JP4607257B2 - 不揮発性記憶素子及び不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Description
まず、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子100の構成を示す断面図である。図1に示すように、この不揮発性記憶素子100は、抵抗変化型の不揮発性記憶素子であり、基板101と、基板101の上に形成された酸化物層102と、酸化物層102の上に形成された第1電極層103と、第2電極層105と、第1電極層103及び第2電極層105に挟まれた抵抗変化層104とを備えている。第1電極層103及び第2電極層105は、抵抗変化層104と電気的に接続されている。
上記のように構成される不揮発性記憶素子は、次のようにして製造することが可能である。
以下、上述したように構成される本実施の形態の不揮発性記憶素子の動作例、すなわち情報の書き込み及び読み出しを行う場合の動作例を説明する。
上述したように、本実施の形態では、抵抗変化層104が第1の酸化物層104a及び第2の酸化物層104bの積層構造で構成されており、その第1の酸化物層104aはTaOxで、第2の酸化物層104bはTiO2でそれぞれ構成されている。しかし、第1の酸化物層104a及び第2の酸化物層104bの材料はこれに限定されるわけではない。以下、第1の酸化物層104a及び第2の酸化物層104bの材料としてどのようなものが適当であるのかについて説明する。
本実施の形態においては、第1の酸化物層104a及び第2の酸化物層104bの厚みにより、抵抗変化層104全体の抵抗値を制御することが可能である。そこで、これらの厚みについて検討すると、高抵抗層である第2の酸化物層104bの厚みが大きすぎる場合、抵抗変化層104の初期抵抗値が高くなってしまうため、抵抗変化を開始させることが困難になったり、初期ブレイクが必須となったりする等の不都合が生じる。他方、その厚みが小さすぎると安定した抵抗変化動作が得られないという問題が生じ得る。以上を考慮すれば、少なくとも第2の酸化物層104bの厚みが第1の酸化物層104aの厚みよりも小さいことが望ましいといえる。
次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子100における第2電極層105に用いられる好適な材料について検討する。
不揮発性記憶素子は、固定抵抗、トランジスタ及びダイオード等の負荷素子に直列に接続されて用いられる場合がある(後述する実施の形態2及び3には、その具体例が記載されている)。このように負荷素子が接続されている場合では、不揮発性記憶素子単体の場合と比べてブレイク電圧が高くなるという問題が生じる。これは、負荷素子に電圧降下が生じることにより、不揮発性記憶素子に実効的に印加される電圧が小さくなってしまうためである。
上記の表1には、材料の物性値の一つとして、Siに対する伝導帯オフセット(eV)が記載されている。上述したように、不揮発性記憶素子が負荷素子に接続されている場合ではリーク電流が発生するが、この伝導帯オフセットの値が大きい材料を用いて第2の酸化物層を構成することにより、そのリーク電流を低減することができる。
次に、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶装置について説明する。
図25は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶装置200の構成を示すブロック図である。また、図26は、図25におけるA部の構成(4ビット分のメモリセルの物理的な構成)を示す斜視図である。
図27は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶装置200が備えるメモリセル(ここでは、負荷素子としての電流抑制素子を備える不揮発性記憶素子210)の構成を示す断面図である。なお、図27には、図26のB部(一つのクロスポイント)における構成が示されている。
次に、情報を書き込む場合の書き込みサイクル及び情報を読み出す場合の読み出しサイクルにおける本実施の形態に係る不揮発性記憶装置200の動作例について、図28に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。
次に、本発明の実施の形態3に係る不揮発性記憶装置について説明する。
図29は、本発明の実施の形態3に係る不揮発性記憶装置300の構成を示すブロック図である。また、図30は、図29におけるC部の構成(2ビット分のメモリセルの物理的な構成)を示す断面図である。
次に、情報を書き込む場合の書き込みサイクルおよび情報を読み出す場合の読み出しサイクルにおける本実施の形態に係る不揮発性記憶装置300の動作例について、図31に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。
101 基板
102 酸化物層
103 第1電極層
104 抵抗変化層
104a 第1の酸化物層
104b 第2の酸化物層
105 第2電極層
106 フォトレジストパターン
107 素子領域
200 不揮発性記憶装置
201 メモリ本体部
202 メモリセルアレイ
203 行選択回路・ドライバ
204 列選択回路・ドライバ
205 書き込み回路
206 センスアンプ
207 データ入出力回路
208 アドレス入力回路
209 制御回路
210 不揮発性記憶素子
211 上部配線
212 下部配線
213 上部電極
214 抵抗変化層
215 内部電極
216 電流抑制素子
217 下部電極
300 不揮発性記憶装置
301 メモリ本体部
302 メモリセルアレイ
303 行選択回路・ドライバ
304 列選択回路
305 書き込み回路
306 センスアンプ
307 データ入出力回路
308 VCP電源
309 アドレス入力回路
310 制御回路
313 不揮発性記憶素子
314 上部電極
315 抵抗変化層
316 下部電極
BL0,BL1,… ビット線
M111,M112,… メモリセル
M211,M212,… メモリセル
PL0,PL1,… プレート線
T11,T12,… トランジスタ
WL0,WL1,… ワード線
Claims (12)
- 抵抗変化型の不揮発性記憶素子であって、
第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在し、前記第1電極及び前記第2電極間に与えられる電圧の極性に基づいて可逆的に高抵抗状態と低抵抗状態とを遷移する抵抗変化層とを備え、
前記抵抗変化層が前記高抵抗状態にあるときの当該不揮発性記憶素子の抵抗値よりも高い抵抗値をもつ初期状態にあるときに、負荷素子が接続された状態で電圧を印加する初期ブレイクが行われることよって前記遷移が可能な状態に変化する特性を有し、
前記抵抗変化層は、少なくとも第1の遷移金属の酸化物を含む第1の酸化物層と、前記第1の遷移金属とは異なる第2の遷移金属の酸化物を含む第2の酸化物層との積層構造を含み、
前記第1の酸化物層の酸素欠損度が前記第2の酸化物層の酸素欠損度よりも大きく、
前記第2の遷移金属の標準電極電位が前記第1の遷移金属の標準電極電位よりも小さく、
かつ、
(1)前記第2の酸化物層の誘電率が前記第1の酸化物層の誘電率よりも大きい、
(2)前記第2の酸化物層のバンドギャップが前記第1の酸化物層のバンドギャップよりも小さい、
において、(1)と(2)の少なくとも一方が満たされている、不揮発性記憶素子。 - (1)前記第2の酸化物層の誘電率が前記第1の酸化物層の誘電率よりも大きい、及び、(2)前記第2の酸化物層のバンドギャップが前記第1の酸化物層のバンドギャップよりも小さい、の両方が満たされている、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記第2電極は前記第2の酸化物層と接するように形成されており、
前記第2電極の標準電極電位が前記第2の遷移金属の標準電極電位よりも大きい、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記第1の遷移金属の標準電極電位は、前記第2電極の標準電極電位より小さい、請求項3に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記第2の酸化物層の厚みが前記第1の酸化物層の厚みよりも薄い、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記第2の遷移金属がTi、Sr又はNbである、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記第1の遷移金属がTaである、請求項6に記載の不揮発性記憶素子。
- さらに、当該不揮発性記憶素子に電気的に接続された負荷素子を備える、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記負荷素子は、固定抵抗、トランジスタ、またはダイオードである、請求項8に記載の不揮発性記憶素子。
- 半導体基板と、前記半導体基板上に互いに平行に形成された複数の第1の配線と、前記複数の第1の配線の上方に前記半導体基板の主面に平行な面内において互いに平行に且つ前記複数の第1の配線と立体交差するように形成された複数の第2の配線と、前記複数の第1の配線と前記複数の第2の配線との立体交差点に対応して設けられた請求項1に記載の不揮発性記憶素子とを具備するメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイが具備する不揮発性記憶素子から、少なくとも一つの不揮発性記憶素子を選択する選択回路と、
前記選択回路で選択された不揮発性記憶素子に電圧を印加することでデータを書き込む書き込み回路と、
前記選択回路で選択された不揮発性記憶素子の抵抗値を検出することでデータを読み出す読み出し回路とを備える、不揮発性記憶装置。 - さらに、前記不揮発性記憶素子のそれぞれに電気的に接続された電流抑制素子を備える、請求項10に記載の不揮発性記憶装置。
- 半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、複数のワード線及び複数のビット線、前記複数のワード線及び複数のビット線にそれぞれ接続された複数のトランジスタ、並びに前記複数のトランジスタに一対一で対応して設けられた複数の請求項1に記載の不揮発性記憶素子とを具備するメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイが具備する不揮発性記憶素子から、少なくとも一つの不揮発性記憶素子を選択する選択回路と、
前記選択回路で選択された不揮発性記憶素子に電圧を印加することでデータを書き込む書き込み回路と、
前記選択回路で選択された不揮発性記憶素子の抵抗値を検出することでデータを読み出す読み出し回路とを備える、不揮発性記憶装置。
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