JP4760606B2 - Storage element and storage device - Google Patents

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Description

本発明は、情報を記録することができる記憶素子、及び記憶素子を用いた記憶装置に係わる。   The present invention relates to a memory element capable of recording information and a memory device using the memory element.

コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のDRAMが広く使用されている。   In information equipment such as a computer, a high-speed and high-density DRAM is widely used as a random access memory.

しかしながら、DRAMは、電子機器に用いられる一般的な論理回路LSIや信号処理と比較して製造プロセスが複雑であるため、製造コストが高くなっている。
また、DRAMは、電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであり、頻繁にリフレッシュ動作、即ち書き込んだ情報(データ)を読み出し、増幅し直して、再度書き込み直す動作を行う必要がある。
However, a DRAM has a higher manufacturing cost because a manufacturing process is more complicated than a general logic circuit LSI or signal processing used in an electronic device.
The DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, and it is necessary to frequently perform a refresh operation, that is, an operation of reading, amplifying, and rewriting the written information (data).

そこで、電源を切っても情報が消えない不揮発性のメモリとして、例えばFeRAM(強誘電体メモリ)やMRAM(磁気記憶素子)等が提案されている。
これらのメモリの場合、電源を供給しなくても書き込んだ情報を長時間保持し続けることが可能になる。
また、これらのメモリの場合、不揮発性とすることにより、リフレッシュ動作を不要にして、その分消費電力を低減することができると考えられる。
Thus, for example, FeRAM (ferroelectric memory), MRAM (magnetic memory element), and the like have been proposed as nonvolatile memories whose information does not disappear even when the power is turned off.
In the case of these memories, it is possible to keep the written information for a long time without supplying power.
In addition, in the case of these memories, it is considered that by making them non-volatile, the refresh operation is unnecessary and the power consumption can be reduced accordingly.

しかしながら、上述の不揮発性のメモリは、各メモリセルを構成するメモリ素子の縮小化に伴い、記憶素子としての特性を確保することが困難になってくる。
このため、デザインルールの限界や製造プロセス上の限界まで素子を縮小化することは難しい。
However, with the above-described nonvolatile memory, it is difficult to ensure characteristics as a memory element with a reduction in the size of memory elements that constitute each memory cell.
For this reason, it is difficult to reduce the element to the limit of the design rule and the limit of the manufacturing process.

そこで、縮小化に適した構成のメモリとして、新しいタイプの記憶素子が提案されている。
この記憶素子は、2つの電極の間に、ある金属を含むイオン導電体を挟んだ構造である。
そして、2つの電極のいずれか一方にイオン導電体中に含まれる金属を含ませることにより、2つの電極間に電圧を印加した場合に、電極中に含まれる金属がイオン導電体中にイオンとして拡散するため、これによりイオン導電体の抵抗値或いはキャパシタンス等の電気特性が変化する。
この特性を利用して、メモリデバイスを構成することが可能である(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。
Therefore, a new type of storage element has been proposed as a memory having a configuration suitable for downsizing.
This memory element has a structure in which an ionic conductor containing a certain metal is sandwiched between two electrodes.
And by including the metal contained in the ionic conductor in one of the two electrodes, when a voltage is applied between the two electrodes, the metal contained in the electrode becomes an ion in the ionic conductor. Due to the diffusion, this changes the electrical properties such as resistance or capacitance of the ionic conductor.
A memory device can be configured using this characteristic (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

具体的には、イオン導電体はカルコゲナイドと金属との固溶体よりなり、さらに具体的には、AsS,GeS,GeSeにCu,Ag,Znが固溶された材料からなり、2つの電極の一方の電極には、Cu,Ag,Znを含んでいる(上記特許文献1参照)。   Specifically, the ionic conductor is made of a solid solution of chalcogenide and metal, and more specifically, made of a material in which Cu, Ag, and Zn are dissolved in AsS, GeS, GeSe, and one of the two electrodes. The electrode contains Cu, Ag, and Zn (see Patent Document 1).

なお、他方の電極は、イオン導電体を含む材料に実質的に溶解しない、W、Ni、Mo、Pt、メタルシリサイド等により形成されている。
そして、例えば、記憶素子とダイオード或いはMOSトランジスタのような選択素子とを接続してメモリセルを形成し、このメモリセルをアレイ状に配置してメモリデバイスを構成することができる。
The other electrode is formed of W, Ni, Mo, Pt, metal silicide, or the like that does not substantially dissolve in the material containing the ionic conductor.
For example, a memory cell can be formed by connecting a memory element and a selection element such as a diode or a MOS transistor, and arranging the memory cell in an array.

この構成の記憶素子では、2つの電極に閾値電圧以上のバイアス電圧を印加することにより、イオン導体内にある導電性イオン(Ag,Cu,Zn等のイオン)が負電極方向に移動して、負電極に達することにより電着が生じる。さらに、この電着が、例えば樹枝状(デンドライト)に成長し、正電極に達することにより電流パスが形成されるため、イオン導体の抵抗値が高抵抗から低抵抗に変化する。これにより、記憶素子に情報の記録(書き込み)を行うことができる。   In the memory element of this configuration, by applying a bias voltage equal to or higher than the threshold voltage to the two electrodes, conductive ions (ions such as Ag, Cu, Zn, etc.) in the ion conductor move in the negative electrode direction, Electrodeposition occurs by reaching the negative electrode. Furthermore, since this electrodeposition grows in dendrites, for example, and reaches the positive electrode, a current path is formed, so that the resistance value of the ion conductor changes from high resistance to low resistance. As a result, information can be recorded (written) in the storage element.

また、2つの電極に、上述のバイアス電圧と逆極性の電圧を印加することにより、樹枝状の電流パスを形成していた導電性イオンが、イオン導体中に溶解することによって、電流パスが消滅し、抵抗値が初期の高抵抗の状態に戻る。これにより、記録した情報の消去動作を行っている。   In addition, by applying a voltage of opposite polarity to the above bias voltage to the two electrodes, the conductive ions that formed the dendritic current path are dissolved in the ion conductor, so that the current path disappears. Then, the resistance value returns to the initial high resistance state. Thereby, the recorded information is erased.

しかしながら、上述した、上部電極或いは下部電極のいずれかにAg或いはCuを含み、それらの電極にGe−S或いはGe−Seアモルファスカルコゲナイド材料が挟まれた構造の記憶素子では、温度上昇によりカルコゲナイド薄膜が結晶化を生じ、結晶化に伴って材料の特性が変化し、本来は高い抵抗の状態でデータを保持している部分が、高温環境下或いは長期保存時に低い抵抗の状態に変化してしまう、等の問題を有する。   However, in the memory element having a structure in which Ag or Cu is contained in either the upper electrode or the lower electrode and a Ge—S or Ge—Se amorphous chalcogenide material is sandwiched between the electrodes, the chalcogenide thin film is formed by the temperature rise. Crystallization occurs, the characteristics of the material change with crystallization, and the part that originally holds the data in a high resistance state changes to a low resistance state in a high temperature environment or during long-term storage, And so on.

そこで、さらに電極とイオン導電体の間に、イオン導電体と電極との間をイオンが移動することを制限するバリア層として希土類酸化膜を挿入した構成の記憶素子も提案されている(例えば、特許文献2参照)。   Therefore, a memory element having a structure in which a rare earth oxide film is inserted as a barrier layer that restricts movement of ions between the ion conductor and the electrode between the electrode and the ion conductor has also been proposed (for example, Patent Document 2).

このように希土類酸化膜から成るバリア層が形成されている構成の記憶素子では、閾値電圧以上の記録電圧の印加により、電極層に含まれるAg、Cu、或いはZnがイオン化して、希土類酸化膜に拡散する。そして、このイオンが他電極側で電子と結合して析出する、或いは、希土類酸化膜内部に拡散した状態で留まる。すると、希土類酸化物薄膜内部に上記金属元素を多量に含む電流パスが形成される、もしくは、希土類酸化物薄膜内部に上記金属元素による欠陥が多数形成されることによって、希土類酸化膜の抵抗値が低くなる。   In the memory element having the configuration in which the barrier layer made of the rare earth oxide film is formed in this way, Ag, Cu, or Zn contained in the electrode layer is ionized by applying a recording voltage higher than the threshold voltage, and the rare earth oxide film To spread. Then, these ions are combined with electrons on the other electrode side and deposited, or remain in a state of being diffused inside the rare earth oxide film. Then, a current path containing a large amount of the metal element is formed inside the rare earth oxide thin film, or a large number of defects due to the metal element are formed inside the rare earth oxide thin film, thereby reducing the resistance value of the rare earth oxide film. Lower.

また、上述の記録電圧と逆極性の電圧を印加することにより、希土類酸化膜内に形成されていた電流パス或いは不純物準位を構成するAg、Cu、或いはZnが再びイオン化して、希土類酸化膜内を移動して電極層側に戻り、希土類酸化膜の抵抗値が高くなる。   Further, by applying a voltage having a polarity opposite to the recording voltage described above, Ag, Cu, or Zn constituting the current path or impurity level formed in the rare earth oxide film is ionized again, and the rare earth oxide film The resistance value of the rare earth oxide film is increased by moving inside and returning to the electrode layer side.

この希土類酸化膜の抵抗変化による記憶素子は、微細化していった場合においても、特に高温環境下及び長期のデータ保持安定性に優れた特性を有すると報告されている。   It has been reported that the memory element based on the resistance change of the rare earth oxide film has excellent characteristics, particularly in a high temperature environment and for long-term data retention, even when miniaturized.

特表2002−536840号公報Special Table 2002-536840 Publication 日経エレクトロニクス 2003年1月20日号(第104頁)Nikkei Electronics January 20, 2003 issue (page 104) 特開2005−197634号公報JP 2005-197634 A

しかしながら、上述した、電極とイオン導電体の間に希土類酸化膜を挿入した構成の記憶素子では、微細化に伴って、素子部に流れる電流密度が上昇するとともに、局所的な温度上昇が発生する。このため、書き込み及び消去を繰り返すことで発生した熱により、電極層に含まれるAg、Cu、或いはZnが、メモリセル部分の希土類酸化膜以外にも拡散し、次第に消去時の記憶素子の抵抗値が低下してしまうという問題が生じる。   However, in the memory element having a configuration in which a rare earth oxide film is inserted between the electrode and the ionic conductor described above, the current density flowing in the element portion increases with the miniaturization, and a local temperature rise occurs. . For this reason, Ag, Cu, or Zn contained in the electrode layer is diffused to other than the rare earth oxide film in the memory cell due to heat generated by repeated writing and erasing, and the resistance value of the memory element at the time of erasing is gradually increased. This causes a problem of lowering.

すなわち、記憶素子に書き込み及び消去を繰り返していくうちに、消去動作を行っても低抵抗状態のままで変わらず、高抵抗状態に戻らなくなる。この場合、記憶素子がショート状態となるため、動作不能となり、エラービットとなる。これは、電極層に含まれるAg、Cu、或いはZnが、メモリセル部分の希土類酸化膜以外にも拡散することによって、本来の電流パスとは別に、電流パスが生じてしまうためであると考えられる。
また、繰り返し動作をしているうちに、書き込みや消去の閾値電圧が変化した場合も、記憶素子がエラービットとなる。
さらに、書き込みの低抵抗状態を「1」、消去の高抵抗状態を「0」として情報の書き込みと消去を行う場合に、低抵抗状態と高抵抗状態との差が減少すると「0」と「1」の判別ができなくなる。
That is, while the writing and erasing are repeated in the memory element, even if the erasing operation is performed, the low resistance state remains unchanged and the high resistance state is not restored. In this case, since the storage element is short-circuited, the operation becomes impossible and an error bit is generated. This is because Ag, Cu, or Zn contained in the electrode layer diffuses to other than the rare-earth oxide film in the memory cell portion, thereby generating a current path separately from the original current path. It is done.
Further, when the threshold voltage for writing or erasing changes during the repeated operation, the memory element becomes an error bit.
Further, when writing and erasing information with the low resistance state of writing being “1” and the high resistance state of erasing being “0”, when the difference between the low resistance state and the high resistance state is reduced, “0” and “ 1 "cannot be determined.

上述した問題の解決のために、本発明においては、書き込み及び消去の繰り返し動作に対する耐性に優れた記憶素子及びこれを用いた記録装置を提供するものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a storage element having excellent resistance to repeated writing and erasing operations and a recording apparatus using the same.

本発明の記憶素子は、第1の電極と、第2の電極との間に、記憶層が配置され、記憶層が、希土類元素の酸化物から成る酸化物層と、イオン化するCu,AgもしくはZnから選ばれる少なくとも1種類を含有するイオン源層とを有してなり、酸化物層とイオン源層とに接して、かつ酸化物層とイオン源層との接続部分の周囲に、Ta、Ti、Nb、V、Zrから選ばれる1種類以上の元素の窒化物からなる、イオンの拡散を規制するイオン源拡散制御層が設けられていることを特徴とする。 In the memory element of the present invention, a memory layer is disposed between the first electrode and the second electrode, and the memory layer includes an oxide layer made of an oxide of a rare earth element and ionizing Cu, Ag, or An ion source layer containing at least one selected from Zn, in contact with the oxide layer and the ion source layer, and around the connection portion between the oxide layer and the ion source layer, Ta, An ion source diffusion control layer that restricts ion diffusion is provided, which is made of a nitride of one or more elements selected from Ti, Nb, V, and Zr .

本発明の記憶装置は、第1の電極及び第2の電極の間に、記憶層が配置され、記憶層が希土類元素の酸化物から成る酸化物層と、イオン化するCu,AgもしくはZnから選ばれる少なくとも1種類を含有するイオン源層とを有してなり、酸化物層とイオン源層とに接して、かつ酸化物層とイオン源層との接続部分の周囲に、Ta、Ti、Nb、V、Zrから選ばれる1種類以上の元素の窒化物からなる、イオンの拡散を規制するイオン源拡散制御層が設けられている記憶素子と、第1の電極側に接続された配線と、第2の電極側に接続された配線とを有し、記憶素子が多数配置されてなることを特徴とする。 In the memory device of the present invention, a memory layer is disposed between the first electrode and the second electrode, and the memory layer is selected from an oxide layer made of an oxide of a rare earth element and ionized Cu, Ag, or Zn. Ta, Ti, Nb in contact with the oxide layer and the ion source layer and around the connecting portion between the oxide layer and the ion source layer. A storage element including a nitride of one or more elements selected from V, Zr, provided with an ion source diffusion control layer for regulating ion diffusion, and a wiring connected to the first electrode side; And a plurality of memory elements are arranged. The wiring is connected to the second electrode side.

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、第1の電極と、第2の電極との間に、記憶層が挟まれて構成され、この記憶層が、酸化物層と、イオン化するCu,AgもしくはZnを含有するイオン源層を有して成ることにより、記憶層に含まれる酸化物層の抵抗状態が変化することを利用して情報を記憶することが可能になる。   According to the configuration of the memory element of the present invention described above, the memory layer is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and this memory layer includes the oxide layer and the ionized Cu. By including the ion source layer containing Ag, Zn or Zn, information can be stored by utilizing the change in the resistance state of the oxide layer included in the memory layer.

具体的には、例えば、Cuを含有するイオン源層側の一方の電極に正電位を印加して記憶素子に正電圧をかけると、イオン源層に含まれているCuがイオン化して酸化物層内に拡散し、他方の電極側の部分で電子と結合して析出することにより、或いは、酸化物層中に留まり絶縁層の不純物準位を形成することによって、酸化物層の抵抗値が低くなり、酸化物層を含む記憶層の抵抗値が低くなるので、これにより情報の書き込みを行うことが可能になる。
また、この状態から、イオン源層側の一方の電極に負電位を印加して記憶素子に負電圧をかけると、他方の電極側に析出していたCuが再びイオン化して、一方の電極側に戻ることによって記憶層の抵抗値が元の高い状態に戻り、記憶素子の抵抗値も高くなるので、これにより記録した情報の消去を行うことが可能になる。
Specifically, for example, when a positive potential is applied to one electrode on the ion source layer side containing Cu and a positive voltage is applied to the memory element, Cu contained in the ion source layer is ionized to be an oxide. The resistance value of the oxide layer is reduced by diffusing into the layer and bonding to the electrons on the other electrode side and depositing, or by forming impurity levels in the insulating layer that remain in the oxide layer. This lowers the resistance value of the memory layer including the oxide layer, which makes it possible to write information.
Further, from this state, when a negative potential is applied to one electrode on the ion source layer side and a negative voltage is applied to the memory element, Cu deposited on the other electrode side is ionized again, and one electrode side Since the resistance value of the memory layer returns to the original high state and the resistance value of the memory element increases, the recorded information can be erased.

また、酸化物層とイオン源層とに接して、かつ酸化物層とイオン源層との接続部分の周囲に、イオンの拡散を規制するイオン源拡散制御層が設けられているので、情報を記憶させた際のCu,AgもしくはZnのイオンの拡散が、酸化物層とイオン源層との接続部分に規制される。
そして、情報の書き込み及び消去を繰り返した場合においても、Cu,AgもしくはZnのイオンが酸化物層のイオン源層との接続部分以外に拡散しにくくなるため、これらのイオンの拡散による、記憶素子の消去時の抵抗値の低下を抑制することができる。
In addition, an ion source diffusion control layer that regulates the diffusion of ions is provided in contact with the oxide layer and the ion source layer and around the connection portion between the oxide layer and the ion source layer. The diffusion of Cu, Ag, or Zn ions when stored is restricted to the connection portion between the oxide layer and the ion source layer.
Even when information writing and erasing are repeated, Cu, Ag, or Zn ions are less likely to diffuse outside the connecting portion of the oxide layer with the ion source layer. It is possible to suppress a decrease in resistance value at the time of erasing.

上述の本発明の記憶素子によれば、情報の書き込みと消去とを繰り返した場合に、消去時の抵抗値が低下することがないため、書き込み及び消去の繰り返し動作に対する耐性を向上させることができる。
また、本発明の記憶素子を用いることにより、安定性及び耐久性に優れた記憶装置を構成することができる。
According to the memory element of the present invention described above, when information writing and erasing are repeated, the resistance value at the time of erasing does not decrease, so that resistance to repeated writing and erasing operations can be improved. .
In addition, by using the memory element of the present invention, a memory device excellent in stability and durability can be configured.

本発明の第1の実施の形態の記憶素子10の概略構成図(断面図)を図1に示す。   FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the memory element 10 according to the first embodiment of the present invention.

図1に示した記憶素子10は、例えば、CMOS回路が形成されたシリコン基板11(図3参照)上でCMOS回路部分との接続部である下部電極1が形成されていて、この下部電極1上に記憶層2が形成され、この記憶層2上に上部電極5が形成されて構成されている。   In the memory element 10 shown in FIG. 1, for example, a lower electrode 1 that is a connection portion with a CMOS circuit portion is formed on a silicon substrate 11 (see FIG. 3) on which a CMOS circuit is formed. A memory layer 2 is formed thereon, and an upper electrode 5 is formed on the memory layer 2.

そして、記憶層2が、酸化物層3と、この酸化物層3上に形成されるイオン源層4から構成され、酸化物層3とイオン源層4との間にイオン源拡散制御層6が形成されている。酸化物層3とイオン源層4とは、このイオン源拡散制御層6に形成された開口部を通じて、接続された構造となっている。   The memory layer 2 includes an oxide layer 3 and an ion source layer 4 formed on the oxide layer 3, and the ion source diffusion control layer 6 is interposed between the oxide layer 3 and the ion source layer 4. Is formed. The oxide layer 3 and the ion source layer 4 are connected through an opening formed in the ion source diffusion control layer 6.

下部電極1には、半導体プロセスに用いられる配線材料、例えばTiW,Ti,W,Cu,Al,Mo,Ta,WN,TaN,シリサイド等を用いることができる。
また、上部電極5には、下部電極1と同様、通常の半導体プロセスに用いられる配線材料を用いることができる。
For the lower electrode 1, a wiring material used in a semiconductor process, for example, TiW, Ti, W, Cu, Al, Mo, Ta, WN, TaN, silicide, or the like can be used.
For the upper electrode 5, similarly to the lower electrode 1, a wiring material used in a normal semiconductor process can be used.

酸化物層3は、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Yから選ばれる1種類もしくは2種以上の元素(希土類元素)と酸素とを含有する材料、例えば、酸化ガドリニウム等の希土類酸化物を用いて構成することができる。
この酸化物層3は、例えば0.5nm〜10nm程度の膜厚で形成する。このように、酸化物層3の膜厚を薄くすることにより、通常絶縁材料である希土類酸化物等から成る酸化物層3に電流を流すことが可能である。
The oxide layer 3 includes one or more elements (rare earth elements) selected from La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, and Y (rare earth elements) and oxygen. It can be configured using a material to be contained, for example, a rare earth oxide such as gadolinium oxide.
The oxide layer 3 is formed with a film thickness of about 0.5 nm to 10 nm, for example. Thus, by reducing the thickness of the oxide layer 3, it is possible to pass a current through the oxide layer 3 made of a rare earth oxide or the like, which is usually an insulating material.

イオン源層4は、Cu,AgもしくはZnを含有し、より好ましくは、さらに、Te,Se,Sのカルコゲナイド元素を含有し、例えば、GeSbTe,GeTe,GeSe,GeS,SiGeTe,SiGeSbTe等に、Cu,Ag,Znを加えた組成の膜、Ag膜、Ag合金膜、Cu膜、Cu合金膜、Zn膜、Zn合金膜等を用いて構成することができる。また、このイオン源層4に、必要に応じて、Geや希土類元素等を添加することにより、耐熱性を向上させることができる。   The ion source layer 4 contains Cu, Ag, or Zn, and more preferably further contains a chalcogenide element of Te, Se, and S. For example, GeSbTe, GeTe, GeSe, GeS, SiGeTe, SiGeSbTe, etc., Cu , Ag, Zn added film, Ag film, Ag alloy film, Cu film, Cu alloy film, Zn film, Zn alloy film, or the like. Moreover, heat resistance can be improved by adding Ge, rare earth elements, etc. to this ion source layer 4 as needed.

イオン源拡散制御層6は、Cu,AgもしくはZnのイオンの拡散を制御することができるものであれば特に限定されないが、抵抗値が低く、従来の半導体プロセスに用いられている材料が好ましい。例えば、従来の半導体装置のバリアメタル膜に使われている材料を用いて構成することができる。
このような材料としては、例えば、遷移金属の窒化物を用いることができ、具体的には、Ta、Ti、Nb、V、Zrのうちいずれかを少なくともひとつ含む窒素化合物材料を用いて構成することができ、より具体的には、TaN、TaSiN、TiN、NbN、VN、ZrN等を用いて構成することができる。
また、イオン源拡散制御層6は、酸化物層3に対してイオン源層4が接する面積及び場所を規制するための開口部を有する。
The ion source diffusion control layer 6 is not particularly limited as long as it can control the diffusion of Cu, Ag, or Zn ions, but a material having a low resistance value and used in a conventional semiconductor process is preferable. For example, it can be configured using a material used for a barrier metal film of a conventional semiconductor device.
As such a material, for example, a transition metal nitride can be used, and specifically, a nitrogen compound material containing at least one of Ta, Ti, Nb, V, and Zr is used. More specifically, TaN, TaSiN, TiN, NbN, VN, ZrN, or the like can be used.
The ion source diffusion control layer 6 has an opening for regulating the area and location where the ion source layer 4 is in contact with the oxide layer 3.

上述した材料からなる酸化物層3は、電圧パルス或いは電流パルスが印加されることにより、インピーダンス(抵抗値)が変化する特性を有する。
そして、この酸化物層3は、他の層よりも抵抗値の変化が充分大きい。そのため、記憶素子10全体の抵抗値の変化は、主として酸化物層3により影響される。従って、酸化物層3の抵抗値の変化を利用して、記憶素子10に情報の記録を行うことができる。
The oxide layer 3 made of the above-described material has a characteristic that the impedance (resistance value) changes when a voltage pulse or a current pulse is applied.
The oxide layer 3 has a sufficiently large change in resistance value than the other layers. Therefore, the change in the resistance value of the entire memory element 10 is mainly influenced by the oxide layer 3. Therefore, information can be recorded in the memory element 10 using the change in the resistance value of the oxide layer 3.

なお、図1に示す記憶素子10では、イオン源拡散制御層6の下に酸化物層3、上にイオン源層4が形成されているが、イオン源拡散制御層6の上に酸化物層3、下にイオン源層4を形成するように、図1と逆の積層順序となっていてもよい。   In the memory element 10 shown in FIG. 1, the oxide layer 3 is formed below the ion source diffusion control layer 6 and the ion source layer 4 is formed on the ion source diffusion control layer 6. 3. The order of lamination may be opposite to that in FIG. 1 so that the ion source layer 4 is formed below.

第1の実施の形態の記憶素子10は、次のように動作させて、情報の記憶を行うことができる。   The storage element 10 of the first embodiment can be operated as follows to store information.

まず、Cu,AgもしくはZnが含まれたイオン源層4に接する上部電極5側が正に、酸化物層3に接する下部電極1側が負になるように、記憶素子10に対して電圧を印加する。ここで、このとき、記憶素子10に印加する電圧を、正電圧(+)と定義して、以下同様に定義して説明する。
記憶素子10への正電圧の印加により、イオン源層4からCu,AgもしくはZnのイオンが、酸化物層3内をイオン伝導し、下部電極1側で電子と結合して析出する、あるいは、酸化物層3内部に拡散した状態で留まる。
First, a voltage is applied to the memory element 10 so that the upper electrode 5 side in contact with the ion source layer 4 containing Cu, Ag, or Zn is positive and the lower electrode 1 side in contact with the oxide layer 3 is negative. . Here, the voltage applied to the memory element 10 at this time is defined as a positive voltage (+), and the same definition is given below.
By applying a positive voltage to the memory element 10, Cu, Ag or Zn ions are ion-conducted in the oxide layer 3 from the ion source layer 4 and are combined with electrons on the lower electrode 1 side, and are deposited. It remains in the state of diffusing inside the oxide layer 3.

すると、酸化物層3内部にCu,AgもしくはZnを多量に含む電流パスが形成される、もしくは、酸化物層3の内部にCu,AgもしくはZnによる欠陥が多数形成されることによって、酸化物層3の抵抗値が低くなる。酸化物層3以外の各層は、酸化物層3の記録前の抵抗値に比べて、元々抵抗値が低いので、酸化物層3の抵抗値を低くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も低くすることができる。   Then, a current path containing a large amount of Cu, Ag, or Zn is formed inside the oxide layer 3, or a large number of defects due to Cu, Ag, or Zn are formed inside the oxide layer 3. The resistance value of the layer 3 is lowered. Each layer other than the oxide layer 3 originally has a lower resistance value than the resistance value of the oxide layer 3 before recording. Therefore, by reducing the resistance value of the oxide layer 3, the resistance value of the memory element 10 as a whole is reduced. Can also be lowered.

その後、正電圧を除去して、記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗値が低くなった状態で記憶素子10が保持される。これにより、記憶素子10に情報を記録することが可能になる。   After that, when the positive voltage is removed and the voltage applied to the memory element 10 is eliminated, the memory element 10 is held with the resistance value lowered. As a result, information can be recorded in the storage element 10.

この時、酸化物層3全体に電圧が印加されることで、下部電極1の面積の範囲でイオン源層4ではイオン化がおこり、イオン化したCu,AgもしくはZnは、酸化物層3の方に拡散しようとする。しかし、本実施の形態では、酸化物層3とイオン源層4との間に、イオン源拡散制御層6が形成されている。このため、正電圧(+)印加時に、酸化物層3の一部分にのみイオンを拡散させることができ、イオン源拡散制御層6に形成された開口部によって、酸化物層3のイオン源層4と接続されている部分以外には、上述の電流パス又は不純物準位を構成していた欠陥が形成されない。   At this time, by applying a voltage to the entire oxide layer 3, ionization occurs in the ion source layer 4 within the range of the area of the lower electrode 1, and the ionized Cu, Ag, or Zn moves toward the oxide layer 3. Try to spread. However, in the present embodiment, the ion source diffusion control layer 6 is formed between the oxide layer 3 and the ion source layer 4. Therefore, when a positive voltage (+) is applied, ions can be diffused only in part of the oxide layer 3, and the ion source layer 4 of the oxide layer 3 is formed by the opening formed in the ion source diffusion control layer 6. Except for the portion connected to, the defects constituting the above-described current path or impurity level are not formed.

一度だけ記録が可能な記憶装置、いわゆる、PROMに用いる場合には、前記の記録過程のみで記憶は完結する。   When used in a storage device that can be recorded only once, so-called PROM, the storage is completed only by the recording process.

一方、消去が可能な記憶装置、いわゆる、RAM或いはEEPROM等の記憶装置へ応用する場合には、記憶素子10を抵抗値の高い状態に戻す消去過程が必要である。この消去過程においては、上部電極5側が負に、下部電極1側が正になるように、記憶素子10に対して負電圧(−)を印加する。   On the other hand, when applied to a erasable storage device, a storage device such as a so-called RAM or EEPROM, an erasing process is required to return the storage element 10 to a high resistance state. In this erasing process, a negative voltage (−) is applied to the memory element 10 so that the upper electrode 5 side is negative and the lower electrode 1 side is positive.

記憶素子10への負電圧の印加により、酸化物層3内に形成されていた電流パス或いは不純物準位を構成していたCu,AgもしくはZnがイオン化して、酸化物層3内をイオン伝導してイオン源層4側に戻る。   By applying a negative voltage to the memory element 10, Cu, Ag, or Zn constituting the current path or impurity level formed in the oxide layer 3 is ionized, and ion conduction occurs in the oxide layer 3. Then, it returns to the ion source layer 4 side.

すると、酸化物層3内からCu,AgもしくはZnによる電流パス或いは欠陥が消滅して、酸化物層3の抵抗値が高くなる。酸化物層3以外の各層は元々抵抗値が低いので、酸化物層3の抵抗値を高くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も高くすることができる。   Then, current paths or defects due to Cu, Ag, or Zn disappear from the oxide layer 3, and the resistance value of the oxide layer 3 increases. Since each layer other than the oxide layer 3 originally has a low resistance value, the resistance value of the entire memory element 10 can be increased by increasing the resistance value of the oxide layer 3.

その後、負電圧を除去して、記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗値が高くなった状態で保持される。これにより、記録された情報を消去することが可能になる。   After that, when the negative voltage is removed and the voltage applied to the memory element 10 is eliminated, the resistance value is kept high. As a result, the recorded information can be erased.

このような過程を繰り返すことにより、記憶素子10に情報の記録(書き込み)と記録された情報の消去を繰り返し行うことができる。   By repeating such a process, it is possible to repeatedly record (write) information on the storage element 10 and erase the recorded information.

そして、例えば、抵抗値の高い状態を「0」の情報に、抵抗値の低い状態を「1」の情報に、それぞれ対応させると、正電圧の印加による情報の記録過程で「0」から「1」に変え、負電圧の印加による情報の消去過程で「1」から「0」に変えることができる。
即ち、記憶素子10に、抵抗値の高低によって「0」と「1」の2値の情報を記憶させることができる。
For example, if a state with a high resistance value is associated with information “0” and a state with a low resistance value is associated with information “1”, the information recording process by applying a positive voltage changes from “0” to “ It can be changed from “1” to “0” in the process of erasing information by applying a negative voltage.
That is, the binary information of “0” and “1” can be stored in the storage element 10 depending on the level of the resistance value.

記録後の抵抗値は、記憶素子10のセルサイズ及び酸化物層3の材料組成よりも、記録時に印加される電圧パルス或いは電流パルスの幅や電流量等の記録条件に依存し、初期抵抗値が100kΩ以上の場合には、およそ50Ω〜50kΩの範囲となる。
記録データを復調するためには、初期の抵抗値と記録後の抵抗値との比が、およそ、2倍以上であれば充分である。記録前の抵抗値が100Ωであれば、記録後の抵抗値が50Ω、あるいは、記録前の抵抗値が100kΩであれば、記録後の抵抗値が50kΩといった状況であれば充分であり、酸化物層3の初期の抵抗値はそのような条件を満たすように設定される。酸化物層3の抵抗値は、例えば、酸化物層3の厚みを変化させることによって制御することが可能である。
The resistance value after recording depends on recording conditions such as the voltage pulse or current pulse width and current amount applied during recording, rather than the cell size of the memory element 10 and the material composition of the oxide layer 3, and the initial resistance value. Is 100 kΩ or more, the range is approximately 50Ω to 50 kΩ.
In order to demodulate the recording data, it is sufficient that the ratio between the initial resistance value and the resistance value after recording is approximately twice or more. If the resistance value before recording is 100Ω, the resistance value after recording is 50Ω, or if the resistance value before recording is 100 kΩ, it is sufficient if the resistance value after recording is 50 kΩ. The initial resistance value of the layer 3 is set so as to satisfy such a condition. The resistance value of the oxide layer 3 can be controlled, for example, by changing the thickness of the oxide layer 3.

上述した記憶素子10によれば、下部電極1と上部電極5との間に、酸化物層3と、イオン源層4とが挟まれた構成である。このような構成により、例えば、CuもしくはAgを含むイオン源層4側に正電圧(+電位)を印加して、下部電極1側が負になるようにした場合に、酸化物層3内に、Cu,AgもしくはZnを多量に含む電流パスが形成される。これにより、酸化物層3の抵抗値が低くなり、記憶素子10全体の抵抗値が低くなる。
そして、正電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が低くなった状態が保持され、情報を記録することが可能になる。
According to the memory element 10 described above, the oxide layer 3 and the ion source layer 4 are sandwiched between the lower electrode 1 and the upper electrode 5. With such a configuration, for example, when a positive voltage (+ potential) is applied to the ion source layer 4 side containing Cu or Ag so that the lower electrode 1 side becomes negative, the oxide layer 3 includes A current path containing a large amount of Cu, Ag or Zn is formed. Thereby, the resistance value of the oxide layer 3 is lowered, and the resistance value of the entire memory element 10 is lowered.
Then, by stopping the application of the positive voltage so that no voltage is applied to the memory element 10, the state in which the resistance value is low is maintained, and information can be recorded.

そして、記憶素子10の抵抗値の変化、特に酸化物層3の抵抗値の変化を利用して情報の記憶を行っているため、記憶素子10を微細化していった場合にも、情報の記録や記録した情報の保存が容易になる。   Since information is stored by using a change in the resistance value of the memory element 10, particularly a change in the resistance value of the oxide layer 3, the information recording is performed even when the memory element 10 is miniaturized. And storage of recorded information becomes easy.

また、消去動作は、上述した記録後の状態の記憶素子10に対して、Cu,AgもしくはZnを含むイオン源層4側の上部電極5に負電圧(−電位)を印加して、酸化物層3側の下部電極1側が正になるようにする。
これにより、酸化物層3内に形成されていた、Cu,AgもしくはZnによる電流パスが消滅して、酸化物層3の抵抗値が高くなり、記憶素子10全体の抵抗値が高くなる。
そして、負電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が高くなった状態が保持され、記録されていた情報を消去することが可能になる。
Further, in the erasing operation, a negative voltage (−potential) is applied to the upper electrode 5 on the ion source layer 4 side containing Cu, Ag, or Zn with respect to the memory element 10 in the state after recording, and the oxide The lower electrode 1 side on the layer 3 side is made positive.
As a result, the current path formed by Cu, Ag, or Zn formed in the oxide layer 3 disappears, the resistance value of the oxide layer 3 increases, and the resistance value of the entire memory element 10 increases.
Then, by stopping the application of the negative voltage so that no voltage is applied to the memory element 10, the state in which the resistance value is increased is maintained, and the recorded information can be erased.

また、上述の記憶素子10によれば、イオン源層4と酸化物層3との間に、イオン源拡散制御層6が形成され、イオン源層4と酸化物層3との接続部分がイオン源拡散制御層6に形成された開口内に規制されている。これにより、イオン源層4からのイオンが拡散する場所を規制することができる。
従って、情報の書き込みと消去を繰り返して行った場合にも、イオン源拡散制御層6によって規制された場所でのみ酸化物層3へのイオンの拡散が行われるため、記憶素子10の抵抗値を安定させることができる。
Further, according to the memory element 10 described above, the ion source diffusion control layer 6 is formed between the ion source layer 4 and the oxide layer 3, and the connection portion between the ion source layer 4 and the oxide layer 3 is an ion. It is restricted within the opening formed in the source diffusion control layer 6. Thereby, the place where the ion from the ion source layer 4 diffuses can be controlled.
Accordingly, even when information writing and erasing are repeated, ions are diffused into the oxide layer 3 only at a location regulated by the ion source diffusion control layer 6, so that the resistance value of the memory element 10 is reduced. It can be stabilized.

また、イオン源拡散制御層6は、通常の半導体装置のバリアメタル膜に使われる材料を用いて構成することができるため、イオン源拡散制御層6の成膜条件等の製造方法は、半導体装置のバリアメタル膜と同様の方法で形成することができる。
さらに、イオン源拡散制御層6に、抵抗値の低い材料を用いることにより、記憶素子10全体の抵抗値の変化を、酸化物層3の抵抗値の変化に依存させることができる。
In addition, since the ion source diffusion control layer 6 can be configured using a material used for a barrier metal film of a normal semiconductor device, a manufacturing method such as a film forming condition of the ion source diffusion control layer 6 is described in the semiconductor device. The barrier metal film can be formed by the same method.
Furthermore, by using a material having a low resistance value for the ion source diffusion control layer 6, the change in the resistance value of the entire memory element 10 can be made to depend on the change in the resistance value of the oxide layer 3.

従って、上述の記憶素子10の構成により、情報の書き込みと消去とを繰り返した場合の、低抵抗状態における抵抗値のばらつきを抑制することができるため、記憶素子10の安定性及び耐久性を向上させることができる。   Therefore, the above-described configuration of the memory element 10 can suppress variation in resistance value in a low resistance state when information writing and erasing are repeated, thereby improving the stability and durability of the memory element 10. Can be made.

第1の実施の形態の記憶素子10は、具体的には、例えば次のようにして製造することができる。   Specifically, the memory element 10 of the first embodiment can be manufactured as follows, for example.

まず、選択トランジスタ等のCMOS回路が形成された基板上に、例えばWから成る下部電極1を形成する。この後、必要であれば逆スパッタ等で、プラグ表面上の酸化物等を除去する。   First, a lower electrode 1 made of, for example, W is formed on a substrate on which a CMOS circuit such as a selection transistor is formed. Thereafter, if necessary, oxides on the plug surface are removed by reverse sputtering or the like.

次に、下部電極1の上部に、例えば、ガドリニウムターゲットを用いて、ガドリニウム膜を例えば膜厚3nmで成膜した後、酸素プラズマによってガドリニウム膜を酸化する。
これにより、酸化物層3が形成される。
Next, after forming a gadolinium film with a film thickness of, for example, 3 nm on the lower electrode 1 using, for example, a gadolinium target, the gadolinium film is oxidized by oxygen plasma.
Thereby, the oxide layer 3 is formed.

次に、酸化物層3上に、例えばTaNを用いて膜厚10nmで成膜する。この後、フォトリソグラフィを用いて、酸化物層3とイオン源層4とが接するための開口部を形成する部分以外をマスクにより覆い、TaNを選択的にエッチングする。このとき、例えば、開口部の平面形状は円形状とし、直径30nmとする。
これにより、イオン源拡散制御層6が形成される。
Next, a film having a thickness of 10 nm is formed on the oxide layer 3 using TaN, for example. Thereafter, by using photolithography, the portion other than the portion for forming the opening for contact between the oxide layer 3 and the ion source layer 4 is covered with a mask, and TaN is selectively etched. At this time, for example, the planar shape of the opening is circular and the diameter is 30 nm.
Thereby, the ion source diffusion control layer 6 is formed.

次に、イオン源拡散制御層6上及びイオン源拡散制御層6に形成された開口部内に、例えばGeTeGd膜をDCマグネトロンスパッタリングにより形成する。
これにより、イオン源層4が形成される。
Next, for example, a GeTeGd film is formed on the ion source diffusion control layer 6 and in the opening formed in the ion source diffusion control layer 6 by DC magnetron sputtering.
Thereby, the ion source layer 4 is formed.

次に、イオン源層4上に、例えばW膜を成膜して、上部電極5を形成する。
その後、酸化物層3、イオン源拡散制御層6、イオン源層4及び上部電極層4を、例えばプラズマエッチング等によりパターニングする。プラズマエッチングの他には、イオンミリング、RIE(反応性イオンエッチング)等のエッチング方法を用いてパターニングを行うことができる。
Next, for example, a W film is formed on the ion source layer 4 to form the upper electrode 5.
Thereafter, the oxide layer 3, the ion source diffusion control layer 6, the ion source layer 4 and the upper electrode layer 4 are patterned by, for example, plasma etching or the like. Besides plasma etching, patterning can be performed using an etching method such as ion milling or RIE (reactive ion etching).

次に、上部電極5に接続する配線層を形成することにより、記憶素子10と共通電位を得るためのコンタクトとを接続する。   Next, a wiring layer connected to the upper electrode 5 is formed to connect the memory element 10 and a contact for obtaining a common potential.

このようにして、記憶素子10を製造することができる。   In this way, the memory element 10 can be manufactured.

上述した構成の記憶素子10を、多数マトリクス上に配置することにより、記憶装置(メモリ装置)を構成することができる。
この様な記憶装置の一形態の概略構成図(斜視図)を図2に示す。
A storage device (memory device) can be configured by arranging a large number of the memory elements 10 having the above-described configuration on a matrix.
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram (perspective view) of one embodiment of such a storage device.

この記憶装置は、各記憶素子10に対して、下部電極1側に接続された複数のワード線WLと、これらワード線WLと直交する上部電極5側に設置された複数のビット線BLとを有し、ワード線WLとビット線BLとの各交点に、記憶素子10が配置されている。
このように形成されたメモリセル20が、多数配置されることにより、メモリセルアレイが形成される。
図2に示した記憶装置では、3×3個のメモリセル20がマトリクス状に配列された構成のメモリセルアレイを示している。
In this storage device, for each storage element 10, a plurality of word lines WL connected to the lower electrode 1 side and a plurality of bit lines BL installed on the upper electrode 5 side orthogonal to the word lines WL are provided. The memory element 10 is arranged at each intersection of the word line WL and the bit line BL.
A large number of memory cells 20 formed in this way are arranged to form a memory cell array.
The memory device shown in FIG. 2 shows a memory cell array having a configuration in which 3 × 3 memory cells 20 are arranged in a matrix.

このような記憶装置では、上述した構成の記憶素子10を用いて記憶装置を構成することにより、記録及び消去時の抵抗値の変動が少なくなる。このため、特に繰り返し動作を行った際のデータの劣化が少なくなり、情報の読み出しを安定して行うことができる。従って、安定して動作する、信頼性の高い記憶装置を実現することができる   In such a storage device, by configuring the storage device using the storage element 10 having the above-described configuration, fluctuations in the resistance value during recording and erasing are reduced. For this reason, data deterioration is reduced particularly when the repetitive operation is performed, and information can be read stably. Therefore, a highly reliable storage device that operates stably can be realized.

また、例えば上部電極5に接続された配線をメモリセルアレイ全体に共通して形成し、記憶装置を構成することが考えられる。
この構成としたメモリセルアレイの一形態の概略構成図を、図3及び図4に示す。図3は断面図であり、図4は平面図である。
Further, for example, it is conceivable to form a memory device by forming wirings connected to the upper electrode 5 in common for the entire memory cell array.
3 and 4 are schematic configuration diagrams of one embodiment of the memory cell array configured as described above. 3 is a cross-sectional view, and FIG. 4 is a plan view.

図3及び図4に示すように、このメモリセルアレイでは、メモリセル全体にわたって、各メモリセルを構成する記憶素子10が、酸化物層3、イオン源拡散制御層6、イオン源層4及び上部電極5の各層を共有している。言い換えれば、各記憶素子10が、それぞれ同一層の酸化物層3、イオン源拡散制御層6、イオン源層4及び上部電極5により構成されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, in this memory cell array, the memory elements 10 constituting each memory cell are the oxide layer 3, the ion source diffusion control layer 6, the ion source layer 4 and the upper electrode throughout the memory cell. Each layer of 5 is shared. In other words, each storage element 10 includes the same oxide layer 3, ion source diffusion control layer 6, ion source layer 4, and upper electrode 5.

そして、共通に形成された上部電極5は、プレート電極PLとなるものである。
一方、下部電極1は、メモリセル毎に個別に形成されており、各メモリセルが電気的に分離されている。このメモリセル毎に個別に形成された下部電極1によって、各下部電極1に対応した位置に、各メモリセルの記憶素子10が規定される。
また、下部電極1は、各々対応する選択用のMOSトランジスタTrに接続されている。
The upper electrode 5 formed in common is the plate electrode PL.
On the other hand, the lower electrode 1 is individually formed for each memory cell, and each memory cell is electrically isolated. A memory element 10 of each memory cell is defined at a position corresponding to each lower electrode 1 by the lower electrode 1 formed individually for each memory cell.
The lower electrode 1 is connected to a corresponding selection MOS transistor Tr.

図3に示すように、メモリセルアレイの各メモリセルを構成するそれぞれの記憶素子10は、半導体基板11に形成されたMOSトランジスタTrの上方に形成されている。
このMOSトランジスタTrは、半導体基板11内の素子分離層12により分離された領域に形成されたソース/ドレイン領域13と、ゲート電極14とから成る。ゲート電極14の壁面には、サイドウォール絶縁層が形成されている。
また、ゲート電極14は、記憶素子の一方のアドレス配線であるワード線WLを兼ねている。
そして、MOSトランジスタTrのソース/ドレイン領域13の一方と、記憶素子10の下部電極1とが、プラグ層15・金属配線層16・プラグ層17を介して、電気的に接続されている。
MOSトランジスタTrのソース/ドレイン領域13の他方は、プラグ層15を介して金属配線層16に接続されている。この金属配線層16は、記憶素子の他方のアドレス配線であるビット線BL(図4参照)に接続される。
As shown in FIG. 3, each storage element 10 constituting each memory cell of the memory cell array is formed above the MOS transistor Tr formed on the semiconductor substrate 11.
The MOS transistor Tr includes a source / drain region 13 formed in a region separated by the element isolation layer 12 in the semiconductor substrate 11 and a gate electrode 14. A sidewall insulating layer is formed on the wall surface of the gate electrode 14.
The gate electrode 14 also serves as a word line WL which is one address wiring of the memory element.
One of the source / drain regions 13 of the MOS transistor Tr and the lower electrode 1 of the memory element 10 are electrically connected via the plug layer 15, the metal wiring layer 16, and the plug layer 17.
The other of the source / drain regions 13 of the MOS transistor Tr is connected to the metal wiring layer 16 through the plug layer 15. This metal wiring layer 16 is connected to a bit line BL (see FIG. 4) which is the other address wiring of the memory element.

また、図4においては、MOSトランジスタTrのアクティブ領域18を鎖線で示している。また、図4中21は、記憶素子10の下部電極1に通じるコンタクト部を示し、22は、ビット線BLに通じるコンタクト部を示している。   In FIG. 4, the active region 18 of the MOS transistor Tr is indicated by a chain line. In FIG. 4, reference numeral 21 indicates a contact portion that communicates with the lower electrode 1 of the memory element 10, and 22 indicates a contact portion that communicates with the bit line BL.

図3及び図4に示すメモリセルアレイは、例えば次のように動作させることができる。
ワード線WLにより選択用のMOSトランジスタTrのゲートをオン状態として、ビット線BLに電圧を印加すると、MOSトランジスタTrのソース/ドレインを介して、選択されたメモリセルの下部電極1に電圧が印加される。
The memory cell array shown in FIGS. 3 and 4 can be operated as follows, for example.
When the gate of the selection MOS transistor Tr is turned on by the word line WL and a voltage is applied to the bit line BL, the voltage is applied to the lower electrode 1 of the selected memory cell via the source / drain of the MOS transistor Tr. Is done.

ここで、下部電極1に印加された電圧の極性が、上部電極5(プレート電極PL)の電位に比して負電位である場合には、記憶素子10の抵抗値が低抵抗状態へと遷移する。これにより、選択されたメモリセルの記憶素子10に情報を記録することができる。
また、下部電極1に、上部電極5(プレート電極PL)の電位に比して正電位である場電圧を印加することにより、記憶素子10の抵抗値が再び高抵抗状態へと遷移する。これにより、選択されたメモリセルの記憶素子10に対して、記録された情報を消去することができる。
Here, when the polarity of the voltage applied to the lower electrode 1 is a negative potential compared to the potential of the upper electrode 5 (plate electrode PL), the resistance value of the memory element 10 transitions to a low resistance state. To do. Thereby, information can be recorded in the memory element 10 of the selected memory cell.
Further, by applying a field voltage, which is a positive potential compared to the potential of the upper electrode 5 (plate electrode PL), to the lower electrode 1, the resistance value of the memory element 10 transitions again to the high resistance state. Thereby, the recorded information can be erased from the storage element 10 of the selected memory cell.

また、記録された情報の読み出しを行うには、例えば、MOSトランジスタTrによりメモリセルを選択して、選択したメモリセルに対して、所定の電圧或いは電流を印加し、記憶素子10の抵抗状態により異なる電流或いは電圧を、ビット線BL或いはプレート電極PLの先に接続されたセンスアンプ等を介して検出する。
このとき、選択したメモリセルに対して印加する電圧或いは電流は、記憶素子10の抵抗値の状態が遷移する電圧或いは電流の閾値よりも小さくする。
In order to read out recorded information, for example, a memory cell is selected by the MOS transistor Tr, a predetermined voltage or current is applied to the selected memory cell, and the resistance state of the memory element 10 is changed. Different currents or voltages are detected via a sense amplifier or the like connected to the tip of the bit line BL or the plate electrode PL.
At this time, the voltage or current applied to the selected memory cell is set to be smaller than the threshold voltage or current at which the resistance value of the memory element 10 changes.

上述した実施の形態の記憶素子10によれば、容易に情報の記録及び情報の読み出しを行うことができ、特に、書き込み及び消去電圧閾値のばらつきが少ないという優れた特性を有する。   According to the memory element 10 of the above-described embodiment, information recording and information reading can be easily performed, and in particular, there is an excellent characteristic that variations in writing and erasing voltage thresholds are small.

また、上述した実施の形態の記憶装置は、微細化していった場合においても、情報の記録や記録した情報の保持が容易になる。したがって、上述した実施の形態の記憶素子10を用いて記憶装置を構成することにより、記憶装置の集積化(高密度化)や小型化を図ることができる。   Further, even when the storage device of the above-described embodiment is miniaturized, it is easy to record information and hold recorded information. Therefore, by configuring the storage device using the storage element 10 of the above-described embodiment, the storage device can be integrated (high density) or downsized.

本発明の第2の実施の形態の記憶素子30の概略構成図(断面図)を図5に示す。   FIG. 5 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the memory element 30 according to the second embodiment of the present invention.

図5に示した記憶素子30は、第1の実施の形態の記憶素子10と同様に、例えば、CMOS回路が形成されたシリコン基板11(図3参照)上でCMOS回路部分との接続部である下部電極31が形成されていて、この下部電極31上に記憶層32が形成され、この記憶層32上に上部電極35が形成されて構成されている。   The memory element 30 shown in FIG. 5 is, for example, a connection portion with a CMOS circuit portion on a silicon substrate 11 (see FIG. 3) on which a CMOS circuit is formed, similarly to the memory element 10 of the first embodiment. A certain lower electrode 31 is formed, a storage layer 32 is formed on the lower electrode 31, and an upper electrode 35 is formed on the storage layer 32.

そして、記憶層32が、酸化物層33と、この酸化物層33上に形成されるイオン源層34から構成され、酸化物層33の周囲を囲んでイオン源拡散制御層36が形成されている。   The memory layer 32 is composed of an oxide layer 33 and an ion source layer 34 formed on the oxide layer 33, and an ion source diffusion control layer 36 is formed surrounding the oxide layer 33. Yes.

下部電極31、酸化物層33及びイオン源拡散制御層36は、絶縁層37内に形成されている。そして、酸化物層33の上部とイオン源拡散制御層36の上部とが、ほぼ同一の平面を形成している。   The lower electrode 31, the oxide layer 33, and the ion source diffusion control layer 36 are formed in the insulating layer 37. The upper part of the oxide layer 33 and the upper part of the ion source diffusion control layer 36 form substantially the same plane.

下部電極31には、半導体プロセスに用いられる配線材料、例えばTiW,Ti,W,Cu,Al,Mo,Ta,WN,TaN,シリサイド等を用いることができる。
また、上部電極35には、下部電極31と同様、通常の半導体プロセスに用いられる配線材料を用いることができる。
For the lower electrode 31, a wiring material used in a semiconductor process, for example, TiW, Ti, W, Cu, Al, Mo, Ta, WN, TaN, silicide, or the like can be used.
For the upper electrode 35, similarly to the lower electrode 31, a wiring material used in a normal semiconductor process can be used.

酸化物層33は、第1の実施の形態の酸化物層3と同様に、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Yから選ばれる1種類もしくは2種以上の元素(希土類元素)と酸素とを含有する材料、例えば、酸化ガドリニウム等の希土類酸化物を用いて構成することができる。
この酸化物層33は、例えば0.5nm〜10nm程度の膜厚で形成する。このように、酸化物層33の膜厚を薄くすることにより、通常絶縁材料である希土類酸化物等から成る酸化物層33に電流を流すことが可能である。
The oxide layer 33 is selected from La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, and Y, similarly to the oxide layer 3 of the first embodiment. A material containing two or more kinds of elements (rare earth elements) and oxygen, for example, a rare earth oxide such as gadolinium oxide can be used.
The oxide layer 33 is formed with a film thickness of about 0.5 nm to 10 nm, for example. Thus, by reducing the thickness of the oxide layer 33, it is possible to pass a current through the oxide layer 33 made of a rare earth oxide or the like, which is usually an insulating material.

イオン源層34は、Cu,AgもしくはZnを含有し、より好ましくは、さらに、Te,Se,Sのカルコゲナイド元素を含有し、例えば、GeSbTe,GeTe,GeSe,GeS,SiGeTe,SiGeSbTe等に、Cu,Ag,Znを加えた組成の膜、Ag膜、Ag合金膜、Cu膜、Cu合金膜、Zn膜、Zn合金膜等を用いて構成することができる。また、このイオン源層34に、必要に応じて、Geや希土類元素等を添加することにより、耐熱性を向上させることができる。   The ion source layer 34 contains Cu, Ag, or Zn, and more preferably, further contains a chalcogenide element of Te, Se, S, for example, GeSbTe, GeTe, GeSe, GeS, SiGeTe, SiGeSbTe, etc., Cu , Ag, Zn added film, Ag film, Ag alloy film, Cu film, Cu alloy film, Zn film, Zn alloy film, or the like. Moreover, heat resistance can be improved by adding Ge, rare earth elements, etc. to this ion source layer 34 as needed.

イオン源拡散制御層36は、Cu,AgもしくはZnのイオンの拡散を制御することができるものであれば特に限定されないが、抵抗値が低く、従来の半導体プロセスに用いられている材料が好ましい。例えば、従来の半導体装置のバリアメタル膜に使われている材料を用いて構成することができる。
このような材料としては、例えば、遷移金属の窒化物を用いることができ、具体的には、Ta、Ti、Nb、V、Zrのうちいずれかを少なくともひとつ含む窒素化合物材料を用いて構成することができ、より具体的には、TaN、TaSiN、TiN、NbN、VN、ZrN等を用いて構成することができる。
The ion source diffusion control layer 36 is not particularly limited as long as it can control the diffusion of Cu, Ag, or Zn ions, but a material having a low resistance value and used in a conventional semiconductor process is preferable. For example, it can be configured using a material used for a barrier metal film of a conventional semiconductor device.
As such a material, for example, a transition metal nitride can be used, and specifically, a nitrogen compound material containing at least one of Ta, Ti, Nb, V, and Zr is used. More specifically, TaN, TaSiN, TiN, NbN, VN, ZrN, or the like can be used.

また、イオン源拡散制御層36を、上述の遷移金属の窒化物を用いて構成した場合、遷移金属の窒化物が導電性を有するため、下部電極31と、イオン源拡散制御層36とを接触させて構成すると、記憶素子30がショートしてしまう。このため、イオン源拡散制御層36は、酸化物層33よりも薄く形成しなければならない。
また、記憶素子30を多数配置して、図3及び図4に示すような記憶装置を構成した場合にも、隣り合う記憶素子のイオン源拡散制御層36同士が接触すると、記憶素子同士がショートしてしまう。このため、イオン源拡散制御層36同士の間には、絶縁層37を形成しなければならない。
なお、イオン源拡散制御層36を絶縁性の材料を用いて構成した場合には、上述したイオン源拡散制御層36に対する構成上の制約が不要である。
Further, when the ion source diffusion control layer 36 is formed using the above-described transition metal nitride, the transition metal nitride has conductivity, so that the lower electrode 31 and the ion source diffusion control layer 36 are in contact with each other. If configured, the storage element 30 is short-circuited. For this reason, the ion source diffusion control layer 36 must be formed thinner than the oxide layer 33.
Further, even when a large number of memory elements 30 are arranged to form a memory device as shown in FIGS. 3 and 4, if the ion source diffusion control layers 36 of adjacent memory elements come into contact with each other, the memory elements are short-circuited. Resulting in. For this reason, the insulating layer 37 must be formed between the ion source diffusion control layers 36.
In the case where the ion source diffusion control layer 36 is configured using an insulating material, the above-described structural restrictions on the ion source diffusion control layer 36 are not necessary.

上述した材料からなる酸化物層33は、電圧パルス或いは電流パルスが印加されることにより、インピーダンス(抵抗値)が変化する特性を有する。
そして、この酸化物層33は、他の層よりも抵抗値の変化が充分大きい。そのため、記憶素子30全体の抵抗値の変化は、主として酸化物層33により影響される。従って、酸化物層33の抵抗値の変化を利用して、記憶素子30に情報の記録を行うことができる。
The oxide layer 33 made of the above-described material has a characteristic that the impedance (resistance value) changes when a voltage pulse or a current pulse is applied.
The oxide layer 33 has a sufficiently large change in resistance value than the other layers. Therefore, the change in the resistance value of the entire memory element 30 is mainly influenced by the oxide layer 33. Therefore, information can be recorded in the memory element 30 by using the change in the resistance value of the oxide layer 33.

第2の実施の形態の記憶素子30は、具体的には、例えば次のようにして製造することができる。   Specifically, the memory element 30 of the second embodiment can be manufactured as follows, for example.

まず、選択トランジスタ等のCMOS回路が形成された基板上に、例えば、一般的なプラグ形成方法によって、絶縁層37にWから成るプラグ状の下部電極31を形成する。この後、必要であれば逆スパッタ等で、プラグ表面上の酸化物等を除去する。   First, a plug-like lower electrode 31 made of W is formed on the insulating layer 37 by, for example, a general plug formation method on a substrate on which a CMOS circuit such as a selection transistor is formed. Thereafter, if necessary, oxides on the plug surface are removed by reverse sputtering or the like.

次に、フォトリソグラフィを用いて、イオン源拡散制御層36を形成する部分以外をマスクにより覆い、プラグ状に形成された下部電極31と絶縁層37の上部をRIE(反応性イオンエッチング)等によりエッチングする。このときのエッチングの面積は、下部電極31の面積よりも大きな面積とする。   Next, by using photolithography, the portion other than the portion where the ion source diffusion control layer 36 is formed is covered with a mask, and the upper portion of the lower electrode 31 and the insulating layer 37 formed in a plug shape is subjected to RIE (reactive ion etching) or the like. Etch. The area of etching at this time is larger than the area of the lower electrode 31.

次に、レジストを剥離した後、エッチングによる開口部を覆うように、CVD等によりイオン源拡散制御層36を成膜する。そして、CMP法により、絶縁層37の上部と、イオン源拡散制御層36の上部とをほぼ同一の平面になるように平坦化する。   Next, after removing the resist, an ion source diffusion control layer 36 is formed by CVD or the like so as to cover the opening by etching. Then, the upper part of the insulating layer 37 and the upper part of the ion source diffusion control layer 36 are flattened by the CMP method so as to be substantially the same plane.

次に、フォトリソグラフィを用いて、酸化物層33を形成する部分以外をマスクにより覆い、イオン源拡散制御層36をRIE等によりエッチングする。このときのエッチングの面積は、下部電極31の面積以下の面積とする。また、エッチングの深さは、イオン源拡散制御層36よりも深い位置までとする。   Next, using photolithography, the portion other than the portion where the oxide layer 33 is formed is covered with a mask, and the ion source diffusion control layer 36 is etched by RIE or the like. The etching area at this time is set to an area equal to or smaller than the area of the lower electrode 31. The etching depth is set to a position deeper than the ion source diffusion control layer 36.

次に、レジストを剥離した後、エッチングによる開口部を覆うように、CVD等により酸化物層33を成膜する。そして、CMP法により、絶縁層37の上部と、イオン源拡散制御層36の上部と、酸化物層33の上部とをほぼ同一の平面になるように平坦化する。   Next, after removing the resist, an oxide layer 33 is formed by CVD or the like so as to cover the opening by etching. Then, the upper part of the insulating layer 37, the upper part of the ion source diffusion control layer 36, and the upper part of the oxide layer 33 are planarized by the CMP method so as to be substantially the same plane.

次に、酸化物層33、イオン源拡散制御層36及び絶縁層37の上部に、例えばGeTeGd膜をDCマグネトロンスパッタリングにより形成する。
これにより、イオン源層34が形成される。
Next, a GeTeGd film, for example, is formed on the oxide layer 33, the ion source diffusion control layer 36, and the insulating layer 37 by DC magnetron sputtering.
Thereby, the ion source layer 34 is formed.

次に、イオン源層34上に、例えばW膜を成膜して、上部電極35を形成する。
その後、イオン源層34及び上部電極層35を、例えばプラズマエッチング等によりパターニングする。プラズマエッチングの他には、イオンミリング、RIE等のエッチング方法を用いてパターニングを行うことができる。
Next, for example, a W film is formed on the ion source layer 34 to form the upper electrode 35.
Thereafter, the ion source layer 34 and the upper electrode layer 35 are patterned by, for example, plasma etching. Besides plasma etching, patterning can be performed using an etching method such as ion milling or RIE.

次に、上部電極35に接続する配線層を形成することにより、記憶素子30と共通電位を得るためのコンタクトとを接続する。   Next, a wiring layer connected to the upper electrode 35 is formed to connect the memory element 30 and a contact for obtaining a common potential.

このようにして、記憶素子30を製造することができる。   In this way, the memory element 30 can be manufactured.

上述した構成の記憶素子30は、第1の実施の形態の記憶素子10と同様に、記憶素子30を多数マトリクス上に配置することにより、図2に示した記憶装置(メモリ装置)を構成することができる。
また、例えば上部電極35に接続された配線をメモリセルアレイ全体に共通して形成し、図3及び図4に示した記憶装置を構成することもできる。
The memory element 30 configured as described above configures the memory device (memory device) illustrated in FIG. 2 by arranging a large number of memory elements 30 on a matrix, similarly to the memory element 10 of the first embodiment. be able to.
For example, the memory device shown in FIGS. 3 and 4 can be configured by forming wirings connected to the upper electrode 35 in common in the entire memory cell array.

上述の構成を有する記憶素子30は、記憶素子10と同様に動作させることによって、情報の記憶を行うことができる。また、記憶素子30を用いた記憶装置についても同様に情報の記憶を行うことができる。   The memory element 30 having the above-described configuration can store information by operating in the same manner as the memory element 10. Similarly, information can be stored in a storage device using the storage element 30.

上述の構成の記憶素子30は、第1の実施の形態の記憶素子10と同様の作用効果を有する。
さらに、例えば、記憶素子30を小型化していくことにより、酸化物層33が充分に小さくなり、イオン源拡散制御層36によってイオン源層34との接続部分を規制する必要がなくなった場合においても、イオン源層34から絶縁層37へのイオンの拡散を規制することができる。このため、絶縁層37へのイオンの拡散による、記憶素子の消去時の抵抗値の低下を防ぐことができる。
従って、記憶素子30を小型化した場合の情報の記録や、記録した情報の保持が容易になり、記憶装置の集積化(高密度化)や、小型化を図ることができる。
The memory element 30 having the above-described configuration has the same function and effect as the memory element 10 of the first embodiment.
Further, for example, when the memory element 30 is reduced in size, the oxide layer 33 becomes sufficiently small, and the connection portion with the ion source layer 34 need not be regulated by the ion source diffusion control layer 36. The diffusion of ions from the ion source layer 34 to the insulating layer 37 can be regulated. For this reason, it is possible to prevent a decrease in resistance value at the time of erasing the memory element due to ion diffusion into the insulating layer 37.
Therefore, it becomes easy to record information when the storage element 30 is downsized and to hold the recorded information, and the storage device can be integrated (high density) and downsized.

(実施例)
次に、上述の記憶素子10を実際に作製して、その特性を評価した。
実際の記憶装置では、図2〜4に示したように、アレイ状に記憶素子を配列させていたり、記憶素子部以外にもトランジスタ等の回路素子が存在したりするが、ここでは、図6
に示す特性評価用テストデバイス(特性評価用素子)を作製して、特性の測定・評価を行った。
図6Aに作製したテストデバイスの平面図、図6Bに図6AのテストデバイスのA−A´断面図を示す。このテストデバイスにより、記憶素子の特性の測定、評価を行った。
(Example)
Next, the memory element 10 described above was actually fabricated and its characteristics were evaluated.
In an actual memory device, as shown in FIGS. 2 to 4, memory elements are arranged in an array, or there are circuit elements such as transistors in addition to the memory element portion.
The characteristic evaluation test device (characteristic evaluation element) shown in Fig. 1 was prepared, and the characteristics were measured and evaluated.
FIG. 6A is a plan view of the manufactured test device, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the test device of FIG. 6A. With this test device, the characteristics of the memory element were measured and evaluated.

この特性評価用テストデバイスは、シリコン基板上に各メモリセルの記憶素子10に共通する下部電極1が成膜されている。そして、記憶素子10の酸化物層3、開口部を有するイオン源拡散制御層6及びイオン源層4が形成されている。
下部電極1は、メモリセルに合わせて、上部が下部よりも小さいパターンで凸部となるように形成されたプラグ状に加工され、イオン源拡散制御層6の開口部が下部電極1の凸部の上方に配置されている。
In this characteristic evaluation test device, a lower electrode 1 common to the memory element 10 of each memory cell is formed on a silicon substrate. Then, the oxide layer 3 of the memory element 10, the ion source diffusion control layer 6 having an opening, and the ion source layer 4 are formed.
The lower electrode 1 is processed into a plug shape so that the upper part becomes a convex part in a pattern smaller than the lower part in accordance with the memory cell, and the opening of the ion source diffusion control layer 6 is the convex part of the lower electrode 1. It is arranged above.

図6Aに示す縦長の素子形成領域43部分には、酸化物層3及びイオン源拡散制御層6が形成されている。また、イオン源層4は、イオン源拡散制御層6の開口部を介して酸化物層3に接続している。
素子形成領域43の左右には、下部電極1の接続用端子パッド44が形成され、上部電極5の両端には、上部電極5の接続用端子パッド45が形成されている。
The oxide layer 3 and the ion source diffusion control layer 6 are formed in the vertically long element formation region 43 shown in FIG. 6A. The ion source layer 4 is connected to the oxide layer 3 through the opening of the ion source diffusion control layer 6.
Connection terminal pads 44 for the lower electrode 1 are formed on the left and right sides of the element formation region 43, and connection terminal pads 45 for the upper electrode 5 are formed on both ends of the upper electrode 5.

具体的には、次のようにして、図6A及び図6Bに示した特性評価用テストデバイスを作製した。   Specifically, the test device for characteristic evaluation shown in FIGS. 6A and 6B was produced as follows.

まず、厚み2mmのSi基板上に下部電極1の材料としてWNを100nm成膜した。
その後、フォトリソグラフィを用いて素子部分に接続する下部電極1と測定用下部電極端子パッド24をマスクして、WNを50nmエッチングしてプラグ状の下部電極1を形成した。その際、素子部に接続する部分(すなわち前述した凸部)下部電極1の形状は円形とし、その直径を340nmとした。
First, 100 nm of WN was deposited as a material for the lower electrode 1 on a Si substrate having a thickness of 2 mm.
Thereafter, the lower electrode 1 connected to the element portion and the measurement lower electrode terminal pad 24 are masked using photolithography, and WN is etched by 50 nm to form the plug-like lower electrode 1. At that time, the shape of the portion of the lower electrode 1 connected to the element portion (that is, the convex portion described above) was circular, and its diameter was 340 nm.

次に、絶縁層42としてSiOを50nm成膜し、公知のリフトオフ法によりレジストを剥離することによって、プラグ状の下部電極1の上部と絶縁層42とをほぼ平坦面に形成した。 Next, 50 nm of SiO 2 was deposited as the insulating layer 42, and the resist was peeled off by a known lift-off method to form the upper portion of the plug-like lower electrode 1 and the insulating layer 42 on a substantially flat surface.

さらに、素子部分の下部電極1の上部に、酸化物層3として、膜厚3nmの希土類酸化膜である酸化ガドリニウムを成膜した。さらに、酸化物層3の上部に、イオン源拡散制御層6として、遷移金属の窒素化合物である膜厚10nmのTaNを成膜して、酸化物層3とイオン源拡散制御層6との積層膜を形成した。   Further, gadolinium oxide, which is a rare-earth oxide film having a thickness of 3 nm, was formed as the oxide layer 3 on the lower electrode 1 of the element portion. Further, TaN having a film thickness of 10 nm, which is a nitrogen compound of a transition metal, is formed as an ion source diffusion control layer 6 on the oxide layer 3, and the oxide layer 3 and the ion source diffusion control layer 6 are stacked. A film was formed.

次に、この酸化物層3とイオン源拡散制御層6からなる積層膜に対して、フォトリソグラフィを用いて、素子形成領域となる横200μm×縦600μmの範囲をマスクした後に、Arプラズマにより、積層膜をエッチングした。
その後、さらにフォトリソグラフィを用いて、イオン源拡散制御層6に形成する開口部以外をマスクにより覆って、イオン源拡散制御層6のTaNを選択的にエッチングした。
これにより、酸化物層3とイオン源層4とが接するイオン源拡散制御層6の開口部を形成した。このとき、イオン源拡散制御層6開口部は、平面形状を円形状とし、直径を30nmとした。
Next, after masking a range of 200 μm wide × 600 μm long as an element formation region using photolithography, the laminated film composed of the oxide layer 3 and the ion source diffusion control layer 6 is subjected to Ar plasma, The laminated film was etched.
Thereafter, by using photolithography, TaN in the ion source diffusion control layer 6 was selectively etched by covering other than the openings formed in the ion source diffusion control layer 6 with a mask.
Thus, an opening of the ion source diffusion control layer 6 where the oxide layer 3 and the ion source layer 4 contact each other was formed. At this time, the opening of the ion source diffusion control layer 6 had a circular planar shape and a diameter of 30 nm.

さらに、上部電極5、下部電極1の接続用端子パッド44及び上部電極5の接続用端子パッド45となる部分以外を、フォトリソグラフィを用いてマスクした後に、イオン源層4となる、膜厚20nmのCuGeTeGd膜と膜厚12nmのCu膜との積層膜を形成した。さらに、下部電極1の接続用端子パッド44及び上部電極5の接続用端子パッド45となる、膜厚20nmのCr膜、膜厚100nmのCu膜、膜厚100nmのAu膜の積層膜を形成した。
その後、公知のリフトオフ法によりマスクを除去して、イオン源層4、上部電極5、下部電極接続用端子パッド44、上部電極接続用端子パッド45を形成した。
Furthermore, after masking portions other than the upper electrode 5, the connection terminal pad 44 of the lower electrode 1 and the connection terminal pad 45 of the upper electrode 5 using photolithography, the film thickness of 20 nm becomes the ion source layer 4 A laminated film of a CuGeTeGd film and a 12 nm-thickness Cu film was formed. Further, a laminated film of a Cr film with a thickness of 20 nm, a Cu film with a thickness of 100 nm, and an Au film with a thickness of 100 nm was formed to serve as the connection terminal pad 44 of the lower electrode 1 and the connection terminal pad 45 of the upper electrode 5. .
Thereafter, the mask was removed by a known lift-off method to form the ion source layer 4, the upper electrode 5, the lower electrode connecting terminal pad 44, and the upper electrode connecting terminal pad 45.

上述のように、半導体記憶素子特性評価用テストデバイスを公知のエッチング及びリソグラフィ技術によって作製した。   As described above, a semiconductor memory element characteristic evaluation test device was manufactured by a known etching and lithography technique.

(比較例)
次に、比較例として、TaNによるイオン源拡散制御層6を形成した代わりに、SiOを用いて絶縁層を形成した以外は、実施例と同様にしてテストデバイスを作製した。
(Comparative example)
Next, as a comparative example, a test device was manufactured in the same manner as in the example except that an insulating layer was formed using SiO 2 instead of forming the ion source diffusion control layer 6 using TaN.

(特性評価)
実施例及び比較例で作製した特性評価用テストデバイスに対して、記憶素子の端子に両端に2.5V、100nsの正負のパルスを連続して印加することにより、情報の書き込み及び消去の連続動作を行った。そして、このテストデバイスの書き込み状態の抵抗値と、消去状態の抵抗値を測定した。なお、連続動作を行った際のパルスの印加回数は1×10回である。
(Characteristic evaluation)
Continuous operation of writing and erasing information by continuously applying positive and negative pulses of 2.5 V, 100 ns to both ends of the storage element terminal with respect to the test device for characteristic evaluation manufactured in Examples and Comparative Examples Went. Then, the resistance value in the writing state and the resistance value in the erasing state of the test device were measured. It should be noted that the number of times of pulse application during the continuous operation is 1 × 10 8 times.

このようにして得られた書き込み状態の抵抗値と、消去状態の抵抗値について、実施例で作製したテストデバイスの抵抗値を図7に示す。また、比較例で作製したテストデバイスの抵抗値を図8に示す。
なお、図7及び図8において、縦軸は抵抗値(Ω)を示し、横軸は動作回数(回)を示す。また、図の上側の点は消去状態の抵抗値、下側の点は書き込み状態の抵抗値である。
FIG. 7 shows the resistance values of the test devices manufactured in the examples with respect to the resistance value in the written state and the resistance value in the erased state thus obtained. Moreover, the resistance value of the test device produced by the comparative example is shown in FIG.
7 and 8, the vertical axis represents the resistance value (Ω), and the horizontal axis represents the number of operations (times). Also, the upper point in the figure is the resistance value in the erased state, and the lower point is the resistance value in the written state.

図7によれば、実施例で作製したテストデバイスは、書き込み及び消去の連続動作を1×10回行った後も、書き込み状態の抵抗値と消去状態の抵抗値とが、共に最初の抵抗値とほぼ同一の値を示している。
これに対して、図8に示した比較例では、書き込み及び消去の連続動作を行った際、動作回数が増えるごとに消去状態の抵抗値が低下し、さらに抵抗値のばらつきが大きい。これは、動作を繰り返した場合に、イオン源層4内のCuイオンが酸化物層3に拡散することにより、酸化物層3の抵抗値が低下し、テストデバイス全体の抵抗値が低下したと考えられる。
According to FIG. 7, in the test device manufactured in the example, the resistance value in the writing state and the resistance value in the erasing state are both the first resistance after the continuous operation of writing and erasing is performed 1 × 10 8 times. The value is almost the same as the value.
On the other hand, in the comparative example shown in FIG. 8, when the continuous operation of writing and erasing is performed, the resistance value in the erasing state is lowered and the variation of the resistance value is large as the number of operations increases. This is because when the operation is repeated, Cu ions in the ion source layer 4 are diffused into the oxide layer 3, thereby reducing the resistance value of the oxide layer 3 and reducing the resistance value of the entire test device. Conceivable.

従って、酸化物層3とイオン源層4との間にイオン源拡散制御層6を設け、酸化物層3とイオン源層4との接続面積を規制することにより、イオン源層4内のCuイオンが酸化物層3に拡散することを抑制するできることが分かる。そして、情報の書き込み及び消去を繰り返した場合においても、記憶素子の抵抗値、特に消去状態の抵抗値が低下しないため、記憶素子の安定性及び耐久性を向上させることができる。   Therefore, by providing the ion source diffusion control layer 6 between the oxide layer 3 and the ion source layer 4 and restricting the connection area between the oxide layer 3 and the ion source layer 4, the Cu in the ion source layer 4 can be controlled. It can be seen that ions can be prevented from diffusing into the oxide layer 3. Even when information writing and erasing are repeated, the resistance value of the memory element, particularly the resistance value in the erased state does not decrease, so that the stability and durability of the memory element can be improved.

上述した本発明の記憶素子を用いて、記憶素子を多数、例えば列状やマトリクス状に配列することにより、記憶装置(メモリ装置)を構成することができる。また、各記憶素子に、必要に応じて、素子の選択用のMOSトランジスタ、或いはダイオードを接続してメモリセルを構成することができる。さらに、配線を介して、センスアンプ、アドレスレコーダー、記録・消去・読み出し回路等に接続することができる。   A memory device (memory device) can be formed by arranging a large number of memory elements, for example, in a column shape or a matrix shape, using the memory element of the present invention described above. In addition, a memory cell can be configured by connecting a MOS transistor or a diode for selecting an element to each memory element as necessary. Furthermore, it can be connected to a sense amplifier, an address recorder, a recording / erasing / reading circuit, and the like via wiring.

本発明の記憶素子は、各種のメモリ装置に適用することができる。例えば、一度だけ書き込みが可能な、いわゆるPROM(プログラマブルROM)、電気的に消去が可能なEEPROM(Electrically Erasable ROM)、或いは、高速に記録・消去・再生が可能な、いわゆるRAM(ランダム・アクセス・メモリ)等、いずれのメモリ形態でも適用することが可能である。   The memory element of the present invention can be applied to various memory devices. For example, a so-called PROM (programmable ROM) that can be written only once, an electrically erasable EEPROM (electrically erasable ROM), or a so-called RAM (random access memory) that can be recorded / erased / reproduced at high speed. Any memory form such as a memory) can be applied.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

本発明の第1の実施の形態の記憶素子の概略構成図(断面図)である。1 is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory element according to a first embodiment of the present invention. 図1の記憶素子を用いた記憶装置の概略構成図(斜視図)である。It is a schematic block diagram (perspective view) of the memory | storage device using the memory element of FIG. 図1の記憶素子を用いたメモリセルアレイの概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory cell array using the memory element of FIG. 図1の記憶素子を用いたメモリセルアレイの概略構成図(平面図)である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram (plan view) of a memory cell array using the memory element of FIG. 1. 本発明の第2の実施の形態の記憶素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory element of the 2nd Embodiment of this invention. A 特性評価用テストデバイスの概略構成図(平面図)である。 B 特性評価用テストデバイスの概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (plan view) of a test device for A characteristic evaluation. It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the test device for B characteristic evaluation. 実施例の読み出し抵抗値の繰り返し特性を示す図である。It is a figure which shows the repetition characteristic of the read-out resistance value of an Example. 比較例の読み出し抵抗値の繰り返し特性を示す図である。It is a figure which shows the repetition characteristic of the read-out resistance value of a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1,31 下部電極、2,32 記憶層、3,33 酸化物層、4,34 イオン源層、5,35 上部電極、6,36 イオン源拡散制御層、10 記憶素子、11 半導体基板、12 素子分離層、13 ソース/ドレイン領域、14 ゲート電極、15 プラグ層、16 金属配線層、17 プラグ層、18 アクティブ領域、20 メモリセル、30 記憶素子、37 絶縁層、43 素子形成領域、44 下部電極接続用端子パッド、45 上部電極接続用端子パッド、BL ビット線、PL プレート電極、Tr MOSトランジスタ、WL ワード線   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,31 Lower electrode, 2,32 Memory layer, 3,33 Oxide layer, 4,34 Ion source layer, 5,35 Upper electrode, 6,36 Ion source diffusion control layer, 10 Memory element, 11 Semiconductor substrate, 12 Element isolation layer, 13 source / drain region, 14 gate electrode, 15 plug layer, 16 metal wiring layer, 17 plug layer, 18 active region, 20 memory cell, 30 memory element, 37 insulating layer, 43 element formation region, 44 bottom Electrode connection terminal pad, 45 Upper electrode connection terminal pad, BL bit line, PL plate electrode, Tr MOS transistor, WL Word line

Claims (6)

第1の電極と、第2の電極との間に、記憶層が配置され、
前記記憶層が、希土類元素の酸化物から成る酸化物層と、イオン化するCu,AgもしくはZnから選ばれる少なくとも1種類を含有するイオン源層とを有してなり、
前記酸化物層と前記イオン源層とに接して、かつ前記酸化物層と前記イオン源層との接続部分の周囲に、Ta、Ti、Nb、V、Zrから選ばれる1種類以上の元素の窒化物からなる、イオンの拡散を規制するイオン源拡散制御層が設けられてい
憶素子。
A storage layer is disposed between the first electrode and the second electrode,
The storage layer includes an oxide layer made of an oxide of a rare earth element and an ion source layer containing at least one selected from Cu, Ag, or Zn to be ionized,
One or more elements selected from Ta, Ti, Nb, V, and Zr are in contact with the oxide layer and the ion source layer and around a connection portion between the oxide layer and the ion source layer . a nitride, that the ion source diffusion control layer for regulating the diffusion of ions provided
Serial憶素Ko.
前記イオン源拡散制御層は、前記酸化物層と前記イオン源層とに挟まれて積層され、前記酸化物層と前記イオン源層とが、前記イオン源拡散制御層に形成された開口を通じて接続されている請求項1に記載の記憶素子。 The ion source diffusion control layer is stacked between the oxide layer and the ion source layer, and the oxide layer and the ion source layer are connected through an opening formed in the ion source diffusion control layer. memory element according to Motomeko 1 that is. 前記イオン源層が、希土類元素を含有する請求項1に記載の記憶素子。 The ion source layer, the memory device according to Motomeko 1 you containing a rare earth element. 前記記憶層に、電圧パルスもしくは電流パルスを印加することにより、前記記憶層のインピーダンスが変化して、情報の記録が行われる請求項1に記載の記憶素子。 Wherein the storage layer by applying a voltage pulse or a current pulse, said impedance of the storage layer is changed, the memory device according to Motomeko 1 recorded Ru done information. 第1の電極と、第2の電極との間に、記憶層が配置され、前記記憶層が、希土類元素の酸化物から成る酸化物層と、イオン化するCu,AgもしくはZnから選ばれる少なくとも1種類を含有するイオン源層とを有してなり、前記酸化物層と前記イオン源層とに接して、かつ前記酸化物層と前記イオン源層との接続部分の周囲に、Ta、Ti、Nb、V、Zrから選ばれる1種類以上の元素の窒化物からなる、イオンの拡散を規制するイオン源拡散制御層が設けられている記憶素子と、
前記第1の電極側に接続された配線と、
前記第2の電極側に接続された配線とを有し、
前記記憶素子が多数配置されてな
憶装置。
A memory layer is disposed between the first electrode and the second electrode, and the memory layer is at least one selected from an oxide layer made of an oxide of a rare earth element and ionizing Cu, Ag, or Zn. An ion source layer containing a kind, in contact with the oxide layer and the ion source layer, and around a connection portion between the oxide layer and the ion source layer, Ta, Ti, A storage element provided with an ion source diffusion control layer for restricting ion diffusion, comprising a nitride of one or more elements selected from Nb, V, and Zr ;
Wiring connected to the first electrode side;
A wiring connected to the second electrode side,
That Do is arranged a number said storage element
Storage peripherals.
隣接する複数の前記記憶素子において、前記記憶素子を構成する少なくとも一部の層が同一層により共通に形成されている請求項5に記載の記憶装置。 In the adjacent plurality of memory elements, storage device according to claim 5 at least some of the layers constituting the memory element that is formed commonly by the same layer.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (1)

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