents

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智仁 川嶋
Tomohito Kawashima
智仁 川嶋
章輔 藤井
Akisuke Fujii
章輔 藤井
石川 貴之
Takayuki Ishikawa
貴之 石川
真澄 齋藤
Masumi Saito
真澄 齋藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resistance change element capable of stabilized operation, and a nonvolatile storage device.SOLUTION: A resistance change element including first and second electrodes, first and second layers, and a metal part is provided. The first layer is provided between the first and second electrodes, contains an oxide of a first element, and is an insulating layer. The metal part is provided between the first layer and the first electrode, and contains a first metal. The second layer is provided between the first layer and the first electrode, and contains at least a part of the metal part and a second metal, in a second direction crossing a first direction from the first electrode toward the second electrode. The length in the first direction of a region containing the first metal in the first layer, in the low resistance state, is longer than the length of the region in the high resistance state. The free energy generated per unit substance amount of the oxide of a second metal is larger than the free energy generated per unit substance amount of the oxide of a first element.

Description

本発明の実施形態は、抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a variable resistance element and a nonvolatile memory device.

例えば、抵抗変化素子の開発が行われている。抵抗変化素子を用いた高速・大容量の不揮発性記憶装置の開発が注目を集めている。このような抵抗変化素子において、安定した動作が望まれている。信頼性などの特性を向上させることが望まれている。   For example, resistance variable elements have been developed. Development of high-speed and large-capacity nonvolatile memory devices using resistance change elements has been attracting attention. In such a resistance change element, stable operation is desired. It is desired to improve characteristics such as reliability.

特開2012−253192号公報JP 2012-253192 A

本発明の実施形態は、安定した動作が可能な抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置を提供する。   Embodiments of the present invention provide a variable resistance element and a nonvolatile memory device capable of stable operation.

本発明の実施形態によれば、第1電極と、第2電極と、第1層と、金属部と、第2層とを含む抵抗変化素子が提供される。前記第1層は、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられ、第1元素の酸化物を含み、絶縁性である。前記金属部は、前記第1層と前記第1電極との間に設けられ、第1金属を含む。前記第2層は、前記第1層と前記第1電極との間に設けられ、前記第1電極から前記第2電極へ向かう第1方向と交差する第2方向において、前記金属部の少なくとも一部と第2金属を含む。第1状態における前記第1層中の前記第1金属を含む領域の前記第1方向の長さは、第2状態における前記領域の長さよりも長いか、または、第1状態において前記第1層中に前記第1金属を含む領域があり、かつ第2状態においては、前記第1層は前記第1金属を含まない。前記第1状態における前記第1電極と前記第2電極との間の電気的抵抗は、第2状態における前記第1電極と前記第2電極との間の電気的抵抗よりも低い。前記第2金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、前記第1元素の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーよりも大きい。   According to the embodiment of the present invention, a variable resistance element including a first electrode, a second electrode, a first layer, a metal part, and a second layer is provided. The first layer is provided between the first electrode and the second electrode, includes an oxide of the first element, and is insulative. The metal part is provided between the first layer and the first electrode and includes a first metal. The second layer is provided between the first layer and the first electrode, and in the second direction intersecting the first direction from the first electrode toward the second electrode, at least one of the metal parts. Part and a second metal. The length in the first direction of the region including the first metal in the first layer in the first state is longer than the length of the region in the second state, or the first layer in the first state. There is a region containing the first metal therein, and in the second state, the first layer does not contain the first metal. The electrical resistance between the first electrode and the second electrode in the first state is lower than the electrical resistance between the first electrode and the second electrode in the second state. The generation free energy per unit substance amount of the second metal oxide is larger than the generation free energy per unit substance amount of the oxide of the first element.

第1の実施形態に係る抵抗変化素子を示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing the resistance change element concerning a 1st embodiment. 図2(a)及び図2(b)は、第1の実施形態に係る抵抗変化素子の動作を示す模式的断面図である。2A and 2B are schematic cross-sectional views illustrating the operation of the variable resistance element according to the first embodiment. 図3(a)及び図3(b)は、抵抗変化素子の特性を示すグラフ図である。FIG. 3A and FIG. 3B are graphs showing the characteristics of the variable resistance element. 第1の実施形態に係る抵抗変化素子を示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing the resistance change element concerning a 1st embodiment. 図5(a)及び図5(b)は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式的斜視図である。FIG. 5A and FIG. 5B are schematic perspective views showing the nonvolatile memory device according to the second embodiment.

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る抵抗変化素子を例示する模式的断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the variable resistance element according to the first embodiment.

図1に表したように、実施形態に係る抵抗変化素子101は、第1電極10と、第2電極20と、第1層31と、第2層32と、金属部40と、を含む。   As illustrated in FIG. 1, the variable resistance element 101 according to the embodiment includes a first electrode 10, a second electrode 20, a first layer 31, a second layer 32, and a metal part 40.

第1電極10は、例えば、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、及び銅(Cu)の少なくともいずれか一つを含むものである。ここでは、第1電極10には、例えば、タングステン(W)が用いられている。   The first electrode 10 includes, for example, at least one of tungsten (W), aluminum (Al), and copper (Cu). Here, for example, tungsten (W) is used for the first electrode 10.

第2電極20には、例えば、多結晶シリコンが用いられる。多結晶シリコンには、例えばリン(P)が導入される。これにより、例えば、第2電極20の抵抗率が調整される。第2電極20には、タングステン(W)などの金属を用いてもよい。   For example, polycrystalline silicon is used for the second electrode 20. For example, phosphorus (P) is introduced into the polycrystalline silicon. Thereby, for example, the resistivity of the second electrode 20 is adjusted. A metal such as tungsten (W) may be used for the second electrode 20.

第2電極20から第1電極10へ向かう第1方向をZ軸方向とする。Z軸方向に対して垂直な1つの方向をX軸方向とする。X軸方向に対して垂直で、Z軸方向に対して垂直な方向をY軸方向とする。   A first direction from the second electrode 20 toward the first electrode 10 is taken as a Z-axis direction. One direction perpendicular to the Z-axis direction is taken as an X-axis direction. A direction perpendicular to the X-axis direction and perpendicular to the Z-axis direction is taken as a Y-axis direction.

第1層31は、第1電極10と第2電極20との間に設けられる。第1層31は、第1元素の酸化物を含む。第1元素は、例えば、シリコン(Si)、ハフニウム(Hf)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)及びニオブ(Nb)の少なくともいずれか一つを含む。第1元素には、例えばSiが用いられ、第1層31は、酸化シリコン(SiO)を含む。第1層31は、酸窒化シリコンを含んでもよい。第1層31は、例えば、絶縁性である。第1層31の厚さ(Z軸方向に沿った長さ)は、例えば、2nm以上20nm以下とすることができる。 The first layer 31 is provided between the first electrode 10 and the second electrode 20. The first layer 31 includes an oxide of the first element. Examples of the first element include silicon (Si), hafnium (Hf), nickel (Ni), vanadium (V), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), aluminum (Al), chromium (Cr), and niobium (Nb). ). For example, Si is used as the first element, and the first layer 31 includes silicon oxide (SiO 2 ). The first layer 31 may include silicon oxynitride. The first layer 31 is, for example, insulative. The thickness (the length along the Z-axis direction) of the first layer 31 can be set to 2 nm or more and 20 nm or less, for example.

金属部40は、第1層31と第1電極10との間に設けられる。例えば、金属部40の一部は、第1層31と接する。金属部40は、第1金属を含む。第1金属は、例えば、銀(Ag)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)及びアルミニウム(Al)の少なくともいずれか一つを含む。例えば、第1金属には、Agが用いられる。   The metal part 40 is provided between the first layer 31 and the first electrode 10. For example, a part of the metal part 40 is in contact with the first layer 31. The metal part 40 includes a first metal. The first metal includes, for example, at least one of silver (Ag), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), and aluminum (Al). For example, Ag is used for the first metal.

第2層32は、第1層31と第1電極10との間に設けられる。第2層32は、Z軸方向(第1方向)と交差する第2方向において、金属部40の少なくとも一部と並ぶ。図1に表した例では、第2層32は、金属部40の複数の部分40aどうしの間、及び、複数の部分40aと第1電極10との間に設けられる。第2層32は、第2金属を含む。第2金属には、タングステン(W)、ハフニウム(Hf)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)及びクロム(Cr)の少なくともいずれか一つが用いられる。   The second layer 32 is provided between the first layer 31 and the first electrode 10. The second layer 32 is aligned with at least a part of the metal part 40 in the second direction intersecting with the Z-axis direction (first direction). In the example illustrated in FIG. 1, the second layer 32 is provided between the plurality of portions 40 a of the metal part 40 and between the plurality of portions 40 a and the first electrode 10. The second layer 32 includes a second metal. As the second metal, at least one of tungsten (W), hafnium (Hf), molybdenum (Mo), zirconium (Zr), and chromium (Cr) is used.

例えば、第1電極10と第2電極20との間にセット電圧を印加する。これにより、例えば、金属部40に含まれる第1金属がイオン化し、第1層31中へ拡散し、フィラメントと呼ばれる導電パスが形成される。第1層31中にフィラメントが形成されることで、抵抗変化素子101は、高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する。   For example, a set voltage is applied between the first electrode 10 and the second electrode 20. Thereby, for example, the first metal contained in the metal part 40 is ionized and diffused into the first layer 31 to form a conductive path called a filament. By forming the filament in the first layer 31, the resistance change element 101 changes from the high resistance state to the low resistance state.

第1電極10と第2電極20との間にリセット電圧を印加する。リセット電圧の極性は、例えば、セット電圧の極性と逆である。これにより、例えば、第1層31中のフィラメントに含まれる第1金属がイオン化する。このようにフィラメントが分解されることで、抵抗変化素子101は、低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。   A reset voltage is applied between the first electrode 10 and the second electrode 20. The polarity of the reset voltage is opposite to the polarity of the set voltage, for example. Thereby, for example, the first metal contained in the filament in the first layer 31 is ionized. As the filament is decomposed in this manner, the resistance change element 101 changes from the low resistance state to the high resistance state.

第1電極10と第2電極20との間に電圧を印加することによって、例えば、フィラメントが延びた状態と、フィラメントが分解された状態と、を切り替えることができる。例えば、第1金属のイオンが、第1層31中を出入りする。第1電極10と第2電極20との間の電気的抵抗が、可逆的に変化する。   By applying a voltage between the first electrode 10 and the second electrode 20, for example, a state in which the filament is extended and a state in which the filament is disassembled can be switched. For example, ions of the first metal enter and exit the first layer 31. The electrical resistance between the first electrode 10 and the second electrode 20 changes reversibly.

図2(a)及び図2(b)は、第1の実施形態に係る抵抗変化素子の動作を例示する模式的断面図である。
図2(a)は、抵抗変化素子101の低抵抗状態(第1状態ST1)を例示している。
図2(b)は、抵抗変化素子101の高抵抗状態(第2状態ST2)を例示している。
2A and 2B are schematic cross-sectional views illustrating the operation of the variable resistance element according to the first embodiment.
FIG. 2A illustrates the low resistance state (first state ST1) of the variable resistance element 101.
FIG. 2B illustrates the high resistance state (second state ST2) of the variable resistance element 101.

図2(a)に表したように、低抵抗状態においては、第1層31中にフィラメント35が形成される。例えば、フィラメント35は、第1層31中において、金属部40から第2電極20へ向かう方向に延びた状態である。   As shown in FIG. 2A, the filament 35 is formed in the first layer 31 in the low resistance state. For example, the filament 35 is in a state of extending in the direction from the metal part 40 toward the second electrode 20 in the first layer 31.

フィラメント35の成長過程においては、第1電極10と第2電極20との間にセット電圧が印加される。セット電圧が印加された状態においては、第1電極10の電位は、第2電極20の電位よりも高い。これにより、例えば、金属部40の第1金属がイオン化され、第1層31に侵入する。また、例えば、第2電極20を介して電子が第1層31に供給される。第1層31において、イオン化された第1金属と、電子と、が結合する。これにより、例えば、フィラメント35が第1層31中において成長する。   In the growth process of the filament 35, a set voltage is applied between the first electrode 10 and the second electrode 20. In the state where the set voltage is applied, the potential of the first electrode 10 is higher than the potential of the second electrode 20. Thereby, for example, the first metal of the metal part 40 is ionized and enters the first layer 31. Further, for example, electrons are supplied to the first layer 31 via the second electrode 20. In the first layer 31, the ionized first metal and electrons are bonded. Thereby, for example, the filament 35 grows in the first layer 31.

図2(b)に表したように、高抵抗状態においては、第1層31中のフィラメント35は、低抵抗状態に比べて分解された状態である。   As shown in FIG. 2B, in the high resistance state, the filament 35 in the first layer 31 is in a state of being decomposed compared to the low resistance state.

フィラメント35の分解過程においては、第1電極10と第2電極との間にリセット電圧が印加される。リセット電圧が印加された状態においては、第1電極10の電位は、第2電極20の電位よりも低い。例えば、第2電極20を介してホールが第1層31に供給される。これにより、例えば、第1層31中のフィラメント35の第1金属がイオン化される。イオン化された第1金属は、例えば、金属部40に回収される。   In the process of disassembling the filament 35, a reset voltage is applied between the first electrode 10 and the second electrode. In the state where the reset voltage is applied, the potential of the first electrode 10 is lower than the potential of the second electrode 20. For example, holes are supplied to the first layer 31 via the second electrode 20. Thereby, for example, the first metal of the filament 35 in the first layer 31 is ionized. For example, the ionized first metal is collected in the metal part 40.

低抵抗状態における第1層31中の第1金属を含む領域35rのZ軸方向に沿った長さは、第1長さL1である。高抵抗状態における第1層31中の第1金属を含む領域35rのZ軸方向に沿った長さは、第2長さL2である。第1長さL1は、第2長さL2よりも長い。   The length along the Z-axis direction of the region 35r including the first metal in the first layer 31 in the low resistance state is the first length L1. The length along the Z-axis direction of the region 35r including the first metal in the first layer 31 in the high resistance state is the second length L2. The first length L1 is longer than the second length L2.

例えば、高抵抗状態においては、第1層31中に第1金属を含む領域35rが無くてもよい。この場合、低抵抗状態において第1層31中に第1金属を含む領域35rがあり、高抵抗状態において第1層31は第1金属を含まない。このようにして高抵抗状態と低抵抗状態とが切り替わってもよい。   For example, in the high resistance state, the first layer 31 may not include the region 35r containing the first metal. In this case, there is a region 35r including the first metal in the first layer 31 in the low resistance state, and the first layer 31 does not include the first metal in the high resistance state. In this way, the high resistance state and the low resistance state may be switched.

実施形態に係る抵抗変化素子101において、第2層32は、例えば、バリアメタルとなる。金属部40を薄膜として形成し、その上にバリアメタルを設ける。これにより、例えば、第1金属と第1層31との密着性が向上し、特性の劣化を抑制することができる。   In the resistance change element 101 according to the embodiment, the second layer 32 is, for example, a barrier metal. The metal part 40 is formed as a thin film, and a barrier metal is provided thereon. Thereby, for example, the adhesion between the first metal and the first layer 31 is improved, and deterioration of characteristics can be suppressed.

金属部40の厚さは、例えば、5nm以下である。金属部40は、複数の部分40aを含んでもよい。複数の部分40aのそれぞれは、例えばZ軸方向に対して交差する方向において、互いに離間する。すなわち、金属部40は、島状でもよい。
金属部40の複数の部分40aの一部が、X−Y平面内の方向において、互いに接していてもよい。すなわち、金属部40は、網状でもよい。
The thickness of the metal part 40 is, for example, 5 nm or less. The metal part 40 may include a plurality of portions 40a. Each of the plurality of portions 40a is separated from each other in a direction intersecting with the Z-axis direction, for example. That is, the metal part 40 may have an island shape.
Some of the plurality of portions 40a of the metal part 40 may be in contact with each other in the direction in the XY plane. That is, the metal part 40 may have a net shape.

実施形態において、第2層32には、第1層31と比較的反応しにくい金属を用いる。例えば、第2層32と第1層31とが反応すると、第2層32と第1層31との間に、第2層32に含まれる第2金属の酸化物が生成される。第1電極10と第2電極20との間に電圧を印加した場合、この第2金属の酸化物を介して電流が流れてしまう場合がある。この電流は、リーク電流として、抵抗変化素子の特性を劣化させる。   In the embodiment, the second layer 32 is made of a metal that hardly reacts with the first layer 31. For example, when the second layer 32 and the first layer 31 react, an oxide of the second metal contained in the second layer 32 is generated between the second layer 32 and the first layer 31. When a voltage is applied between the first electrode 10 and the second electrode 20, a current may flow through the oxide of the second metal. This current deteriorates the characteristics of the variable resistance element as a leakage current.

実施形態においては、第2金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、第1元素の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーよりも大きい。すなわち、第2層に含まれる第2金属は、第1層31と反応しにくく、第2金属の酸化物は、生成されにくい。このように、第1層31との反応性が低い金属をバリアメタルに用いる。例えば、抵抗変化素子の信頼性が向上する。例えば、リーク電流が抑制され、素子の特性が向上する。   In the embodiment, the generation free energy per unit substance amount of the second metal oxide is larger than the generation free energy per unit substance amount of the oxide of the first element. That is, the second metal contained in the second layer hardly reacts with the first layer 31, and the oxide of the second metal is not easily generated. Thus, a metal having low reactivity with the first layer 31 is used as the barrier metal. For example, the reliability of the variable resistance element is improved. For example, leakage current is suppressed and the characteristics of the element are improved.

図3(a)及び図3(b)は、抵抗変化素子の特性を例示するグラフ図である。
図3(a)及び図3(b)の横軸は、第1電極10と第2電極20との間に印加される電圧V1(ボルト:V)を表す。図3(a)及び図3(b)の縦軸は、第1電極10と第2電極20との間に流れる電流I1(アンペア:A)を表す。
FIG. 3A and FIG. 3B are graphs illustrating characteristics of the resistance change element.
The horizontal axes of FIG. 3A and FIG. 3B represent the voltage V1 (volt: V) applied between the first electrode 10 and the second electrode 20. 3A and 3B, the vertical axis represents the current I1 (ampere: A) that flows between the first electrode 10 and the second electrode 20.

図3(a)は、第1の実施形態に係る抵抗変化素子102の特性を例示している。抵抗変化素子102は、抵抗変化素子101について説明した構成と同様の構成を有する。   FIG. 3A illustrates the characteristics of the variable resistance element 102 according to the first embodiment. The variable resistance element 102 has the same configuration as that described for the variable resistance element 101.

この例では、第1元素には、Siが用いられている。すなわち、第1層31は、SiOを含む。第1金属には、Agが用いられている。金属部40の厚さは、1nm程度である。第2金属には、Wが用いられている。第2層32は、WNを含む。第2層32の厚さは、190nm程度である。 In this example, Si is used as the first element. That is, the first layer 31 includes SiO 2 . Ag is used for the first metal. The thickness of the metal part 40 is about 1 nm. W is used for the second metal. The second layer 32 includes WN. The thickness of the second layer 32 is about 190 nm.

この場合、第1元素の酸化物(すなわちSiO)の生成自由エネルギーは、−856kJ/molである。第2金属の酸化物(すなわちWO)の生成自由エネルギーは、−764kJ/molである。このように、第1元素の酸化物の生成自由エネルギーは、第2金属の酸化物の生成エネルギーよりも小さい。例えば、第2金属(W)と第1層(SiO)との反応は、W+SiO+(1/2)O→WOの式で表される。このときの自由エネルギーの変化ΔGは、+92kJ/molである。このため、第2金属の酸化物が生成されにい。例えば、リーク電流を抑制することができる。 In this case, the free energy of formation of the oxide of the first element (ie, SiO 2 ) is −856 kJ / mol. The free energy of formation of the second metal oxide (ie, WO 3 ) is −764 kJ / mol. Thus, the free energy of formation of the oxide of the first element is smaller than the formation energy of the oxide of the second metal. For example, the reaction between the second metal (W) and the first layer (SiO 2 ) is represented by the formula W + SiO 2 + (1/2) O 2 → WO 3 . The change ΔG in free energy at this time is +92 kJ / mol. For this reason, an oxide of the second metal is hardly generated. For example, leakage current can be suppressed.

図3(a)に表したように、抵抗変化素子102においては、電圧V1と電流I1との関係に、例えばヒステリシスが見られる。例えば、低抵抗状態(第1状態ST1)及び高抵抗状態(第2状態ST2)の2つの状態に対応して、電気的抵抗が変化していることが分かる。   As shown in FIG. 3A, in the variable resistance element 102, for example, hysteresis is observed in the relationship between the voltage V1 and the current I1. For example, it can be seen that the electrical resistance changes corresponding to two states, a low resistance state (first state ST1) and a high resistance state (second state ST2).

図3(b)は、参考例の抵抗変化素子190の特性を例示している。参考例の抵抗変化素子190においては、第2金属には、チタン(Ti)が用いられている。第2層32は、TiNを含む。これ以外については、抵抗変化素子190は、抵抗変化素子102について説明した構成と同様の構成を有する。   FIG. 3B illustrates characteristics of the resistance change element 190 of the reference example. In the resistance change element 190 of the reference example, titanium (Ti) is used as the second metal. The second layer 32 includes TiN. Other than this, the resistance change element 190 has the same configuration as that described for the resistance change element 102.

この参考例の場合、第2金属の酸化物(すなわちTiO)の生成自由エネルギーは、−885kJ/molである。これは、第1元素の酸化物(SiO)の生成自由エネルギー(−856kJ/mol)よりも小さい。例えば、第2金属(Ti)と第1層(SiO)との反応は、Ti+SiO→TiOの式で表される。このときの自由エネルギーの変化は、−29kJ/molである。このため、参考例の抵抗変化素子190においては、第2金属は第1層31と反応しやすい。第2層32と第1層31との間に、TiOが生成されやすい。例えば、このTiOを介して、第1電極10と第2電極20との間にリーク電流が流れる。このため、高抵抗状態と低抵抗状態との切り替えが十分に行われず、素子の特性が劣化する。 In the case of this reference example, the free energy of formation of the oxide of the second metal (that is, TiO 2 ) is −885 kJ / mol. This is smaller than the free energy of formation (-856 kJ / mol) of the oxide (SiO 2 ) of the first element. For example, the reaction between the second metal (Ti) and the first layer (SiO 2 ) is represented by the formula Ti + SiO 2 → TiO 2 . The change in free energy at this time is −29 kJ / mol. For this reason, in the resistance change element 190 of the reference example, the second metal easily reacts with the first layer 31. TiO 2 is easily generated between the second layer 32 and the first layer 31. For example, a leakage current flows between the first electrode 10 and the second electrode 20 through the TiO 2 . For this reason, switching between the high resistance state and the low resistance state is not sufficiently performed, and the characteristics of the element deteriorate.

図3(b)に表したように、参考例の抵抗変化素子190においては、電圧と電流との関係に、ヒステリシスが見られない。   As shown in FIG. 3B, in the resistance change element 190 of the reference example, no hysteresis is observed in the relationship between the voltage and the current.

このように、第2層32に用いられる金属に、第1層31との反応性が比較的低い金属を用いることで、リーク電流を抑制することができる。これにより、高抵抗状態と低抵抗状態との切り替えを安定して行うことができる。安定した動作が可能な抵抗変化素子を得ることができる。   Thus, the leakage current can be suppressed by using a metal having a relatively low reactivity with the first layer 31 as the metal used for the second layer 32. Thereby, switching between the high resistance state and the low resistance state can be performed stably. A variable resistance element capable of stable operation can be obtained.

前述のように、第2金属には、Moを用いてもよい。例えば、MoOの生成自由エネルギーは、−668kJ/molであり、SiOの生成自由エネルギーよりも小さい。 As described above, Mo may be used for the second metal. For example, the generation free energy of MoO 3 is −668 kJ / mol, which is smaller than the generation free energy of SiO 2 .

例えば、第1金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、第2金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーよりも大きい。この例では、第1金属(Ag)の酸化物(AgO)の生成自由エネルギーは、例えば、−11kJ/molである。第1金属の第1層31との反応性は低い。これにより、例えば、第1金属の酸化物が形成されにくく、リーク電流を抑制することができる。安定した動作が可能な抵抗変化素子を得ることができる。 For example, the generation free energy per unit substance amount of the first metal oxide is larger than the generation free energy per unit substance amount of the second metal oxide. In this example, the generation free energy of the oxide (Ag 2 O) of the first metal (Ag) is, for example, −11 kJ / mol. The reactivity with the first layer 31 of the first metal is low. Thereby, for example, the oxide of the first metal is hardly formed, and the leakage current can be suppressed. A variable resistance element capable of stable operation can be obtained.

図4は、第1の実施形態に係る抵抗変化素子を例示する模式的断面図である。
図4は、抵抗変化素子103を例示している。抵抗変化素子103においても、第1電極10、第2電極20、第1層31、第2層32及び金属部40などが設けられる。これらについては、抵抗変化素子102について説明した構成と同様の構成を適用することができる。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating the resistance change element according to the first embodiment.
FIG. 4 illustrates the variable resistance element 103. Also in the resistance change element 103, the first electrode 10, the second electrode 20, the first layer 31, the second layer 32, the metal part 40, and the like are provided. For these, the same configuration as that described for the variable resistance element 102 can be applied.

図4に表したように、抵抗変化素子103は、第3層33をさらに含む。第3層33は、第1層31と第2電極20との間に設けられる。   As illustrated in FIG. 4, the variable resistance element 103 further includes a third layer 33. The third layer 33 is provided between the first layer 31 and the second electrode 20.

第3層33は、例えば、第1元素の酸化物を含む。例えば、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンなどの少なくともいずれかを用いることができる。例えば、第3層33に含まれる物質の少なくともいずれかは、第1層31に含まれる物質と異なる。   The third layer 33 includes, for example, an oxide of the first element. For example, at least one of silicon oxide and silicon oxynitride can be used. For example, at least one of the substances included in the third layer 33 is different from the substance included in the first layer 31.

このように、第2電極20と金属部40との間に積層体を設ける。これにより、例えば、高抵抗状態と低抵抗状態とのそれぞれにおいて、第1層31中、又は第3層33中に形成されるフィラメント(第1金属を含む領域)のZ軸方向に沿った長さを制御しやすくなる。   Thus, a laminated body is provided between the second electrode 20 and the metal part 40. Thereby, for example, in each of the high resistance state and the low resistance state, the length along the Z-axis direction of the filament (region including the first metal) formed in the first layer 31 or the third layer 33 This makes it easier to control.

第2電極20と金属部40との間に設けられる積層体において、積層される層の数は、2以上でもよい。   In the laminated body provided between the second electrode 20 and the metal part 40, the number of laminated layers may be two or more.

(第2の実施形態)
本実施形態は、不揮発性記憶装置に係る。実施形態に係る不揮発性記憶装置は、第1の実施形態に関して説明した抵抗変化素子のいずれか、及び、その変形を含む。例えば、本実施形態に係る不揮発性記憶装置は、例えば、上記のいずれかの抵抗変化素子と、第1電極10と第2電極20との間に電圧を印加する制御部50と、を含む。本実施形態によれば、安定した動作が可能な不揮発性記憶装置が提供できる。
(Second Embodiment)
The present embodiment relates to a nonvolatile memory device. The nonvolatile memory device according to the embodiment includes any of the resistance change elements described in the first embodiment and modifications thereof. For example, the nonvolatile memory device according to the present embodiment includes, for example, any one of the resistance change elements described above and the control unit 50 that applies a voltage between the first electrode 10 and the second electrode 20. According to the present embodiment, a nonvolatile memory device capable of stable operation can be provided.

図5(a)及び図5(b)は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図5(a)に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置250は、複数の第1配線WR1と、複数の第2配線WR2と、複数のメモリセルMCと、を含む。複数のメモリセルMCは、実施形態に係る抵抗変化素子及びその変形を含む。
FIG. 5A and FIG. 5B are schematic perspective views illustrating the nonvolatile memory device according to the second embodiment.
As shown in FIG. 5A, the nonvolatile memory device 250 according to the present embodiment includes a plurality of first wirings WR1, a plurality of second wirings WR2, and a plurality of memory cells MC. The plurality of memory cells MC include the resistance change element according to the embodiment and modifications thereof.

複数の第1配線WR1は、複数の第2配線WR2と、3次元的に交差する。例えば、第1配線WR1は、X軸方向に沿って延びる。第2配線WR2は、Y軸方向に沿って延びる。この例では、Y軸方向は、X軸方向に対して直交する。X軸方向とY軸方向とに対して直交する方向をZ軸方向とする。この例では、第2配線WR2は、Z軸方向において、第1配線WR1と離間する。   The plurality of first wirings WR1 intersects the plurality of second wirings WR2 three-dimensionally. For example, the first wiring WR1 extends along the X-axis direction. The second wiring WR2 extends along the Y-axis direction. In this example, the Y-axis direction is orthogonal to the X-axis direction. A direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction is taken as a Z-axis direction. In this example, the second wiring WR2 is separated from the first wiring WR1 in the Z-axis direction.

複数のメモリセルMC(抵抗変化素子)のそれぞれは、複数の第1配線WR1と複数の第2配線WR2との間のそれぞれの位置に配置される。   Each of the plurality of memory cells MC (resistance change elements) is disposed at a position between the plurality of first wirings WR1 and the plurality of second wirings WR2.

第1配線WR1及び第2配線WR2のそれぞれは、制御部50と電気的に接続される。第1配線WR1及び第2配線WR2を介して、メモリセルMCに電圧が印加され、上記の動作が行われる。   Each of the first wiring WR1 and the second wiring WR2 is electrically connected to the control unit 50. A voltage is applied to the memory cell MC through the first wiring WR1 and the second wiring WR2, and the above operation is performed.

第1配線WR1は、例えば、第1〜第3ビット線BL1〜BL3を含む。第2配線WR2は、第1〜第3ワード線WL1〜WL3を含む。これらのビット線及びワード線によりメモリセルMCの状態が、書き込まれ、読み取られ、または、消去される。   The first wiring WR1 includes, for example, first to third bit lines BL1 to BL3. The second wiring WR2 includes first to third word lines WL1 to WL3. The state of the memory cell MC is written, read, or erased by these bit lines and word lines.

実施形態において、第1配線WR1と抵抗変化素子との間、及び、第2配線WR2と抵抗変化素子との間の少なくともいずれかの位置に、整流素子(例えばダイオード)を設けても良い。   In the embodiment, a rectifying element (for example, a diode) may be provided at least at a position between the first wiring WR1 and the resistance change element and between the second wiring WR2 and the resistance change element.

図5(b)に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置251においては、互いに積層された複数の要素メモリ層MAを有する。複数の要素メモリ層MAは、例えばZ軸方向に沿って積層される。この例では、4つの要素メモリ層MA、すなわち、第1〜第4要素メモリ層MA1〜MA4が設けられている。要素メモリ層MAの数は、任意である。   As shown in FIG. 5B, the nonvolatile memory device 251 according to the present embodiment includes a plurality of element memory layers MA stacked on each other. The plurality of element memory layers MA are stacked, for example, along the Z-axis direction. In this example, four element memory layers MA, that is, first to fourth element memory layers MA1 to MA4 are provided. The number of element memory layers MA is arbitrary.

要素メモリ層MAのそれぞれは、第1配線WR1と、第2配線WR2と、メモリセルMCと、を含む。   Each of the element memory layers MA includes a first wiring WR1, a second wiring WR2, and a memory cell MC.

第1要素メモリ層MA1は、第1層ビット線BLL1(ビット線BL11、BL12及びBL13を含む)と、第1層ワード線WLL1(ワード線WL11、WL12及びWL13を含む)と、第1層メモリセルMC1と、を含む。   The first element memory layer MA1 includes a first layer bit line BLL1 (including bit lines BL11, BL12, and BL13), a first layer word line WLL1 (including word lines WL11, WL12, and WL13), and a first layer memory. Cell MC1.

第2要素メモリ層MA2は、第2層ビット線BLL2(ビット線BL21、BL22及びBL23を含む)と、第1層ワード線WLL1(ワード線WL11、WL12及びWL13を含む)と、第2層メモリセルMC2と、を含む。   The second element memory layer MA2 includes a second layer bit line BLL2 (including bit lines BL21, BL22, and BL23), a first layer word line WLL1 (including word lines WL11, WL12, and WL13), and a second layer memory. Cell MC2.

第3要素メモリ層MA2は、第2層ビット線BLL2(ビット線BL21、BL22及びBL23を含む)と、第2層ワード線WLL2(ワード線WL21、WL22及びWL23を含む)と、第3層メモリセルMC3と、を含む。   The third element memory layer MA2 includes a second layer bit line BLL2 (including bit lines BL21, BL22, and BL23), a second layer word line WLL2 (including word lines WL21, WL22, and WL23), and a third layer memory. Cell MC3.

第4要素メモリ層MA4は、第3層ビット線BLL3(ビット線BL31、BL32及びBL33を含む)と、第2層ワード線WLL2(ワード線WL21、WL22及びWL23を含む)と、第4層メモリセルMC4と、を含む。   The fourth element memory layer MA4 includes a third layer bit line BLL3 (including bit lines BL31, BL32, and BL33), a second layer word line WLL2 (including word lines WL21, WL22, and WL23), and a fourth layer memory. Cell MC4.

この例では、Z軸方向に沿って隣接する要素メモリ層MAにおいて、ビット線BLまたはワード線WLが共有される。実施形態はこれに限らない。例えば、Z軸方向に沿って隣接する要素メモリ層MAどうしの間に層間絶縁膜が設けられ、要素メモリ層MAのそれぞれに、ビット線BL及びワード線WLが設けられても良い。この場合、要素メモリ層MAのそれぞれにおけるビット線BLの延在方向及びワード線WLの延在方向は任意である。   In this example, the bit line BL or the word line WL is shared in the element memory layers MA adjacent along the Z-axis direction. The embodiment is not limited to this. For example, an interlayer insulating film may be provided between element memory layers MA adjacent along the Z-axis direction, and a bit line BL and a word line WL may be provided in each of the element memory layers MA. In this case, the extending direction of the bit line BL and the extending direction of the word line WL in each of the element memory layers MA are arbitrary.

本実施形態によれば、第2層32に含まれる第2金属に、第1層31との反応性が比較的低い金属を用いる。これにより、高抵抗状態と低抵抗状態との切り替えを、高い信頼性で実現できる。実施形態によれば、高信頼性の素子を得ることができる。   According to the present embodiment, a metal having a relatively low reactivity with the first layer 31 is used for the second metal contained in the second layer 32. Thereby, switching between the high resistance state and the low resistance state can be realized with high reliability. According to the embodiment, a highly reliable element can be obtained.

実施形態によれば、安定した動作が可能な抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置が提供できる。   According to the embodiment, it is possible to provide a variable resistance element and a non-volatile memory device capable of stable operation.

なお、本願明細書において、「垂直」は、厳密な垂直ではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直であれば良い。   In the present specification, “vertical” is not strictly vertical, but includes, for example, variations in the manufacturing process, and may be substantially vertical.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、第1電極、第2電極、第1層、第2層及び金属部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, regarding the specific configuration of each element such as the first electrode, the second electrode, the first layer, the second layer, and the metal portion, the present invention is similarly implemented by appropriately selecting from a known range by those skilled in the art. As long as the same effect can be obtained, it is included in the scope of the present invention.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

その他、本発明の実施の形態として上述した抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, all variable resistance elements and nonvolatile memory devices that can be implemented by those skilled in the art based on the variable resistance elements and nonvolatile memory devices described above as embodiments of the present invention are also included in the present invention. As long as the gist is included, it belongs to the scope of the present invention.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

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とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…第1電極、 20…第2電極、 31…第1層、 32…第2層、 33…第3層、 35…フィラメント、 35r…領域、 40…金属部、 40a…部分、 50…制御部、 101〜103、190…抵抗変化素子、 250…不揮発性記憶装置、 251…不揮発性記憶装置、 BL、BL11〜BL13、BL21〜BL23、BL31〜BL33…ビット線、 BL1〜BL3…第1〜第3ビット線、 BLL1〜BLL3…第1〜第3層ビット線、 I1…電流、 L1…第1長さ、 L2…第2長さ、 MA…要素メモリ層、 MA1〜MA4…第1〜第4要素メモリ層、 MC…メモリセル、 MC1…第1〜第4層メモリセル、 ST1…第1状態、 ST2…第2状態、 V1…電圧、 WL…ワード線、 WL11〜WL13、WL21〜WL23…ワード線、 WL1〜WL3…第1〜第3ワード線、 WLL1〜WLL2…第1〜第2層ワード線、 WR1…第1配線、 WR2…第2配線   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st electrode, 20 ... 2nd electrode, 31 ... 1st layer, 32 ... 2nd layer, 33 ... 3rd layer, 35 ... Filament, 35r ... area | region, 40 ... Metal part, 40a ... part, 50 ... Control 101, 103, 190 ... variable resistance element, 250 ... non-volatile memory device, 251 ... non-volatile memory device, BL, BL11-BL13, BL21-BL23, BL31-BL33 ... bit lines, BL1-BL3 ... first 3rd bit line, BLL1 to BLL3 ... 1st to 3rd layer bit line, I1 ... Current, L1 ... 1st length, L2 ... 2nd length, MA ... Element memory layer, MA1 to MA4 ... 1st to 1st 4 element memory layer, MC ... memory cell, MC1 ... 1st to 4th layer memory cell, ST1 ... 1st state, ST2 ... 2nd state, V1 ... voltage, WL ... word line, WL11-WL13 WL21~WL23 ... word lines, WL1 to WL3 ... first to third word lines, WLL1~WLL2 ... first to the second layer word line, WR1 ... first wiring, WR2 ... second wiring

Claims (11)

第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられ、第1元素の酸化物を含む絶縁性の第1層と、
前記第1層と前記第1電極との間に設けられ、第1金属を含む金属部と、
前記第1層と前記第1電極との間に設けられ、前記第1電極から前記第2電極へ向かう第1方向と交差する第2方向において、前記金属部の少なくとも一部と第2金属を含む第2層と、
を備え、
第1状態において、前記第1層中の前記第1金属を含む領域の前記第1方向の長さが、第2状態における前記領域の長さよりも長いか、または、第1状態において、前記第1層中に前記第1金属を含む領域があり、かつ第2状態においては、前記第1層が前記第1金属を含まないものであって、
前記第1状態における前記第1電極と前記第2電極との間の電気的抵抗は、第2状態における前記第1電極と前記第2電極との間の電気的抵抗よりも低く、
前記第2金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、前記第1元素の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーよりも大きい抵抗変化素子。
A first electrode;
A second electrode;
An insulating first layer provided between the first electrode and the second electrode and including an oxide of a first element;
A metal part provided between the first layer and the first electrode and including a first metal;
In a second direction that is provided between the first layer and the first electrode and intersects the first direction from the first electrode toward the second electrode, at least a part of the metal portion and the second metal A second layer including,
With
In the first state, the length in the first direction of the region containing the first metal in the first layer is longer than the length of the region in the second state, or in the first state, the first There is a region containing the first metal in one layer, and in the second state, the first layer does not contain the first metal,
The electrical resistance between the first electrode and the second electrode in the first state is lower than the electrical resistance between the first electrode and the second electrode in the second state,
A variable resistance element in which a free energy of formation per unit substance amount of the oxide of the second metal is larger than a free energy of formation per unit quantity of oxide of the first element.
前記第1元素は、シリコン、ハフニウム、ニッケル、バナジウム、ジルコニウム、モリブデン、アルミニウム、クロム及びニオブの少なくともいずれか一つを含む請求項1記載の抵抗変化素子。   2. The variable resistance element according to claim 1, wherein the first element includes at least one of silicon, hafnium, nickel, vanadium, zirconium, molybdenum, aluminum, chromium, and niobium. 前記第1層は、酸化シリコン及び酸窒化シリコンの少なくともいずれか一つを含む請求項1または2記載の抵抗変化素子。   The variable resistance element according to claim 1, wherein the first layer includes at least one of silicon oxide and silicon oxynitride. 前記第1金属は、銀、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、及びアルミニウムの少なくともいずれか一つを含む請求項1〜3のいずれか1つに記載の抵抗変化素子。   The resistance change element according to claim 1, wherein the first metal includes at least one of silver, cobalt, nickel, copper, zinc, and aluminum. 前記第2金属は、タングステン、モリブデン、ジルコニウム、クロム及びハフニウムの少なくともいずれか一つを含む請求項1〜4のいずれか1つに記載の抵抗変化素子。   The resistance change element according to claim 1, wherein the second metal includes at least one of tungsten, molybdenum, zirconium, chromium, and hafnium. 前記金属部の前記第1方向に沿った長さは、5nm以下である請求項1〜5のいずれか1つに記載の抵抗変化素子。   The variable resistance element according to claim 1, wherein a length of the metal part along the first direction is 5 nm or less. 前記第1層と前記第2電極との間に設けられ、前記第1元素の酸化物を含む第3層をさらに備えた請求項1〜6のいずれか1つに記載の抵抗変化素子。   The resistance change element according to claim 1, further comprising a third layer provided between the first layer and the second electrode and including an oxide of the first element. 前記1金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、前記第2金属の酸化物の単位物質量あたりの前記生成自由エネルギーよりも大きい請求項1〜7のいずれか1つに記載の抵抗変化素子。   The generation free energy per unit substance amount of the oxide of one metal is larger than the generation free energy per unit substance amount of the second metal oxide. Variable resistance element. 前記金属部は、複数の部分を含み、
前記複数の部分のそれぞれは、前記第1方向と交差する方向において、互いに離間した請求項1〜8のいずれか1つに記載の抵抗変化素子。
The metal part includes a plurality of parts,
9. The variable resistance element according to claim 1, wherein each of the plurality of portions is spaced from each other in a direction intersecting the first direction.
請求項1〜9のいずれかに記載の抵抗変化素子と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する制御部と、
を備えた不揮発性記憶装置。
The variable resistance element according to any one of claims 1 to 9,
A controller that applies a voltage between the first electrode and the second electrode;
A non-volatile storage device.
複数の第1配線と、
複数の第2配線と、
をさらに備え、
複数の第1配線は、前記複数の第2配線と交差し、
前記抵抗変化素子は複数設けられ、
前記複数の抵抗変化素子のそれぞれは、前記複数の第1配線と前記複数の第2配線との間のそれぞれの位置に配置される請求項10記載の不揮発性記憶装置。
A plurality of first wires;
A plurality of second wires;
Further comprising
The plurality of first wirings intersect with the plurality of second wirings,
A plurality of the variable resistance elements are provided,
The nonvolatile memory device according to claim 10, wherein each of the plurality of resistance change elements is disposed at a position between the plurality of first wirings and the plurality of second wirings.
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