JP2016076655A - 抵抗変化素子 - Google Patents
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ここで、前記界面層はシリコン酸化膜層であってよい。
また、前記金属酸化物層はアモルファス酸化タンタルであってよい。
また、前記アモルファス酸化タンタルにおける酸素の含有量がタンタルの2.4倍以下であってよい。
また、前記シリコン酸化膜層の厚さが1.5nm以下であってよい。
また、前記2つの金属電極がそれぞれ、白金、タンタル、タングステン、ルテニウムから選択された一の金属であるかまたは複数の金属の合金であってよい。
図2に、図1に模式的に示した抵抗変化素子の動作結果を示す。なお、測定に用いた素子では、アモルファス酸化タンタル層の膜厚は17nm、界面層であるシリコン酸化膜層の膜厚は1nmであり、作製直後の素子はオフ状態にあった。この素子に対して、上部電極(タンタル)に正の電圧を印加してその電圧を次第に増大させていくと、3V程度で電流が急激に上昇し(図中、黒線)、素子はオン状態にスイッチングした。なお、本測定では、過電流による素子の損傷を防ぐため、印加電圧が正側では測定系に流れる最大電流値を100μAに設定した。続いて上部電極(タンタル)に負の電圧を印加すると−2V程度で電流が減少し、素子はオフ状態にスイッチングした。実験では、電圧走査によるこのオンオフ動作を100回繰り返した。図2には、このうちの1回目、5回目及び100回目のスイッチング動作を抽出して示してある。
ここで、従来技術の素子構造に本発明によって追加した界面層(上に説明した例ではシリコン酸化膜)が果たすスイッチング動作における役割を説明する。
図4は、シリコン酸化膜を挿入しない場合の酸素空孔による伝導経路(フィラメント)形成、ならびに金属電極/アモルファス酸化タンタル層/金属電極の内部に形成される電位(φ)及び電界強度(E)を示す模式図である。なお、酸素空孔とは酸素イオンが欠損したサイトのことであり、酸素イオンが本来のサイトから移動・消失することによって形成される。すなわち、酸素空孔と酸素イオンの移動は表裏一体であるが、本明細書では、抵抗変化素子の動作を説明する際の通例である、酸素空孔の移動で説明している。
次に、界面層としてシリコン酸化膜を挿入した、本発明の抵抗変化素子の動作について、図6を用いて説明する。シリコン酸化膜におけるフィラメント形成には、10MV/cm程度の電界が必要であることが本発明を完成させる過程における測定により明らかになっている。一方、アモルファス酸化タンタル中におけるフィラメント形成は、1MV/cm以下の電界で可能である。このため、素子に印加する電圧をゼロVから上昇させていくと、まず初めに、アモルファス酸化タンタル層内で酸素空孔の移動によるフィラメント形成が始まる(図6(a))。電圧の印加を続けることによってアモルファス酸化タンタル層内ではフィラメントがさらに成長する(図6(b))。このとき、大部分の電圧降下は、アモルファス酸化タンタル層のフィラメントが形成されていない領域ではなく、より絶縁性の高いシリコン酸化膜層内で起こる。このため、アモルファス酸化タンタル層内におけるフィラメント形成が完了する直前であっても、同アモルファス酸化タンタル層のフィラメントが形成されていない領域には大きな電界が発生しない(図6(b)下側の図を参照)。すなわち、本発明の抵抗変化素子ではアモルファス酸化タンタル層の一部で絶縁破壊が起こることはない。アモルファス酸化タンタル層にフィラメントが形成された後、さらに電圧を上昇させると、シリコン酸化膜層内においても酸素空孔の移動によるフィラメント形成が起こる(図6(d))。アモルファス酸化タンタル層とシリコン酸化膜の両方にフィラメントが形成されることで、素子全体の抵抗が下がり、スイッチオンとなる。
次に、アモルファス酸化タンタル層の酸素とタンタルの組成について述べる。本発明では、アモルファス酸化タンタル層内でのフィラメント形成に必要な電界強度(1MV/cm以下)が界面層であるシリコン酸化膜層内にフィラメントを形成するのに必要な電界強度(10MV/cm)よりも小さいことを利用して、始めにアモルファス酸化タンタル層にフィラメントを形成し、それに続いてシリコン酸化膜中にフィラメントを形成することでアモルファス酸化タンタル層内における絶縁破壊を回避している。しかし、アモルファス酸化タンタルは、酸素とタンタルとの比が理想的な化学量論比(酸素:タンタル=5:2)以外の各種の組成をも取ることができる不定比性を有している。以下の実施例の項の末尾で説明するように、理想的な化学量論比のアモルファス酸化タンタル層を用いた場合にはその中にフィラメントを形成するために必要な電界強度がシリコン酸化膜についてのフィラメント形成電計強度と同程度になってしまうために、上述した本発明の原理が成り立たなくなってしまう。実際に動作する本発明の抵抗変化素子で界面層にシリコン酸化膜を使用する場合には、タンタルに対する酸素の原子比が2.0〜2.4程度の酸化タンタルを使用するのが良い。
本実施例では、金属酸化物層と金属電極との間に界面層として挿入するシリコン酸化膜について、素子動作の膜厚依存性を測定した結果を述べる。[発明の実施の形態]の項では、膜厚1nmのシリコン酸化膜を挿入した素子を例にとってその動作結果を示したので、本実施例では、界面層を膜厚1.3nm、2nm及び3nmのシリコン酸化膜とした場合の素子の動作結果を述べる。
本比較例では、シリコン酸化膜を挿入しなかった場合の素子の動作結果について述べる。図10に、測定に用いた比較例の抵抗変化素子の構造を模式的に示す。金属電極材料として白金とタンタルを用い、両電極でアモルファス酸化タンタル層(膜厚17nm)を挟んだ。
既に述べたように、アモルファス酸化タンタルでは、様々な不定比性(酸素とタンタルの比)を持った膜を作製することが可能であるが、ここで不定比性が本発明に与える影響について検証した。その結果、理想的な化学量論比(酸素:タンタル=5:2)のアモルファス酸化タンタル膜では、フィラメント形成に20MV/cm程度の電界が必要であることが分かった。図13に、これを示唆する実験結果を示す。この実験では、理想的な化学量論比にある膜厚3nmのアモルファス酸化タンタルをタンタル電極と白金電極で挟み、電圧を印加した。その結果、7V程度の電圧でスイッチオンした。すなわち、20MV/cm程度の電界強度でフィラメントが形成された。この電界強度は、シリコン酸化膜中にフィラメントを形成するのに必要な電界強度と同程度であるから、本発明は適用できない。詳細な実験を行った結果、タンタルに対する酸素の含有量が2.4倍以下の場合(理想的な化学量論比では2.5)、フィラメント形成に必要な電界強度が1MV/cm程度となり、本発明による素子動作が可能になることが分かった。また、タンタルに対する酸素の含有量の実用的な下限としては2.0倍程度であることが確認された。
Claims (6)
- 金属酸化物層中で酸素空孔が電界によって移動することで抵抗が変化する2端子型素子である抵抗変化素子であって、
金属酸化物層を挟む2つの金属電極のうち、一方の金属電極と前記金属酸化物層との界面に界面層を設け、
前記界面層中に導電性フィラメントを成長させるために必要な電界強度は前記金属酸化物中に導電性フィラメントを成長させるために必要な電界強度よりも大きい
抵抗変化素子。 - 前記界面層はシリコン酸化膜層である、請求項1に記載の抵抗変化素子。
- 前記金属酸化物層がアモルファス酸化タンタルである、請求項1または2に記載の抵抗変化素子。
- 前記アモルファス酸化タンタルにおける酸素の含有量がタンタルの2.4倍以下であることを特徴とする請求項3に記載の抵抗変化素子。
- 前記シリコン酸化膜層の厚さが1.5nm以下である、請求項1から4の何れかに記載の抵抗変化素子。
- 前記2つの金属電極がそれぞれ、白金、タンタル、タングステン、ルテニウムから選択された一の金属であるかまたは複数の金属の合金である、請求項1から5の何れかに記載の抵抗変化素子。
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Cited By (3)
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---|---|---|---|---|
WO2020249699A1 (fr) * | 2019-06-12 | 2020-12-17 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Procédé de fabrication d'une cellule mémoire résistive de type oxram |
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