JP4974555B2 - Memory element - Google Patents

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本発明は、記憶素子および当該記憶素子を備えた記憶装置、及び半導体装置に関する。   The present invention relates to a memory element, a memory device including the memory element, and a semiconductor device.

近年、絶縁表面上に複数の回路が集積され、様々な機能を有する半導体装置の開発が進められている。また、アンテナを設けることにより、無線によるデータの送受信が可能な半導体装置の開発が進められている。このような半導体装置は、無線チップ(IDタグ、ICタグ、ICチップ、RF(Radio Frequency)タグ、無線タグ、電子タグ、RFID(Radio Frequency Identification)ともよばれる)タグとよばれ、既に一部の市場で導入されている。   In recent years, development of semiconductor devices having various functions in which a plurality of circuits are integrated on an insulating surface has been promoted. In addition, development of a semiconductor device capable of transmitting and receiving data wirelessly by providing an antenna is in progress. Such a semiconductor device is called a wireless chip (ID tag, IC tag, IC chip, RF (Radio Frequency) tag, wireless tag, electronic tag, or RFID (Radio Frequency Identification)) tag, and already part of it Has been introduced in the market.

現在実用化されているこれらの半導体装置の多くは、Si等の半導体基板を用いた回路(IC(Integrated Circuit)チップとも呼ばれる)とアンテナとを有し、当該ICチップは記憶回路(メモリとも呼ぶ)や制御回路等から構成されている。特に多くのデータを記憶可能な記憶回路を備えることによって、より高機能で付加価値が高い半導体装置の提供が可能となる。また、これらの半導体装置は低コストで作製することが要求されており、近年、記憶回路等に有機化合物を用いた有機メモリ等の開発が行われている(例えば特許文献1)。
特開2002−26277号公報
Many of these semiconductor devices in practical use have a circuit (also referred to as an IC (Integrated Circuit) chip) using a semiconductor substrate such as Si and an antenna, and the IC chip is a memory circuit (also referred to as a memory). ) And a control circuit. In particular, by providing a memory circuit capable of storing a large amount of data, a semiconductor device with higher functions and higher added value can be provided. In addition, these semiconductor devices are required to be manufactured at a low cost, and in recent years, an organic memory using an organic compound for a memory circuit or the like has been developed (for example, Patent Document 1).
JP 2002-26277 A

記憶回路としては、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)、マスクROM(Read Only Memory)、EPROM(Electrically Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)、フラッシュメモリなどが挙げられる。このうち、DRAM、SRAMは揮発性の記憶回路であり、電源をオフするとデータが消去されてしまうため、電源をオンする度にデータを書き込む必要がある。FeRAMは不揮発性の記憶回路であるが、強誘電体層を含む容量素子を用いているため、作製工程が増加してしまう。マスクROMは、簡単な構造であるが、製造工程でデータを書き込む必要があり、追記することはできない。EPROM、EEPROM、フラッシュメモリは、不揮発性の記憶回路ではあるが、2つのゲート電極を含む素子を用いているため、作製工程が増加してしまう。   The storage circuit, DRAM (Dynamic Random Access Memory), SRAM (Static Random Access Memory), FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory), mask ROM (Read Only Memory), EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory), EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), flash memory, and the like. Among these, DRAM and SRAM are volatile storage circuits, and data is erased when the power is turned off. Therefore, it is necessary to write data every time the power is turned on. FeRAM is a non-volatile memory circuit, but a manufacturing process increases because a capacitor element including a ferroelectric layer is used. Although the mask ROM has a simple structure, it is necessary to write data in the manufacturing process and cannot be additionally written. Although EPROM, EEPROM, and flash memory are non-volatile memory circuits, the number of manufacturing steps increases because an element including two gate electrodes is used.

一方、有機化合物を用いた記憶素子は、一対の電極間に有機化合物を設けて記憶素子を形成するが、有機化合物層を厚く形成した場合、電流が流れにくくなり書き込み電圧が上昇する。逆に、書き込み電圧を下げるために有機化合物層を薄く形成した場合、初期状態において電極間でショート(短絡)する場合がある。これらの結果、記憶装置及び半導体装置の信頼性の低下を招くおそれがある。   On the other hand, in a memory element using an organic compound, an organic compound is provided between a pair of electrodes to form a memory element. However, when the organic compound layer is formed thick, current does not easily flow and the writing voltage increases. Conversely, when the organic compound layer is formed thin in order to reduce the writing voltage, there is a case where a short circuit occurs between the electrodes in the initial state. As a result, the reliability of the memory device and the semiconductor device may be reduced.

上記問題を鑑み、本発明は、製造時以外にデータの追記が可能であり、書き換えによる偽造等を防止可能な不揮発の記憶素子および当該記憶素子を有する記憶装置及び半導体装置を提供することを目的とする。また、信頼性が高く、安価な記憶装置及び半導体装置の提供を課題とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a non-volatile memory element capable of additionally writing data other than at the time of manufacture and capable of preventing forgery or the like due to rewriting, a memory device having the memory element, and a semiconductor device. And Another object is to provide a highly reliable and inexpensive memory device and semiconductor device.

本発明の一は、第1の導電層と、第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に挟持される有機化合物層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に間に設けられ、前記第1の導電層に接する厚さ0.1nm以上4nm以下の第1の絶縁層と、を有することを特徴とする記憶素子である。 According to one aspect of the present invention, a first conductive layer, a second conductive layer, the first conductive layer, an organic compound layer sandwiched between the second conductive layers, the first conductive layer, A memory element comprising: a first insulating layer provided between the second conductive layers and in contact with the first conductive layer and having a thickness of 0.1 nm to 4 nm.

また、本発明の一は、第1の導電層と、第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に挟持される有機化合物層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に間に設けられ、前記第1の導電層に接する厚さ0.1nm以上4nm以下の第1の絶縁層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に間に設けられ、前記第2の導電層に接する厚さ0.1nm以上4nm以下の第2の絶縁層と、を有することを特徴とする記憶素子である。 Another aspect of the present invention is a first conductive layer, a second conductive layer, an organic compound layer sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer, and the first conductive layer. And a first insulating layer having a thickness of 0.1 nm to 4 nm in contact with the first conductive layer, the first conductive layer, and the second conductive layer. And a second insulating layer having a thickness of 0.1 nm or more and 4 nm or less in contact with the second conductive layer.

第1及び第2の絶縁層は、図3(A)に示すように不均一な形状がランダムに分散する非連続層であっても良い。また、図3(B)に示すように縞状の非連続層であってもよい。縞状の非連続層としては、非連続層の幅および隣接する非連続層の間隔が等しくともよい。また、非連続層の幅および隣接する非連続層の間隔が異なっていてもよい。また、図3(C)に示すように網状の非連続層であってもよい。 As shown in FIG. 3A, the first and second insulating layers may be discontinuous layers in which non-uniform shapes are randomly dispersed. Further, as shown in FIG. 3B, a striped discontinuous layer may be used. As the striped discontinuous layer, the width of the discontinuous layer and the interval between adjacent discontinuous layers may be equal. Moreover, the width | variety of a discontinuous layer and the space | interval of an adjacent discontinuous layer may differ. Further, as shown in FIG. 3C, a net-like discontinuous layer may be used.

また、第1及び第2の絶縁層は、図1(C)に示すように少なくとも第1の導電層表面を覆う連続層であってもよい。さらには、図1(D)に示すように凹凸を有してもよい。代表的には、第1の絶縁層または第2の絶縁層と、有機化合物層との界面が凹凸を有していてもよい。また、第1の絶縁層と第1の導電層の界面、または第2の絶縁層と第2の導電層の界面が凹凸を有していてもよい。 Further, the first and second insulating layers may be continuous layers covering at least the surface of the first conductive layer as shown in FIG. Furthermore, as shown in FIG. Typically, the interface between the first insulating layer or the second insulating layer and the organic compound layer may have unevenness. The interface between the first insulating layer and the first conductive layer or the interface between the second insulating layer and the second conductive layer may have unevenness.

また、本発明の一は、第1の導電層と、第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に挟持される有機化合物層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に間に設けられ、前記第1の導電層に接する直径0.1nm以上4nm以下の絶縁性粒子と、を有することを特徴とする記憶素子である。 Another aspect of the present invention is a first conductive layer, a second conductive layer, an organic compound layer sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer, and the first conductive layer. And an insulating particle having a diameter of 0.1 nm or more and 4 nm or less that is provided between the second conductive layer and in contact with the first conductive layer.

また、本発明の一は、第1の導電層と、第2の導電層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に挟持される有機化合物層と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に間に設けられ、前記第1の導電層に接する直径0.1nm以上4nm以下の第1の絶縁性粒子と、前記第1の導電層と前記第2の導電層に間に設けられ、前記第2の導電層に接する直径0.1nm以上4nm以下の第2の絶縁性粒子と、を有することを特徴とする記憶素子である。 Another aspect of the present invention is a first conductive layer, a second conductive layer, an organic compound layer sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer, and the first conductive layer. First insulating particles having a diameter of 0.1 nm to 4 nm in contact with the first conductive layer, the first conductive layer, and the second conductive layer. And a second insulating particle having a diameter of 0.1 nm or more and 4 nm or less in contact with the second conductive layer.

本発明の記憶素子の有機化合物層は、電子輸送材料又はホール輸送材料を用いて形成される。また、電圧印加による抵抗値の変化により、データの書き込みをする。また、書き込み後の記憶素子は、対となる第1の導電層及び第2の導電層の一部が接続されている。さらには、第1の導電層又は第2の導電層に接続するダイオードを有してもよい。 The organic compound layer of the memory element of the present invention is formed using an electron transport material or a hole transport material. In addition, data is written by a change in resistance value due to voltage application. In addition, a part of the first conductive layer and the second conductive layer which form a pair is connected to the memory element after writing. Further, a diode connected to the first conductive layer or the second conductive layer may be included.

また、本発明の一は、上記記憶素子がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ及び書き込み回路を有することを特徴とする記憶装置である。 Another embodiment of the present invention is a memory device including a memory cell array in which the memory elements are arranged in a matrix and a writing circuit.

メモリセルアレイ及び書き込み回路は、ガラス基板もしくは可撓性基板上に設けられており、書き込み回路は薄膜トランジスタで形成されていてもよい。また、メモリセルアレイ及び書き込み回路は、単結晶半導体基板上に設けられており、書き込み回路は電界効果トランジスタで形成されてもよい。 The memory cell array and the writing circuit are provided over a glass substrate or a flexible substrate, and the writing circuit may be formed using a thin film transistor. The memory cell array and the writing circuit may be provided over a single crystal semiconductor substrate, and the writing circuit may be formed using a field effect transistor.

また、本発明の一は、上記記憶素子と、記憶素子に接続する第1のトランジスタと、アンテナとして機能する導電層と、導電層に接続する第2のトランジスタと、を有することを特徴とする半導体装置である。 Another embodiment of the present invention includes the above memory element, a first transistor connected to the memory element, a conductive layer functioning as an antenna, and a second transistor connected to the conductive layer. It is a semiconductor device.

上記半導体装置において、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、記憶素子、及びアンテナとして機能する導電層は、第1の基板上に形成されていてもよい。また、第1のトランジスタは第1の基板上に形成され、記憶素子は第2の基板上に形成され、第1のトランジスタのソース配線又はドレイン配線として機能する導電層と記憶素子とは、導電性粒子を介して接続されていてもよい。また、第2のトランジスタは第1の基板上に形成され、アンテナとして機能する導電層は第2の基板上に形成され、第2のトランジスタのソース配線又はドレイン配線として機能する導電層とアンテナとして機能する導電層とは、導電性粒子を介して接続されていてもよい。 In the above semiconductor device, the first transistor, the second transistor, the memory element, and the conductive layer functioning as an antenna may be formed over the first substrate. The first transistor is formed over the first substrate, the storage element is formed over the second substrate, and the conductive layer functioning as the source wiring or the drain wiring of the first transistor and the storage element are electrically conductive. It may be connected via a property particle. The second transistor is formed over the first substrate, the conductive layer functioning as an antenna is formed over the second substrate, the conductive layer functioning as the source wiring or drain wiring of the second transistor, and the antenna The functional conductive layer may be connected via conductive particles.

また、本発明の第1の絶縁層及び第2の絶縁層の膜厚は、AFM(Atomic Force Microscopy、原子間力顕微鏡 )、DFM(dynamic force microscope)、MFM(Magnetic Force Microscopy、磁気力顕微鏡)、EFM(Electric Force Microscopy、電気力顕微鏡)、TEM(Transmission Electron Microscope、透過型電子顕微鏡)等によって測定することができる。   The thicknesses of the first insulating layer and the second insulating layer of the present invention are as follows: AFM (Atomic Force Microscope), DFM (Dynamic Force Microscope), MFM (Magnetic Force Microscope, Magnetic Force Microscope). , EFM (Electric Force Microscope, electric force microscope), TEM (Transmission Electron Microscope, transmission electron microscope) and the like.

本発明を用いることによって、チップ製造時以外にデータの書き込み(追記)が可能であり、書き換えによる偽造を防止すること可能な半導体装置を得ることができる。また、本発明の記憶素子は、厚さが4nm以下、好ましくは2nm以下の絶縁層を導電層に接するように導電層と有機化合物層との間に設けることにより、当該絶縁層にトンネル電流が流れるため、記憶素子の書き込み時の印加電圧及び電流値のばらつきを低減することが可能である。また、厚さが4nm以下、好ましくは2nm以下の絶縁層を導電層に接するように導電層と有機化合物層との間に設けることにより、トンネル効果による電荷注入性が上昇し、有機化合物層の膜厚を厚くすることが可能であり、初期状態でのショートを防止することが可能である。この結果、記憶装置及び半導体装置の信頼性を向上させることが可能である。さらには、本発明の記憶装置及び半導体装置は、一対の導電層間に有機化合物層が挟まれた単純な構造の記憶素子を有するため、安価な記憶装置及び半導体装置を提供することができる。   By using the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device in which data can be written (added) other than during chip manufacturing and forgery due to rewriting can be prevented. In the memory element of the present invention, an insulating layer having a thickness of 4 nm or less, preferably 2 nm or less is provided between the conductive layer and the organic compound layer so as to be in contact with the conductive layer, so that a tunnel current is generated in the insulating layer. Therefore, variation in applied voltage and current value at the time of writing to the memory element can be reduced. Further, by providing an insulating layer having a thickness of 4 nm or less, preferably 2 nm or less, between the conductive layer and the organic compound layer so as to be in contact with the conductive layer, the charge injection property due to the tunnel effect is increased, and the organic compound layer The film thickness can be increased and a short circuit in the initial state can be prevented. As a result, the reliability of the memory device and the semiconductor device can be improved. Furthermore, since the memory device and the semiconductor device of the present invention have a memory element with a simple structure in which an organic compound layer is sandwiched between a pair of conductive layers, an inexpensive memory device and semiconductor device can be provided.

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the present invention described below, the same reference numerals are used in common in different drawings.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の記憶装置が有する記憶素子の構成例に関して図面を用いて説明する。より具体的には、記憶装置の構成がパッシブマトリクス型の場合に関して示す。
(Embodiment 1)
In this embodiment, structural examples of memory elements included in the memory device of the present invention will be described with reference to drawings. More specifically, the case where the structure of the memory device is a passive matrix type will be described.

図5(A)に示したのは本実施の形態の有機メモリの一構成例であり、メモリセル21がマトリクス状に設けられたメモリセルアレイ22、カラムデコーダ26aと読み出し回路26bとセレクタ26cを有するビット線駆動回路26、ロウデコーダ24aとレベルシフタ24bを有するワード線駆動回路24、書き込み回路等を有し外部とのやりとりを行うインターフェース23を有している。なお、ここで示す記憶回路16の構成はあくまで一例であり、センスアンプ、出力回路、バッファ等の他の回路を有していてもよいし、書き込み回路をビット線駆動回路に設けてもよい。   FIG. 5A shows a configuration example of the organic memory of this embodiment, which includes a memory cell array 22 in which memory cells 21 are provided in a matrix, a column decoder 26a, a read circuit 26b, and a selector 26c. It has a bit line driving circuit 26, a word line driving circuit 24 having a row decoder 24a and a level shifter 24b, an interface 23 having a writing circuit and the like and performing exchanges with the outside. Note that the structure of the memory circuit 16 shown here is just an example, and other circuits such as a sense amplifier, an output circuit, and a buffer may be included, and a write circuit may be provided in the bit line driver circuit.

メモリセル21は、ビット線Bx(1≦x≦m)を構成する第1の導電層と、ワード線Wy(1≦y≦n)を構成する第2の導電層と、第1の導電層に接する絶縁層と、有機化合物層とを有する。有機化合物層は、第1の導電層と第2の導電層の間に単層または積層で設けられている。   The memory cell 21 includes a first conductive layer that forms a bit line Bx (1 ≦ x ≦ m), a second conductive layer that forms a word line Wy (1 ≦ y ≦ n), and a first conductive layer And an organic compound layer. The organic compound layer is provided as a single layer or a stacked layer between the first conductive layer and the second conductive layer.

メモリセルアレイ22の上面構造と断面構造の一例に関して図1に示す。なお、図1(A)はメモリセルアレイ22の上面構造を示しており、図1(A)におけるA−B間の断面構造が図1(B)に対応している。なお、図1(A)において保護膜として機能する絶縁層27は省略している。   An example of a top surface structure and a cross-sectional structure of the memory cell array 22 is shown in FIG. Note that FIG. 1A illustrates a top surface structure of the memory cell array 22, and a cross-sectional structure between A and B in FIG. 1A corresponds to FIG. Note that the insulating layer 27 functioning as a protective film is omitted in FIG.

メモリセルアレイ22には、メモリセル21がマトリクス状に設けられている(図1(A)参照)。メモリセル21は、記憶素子80を有する(図1(B)参照。)。記憶素子80は、基板30上に、第1の方向に延びた第1の導電層31と、第1の導電層31を覆う有機化合物層29と、第1の方向と直交する第2の方向に延びた第2の導電層28と、第1の導電層31及び有機化合物層29に接する絶縁層32とを有する。絶縁層32は、トンネル効果により所定以上の電圧において、有機化合物層に電荷を注入することが可能な絶縁層である。また、ここでは、第2の導電層28を覆うように、保護膜として機能する絶縁層27を設ける。 Memory cells 21 are provided in a matrix in the memory cell array 22 (see FIG. 1A). The memory cell 21 includes a memory element 80 (see FIG. 1B). The memory element 80 includes a first conductive layer 31 extending in the first direction on the substrate 30, an organic compound layer 29 covering the first conductive layer 31, and a second direction orthogonal to the first direction. And an insulating layer 32 in contact with the first conductive layer 31 and the organic compound layer 29. The insulating layer 32 is an insulating layer capable of injecting electric charges into the organic compound layer at a predetermined voltage or higher due to the tunnel effect. Here, an insulating layer 27 that functions as a protective film is provided so as to cover the second conductive layer 28.

上記記憶素子80の構成において、基板30としては、ガラス基板や可撓性基板の他、石英基板、シリコン基板、金属基板、ステンレス基板、繊維質な材料からなる紙等を用いることができる。可撓性基板とは、折り曲げることができる(フレキシブル)基板のことであり、例えば、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリエーテルスルフォン等からなるプラスチック基板等が挙げられる。また、熱可塑性を示すフィルム(ポリプロピレン、ポリエステル、ビニル、ポリフッ化ビニル、塩化ビニルなどからなる)を用いることもできる。また、この他にも、Si等の半導体基板上に形成された電界効果トランジスタ(FET)の上部や、ガラス等の基板上に形成された薄膜トランジスタ(TFT)の上部にメモリセルアレイ22を設けることができる。 In the configuration of the memory element 80, as the substrate 30, a glass substrate, a flexible substrate, a quartz substrate, a silicon substrate, a metal substrate, a stainless steel substrate, paper made of a fibrous material, or the like can be used. The flexible substrate is a substrate that can be bent (flexible), and examples thereof include a plastic substrate made of polycarbonate, polyacrylate, polyethersulfone, or the like. Further, a film exhibiting thermoplasticity (made of polypropylene, polyester, vinyl, polyvinyl fluoride, vinyl chloride, etc.) can also be used. In addition, the memory cell array 22 may be provided above a field effect transistor (FET) formed on a semiconductor substrate such as Si or above a thin film transistor (TFT) formed on a substrate such as glass. it can.

また、第1の導電層31と第2の導電層28には、導電性の高い金属、合金、化合物等からなる単層または積層構造を用いることができる。代表的には、仕事関数の大きい(具体的には4.0eV以上)金属、合金、導電性化合物、およびこれらの混合物や、仕事関数の小さい(具体的には3.8eV以下)金属、合金、導電性化合物、およびこれらの混合物などを用いることが可能である。   The first conductive layer 31 and the second conductive layer 28 can be a single layer or a stacked structure made of a highly conductive metal, alloy, compound, or the like. Typically, a metal, an alloy, a conductive compound, or a mixture thereof having a large work function (specifically, 4.0 eV or more), or a metal, an alloy having a small work function (specifically, 3.8 eV or less). , Conductive compounds, and mixtures thereof can be used.

仕事関数の大きい(具体的には4.0eV以上)金属、合金、導電性化合物の代表例としては、インジウム錫酸化物(以下、ITOと示す)、または珪素を含有したインジウム錫酸化物、2〜20%の酸化亜鉛(ZnO)を含む酸化インジウム等が挙げられる。また、チタン(Ti)、金(Au)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、または金属材料の窒化物(例えば、窒化チタン:TiN、窒化タングステン(WN)、窒化モリブデン(MoN))等を用いることも可能である。 As typical examples of metals, alloys, and conductive compounds having a high work function (specifically, 4.0 eV or more), indium tin oxide (hereinafter referred to as ITO), silicon-containing indium tin oxide, 2 Examples thereof include indium oxide containing -20% zinc oxide (ZnO). Also, titanium (Ti), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), tungsten (W), chromium (Cr), molybdenum (Mo), iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu ), Palladium (Pd), or a nitride of a metal material (for example, titanium nitride: TiN, tungsten nitride (WN), molybdenum nitride (MoN)), or the like can also be used.

仕事関数の小さい(具体的には3.8eV以下)金属、合金、導電性化合物の代表例としては、元素周期律の1族または2族に属する金属、即ちリチウム(Li)やセシウム(Cs)等のアルカリ金属、およびマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)等のアルカリ土類金属、およびこれらのいずれかを含む合金(MgAg、AlLi)、ユーロピウム(Er)、イッテルビウム(Yb)等の希土類金属およびこれらを含む合金等が挙げられる。 Typical examples of metals, alloys, and conductive compounds having a small work function (specifically, 3.8 eV or less) include metals belonging to Group 1 or Group 2 of the element periodic rule, that is, lithium (Li) or cesium (Cs). Alkali metals such as magnesium, alkaline earth metals such as magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), and alloys containing any of these (MgAg, AlLi), europium (Er), ytterbium (Yb) And rare earth metals and alloys containing them.

なお、第1の導電層31又は第2の導電層28に、有機化合物層に対して正孔を注入する電極、すなわち陽極を用いる場合には、仕事関数の大きな電極を用いるのが好ましい。逆に有機化合物層に対して電子を注入する電極を用いる場合には、仕事関数の小さい電極を用いることが好ましい。 Note that in the case where an electrode for injecting holes into the organic compound layer, that is, an anode is used for the first conductive layer 31 or the second conductive layer 28, an electrode having a large work function is preferably used. Conversely, when an electrode for injecting electrons into the organic compound layer is used, it is preferable to use an electrode having a small work function.

さらには、第1の導電層31と第2の導電層28として、上記導電性の高い金属、合金、化合物で形成される層と、半導体材料で形成される層とを積層して形成してもよい。この場合、絶縁層32または有機化合物層29に接する側に半導体層を設けることが好ましい。   Further, the first conductive layer 31 and the second conductive layer 28 are formed by stacking a layer formed of the above highly conductive metal, alloy, or compound and a layer formed of a semiconductor material. Also good. In this case, a semiconductor layer is preferably provided on the side in contact with the insulating layer 32 or the organic compound layer 29.

半導体材料で形成される層としては、シリコン、ゲルマニウム等の半導体元素を用いて形成される層、酸化スズ、酸化モリブデン、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化チタン、酸化銅、酸化ニッケル、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化クロム等の半導体酸化物を用いて形成される層等を適宜用いることができる。   As a layer formed of a semiconductor material, a layer formed using a semiconductor element such as silicon or germanium, tin oxide, molybdenum oxide, indium oxide, zinc oxide, tungsten oxide, titanium oxide, copper oxide, nickel oxide, oxide A layer formed using a semiconductor oxide such as vanadium, yttrium oxide, or chromium oxide can be used as appropriate.

第1の導電層31は、蒸着法、スパッタリング法、CVD法、印刷法、電解メッキ法、無電解メッキ法等を用いて導電層を形成する。   The first conductive layer 31 is formed using a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, a printing method, an electrolytic plating method, an electroless plating method, or the like.

第2の導電層28は、蒸着法、スパッタ法、CVD法、印刷法または液滴吐出法を用いて形成することができる。なお、ここでは、液滴吐出法とは微粒子を含む組成物の液滴を微細な孔から吐出して所定の形状のパターンを形成する方法である。 The second conductive layer 28 can be formed by vapor deposition, sputtering, CVD, printing, or droplet discharge. Here, the droplet discharge method is a method of forming a pattern with a predetermined shape by discharging a droplet of a composition containing fine particles from a minute hole.

ここでは、50〜200nmのチタン膜をスパッタリング法により成膜した後、フォトリソグラフィ法により所望の形状にエッチングして第1の導電層31を形成する。また、アルミニウムを蒸着法により蒸着して厚さ50〜200nmの第2の導電層28を形成する。 Here, after a titanium film with a thickness of 50 to 200 nm is formed by a sputtering method, the first conductive layer 31 is formed by etching into a desired shape by a photolithography method. Also, aluminum is deposited by a deposition method to form the second conductive layer 28 having a thickness of 50 to 200 nm.

有機化合物層29は、外部からの電圧印加により、結晶状態や導電性、形状が変化する有機化合物で形成する。有機化合物層29は、単層で設けてもよいし、異なる有機化合物で形成された層を複数積層させて設けてもよい。 The organic compound layer 29 is formed of an organic compound whose crystal state, conductivity, and shape are changed by applying an external voltage. The organic compound layer 29 may be provided as a single layer, or a plurality of layers formed of different organic compounds may be provided.

なお、有機化合物層29は、外部からの電圧印加により記憶素子の電気抵抗が変化する膜厚で形成する。有機化合物層29の代表的な膜厚は、5nmから100nm、好ましくは10nmから60nm、好ましくは5nmから20nm、好ましくは5nmから10nmである。 Note that the organic compound layer 29 is formed with a film thickness at which the electrical resistance of the memory element changes due to external voltage application. A typical film thickness of the organic compound layer 29 is 5 nm to 100 nm, preferably 10 nm to 60 nm, preferably 5 nm to 20 nm, preferably 5 nm to 10 nm.

また、有機化合物層29は、正孔輸送性を有する有機化合物又は電子輸送性を有する有機化合物を用いて形成することができる。 The organic compound layer 29 can be formed using an organic compound having a hole transporting property or an organic compound having an electron transporting property.

正孔輸送性を有する有機化合物としては、4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]−ビフェニル(略称:α−NPD)や4,4’−ビス[N−(3−メチルフェニル)−N−フェニル−アミノ]−ビフェニル(略称:TPD)や4,4’,4’’−トリス(N,N−ジフェニル−アミノ)−トリフェニルアミン(略称:TDATA)、4,4’,4’’−トリス[N−(3−メチルフェニル)−N−フェニル−アミノ]−トリフェニルアミン(略称:MTDATA)や4,4’−ビス(N−(4−(N,N−ジ−m−トリルアミノ)フェニル)−N−フェニルアミノ)ビフェニル(略称:DNTPD)などの芳香族アミン系(即ち、ベンゼン環−窒素の結合を有する)の化合物やフタロシアニン(略称:HPc)、銅フタロシアニン(略称:CuPc)、バナジルフタロシアニン(略称:VOPc)等のフタロシアニン化合物、PVK(ポリビニルカルバゾール)等を用いることができる。ここに述べた物質は、主に10−6cm/Vs以上、好ましくは10−6〜10−2cm/Vsの正孔移動度を有する物質である。 As an organic compound having a hole-transport property, 4,4′-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenyl-amino] -biphenyl (abbreviation: α-NPD), 4,4′-bis [N -(3-Methylphenyl) -N-phenyl-amino] -biphenyl (abbreviation: TPD) or 4,4 ′, 4 ″ -tris (N, N-diphenyl-amino) -triphenylamine (abbreviation: TDATA) 4,4 ′, 4 ″ -tris [N- (3-methylphenyl) -N-phenyl-amino] -triphenylamine (abbreviation: MTDATA) and 4,4′-bis (N- (4- ( N, N-di-m-tolylamino) phenyl) -N-phenylamino) biphenyl (abbreviation: DNTPD) and other aromatic amine-based compounds (that is, having a benzene ring-nitrogen bond) and phthalocyanines (abbreviation: H 2 Pc), copper phthalosis A phthalocyanine compound such as anine (abbreviation: CuPc) or vanadyl phthalocyanine (abbreviation: VOPc), PVK (polyvinylcarbazole), or the like can be used. The substances mentioned here are mainly substances having a hole mobility of 10 −6 cm 2 / Vs or higher, preferably 10 −6 to 10 −2 cm 2 / Vs.

電子輸送性の高い有機化合物としては、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム(略称:Alq)、トリス(4−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム(略称:Almq)、ビス(10−ヒドロキシベンゾ[h]−キノリナト)ベリリウム(略称:BeBq)、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)−4−フェニルフェノラト−アルミニウム(略称:BAlq)等キノリン骨格またはベンゾキノリン骨格を有する金属錯体等からなる材料を用いることができる。また、この他、ビス[2−(2−ヒドロキシフェニル)ベンゾオキサゾラト]亜鉛(略称:Zn(BOX))、ビス[2−(2−ヒドロキシフェニル)ベンゾチアゾラト]亜鉛(略称:Zn(BTZ))などのオキサゾール系、チアゾール系配位子を有する金属錯体などの材料も用いることができる。さらに、金属錯体以外にも、2−(4−ビフェニリル)−5−(4−tert−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール(略称:PBD)、1,3−ビス[5−(p−tert−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール−2−イル]ベンゼン(略称:OXD−7)、3−(4−tert−ブチルフェニル)−4−フェニル−5−(4−ビフェニリル)−1,2,4−トリアゾール(略称:TAZ)、3−(4−tert−ブチルフェニル)−4−(4−エチルフェニル)−5−(4−ビフェニリル)−1,2,4−トリアゾール(略称:p−EtTAZ)、バソフェナントロリン(略称:BPhen)、バソキュプロイン(略称:BCP)等を用いることができる。ここに述べた物質は、主に10−6cm/Vs以上、好ましくは10−6〜10−2cm/Vsの電子移動度を有する物質である。 Examples of the organic compound having a high electron-transport property include tris (8-quinolinolato) aluminum (abbreviation: Alq), tris (4-methyl-8-quinolinolato) aluminum (abbreviation: Almq 3 ), and bis (10-hydroxybenzo [h]. -Quinolinato) Beryllium (abbreviation: BeBq 2 ), bis (2-methyl-8-quinolinolato) -4-phenylphenolato-aluminum (abbreviation: BAlq), etc. Can be used. In addition, bis [2- (2-hydroxyphenyl) benzoxazolate] zinc (abbreviation: Zn (BOX) 2 ), bis [2- (2-hydroxyphenyl) benzothiazolate] zinc (abbreviation: Zn (BTZ) A material such as a metal complex having an oxazole-based or thiazole-based ligand such as 2 ) can also be used. In addition to metal complexes, 2- (4-biphenylyl) -5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole (abbreviation: PBD), 1,3-bis [5- (P-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazol-2-yl] benzene (abbreviation: OXD-7), 3- (4-tert-butylphenyl) -4-phenyl-5- ( 4-biphenylyl) -1,2,4-triazole (abbreviation: TAZ), 3- (4-tert-butylphenyl) -4- (4-ethylphenyl) -5- (4-biphenylyl) -1,2, 4-triazole (abbreviation: p-EtTAZ), bathophenanthroline (abbreviation: BPhen), bathocuproin (abbreviation: BCP), and the like can be used. The substances mentioned here are mainly substances having an electron mobility of 10 −6 cm 2 / Vs or higher, preferably 10 −6 to 10 −2 cm 2 / Vs.

さらには、上記有機化合物において、異なる有機化合物を複数積層して有機化合物層を形成してもよい。   Furthermore, in the above organic compound, a plurality of different organic compounds may be stacked to form an organic compound layer.

さらには、上記有機化合物が複数混合された有機化合物を形成してもよい。   Furthermore, an organic compound in which a plurality of the organic compounds are mixed may be formed.

有機化合物層29は、蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、CVD法等を用いて形成することができる。また、他の有機化合物層29の形成方法として、スピンコート法、ゾル−ゲル法、印刷法または液滴吐出法等を用いてもよいし、上記方法とこれらを組み合わせてもよい。   The organic compound layer 29 can be formed using a vapor deposition method, an electron beam vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, or the like. In addition, as another method for forming the organic compound layer 29, a spin coating method, a sol-gel method, a printing method, a droplet discharge method, or the like may be used, or the above method may be combined with these methods.

絶縁層32は、トンネル効果により第1の導電層または第2の導電層から有機化合物層へ、ホール又は電子を注入する層である。代表的には、電気伝導率が10−10〜10−2S/m以下、好ましくは10−10〜10−14S/mであることが好ましい。絶縁層32は、所定の電圧において、トンネル効果により有機化合物層29へ電荷を注入することが可能な厚さで形成する。絶縁層32の代表的な厚さは、0.1nm以上4nm以下、好ましくは1nm以上4nm以下、好ましくは0.1nm以上2nm以下、好ましくは1nm以上2nm以下の絶縁層である。絶縁層32の膜厚は、0.1nm以上4nm以下と極めて薄いため、絶縁層32においてトンネル効果が生じ、有機化合物層29への電荷注入性が高まる。このため、絶縁層32は、厚さが4nmより厚くなると、絶縁層32におけるトンネル効果が生じず、有機化合物層29への電荷注入が困難となり、記憶素子の書き込み時の印加電圧が上昇する。また、絶縁層32の膜厚は、0.1nm以上4nm以下と極めて薄いため、スループットが向上する。 The insulating layer 32 is a layer that injects holes or electrons from the first conductive layer or the second conductive layer into the organic compound layer by a tunnel effect. Typically, the electrical conductivity is 10 −10 to 10 −2 S / m or less, preferably 10 −10 to 10 −14 S / m. The insulating layer 32 is formed with a thickness capable of injecting charges into the organic compound layer 29 by a tunnel effect at a predetermined voltage. A typical thickness of the insulating layer 32 is an insulating layer having a thickness of 0.1 nm to 4 nm, preferably 1 nm to 4 nm, preferably 0.1 nm to 2 nm, preferably 1 nm to 2 nm. Since the thickness of the insulating layer 32 is as extremely thin as 0.1 nm or more and 4 nm or less, a tunnel effect occurs in the insulating layer 32 and the charge injection property to the organic compound layer 29 is enhanced. Therefore, when the insulating layer 32 is thicker than 4 nm, the tunnel effect in the insulating layer 32 does not occur, charge injection into the organic compound layer 29 becomes difficult, and the applied voltage at the time of writing to the memory element increases. In addition, since the thickness of the insulating layer 32 is as extremely thin as 0.1 nm or more and 4 nm or less, the throughput is improved.

絶縁層32は、熱的及び化学的に安定な化合物で形成する。代表的には、キャリア注入されない無機化合物又は有機化合物で形成することが好ましい。 The insulating layer 32 is formed of a thermally and chemically stable compound. Typically, it is preferable to form with an inorganic compound or an organic compound which is not carrier-injected.

絶縁性を有する無機化合物の代表例としては、LiO、NaO、KO、RbO、BeO、MgO、CaO、SrO、BaO、Sc、ZrO、HfO、RfO、TaO、TcO、Fe、CoO、PdO、AgO、Al、Ga、Bi等に代表される絶縁性を有する酸化物、LiF、NaF、KF、RbF、BeF、MgF、CaF、SrF、BaF、AlF、NF、SF、AgF、MnF等に代表される絶縁性を有するフッ化物、LiCl、NaCl、KCl、CsCl、BeCl、CaCl、BaCl、AlCl、SiCl、GeCl、SnCl、AgCl、ZnCl、TiCl、TiCl、ZrCl、FeCl、PdCl、SbCl、SbCl、SrCl、TlCl、CuCl、MnCl、RuCl等に代表される絶縁性を有する塩化物、KBr、CsBr、AgBr、BaBr、SiBr、LiBr等に代表される絶縁性を有する臭化物、NaI、KI、BaI、TlI、AgI、TiI、CaI、SiI、CsI等に代表される絶縁性を有するヨウ化物、LiCO、KCO、NaCO、MgCO、CaCO、SrCO、BaCO、MnCO、FeCO、CoCO、NiCO、CuCO、AgCO、ZnCO等に代表される絶縁性を有する炭酸塩、LiSO、KSO、NaSO、MgSO、CaSO、SrSO、BaSO、Ti(SO、Zr(SO、MnSO、FeSO、Fe(SO、CoSO、Co(SO、NiSO、CuSO、AgSO、ZnSO、Al(SO、In(SO、SnSO、Sn(SO、Sb(SO、Bi(SO等に代表される絶縁性を有する硫酸塩、LiNO、KNO、NaNO、Mg(NO、Ca(NO、Sr(NO、Ba(NO、Ti(NO、Sr(NO、Ba(NO、Ti(NO、Zr(NO、Mn(NO、Fe(NO、Fe(NO、Co(NO、Ni(NO、Cu(NO、AgNO、Zn(NO、Al(NO、In(NO、Sn(NO等に代表される絶縁性を有する硝酸塩、AlN、SiN等に代表される絶縁性を有する窒化物が挙げられる。 Representative examples of the inorganic compound having insulating properties include Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, Sc 2 O 3 , ZrO 2 , HfO 2 , RfO. 2 , TaO, TcO, Fe 2 O 3 , CoO, PdO, Ag 2 O, Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Bi 2 O 3, etc. Insulating oxides, LiF, NaF, KF , RbF, BeF 2 , MgF 2 , CaF 2 , SrF 2 , BaF 2 , AlF 3 , NF 3 , SF 6 , AgF, MnF 3, and other insulating fluorides, LiCl, NaCl, KCl, CsCl , BeCl 2 , CaCl 2 , BaCl 2 , AlCl 3 , SiCl 4 , GeCl 4 , SnCl 4 , AgCl, ZnCl, TiCl 4 , TiCl 3 , ZrCl 4 , FeCl 3 , PdCl 2 , SbCl 3 , SbCl 2 , SrCl 2 , TlCl, CuCl, MnCl 2 , RuCl 2, etc., an insulating chloride, KBr, CsBr, AgBr, BaBr 2 , SiBr 4 , bromides having an insulating property typified by such LiBr, NaI, KI, BaI 2 , TlI, AgI, TiI 4, CaI 2, SiI 4, iodides having an insulating property typified by CsI or the like, Li 2 CO 3, K 2 CO 3, Na 2 CO 3, MgCO 3, CaCO 3, SrCO 3, BaCO 3, MnCO 3, FeCO 3, CoCO 3, NiCO 3, CuCO 3, Ag 2 CO 3, insulating typified ZnCO 3, etc. Carbonates having properties, Li 2 SO 4 , K 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , MgSO 4 , Ca SO 4 , SrSO 4 , BaSO 4 , Ti 2 (SO 4 ) 3 , Zr (SO 4 ) 2 , MnSO 4 , FeSO 4 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , CoSO 4 , Co 2 (SO 4 ) 3 , NiSO 4 , CuSO 4 , Ag 2 SO 4 , ZnSO 4 , Al 2 (SO 4 ) 3 , In 2 (SO 4 ) 3 , SnSO 4 , Sn (SO 4 ) 2 , Sb 2 (SO 4 ) 3 , Bi 2 ( Insulative sulfates represented by SO 4 ) 3 and the like, LiNO 3 , KNO 3 , NaNO 3 , Mg (NO 3 ) 2 , Ca (NO 3 ) 2 , Sr (NO 3 ) 2 , Ba (NO 3) ) 2 , Ti (NO 3 ) 4 , Sr (NO 3 ) 2 , Ba (NO 3 ) 2 , Ti (NO 3 ) 4 , Zr (NO 3 ) 4 , Mn (NO 3 ) 2 , Fe (NO 3 ) 2 , Fe (NO 3 ) 3 , Co (NO 3 ) 2 , Ni (NO 3 ) 2 , Cu (NO 3 ) 2 , AgNO 3 , Zn (NO 3 ) 2 , Al (NO 3 ) 3 , In (NO 3 ) 3 , Sn ( Nitrate having insulation properties typified by NO 3 ) 2 and the like, and nitrides having insulation properties typified by AlN, SiN and the like can be mentioned.

なお、絶縁層32を無機化合物で形成する場合、絶縁層の膜厚は、0.1nm以上3nm以下、好ましくは1nm以上2nm以下が好ましい。絶縁層の膜厚が3nmより厚くなると、書き込み時の印加電圧が上昇する。 Note that in the case where the insulating layer 32 is formed using an inorganic compound, the thickness of the insulating layer is 0.1 nm to 3 nm, preferably 1 nm to 2 nm. When the thickness of the insulating layer is greater than 3 nm, the applied voltage at the time of writing increases.

絶縁層32を絶縁性を有する有機化合物を用いて形成する場合、絶縁性を有する有機化合物としては、キャリア注入されにくいものが好ましく、バンドギャップが3.5〜6eV、好ましくは4eV以上〜5eVである有機化合物である。代表例としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ベンゾシクロブテン、ポリエステルなどの高分子材料や、ノボラック樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、珪素樹脂、フラン樹脂、ジアリルフタレート樹脂等に代表される有機樹脂が挙げられる。   When the insulating layer 32 is formed using an organic compound having an insulating property, the organic compound having an insulating property is preferably one in which carrier injection is difficult and has a band gap of 3.5 to 6 eV, preferably 4 eV or more to 5 eV. It is an organic compound. Representative examples include organic materials such as polyimide, acrylic, polyamide, benzocyclobutene, polyester, and other polymer materials, and novolak resins, melamine resins, phenol resins, epoxy resins, silicon resins, furan resins, diallyl phthalate resins, and the like. Resin.

なお、有機化合物層を形成する化合物のHOMO準位と異なるHOMO準位を有する有機化合物を用いて絶縁層32を形成することが好ましい。また、絶縁層32を有機化合物で形成する場合、絶縁層の膜厚は、0.1nm以上4nm以下、さらには1nm以上4nm以下が好ましい。   Note that the insulating layer 32 is preferably formed using an organic compound having a HOMO level different from that of the compound forming the organic compound layer. In the case where the insulating layer 32 is formed of an organic compound, the thickness of the insulating layer is preferably 0.1 nm to 4 nm, more preferably 1 nm to 4 nm.

また、絶縁層32を、上記絶縁性を有する無機化合物を複数用いて形成してもよい。また、上記有機化合物を複数用いて形成してもよい。さらには、上記絶縁性を有する無機化合物及び上記有機化合物を複数混合して形成してもよい。   Further, the insulating layer 32 may be formed using a plurality of inorganic compounds having the above insulating properties. Alternatively, a plurality of the above organic compounds may be used. Furthermore, you may form by mixing multiple inorganic compounds and the said organic compound which have the said insulating property.

絶縁層32の形成方法としては、蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、CVD法等を用いることができる。スピンコート法、ゾル−ゲル法、印刷法または液滴吐出法等を用いることができる。 As a method for forming the insulating layer 32, an evaporation method, an electron beam evaporation method, a sputtering method, a CVD method, or the like can be used. A spin coating method, a sol-gel method, a printing method, a droplet discharge method, or the like can be used.

ここで、絶縁層32の形状について図3を用いて説明する。図3は、絶縁性を有する基板30に第1の導電層31及び絶縁層が形成された上面図である。ここでは、絶縁層32を絶縁層32a、32b、32cとそれぞれ示す。 Here, the shape of the insulating layer 32 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a top view in which a first conductive layer 31 and an insulating layer are formed on a substrate 30 having an insulating property. Here, the insulating layer 32 is shown as insulating layers 32a, 32b, and 32c, respectively.

図3(A)に示すように、絶縁層32aは、第1の導電層上に分散された非連続層である。すなわち、少なくとも第1の導電層31の一部分を覆う島状とすることができる。ここでは、複数の非連続層である絶縁層32aがランダムに第1の導電層31及び絶縁性を有する基板30の表面上に分散されている。 As shown in FIG. 3A, the insulating layer 32a is a discontinuous layer dispersed over the first conductive layer. That is, an island shape covering at least a part of the first conductive layer 31 can be formed. Here, a plurality of insulating layers 32a which are discontinuous layers are randomly dispersed on the surface of the first conductive layer 31 and the insulating substrate 30.

また、図3(B)に示すように、絶縁層32bは、縞状の非連続層とすることができる。ここでは、絶縁層32bは、第1の導電層31が伸びる第1の方向に対して所定の角度(0度より大きく、90度未満)を有する第2の方向に伸びる縞状である。なお、絶縁層32bは、第1の方向と平行な方向に伸びる縞状でもよい。さらには、第1の方向と直交する方向に伸びる縞状でもよい。 As shown in FIG. 3B, the insulating layer 32b can be a striped discontinuous layer. Here, the insulating layer 32b has a stripe shape extending in a second direction having a predetermined angle (greater than 0 degree and less than 90 degrees) with respect to the first direction in which the first conductive layer 31 extends. The insulating layer 32b may have a stripe shape extending in a direction parallel to the first direction. Furthermore, the stripe shape extended in the direction orthogonal to the 1st direction may be sufficient.

また、図3(C)に示すように、絶縁層32cは、網状の非連続層とすることができる。 Further, as shown in FIG. 3C, the insulating layer 32c can be a mesh-like discontinuous layer.

また、図1(C)に示すように、絶縁層32の代わりに、絶縁層33のような第1の導電層31の表面を覆う連続層を用いてもよい。この場合、絶縁層33は、単分子膜であることが好ましい。さらには、図1(D)に示すように、絶縁層32の代わりに、絶縁層34のような第1の導電層31の表面を覆うと共に凹凸を有する連続層を用いてもよい。但し、この場合、絶縁層の凸部における厚さは1nm以上4nm以下、好ましくは2nm以上4nm以下、凹部における厚さは、0.1nm以上2nm未満、更には1nm以上2nm未満であることが好ましい。 Further, as illustrated in FIG. 1C, a continuous layer that covers the surface of the first conductive layer 31 such as the insulating layer 33 may be used instead of the insulating layer 32. In this case, the insulating layer 33 is preferably a monomolecular film. Furthermore, as shown in FIG. 1D, a continuous layer that covers the surface of the first conductive layer 31 such as the insulating layer 34 and has irregularities may be used instead of the insulating layer 32. However, in this case, the thickness of the convex portion of the insulating layer is 1 nm to 4 nm, preferably 2 nm to 4 nm, and the thickness of the concave portion is preferably 0.1 nm to less than 2 nm, and more preferably 1 nm to less than 2 nm. .

また、図1(E)に示すように、絶縁層32の代わりに、第1の導電層と有機化合物層の間に、絶縁性粒子35を設けてもよい。このときの絶縁性粒子の粒径は0.1nm以上4nm以下である。 In addition, as illustrated in FIG. 1E, insulating particles 35 may be provided between the first conductive layer and the organic compound layer instead of the insulating layer 32. The particle size of the insulating particles at this time is 0.1 nm or more and 4 nm or less.

さらには、図1(B)乃至(E)に示す絶縁層32〜34又は絶縁性粒子35を、有機化合物層29及び第2の導電層28の間に設けてもよい(図2(A)参照。)。図2(A)においては、図1(B)に示すような形状の絶縁層36を、有機化合物層29及び第2の導電層28の間に設けている。 Further, the insulating layers 32 to 34 or the insulating particles 35 shown in FIGS. 1B to 1E may be provided between the organic compound layer 29 and the second conductive layer 28 (FIG. 2A). reference.). In FIG. 2A, an insulating layer 36 having a shape as shown in FIG. 1B is provided between the organic compound layer 29 and the second conductive layer 28.

また、図2(B)に示すように、第1の導電層31及び有機化合物層29の間に第1の絶縁層37を有し、有機化合物層29及び第2の導電層28の間に第2の絶縁層38を有してもよい。このとき、第1の絶縁層37及び第2の絶縁層38はそれぞれ、図1(B)乃至(E)に示す形状の絶縁層32〜34及び絶縁性粒子35を適宜用いることができる。ここでは、第1の絶縁層37及び第2の絶縁層38それぞれは、図1(B)の絶縁層32と同様の形状を有する。 2B, the first insulating layer 37 is provided between the first conductive layer 31 and the organic compound layer 29, and the organic compound layer 29 and the second conductive layer 28 are provided. The second insulating layer 38 may be included. At this time, as the first insulating layer 37 and the second insulating layer 38, the insulating layers 32 to 34 and the insulating particles 35 having the shapes shown in FIGS. 1B to 1E can be used as appropriate. Here, each of the first insulating layer 37 and the second insulating layer 38 has a shape similar to that of the insulating layer 32 in FIG.

また、上記記憶素子において、第1の導電層31を介して有機化合物層29と反対側に、整流性を有する素子を設けてもよい(図2(C))。整流性を有する素子とは、ショットキーダイオード、PN接合を有するダイオード、PIN接合を有するダイオード、あるいはゲート電極とドレイン電極を接続したトランジスタである。ここでは、第3の導電層41及び半導体層42で構成されるダイオード44を第1の導電層31に接して設ける。なお、第2の導電層を介して有機化合物層と反対側に整流性を有する素子を設けてもよい。さらには、整流性を有する素子は、有機化合物層29と第1の導電層31との間に設けてもよい。また、有機化合物層29と第2の導電層28との間に整流性を有する素子を設けてもよい。ダイオードの代表例としては、PN接合ダイオード、PIN接合を有するダイオードやアバランシェダイオード等が挙げられる。また、他の構成のダイオードを用いてもよい。このように、整流性がある素子を設けることにより、1つの方向にしか電流が流れないために、誤差が減少し、読み出しマージンが向上する。43はダイオードを絶縁する絶縁層である。   Further, in the memory element, an element having a rectifying property may be provided on the side opposite to the organic compound layer 29 with the first conductive layer 31 interposed therebetween (FIG. 2C). The rectifying element is a Schottky diode, a diode having a PN junction, a diode having a PIN junction, or a transistor in which a gate electrode and a drain electrode are connected. Here, a diode 44 including the third conductive layer 41 and the semiconductor layer 42 is provided in contact with the first conductive layer 31. Note that a rectifying element may be provided on the side opposite to the organic compound layer with the second conductive layer interposed therebetween. Further, the rectifying element may be provided between the organic compound layer 29 and the first conductive layer 31. Further, a rectifying element may be provided between the organic compound layer 29 and the second conductive layer 28. Typical examples of the diode include a PN junction diode, a diode having a PIN junction, an avalanche diode, and the like. Moreover, you may use the diode of another structure. As described above, by providing a rectifying element, current flows only in one direction, so that an error is reduced and a read margin is improved. Reference numeral 43 denotes an insulating layer for insulating the diode.

また、絶縁性を有する基板上に薄膜トランジスタ(TFT)を設けてその上に記憶素子80を設けてもよいし、絶縁性を有する基板の代わりにSi等の半導体基板やSOI基板を用いて基板上に電界効果トランジスタ(FET)を形成し、その上に記憶素子80を設けてもよい。なお、ここでは、記憶素子を薄膜トランジスタ上または電界効果トランジスタ上に形成する例を示したが、記憶素子と薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタを貼り合わせることによって設けてもよい。この場合、記憶素子と薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタは、別工程で作製し、その後、導電性フィルム、異方性導電接着剤等を用いて貼り合わせることによって設けることができる。また、薄膜トランジスタまたは電界効果トランジスタの構成は、公知のものであればどのような構成を用いてもよい。   Further, a thin film transistor (TFT) may be provided over an insulating substrate and the memory element 80 may be provided thereover, or a semiconductor substrate such as Si or an SOI substrate may be used instead of the insulating substrate. Alternatively, a field effect transistor (FET) may be formed, and a memory element 80 may be provided thereon. Note that although the example in which the memory element is formed over a thin film transistor or a field effect transistor is described here, the memory element may be provided by bonding the thin film transistor or the field effect transistor. In this case, the memory element and the thin film transistor or the field effect transistor can be provided by being manufactured in separate steps and then bonded together using a conductive film, an anisotropic conductive adhesive, or the like. Further, any configuration of the thin film transistor or the field effect transistor may be used as long as it is a known one.

また、隣接する各々の記憶素子間において横方向への電界の影響が懸念される場合は、各記憶素子に設けられた有機化合物層を分離するため、各記憶素子に設けられた有機化合物層の間に隔壁(絶縁層)を設けてもよい。また、各メモリセルごとに有機化合物層を選択的に設けた構成としてもよい。   In addition, when there is a concern about the influence of the electric field in the lateral direction between adjacent memory elements, the organic compound layer provided in each memory element is separated to separate the organic compound layer provided in each memory element. A partition wall (insulating layer) may be provided therebetween. Alternatively, an organic compound layer may be selectively provided for each memory cell.

代表的には、第1の導電層31を覆って有機化合物層29を設ける際に、第1の導電層31の段差により生じる有機化合物層29の段切れや各メモリセル間における横方向への電界の影響を防止するために第1の導電層31間に隔壁(絶縁層)39を設けてもよい(図2(D))。なお、隔壁(絶縁層)39の断面において、隔壁(絶縁層)39の側面は、第1の導電層31の表面に対して10度以上60度未満、好ましくは25度以上45度以下の傾斜角度を有することが好ましい。さらには、湾曲していることが好ましい。その後、第1の導電層31および隔壁(絶縁層)39を覆うように絶縁層32、有機化合物層29及び第2の導電層28を形成する。   Typically, when the organic compound layer 29 is provided so as to cover the first conductive layer 31, the step of the organic compound layer 29 caused by the step of the first conductive layer 31 or the lateral direction between the memory cells is formed. In order to prevent the influence of an electric field, a partition wall (insulating layer) 39 may be provided between the first conductive layers 31 (FIG. 2D). Note that in the cross section of the partition wall (insulating layer) 39, the side surface of the partition wall (insulating layer) 39 is inclined at an angle of 10 ° to less than 60 °, preferably 25 ° to 45 ° with respect to the surface of the first conductive layer 31. It is preferable to have an angle. Furthermore, it is preferable that it is curved. Thereafter, the insulating layer 32, the organic compound layer 29, and the second conductive layer 28 are formed so as to cover the first conductive layer 31 and the partition wall (insulating layer) 39.

また、第1の導電層31上に絶縁層32を形成した後、隔壁(絶縁層)39を形成してもよい。この場合、エッチング工程を用いて隔壁(絶縁層)39を形成する工程において、絶縁層32をエッチングせず、隔壁(絶縁層)39を形成する材料を選択的にエッチングされる化合物を用いて、絶縁層32及び隔壁(絶縁層)39を形成することが好ましい。 Alternatively, the partition wall (insulating layer) 39 may be formed after the insulating layer 32 is formed over the first conductive layer 31. In this case, in the step of forming the partition wall (insulating layer) 39 using the etching process, the insulating layer 32 is not etched, and a compound that selectively etches the material forming the partition wall (insulating layer) 39 is used. It is preferable to form the insulating layer 32 and the partition wall (insulating layer) 39.

隔壁(絶縁層)39を形成する場合、エッチング工程を用いて隔壁(絶縁層)39を形成する工程において生じた残渣を絶縁層32として用いてもよい。   When the partition wall (insulating layer) 39 is formed, a residue generated in the step of forming the partition wall (insulating layer) 39 using an etching process may be used as the insulating layer 32.

また、隔壁(絶縁層)39の代わりに、基板30上に、第1の方向に延びた第1の導電層31上に、第1の導電層31の一部を覆う層間絶縁層40aと、層間絶縁層上に設けられた隔壁(絶縁層)40bを設けてもよい(図2(E))。 Further, instead of the partition wall (insulating layer) 39, an interlayer insulating layer 40a covering a part of the first conductive layer 31 on the substrate 30, on the first conductive layer 31 extending in the first direction, A partition wall (insulating layer) 40b provided over the interlayer insulating layer may be provided (FIG. 2E).

第1の導電層31の一部を覆う層間絶縁層40aは、各記憶素子80ごとに開口部を有する。また、隔壁(絶縁層)40bは層間絶縁層において開口部が形成されない領域に設けられる。また、隔壁(絶縁層)40bは、第2の導電層28と同様に第2の方向に伸びる。また、隔壁(絶縁層)40bは、層間絶縁層表面に対して隔壁(絶縁層)40bの側壁の断面が、95度以上135度以下の傾斜角度を有する。 The interlayer insulating layer 40 a covering a part of the first conductive layer 31 has an opening for each memory element 80. The partition (insulating layer) 40b is provided in a region where no opening is formed in the interlayer insulating layer. Further, the partition wall (insulating layer) 40 b extends in the second direction similarly to the second conductive layer 28. In addition, the partition wall (insulating layer) 40b has an inclination angle of 95 degrees or more and 135 degrees or less with respect to the interlayer insulating layer surface.

隔壁(絶縁層)40bはフォトリソグラフィ法に従い、未露光部分が残存するポジ型感光性樹脂を用い、パターンの下部がより多くエッチングされるように露光量または現像時間を調節することによって形成する。また、隔壁(絶縁層)40bの高さは、有機化合物層29及び第2の導電層28の厚さより大きく設定する。この結果、基板30全面に有機化合物層29及び第2の導電層28を基板30上に蒸着する工程のみで、電気的に独立した複数の領域に分離され、且つ第1の方向と交差する方向に伸長するストライプ状の有機化合物層29及び第2の導電層28を形成することができる。このため、工程数を削減することが可能である。なお、隔壁(絶縁層)40b上にも有機化合物層29c及び導電層28cが形成されるが、これらは有機化合物層29及び導電層28とは分断される。 The partition wall (insulating layer) 40b is formed by using a positive photosensitive resin in which an unexposed portion remains, and adjusting the exposure amount or the development time so that the lower part of the pattern is etched more in accordance with a photolithography method. The height of the partition wall (insulating layer) 40 b is set to be larger than the thickness of the organic compound layer 29 and the second conductive layer 28. As a result, only the step of depositing the organic compound layer 29 and the second conductive layer 28 on the entire surface of the substrate 30 is separated into a plurality of electrically independent regions and intersects the first direction. A stripe-shaped organic compound layer 29 and a second conductive layer 28 extending in a straight line can be formed. For this reason, the number of processes can be reduced. Note that the organic compound layer 29c and the conductive layer 28c are also formed on the partition wall (insulating layer) 40b, but these are separated from the organic compound layer 29 and the conductive layer 28.

電圧印加を加えることによりデータの書き込みを行う場合、ロウデコーダ24a、カラムデコーダ26a、セレクタ26cにより、1つのメモリセル21を選択し、その後、書き込み回路を用いて、当該メモリセル21にデータを書き込む(図5(A)参照)。メモリセルの第1の導電層31と第2の導電層28aとの間に電圧を印加すると、第1の導電層31及び絶縁層32の間で電荷が帯電する(図4(A)参照)。第1の導電層31と第2の導電層28aとの間に、所定の電圧以上の電圧を印加すると、当該電荷が有機化合物層に注入され、有機化合物層29aに電流が流れ、有機化合物層29aにおいてジュール熱が発生する。この熱の発生と共に、有機化合物層の温度がガラス転移点以上に上昇し、有機化合物層29aが流動性を増し、膜厚が不均一になる。この結果、有機化合物層29b及び第2の導電層が変形し、第1の導電層31と第2の導電層28bとが短絡し、記憶素子の電気抵抗が変化する(図4(B)参照。)。なお、図4(B)において29bは変形した有機化合物層である。また、メモリセルにデータを書き込み場合、順方向電圧を印加する。また、逆方向電圧を印加してもよい。   When data is written by applying a voltage, one memory cell 21 is selected by the row decoder 24a, the column decoder 26a, and the selector 26c, and then data is written to the memory cell 21 using a write circuit. (See FIG. 5A). When a voltage is applied between the first conductive layer 31 and the second conductive layer 28a of the memory cell, electric charges are charged between the first conductive layer 31 and the insulating layer 32 (see FIG. 4A). . When a voltage equal to or higher than a predetermined voltage is applied between the first conductive layer 31 and the second conductive layer 28a, the charge is injected into the organic compound layer, and a current flows through the organic compound layer 29a. Joule heat is generated at 29a. With the generation of this heat, the temperature of the organic compound layer rises above the glass transition point, the organic compound layer 29a increases in fluidity, and the film thickness becomes nonuniform. As a result, the organic compound layer 29b and the second conductive layer are deformed, the first conductive layer 31 and the second conductive layer 28b are short-circuited, and the electric resistance of the memory element is changed (see FIG. 4B). .) In FIG. 4B, 29b is a deformed organic compound layer. In addition, when data is written to the memory cell, a forward voltage is applied. Further, a reverse voltage may be applied.

ショートした記憶素子は他の記憶素子と比較すると電気抵抗が大幅に小さくなる。このように、電圧印加により、2つの導電層間の電気抵抗の変化を利用してデータの書き込みを行う。   A shorted memory element has a significantly lower electrical resistance than other memory elements. As described above, data is written by applying a change in electric resistance between two conductive layers by applying a voltage.

以下に、有機メモリにデータの書き込みを行う際の具体的な動作について説明する(図5参照)。   Hereinafter, a specific operation when data is written into the organic memory will be described (see FIG. 5).

メモリセル21にデータ「1」を書き込む場合、まず、ロウデコーダ24a、レベルシフタ24b、カラムデコーダ26a、セレクタ26cによってメモリセル21を選択する。具体的には、ロウデコーダ24a、レベルシフタ24bによって、メモリセル21に接続されるワード線W3に所定の電圧V2を印加する。また、カラムデコーダ26a、セレクタ26cによって、メモリセル21に接続されるビット線B3を読み出し/書き込み回路26bに接続する。そして、読み出し/書き込み回路26bからビット線B3へ書き込み電圧V1を出力する。こうして、当該メモリセル21を構成する第1の導電層と第2の導電層の間には電圧Vw=V1−V2を印加する。電圧Vwを適切に選ぶことで、当該導電層間に設けられた有機化合物層29を物理的もしくは電気的変化させ、データ「1」の書き込みを行う。具体的には、読み出し動作電圧において、データ「1」の状態の第1の導電層と第2の導電層の間の電気抵抗が、データ「0」の状態と比して、大幅に小さくなるように変化させるとよい。例えば、(V1、V2)=(0V、5〜15V)、あるいは(3〜5V、−12〜−2V)の範囲から適宜選べば良い。電圧Vwは5〜15V、あるいは−5〜−15Vとすればよい。 When writing data “1” to the memory cell 21, first, the memory cell 21 is selected by the row decoder 24a, the level shifter 24b, the column decoder 26a, and the selector 26c. Specifically, a predetermined voltage V2 is applied to the word line W3 connected to the memory cell 21 by the row decoder 24a and the level shifter 24b. Further, the bit line B3 connected to the memory cell 21 is connected to the read / write circuit 26b by the column decoder 26a and the selector 26c. Then, the write voltage V1 is output from the read / write circuit 26b to the bit line B3. Thus, the voltage Vw = V1−V2 is applied between the first conductive layer and the second conductive layer constituting the memory cell 21. By appropriately selecting the voltage Vw, the organic compound layer 29 provided between the conductive layers is changed physically or electrically, and data “1” is written. Specifically, at the read operation voltage, the electrical resistance between the first conductive layer and the second conductive layer in the data “1” state is significantly smaller than that in the data “0” state. It is good to change as follows. For example, it may be appropriately selected from the range of (V1, V2) = (0V, 5-15V), or (3-5V, -12--2V). The voltage Vw may be 5 to 15V, or -5 to -15V.

なお、非選択のワード線および非選択のビット線には、接続されるメモリセルにデータ「1」が書き込まれないよう制御する。例えば、非選択のワード線および非選択のビット線を浮遊状態とすればよい。メモリセルを構成する第1の導電層と第2の導電層の間は、ダイオード特性など、選択性を確保できる特性を有する必要がある。 Note that data “1” is controlled not to be written in the memory cell connected to the non-selected word line and the non-selected bit line. For example, unselected word lines and unselected bit lines may be set in a floating state. The first conductive layer and the second conductive layer constituting the memory cell must have characteristics such as diode characteristics that can ensure selectivity.

一方、メモリセル21にデータ「0」を書き込む場合は、メモリセル21には電気的作用を加えなければよい。回路動作上は、例えば、「1」を書き込む場合と同様に、ロウデコーダ24a、レベルシフタ24b、カラムデコーダ26a、及びセレクタ26cによってメモリセル21を選択するが、読み出し/書き込み回路26bからビット線B3への出力電位を、選択されたワード線W3の電位あるいは非選択ワード線の電位と同程度とし、メモリセル21を構成する第1の導電層と第2の導電層の間に、メモリセル21の電気特性を変化させない程度の電圧(例えば−5〜5V)を印加すればよい。 On the other hand, when data “0” is written in the memory cell 21, it is not necessary to apply an electrical action to the memory cell 21. In the circuit operation, for example, as in the case of writing “1”, the memory cell 21 is selected by the row decoder 24a, the level shifter 24b, the column decoder 26a, and the selector 26c, but from the read / write circuit 26b to the bit line B3. Is set to the same level as the potential of the selected word line W3 or the potential of the non-selected word line, and between the first conductive layer and the second conductive layer constituting the memory cell 21, What is necessary is just to apply the voltage (for example, -5-5V) of the grade which does not change an electrical property.

続いて、有機メモリからデータの読み出しを行う際の具体的な動作について説明する(図5(B))。データの読み出しは、メモリセルを構成する第1の導電層と第2の導電層の間の電気特性が、データ「0」を有するメモリセルとデータ「1」を有するメモリセルとで異なることを利用して行う。例えば、データ「0」を有するメモリセルを構成する第1の導電層と第2の導電層の間の実効的な電気抵抗(以下、単にメモリセルの電気抵抗と呼ぶ)が、読み出し電圧においてR0、データ「1」を有するメモリセルの電気抵抗を、読み出し電圧においてR1とし、電気抵抗の差を利用して読み出す方法を説明する。なお、R1<<R0とする。読み出し/書き込み回路は、読み出し部分の構成として、例えば、図5(B)に示す抵抗素子46と差動増幅器47を用い読み出し/書き込み回路26bを考えることができる。抵抗素子46は抵抗値Rrを有し、R1<Rr<R0であるとする。抵抗素子46の代わりにトランジスタ48を用いても良いし、差動増幅器の代わりにクロックドインバータ49を用いることも可能である(図5(C))。クロックドインバータ49には、読み出しを行うときにHi、行わないときにLoとなる、信号φ又は反転信号φが入力される。勿論、回路構成は図5(B)及び(C)に限定されない。   Next, a specific operation when data is read from the organic memory will be described (FIG. 5B). In reading data, the electrical characteristics between the first conductive layer and the second conductive layer constituting the memory cell are different between the memory cell having data “0” and the memory cell having data “1”. Use it. For example, the effective electrical resistance between the first conductive layer and the second conductive layer constituting the memory cell having data “0” (hereinafter simply referred to as the electrical resistance of the memory cell) is R0 at the read voltage. A method of reading data by using the difference in electric resistance when the electric resistance of the memory cell having data “1” is R1 in the read voltage will be described. Note that R1 << R0. The read / write circuit can be considered to be a read / write circuit 26b using, for example, a resistance element 46 and a differential amplifier 47 shown in FIG. The resistance element 46 has a resistance value Rr, and R1 <Rr <R0. A transistor 48 may be used instead of the resistance element 46, and a clocked inverter 49 may be used instead of the differential amplifier (FIG. 5C). The clocked inverter 49 receives a signal φ or an inverted signal φ that becomes Hi when reading and becomes Lo when not reading. Of course, the circuit configuration is not limited to FIGS. 5B and 5C.

メモリセル21からデータの読み出しを行う場合、まず、ロウデコーダ24a、レベルシフタ24b、カラムデコーダ26a、セレクタ26cによってメモリセル21を選択する。具体的には、ロウデコーダ24a、レベルシフタ24b、によって、メモリセル21に接続されるワード線Wyに所定の電圧Vyを印加する。また、カラムデコーダ26a、セレクタ26cによって、メモリセル21に接続されるビット線Bxを読み出し/書き込み回路26bの端子Pに接続する。その結果、端子Pの電位Vpは、抵抗素子46(抵抗値Rr)とメモリセル21(抵抗値R0もしくはR1)による抵抗分割によって決定される値となる。従って、メモリセル21がデータ「0」を有する場合には、Vp0=Vy+(V0−Vy)×R0/(R0+Rr)となる。また、メモリセル21がデータ「1」を有する場合には、Vp1=Vy+(V0−Vy)×R1/(R1+Rr)となる。その結果、図5(B)では、VrefをVp0とVp1の間となるように選択することで、図5(C)では、クロックドインバータの変化点をVp0とVp1の間となるように選択することで、出力電位Voutとして、データ「0」/「1」に応じて、Lo/Hi(もしくはHi/Lo)が出力され、読み出しを行うことができる。 When reading data from the memory cell 21, first, the memory cell 21 is selected by the row decoder 24a, the level shifter 24b, the column decoder 26a, and the selector 26c. Specifically, a predetermined voltage Vy is applied to the word line Wy connected to the memory cell 21 by the row decoder 24a and the level shifter 24b. Further, the bit line Bx connected to the memory cell 21 is connected to the terminal P of the read / write circuit 26b by the column decoder 26a and the selector 26c. As a result, the potential Vp of the terminal P becomes a value determined by resistance division by the resistance element 46 (resistance value Rr) and the memory cell 21 (resistance value R0 or R1). Therefore, when the memory cell 21 has data “0”, Vp0 = Vy + (V0−Vy) × R0 / (R0 + Rr). When the memory cell 21 has data “1”, Vp1 = Vy + (V0−Vy) × R1 / (R1 + Rr). As a result, in FIG. 5B, Vref is selected to be between Vp0 and Vp1, and in FIG. 5C, the change point of the clocked inverter is selected to be between Vp0 and Vp1. Thus, Lo / Hi (or Hi / Lo) is output as the output potential Vout according to the data “0” / “1”, and reading can be performed.

例えば、差動増幅器をVdd=3Vで動作させ、Vy=0V、V0=3V、Vref=1.5Vとする。仮に、R0/Rr=Rr/R1=9とすると、メモリセルのデータが「0」の場合、Vp0=2.7VとなりVoutはHiが出力され、メモリセルのデータが「1」の場合、Vp1=0.3VとなりVoutはLoが出力される。こうして、メモリセルの読み出しを行うことができる。 For example, the differential amplifier is operated at Vdd = 3V, and Vy = 0V, V0 = 3V, and Vref = 1.5V. Assuming that R0 / Rr = Rr / R1 = 9, when the memory cell data is “0”, Vp0 = 2.7 V and Vout is Hi, and when the memory cell data is “1”, Vp1 = 0.3V and Lo is output as Vout. Thus, the memory cell can be read.

上記の方法によると、有機化合物層29の電気抵抗の状態は、抵抗値の相違と抵抗分割を利用して、電圧値で読み取っている。勿論、読み出し方法は、この方法に限定されない。例えば、電気抵抗の差を利用する以外に、電流値の差を利用して読み出しても構わない。また、メモリセルの電気特性が、データ「0」と「1」とで、しきい値電圧が異なるダイオード特性を有する場合には、しきい値電圧の差を利用して読み出しても構わない。また、記憶素子の抵抗値を電流の大きさに置き換えて読みとる方法や、ビット線をプリチャージする方法を採用することも可能である。 According to the above method, the state of the electrical resistance of the organic compound layer 29 is read as a voltage value using the difference in resistance value and resistance division. Of course, the reading method is not limited to this method. For example, in addition to using the difference in electrical resistance, reading may be performed using the difference in current value. In addition, when the electrical characteristics of the memory cell have data “0” and “1” and diode characteristics with different threshold voltages, reading may be performed using the threshold voltage difference. It is also possible to adopt a method of reading the resistance value of the memory element by replacing it with the magnitude of the current, or a method of precharging the bit line.

本実施の形態により、厚さが4nm以下、好ましくは2nm以下の絶縁層を導電層と有機化合物層との間に設けることにより、トンネル効果により有機化合物層に電荷が注入される。当該絶縁層のトンネル効果により、記憶素子の書き込み時の印加電圧及び電流値のばらつきを低減することが可能である。また、厚さが4nm以下、好ましくは2nm以下の絶縁層を導電層と有機化合物層との間に設けることにより、記憶素子の有機化合物層の厚さが薄くても、電極間でのショートを低減することが可能である。また、電荷注入性の上昇により一対の導電層の間に挟まれた有機化合物層を厚く形成することが可能であり、この結果第1の導電層表面の粗さが原因の記憶素子における書き込み前の導電層間のショート(短絡)を防止し、記憶装置の信頼性を向上することができる。この結果、記憶装置及び半導体装置の信頼性を向上させることが可能である。   According to this embodiment, an insulating layer having a thickness of 4 nm or less, preferably 2 nm or less is provided between the conductive layer and the organic compound layer, whereby charges are injected into the organic compound layer by a tunnel effect. By the tunnel effect of the insulating layer, variation in applied voltage and current value at the time of writing to the memory element can be reduced. Further, by providing an insulating layer having a thickness of 4 nm or less, preferably 2 nm or less, between the conductive layer and the organic compound layer, even if the organic compound layer of the memory element is thin, a short circuit between the electrodes can be prevented. It is possible to reduce. In addition, the organic compound layer sandwiched between the pair of conductive layers can be formed thick due to the increase in charge injection property. As a result, the roughness of the surface of the first conductive layer causes the memory element before writing. The short circuit between the conductive layers can be prevented, and the reliability of the memory device can be improved. As a result, the reliability of the memory device and the semiconductor device can be improved.

(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なる構成を有する記憶装置について説明する。具体的には、記憶装置の構成がアクティブマトリクス型の場合に関して示す。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a memory device having a structure different from that in Embodiment 1 is described. Specifically, a case where the structure of the memory device is an active matrix type will be described.

図6(A)に示したのは本実施の形態で示す有機メモリの一構成例であり、メモリセル221がマトリクス状に設けられたメモリセルアレイ222、カラムデコーダ226aと読み出し回路226bとセレクタ226cを有するビット線駆動回路226、ロウデコーダ224aとレベルシフタ224bを有するワード線駆動回路224、書き込み回路等を有し外部とのやりとりを行うインターフェース223を有している。なお、ここで示す記憶回路216の構成はあくまで一例であり、センスアンプ、出力回路、バッファ等の他の回路を有していてもよいし、書き込み回路をビット線駆動回路に設けてもよい。   6A shows an example of a structure of the organic memory shown in this embodiment mode. A memory cell array 222 in which memory cells 221 are provided in a matrix, a column decoder 226a, a reading circuit 226b, and a selector 226c are included. A bit line driver circuit 226 having a word decoder; a word line driver circuit 224 having a row decoder 224a and a level shifter 224b; an interface 223 having a write circuit and the like and performing exchange with the outside. Note that the structure of the memory circuit 216 shown here is just an example, and other circuits such as a sense amplifier, an output circuit, and a buffer may be included, and a writing circuit may be provided in the bit line driver circuit.

メモリセル221は、ビット線Bm(1≦m≦x)を構成する第1の配線と、ワード線Wn(1≦n≦y)を構成する第2の配線と、トランジスタ240と、記憶素子241とを有する。記憶素子241は、一対の導電層の間に、絶縁層及び有機化合物層が挟まれた構造を有する。   The memory cell 221 includes a first wiring that forms a bit line Bm (1 ≦ m ≦ x), a second wiring that forms a word line Wn (1 ≦ n ≦ y), a transistor 240, and a storage element 241. And have. The memory element 241 has a structure in which an insulating layer and an organic compound layer are sandwiched between a pair of conductive layers.

次に、上記構成を有するメモリセルアレイ222の上面図と断面図の一例に関して図7を用いて説明する。なお、図7(A)はメモリセルアレイ222の上面図の一例を示しており、図7(B)は図7(A)におけるA−B間の断面図を示している。なお、図7(A)においては、第1の導電層243上に形成される、隔壁(絶縁層)249、絶縁層242、有機化合物層244、及び第2の導電層245を省略している。   Next, an example of a top view and a cross-sectional view of the memory cell array 222 having the above structure is described with reference to FIGS. Note that FIG. 7A illustrates an example of a top view of the memory cell array 222, and FIG. 7B illustrates a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. 7A. Note that in FIG. 7A, the partition wall (insulating layer) 249, the insulating layer 242, the organic compound layer 244, and the second conductive layer 245 which are formed over the first conductive layer 243 are omitted. .

メモリセルアレイ222は、複数のメモリセル221がマトリクス状に設けられている。又、メモリセル221は、絶縁表面を有する基板230上にスイッチング素子として機能するトランジスタ240および当該トランジスタ240に接続された記憶素子241とを有している(図7(A)、図7(B)参照。)。記憶素子241は、絶縁層248上に形成される第1の導電層243と、第1の導電層の一部を覆う隔壁(絶縁層)249と、第1の導電層243上に形成される厚さ0.1nm以上4nm以下、好ましくは1nm以上4nm以下の絶縁層242と、第1の導電層243、隔壁(絶縁層)249、及び絶縁層242を覆う有機化合物層244と、第2の導電層245とを有する。絶縁層242は、実施の形態1に示す絶縁層32〜38の形状を適宜用いることができる。ここでは、図2(D)に示す絶縁層32と同様の形状の絶縁層242を有する記憶素子241を示す。また、トランジスタ240として、薄膜トランジスタを用いている。また、第2の導電層245を覆って保護膜として機能する絶縁層246を有する。   In the memory cell array 222, a plurality of memory cells 221 are provided in a matrix. In addition, the memory cell 221 includes a transistor 240 functioning as a switching element and a memory element 241 connected to the transistor 240 over a substrate 230 having an insulating surface (see FIGS. 7A and 7B). )reference.). The memory element 241 is formed over the first conductive layer 243 formed over the insulating layer 248, a partition wall (insulating layer) 249 that covers part of the first conductive layer, and the first conductive layer 243. An insulating layer 242 having a thickness of 0.1 nm to 4 nm, preferably 1 nm to 4 nm, a first conductive layer 243, a partition wall (insulating layer) 249, an organic compound layer 244 covering the insulating layer 242, a second A conductive layer 245. As the insulating layer 242, the shape of the insulating layers 32 to 38 described in Embodiment 1 can be used as appropriate. Here, a memory element 241 including the insulating layer 242 having the same shape as the insulating layer 32 illustrated in FIG. A thin film transistor is used as the transistor 240. In addition, the insulating layer 246 that covers the second conductive layer 245 and functions as a protective film is provided.

なお、ここでは、隔壁(絶縁層)249及び第1の導電層243上に絶縁層242を形成しているが、隔壁(絶縁層)249を形成するときに第1の導電層243上に残る残渣を絶縁層242として用いてもよい。具体的には、絶縁層248及び第1の導電層243上に絶縁層を形成し、該絶縁層をエッチングして隔壁(絶縁層)249を形成するが、この工程において第1の導電層243上にエッチング残渣が残存する。この残渣を絶縁層242として用いる。この場合、隔壁(絶縁層)249と絶縁層242を形成する化合物は同一の化合物となる。また、第1の導電層243上にのみ絶縁層242が形成され、隔壁(絶縁層)249上には絶縁層242が設けられない。このような構造を有する記憶装置は、絶縁層242の形成工程を省くことが可能であるため、スループットを向上させることが可能である。 Note that although the insulating layer 242 is formed over the partition wall (insulating layer) 249 and the first conductive layer 243 here, the insulating layer 242 remains on the first conductive layer 243 when the partition wall (insulating layer) 249 is formed. The residue may be used as the insulating layer 242. Specifically, an insulating layer is formed over the insulating layer 248 and the first conductive layer 243, and the insulating layer is etched to form a partition wall (insulating layer) 249. In this step, the first conductive layer 243 is formed. Etching residue remains on the top. This residue is used as the insulating layer 242. In this case, the compounds forming the partition wall (insulating layer) 249 and the insulating layer 242 are the same compound. Further, the insulating layer 242 is formed only over the first conductive layer 243, and the insulating layer 242 is not provided over the partition wall (insulating layer) 249. In the memory device having such a structure, the step of forming the insulating layer 242 can be omitted, so that throughput can be improved.

トランジスタ240に用いることが可能な薄膜トランジスタの一態様について、図16を参照して説明する。図16(A)はトップゲート型の薄膜トランジスタを適用する一例を示している。絶縁表面を有する基板230上に絶縁層105が設けられ、絶縁層105上に薄膜トランジスタが設けられている。薄膜トランジスタは、絶縁層105上に半導体層1302、ゲート絶縁層として機能することができる絶縁層1303が設けられている。絶縁層1303の上には、半導体層1302に対応してゲート電極1304が形成され、その上層に保護層として機能する絶縁層1305、層間絶縁層として機能する絶縁層248が設けられている。また、半導体層のソース領域及びドレイン領域それぞれに接続する第1の導電層243が形成される。さらにその上層に、保護層として機能する絶縁層を形成しても良い。   One mode of a thin film transistor that can be used for the transistor 240 is described with reference to FIGS. FIG. 16A illustrates an example in which a top-gate thin film transistor is applied. An insulating layer 105 is provided over a substrate 230 having an insulating surface, and a thin film transistor is provided over the insulating layer 105. In the thin film transistor, a semiconductor layer 1302 and an insulating layer 1303 which can function as a gate insulating layer are provided over the insulating layer 105. Over the insulating layer 1303, a gate electrode 1304 is formed corresponding to the semiconductor layer 1302, and an insulating layer 1305 functioning as a protective layer and an insulating layer 248 functioning as an interlayer insulating layer are provided thereover. In addition, a first conductive layer 243 connected to each of the source region and the drain region of the semiconductor layer is formed. Further, an insulating layer functioning as a protective layer may be formed thereon.

半導体層1302は、結晶構造を有する半導体で形成される層であり、非単結晶半導体若しくは単結晶半導体を用いることができる。特に、非晶質若しくは微結晶質の半導体を、レーザ光の照射により結晶化させた結晶性半導体、加熱処理により結晶化させた結晶性半導体、加熱処理とレーザ光の照射を組み合わせて結晶化させた結晶性半導体を適用することが好ましい。加熱処理においては、シリコン半導体の結晶化を助長する作用のあるニッケルなどの金属元素を用いた結晶化法を適用することができる。   The semiconductor layer 1302 is a layer formed of a semiconductor having a crystal structure, and a non-single-crystal semiconductor or a single-crystal semiconductor can be used. In particular, an amorphous or microcrystalline semiconductor is crystallized by crystallizing a semiconductor that is crystallized by laser light irradiation, a crystallized semiconductor that is crystallized by heat treatment, or a combination of heat treatment and laser light irradiation. It is preferable to apply a crystalline semiconductor. In the heat treatment, a crystallization method using a metal element such as nickel which has an action of promoting crystallization of a silicon semiconductor can be applied.

レーザ光を照射して結晶化する場合には、連続発振レーザ光の照射若しくは繰り返し周波数が10MHz以上であって、パルス幅が1ナノ秒以下、好ましくは1乃至100ピコ秒である高繰返周波数超短パルス光を照射することによって、結晶性半導体が溶融した溶融帯を、当該レーザ光の照射方向に連続的に移動させながら結晶化を行うことができる。このような結晶化法により、大粒径であって、結晶粒界が一方向に延びる結晶性半導体を得ることができる。キャリアのドリフト方向を、この結晶粒界が延びる方向に合わせることで、トランジスタにおける電界効果移動度を高めることができる。例えば、400cm/V・sec以上を実現することができる。 In the case of crystallization by irradiating with laser light, high repetition frequency with continuous wave laser light irradiation or repetition frequency of 10 MHz or more and pulse width of 1 nanosecond or less, preferably 1 to 100 picoseconds. By irradiating with ultrashort pulse light, crystallization can be performed while continuously moving the molten zone in which the crystalline semiconductor is melted in the irradiation direction of the laser light. By such a crystallization method, a crystalline semiconductor having a large particle diameter and a crystal grain boundary extending in one direction can be obtained. By adjusting the carrier drift direction to the direction in which the crystal grain boundary extends, the field-effect mobility in the transistor can be increased. For example, 400 cm 2 / V · sec or more can be realized.

上記結晶化工程を、ガラス基板の耐熱温度(約600℃)以下の結晶化プロセスを用いる場合、大面積ガラス基板を用いることが可能である。このため、基板あたり大量の半導体装置を作製することが可能であり、低コスト化が可能である。 When the crystallization process is performed using a crystallization process at a heat resistant temperature (about 600 ° C.) or lower of the glass substrate, a large-area glass substrate can be used. Therefore, a large amount of semiconductor devices can be manufactured per substrate, and the cost can be reduced.

また、ガラス基板の耐熱温度以上の加熱により、結晶化工程を行い、半導体層1302を形成してもよい。代表的には、絶縁性基板に石英基板を用い、非晶質若しくは微結晶質の半導体を700度以上で加熱して半導体層1302を形成する。この結果、結晶性の高い半導体を形成することが可能である。このため、応答速度や移動度などの特性が良好で、高速な動作が可能な薄膜トランジスタを提供することができる。 Alternatively, the semiconductor layer 1302 may be formed by performing a crystallization step by heating at a temperature equal to or higher than the heat resistant temperature of the glass substrate. Typically, a quartz substrate is used as the insulating substrate, and the semiconductor layer 1302 is formed by heating an amorphous or microcrystalline semiconductor at 700 ° C. or higher. As a result, a semiconductor with high crystallinity can be formed. Therefore, a thin film transistor that has favorable characteristics such as response speed and mobility and can operate at high speed can be provided.

絶縁層1303としては、プラズマCVD法またはスパッタリング法などの薄膜形成法を用い、窒化シリコン、酸化シリコン、その他の珪素を含む絶縁膜の単層又は積層構造で形成する。また、絶縁層1303を、液滴吐出法、塗布法、ゾルゲル法等を用いて絶縁性を有する溶液を用いて形成することができる。絶縁性を有する溶液の代表例としては、無機酸化物の微粒子が分散された溶液、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、アクリル、PSG(リンガラス)、BPSG(ボロンリンガラス)、シリケート系SOG(Spin on Glass)、アルコキシシリケート系SOG、ポリシラザン系SOG、ポリメチルシロキサンに代表される、Si−CH結合を有するSiOを適宜用いることができる。 The insulating layer 1303 is formed by a single layer or a stacked structure of an insulating film containing silicon nitride, silicon oxide, or other silicon by a thin film formation method such as a plasma CVD method or a sputtering method. The insulating layer 1303 can be formed using an insulating solution by a droplet discharge method, a coating method, a sol-gel method, or the like. Typical examples of the insulating solution include a solution in which fine particles of inorganic oxide are dispersed, polyimide, polyamide, polyester, acrylic, PSG (phosphorus glass), BPSG (boron phosphorus glass), and silicate-based SOG (Spin on Glass). ), SiO 2 having a Si—CH 2 bond represented by alkoxysilicate SOG, polysilazane SOG, and polymethylsiloxane can be used as appropriate.

ゲート電極1304は金属又は一導電型の不純物を添加した多結晶半導体で形成することができる。金属を用いる場合は、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)などを用いることができる。また、した金属を窒化させた金属窒化物を用いることができる。或いは、当該金属窒化物からなる第1層と当該金属から成る第2層とを積層させた構造としても良い。積層構造とする場合には、第1層の端部が第2層の端部より外側に突き出した形状としても良い。このとき第1層を金属窒化物とすることで、バリアメタルとすることができる。すなわち、第2層の金属が、絶縁層1303やその下層の半導体層1302に拡散することを防ぐことができる。   The gate electrode 1304 can be formed using a metal or a polycrystalline semiconductor to which an impurity of one conductivity type is added. In the case of using a metal, tungsten (W), molybdenum (Mo), titanium (Ti), tantalum (Ta), aluminum (Al), or the like can be used. Further, a metal nitride obtained by nitriding the metal can be used. Or it is good also as a structure which laminated | stacked the 1st layer which consists of the said metal nitride, and the 2nd layer which consists of the said metal. In the case of a laminated structure, the end of the first layer may protrude outward from the end of the second layer. At this time, a barrier metal can be formed by using a metal nitride for the first layer. That is, the second layer metal can be prevented from diffusing into the insulating layer 1303 and the semiconductor layer 1302 below the insulating layer 1303.

ゲート電極1304の側面には、サイドウォール(側壁スペーサ)1308が形成される。サイドウォールは、基板上にCVD法により酸化珪素で形成される絶縁層を形成し、該絶縁層をRIE(Reactive ion etching:反応性イオンエッチング)法により異方性エッチングすることで形成できる。 Sidewalls (sidewall spacers) 1308 are formed on the side surfaces of the gate electrode 1304. The sidewall can be formed by forming an insulating layer made of silicon oxide on the substrate by a CVD method and anisotropically etching the insulating layer by a RIE (Reactive ion etching) method.

半導体層1302、絶縁層1303、ゲート電極1304などを組み合わせて構成される薄膜トランジスタは、シングルドレイン構造、LDD(低濃度ドレイン)構造、ゲートオーバーラップドレイン構造など各種構造を適用することができる。ここでは、サイドウォールが重畳する半導体層において、低濃度不純物領域1310が形成されるLDD構造の薄膜トランジスタを示す。また、シングルゲート構造、等価的には同電位のゲート電圧が印加される薄膜トランジスタが直列に接続された形となるマルチゲート構造、半導体層を上下にゲート電極で挟むデュアルゲート構造を適用することができる。   A thin film transistor including a combination of the semiconductor layer 1302, the insulating layer 1303, the gate electrode 1304, and the like can employ various structures such as a single drain structure, an LDD (low concentration drain) structure, and a gate overlap drain structure. Here, a thin film transistor having an LDD structure in which a low concentration impurity region 1310 is formed in a semiconductor layer where sidewalls overlap is shown. In addition, a single gate structure, equivalently a multi-gate structure in which thin film transistors to which a gate voltage of the same potential is applied is connected in series, or a dual gate structure in which a semiconductor layer is sandwiched between gate electrodes can be applied. it can.

絶縁層248は、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンなどの無機絶縁材料、又はアクリル樹脂及びポリイミド樹脂などの有機絶縁材料で形成する。スピン塗布やロールコーターなど塗布法を用いる場合には、液状の絶縁膜材料を塗布した後、熱処理により酸化シリコンで形成される絶縁層を用いることもできる。例えば、シロキサン結合を含む材料を塗布し、200乃至400度での熱処理により酸化シリコンを含む絶縁層を用いることができる。絶縁層248を、塗布法で形成する絶縁層やリフローにより平坦化した絶縁層を形成することで、その層上に形成する配線の断線を防止することができる。また、多層配線を形成する際にも有効に利用することができる。   The insulating layer 248 is formed using an inorganic insulating material such as silicon oxide or silicon oxynitride, or an organic insulating material such as an acrylic resin or a polyimide resin. When a coating method such as spin coating or roll coater is used, an insulating layer formed of silicon oxide by heat treatment can be used after applying a liquid insulating film material. For example, an insulating layer containing silicon oxide can be used by applying a material containing a siloxane bond and performing heat treatment at 200 to 400 ° C. By forming the insulating layer 248 by an application method or an insulating layer flattened by reflow, disconnection of wiring formed on the layer can be prevented. It can also be used effectively when forming multilayer wiring.

絶縁層248の上に形成される第1の導電層243は、ゲート電極1304と同じ層で形成される配線と交差して設けることが可能であり、多層配線構造を形成している。絶縁層248と同様に機能を有する絶縁層を複数積層して、その層上に配線を形成することで多層配線構造を形成することができる。第1の導電層243はチタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造、モリブデン(Mo)とアルミニウム(Al)との積層構造、アルミニウム(Al)のような低抵抗材料と、チタン(Ti)やモリブデン(Mo)などの高融点金属材料を用いたバリアメタルとの組み合わせで形成することが好ましい。   The first conductive layer 243 formed over the insulating layer 248 can be provided so as to intersect with a wiring formed in the same layer as the gate electrode 1304, and forms a multilayer wiring structure. A multilayer wiring structure can be formed by stacking a plurality of insulating layers having the same function as the insulating layer 248 and forming wirings on the insulating layers. The first conductive layer 243 includes a stacked structure of titanium (Ti) and aluminum (Al), a stacked structure of molybdenum (Mo) and aluminum (Al), a low-resistance material such as aluminum (Al), and titanium (Ti). And a combination with a barrier metal using a refractory metal material such as molybdenum (Mo).

図16(B)は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタを適用する一例を示している。絶縁表面を有する基板230上に絶縁層105が形成され、その上に薄膜トランジスタが設けられている。薄膜トランジスタには、ゲート電極1304、ゲート絶縁層として機能する絶縁層1303、半導体層1302、チャネル保護層1309、保護層として機能する絶縁層1305、層間絶縁層として機能する絶縁層248が設けられている。さらにその上層には、保護層として機能する絶縁層を形成しても良い。第1の導電層243は、絶縁層1305の層上若しくは絶縁層248の層上に形成することができる。なお、ボトムゲート型の薄膜トランジスタの場合は、絶縁層105が形成されなくともよい。   FIG. 16B illustrates an example in which a bottom-gate thin film transistor is applied. An insulating layer 105 is formed over a substrate 230 having an insulating surface, and a thin film transistor is provided thereover. The thin film transistor is provided with a gate electrode 1304, an insulating layer 1303 functioning as a gate insulating layer, a semiconductor layer 1302, a channel protective layer 1309, an insulating layer 1305 functioning as a protective layer, and an insulating layer 248 functioning as an interlayer insulating layer. . Further, an insulating layer functioning as a protective layer may be formed thereon. The first conductive layer 243 can be formed over the insulating layer 1305 or the insulating layer 248. Note that in the case of a bottom-gate thin film transistor, the insulating layer 105 is not necessarily formed.

また、絶縁表面を有する基板230が可撓性を有する基板である場合、耐熱温度がガラス基板等の非可撓性基板と比較して低い。このため、薄膜トランジスタは、有機半導体を用いて形成することが好ましい。 In the case where the substrate 230 having an insulating surface is a flexible substrate, the heat resistant temperature is lower than that of a non-flexible substrate such as a glass substrate. For this reason, the thin film transistor is preferably formed using an organic semiconductor.

ここで、有機半導体を用いる薄膜トランジスタの構造について、図16(C)、(D)を参照して説明する。図16(C)は、スタガ型の有機半導体トランジスタを適用する一例を示している。可撓性を有する基板1401上に有機半導体トランジスタが設けられている。有機半導体トランジスタは、ゲート電極1402、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層1403、ゲート電極及びゲート絶縁膜として機能する絶縁層と重畳する半導体層1404、半導体層1404に接続する第1の導電層243が形成されている。なお、半導体層は、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層1403及び第1の導電層243に一部挟持されている。 Here, a structure of a thin film transistor using an organic semiconductor is described with reference to FIGS. FIG. 16C illustrates an example in which a staggered organic semiconductor transistor is applied. An organic semiconductor transistor is provided over a flexible substrate 1401. The organic semiconductor transistor includes a gate electrode 1402, an insulating layer 1403 functioning as a gate insulating film, a semiconductor layer 1404 overlapping with the insulating layer functioning as the gate electrode and the gate insulating film, and a first conductive layer 243 connected to the semiconductor layer 1404. Is formed. Note that the semiconductor layer is partly sandwiched between the insulating layer 1403 functioning as a gate insulating film and the first conductive layer 243.

ゲート電極1402は、ゲート電極1304と同様の材料及び手法により、形成することができる。また、液滴吐出法を用い、乾燥・焼成してゲート電極1402を形成することができる。また、可撓性を有する基板上に、導電性微粒子を含むペーストを印刷法により印刷し、乾燥・焼成してゲート電極1402を形成することができる。導電性微粒子の代表例としては、金、銅、金と銀の合金、金と銅の合金、銀と銅の合金、金と銀と銅の合金のいずれかを主成分とする微粒子でもよい。また、インジウム錫酸化物(ITO)などの導電性酸化物を主成分とする微粒子でもよい。 The gate electrode 1402 can be formed using a material and a method similar to those of the gate electrode 1304. Alternatively, the gate electrode 1402 can be formed by drying and baking using a droplet discharge method. Alternatively, the gate electrode 1402 can be formed by printing a paste containing conductive fine particles on a flexible substrate by a printing method, followed by drying and baking. As typical examples of the conductive fine particles, fine particles mainly containing any one of gold, copper, an alloy of gold and silver, an alloy of gold and copper, an alloy of silver and copper, and an alloy of gold, silver and copper may be used. Further, fine particles mainly containing a conductive oxide such as indium tin oxide (ITO) may be used.

ゲート絶縁膜として機能する絶縁層1403は、絶縁層1303と同様の材料及び手法により形成することができる。但し、液状の絶縁膜材料を塗布した後、熱処理により絶縁層を形成する場合、熱処理温度が可撓性を有する基板の耐熱温度より低い温度で行う。 The insulating layer 1403 functioning as a gate insulating film can be formed using a material and a method similar to those of the insulating layer 1303. However, when the insulating layer is formed by heat treatment after applying the liquid insulating film material, the heat treatment temperature is lower than the heat resistance temperature of the flexible substrate.

有機半導体トランジスタの半導体層1404の材料としては、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、フタロシアニン、電荷移動型錯体等が挙げられる。例えばアントラセン、テトラセン、ペンタセン、6T(ヘキサチオフェン)、TCNQ(テトラシアノキノジメタン)、PTCDA(ペリレンカルボン酸無水化物)、NTCDA(ナフタレンカルボン酸無水化物)などを用いることができる。また、有機半導体トランジスタの半導体層1404の材料としては、有機高分子化合物等のπ共役系高分子、カーボンナノチューブ、ポリビニルピリジン、フタロシアニン金属錯体等が挙げられる。特に骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ(3アルキルチオフェン)、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いると好ましい。 Examples of the material of the semiconductor layer 1404 of the organic semiconductor transistor include polycyclic aromatic compounds, conjugated double bond compounds, phthalocyanines, and charge transfer complexes. For example, anthracene, tetracene, pentacene, 6T (hexathiophene), TCNQ (tetracyanoquinodimethane), PTCDA (perylene carboxylic acid anhydride), NTCDA (naphthalene carboxylic acid anhydride) and the like can be used. Examples of the material for the semiconductor layer 1404 of the organic semiconductor transistor include π-conjugated polymers such as organic polymer compounds, carbon nanotubes, polyvinyl pyridine, and phthalocyanine metal complexes. In particular, when a polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythienylene, polythiophene derivative, poly (3 alkylthiophene), polyparaphenylene derivative or polyparaphenylene vinylene derivative is used, which is a π-conjugated polymer whose skeleton is composed of conjugated double bonds preferable.

また、有機半導体トランジスタの半導体層の形成方法としては、基板に膜厚の均一な膜が形成できる方法を用いればよい。厚さは1nm以上1000nm以下、好ましくは10nm以上100nm以下が望ましい。具体的な方法としては、蒸着法、塗布法、スピンコーティング法、オ−バーコート法、溶液キャスト法、ディップ法、スクリーン印刷法、ロールコーター法、又は液滴吐出法を用いることができる。   As a method for forming the semiconductor layer of the organic semiconductor transistor, a method capable of forming a film with a uniform thickness on the substrate may be used. The thickness is 1 nm to 1000 nm, preferably 10 nm to 100 nm. As a specific method, a vapor deposition method, a coating method, a spin coating method, an overcoat method, a solution casting method, a dip method, a screen printing method, a roll coater method, or a droplet discharge method can be used.

図16(D)は、コプレナー型の有機半導体トランジスタを適用する一例を示している。可撓性を有する基板1401上に有機半導体トランジスタが設けられている。有機半導体トランジスタは、ゲート電極1402、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層1403、第1の導電層243、ゲート電極及びゲート絶縁層として機能する絶縁層に重畳する半導体層1404が形成されている。また、第1の導電層243は、ゲート絶縁層として機能する絶縁層及び半導体層に一部挟持されている。 FIG. 16D illustrates an example in which a coplanar organic semiconductor transistor is used. An organic semiconductor transistor is provided over a flexible substrate 1401. In the organic semiconductor transistor, a gate electrode 1402, an insulating layer 1403 functioning as a gate insulating film, a first conductive layer 243, and a semiconductor layer 1404 overlapping with the insulating layer functioning as a gate electrode and a gate insulating layer are formed. The first conductive layer 243 is partly sandwiched between an insulating layer functioning as a gate insulating layer and a semiconductor layer.

さらには、薄膜トランジスタや有機半導体トランジスタはスイッチング素子として機能し得るものであれば、どのような構成で設けてもよい。 Further, the thin film transistor and the organic semiconductor transistor may be provided in any configuration as long as they can function as a switching element.

また、単結晶基板やSOI基板を用いて、トランジスタを形成し、その上に記憶素子を設けてもよい。SOI基板はウェハの貼り合わせによる方法や酸素イオンをSi基板内に打ち込むことにより内部に絶縁層を形成するSIMOXと呼ばれる方法を用いて形成すればよい。ここでは、図7(C)に示すように、単結晶半導体基板260上に設けられた電界効果トランジスタ262に記憶素子241が接続されていている。また、電界効果トランジスタ262の配線を覆うように絶縁層250を設け、当該絶縁層250上に記憶素子241を設けている。   Alternatively, a transistor may be formed using a single crystal substrate or an SOI substrate, and a memory element may be provided thereover. The SOI substrate may be formed using a method called wafer bonding or a method called SIMOX in which an insulating layer is formed inside by implanting oxygen ions into the Si substrate. Here, as shown in FIG. 7C, a memory element 241 is connected to a field-effect transistor 262 provided over a single crystal semiconductor substrate 260. In addition, an insulating layer 250 is provided so as to cover the wiring of the field-effect transistor 262, and the memory element 241 is provided over the insulating layer 250.

このような単結晶半導体で形成されるトランジスタは、応答速度や移動度などの特性が良好なために、高速な動作が可能なトランジスタを提供することができる。また、トランジスタは、その特性のバラツキが少ないために、高い信頼性を実現した半導体装置を提供することができる。 Since a transistor formed using such a single crystal semiconductor has favorable characteristics such as response speed and mobility, a transistor that can operate at high speed can be provided. In addition, since the transistor has less variation in characteristics, a semiconductor device that achieves high reliability can be provided.

記憶素子241は、絶縁層250上に形成される第1の導電層264と、第1の導電層264及び第1の導電層上に形成される厚さ0.1nm以上4nm以下、好ましくは1nm以上4nm以下の絶縁層242と、隔壁(絶縁層)249、及び絶縁層242を覆う有機化合物層244と、第2の導電層245とを有する。 The memory element 241 includes a first conductive layer 264 formed over the insulating layer 250 and a thickness of 0.1 nm to 4 nm, preferably 1 nm, formed over the first conductive layer 264 and the first conductive layer. The insulating layer 242 has a thickness of 4 nm or less, the partition wall (insulating layer) 249, the organic compound layer 244 that covers the insulating layer 242, and the second conductive layer 245.

このように、絶縁層250を設けて記憶素子241を形成することによって第1の導電層264を自由に配置することができる。つまり、図7(A)、(B)の構成では、トランジスタ240の配線を避けた領域に記憶素子241を設ける必要があったが、上記構成とすることによって、例えば、トランジスタを有する層251に設けられたトランジスタ262の上方に記憶素子241を形成することが可能となる。その結果、記憶回路216をより高集積化することが可能となる。即ち、トランジスタ及び記憶回路216が一部または全部重複していてもよい。   In this manner, the first conductive layer 264 can be freely arranged by providing the insulating layer 250 and forming the memory element 241. In other words, in the structures of FIGS. 7A and 7B, the memory element 241 has to be provided in a region where the wiring of the transistor 240 is avoided; however, with the above structure, for example, the layer 251 including the transistor The memory element 241 can be formed above the provided transistor 262. As a result, the memory circuit 216 can be more highly integrated. That is, some or all of the transistors and the memory circuit 216 may overlap.

なお、図7(B)、(C)に示す構成において、有機化合物層244は基板全面に設けた例を示しているが、各メモリセルのみに有機化合物層244を選択的に設けてもよい。この場合、液滴吐出法等を用いて有機化合物を吐出し焼成して選択的に有機化合物層を設けることにより材料の利用効率を向上させることが可能となる。   7B and 7C, the organic compound layer 244 is provided over the entire surface of the substrate, but the organic compound layer 244 may be selectively provided only in each memory cell. . In this case, the use efficiency of the material can be improved by selectively providing an organic compound layer by discharging and baking an organic compound using a droplet discharge method or the like.

第1の導電層243、264及び第2の導電層245の材料および形成方法は、上記実施の形態1で示した第1の導電層81及び第2の導電層28の材料および形成方法のいずれかを用いて同様に行うことができる。   The materials and formation methods of the first conductive layers 243 and 264 and the second conductive layer 245 are any of the materials and formation methods of the first conductive layer 81 and the second conductive layer 28 described in Embodiment Mode 1. It can carry out similarly using these.

また、絶縁層242、有機化合物層244は、上記実施の形態1で示した有機化合物層29と同様の材料および形成方法を用いて設けることができる。   The insulating layer 242 and the organic compound layer 244 can be provided using a material and a formation method similar to those of the organic compound layer 29 described in Embodiment Mode 1.

また、第1の導電層243、264と有機化合物層244との間に、整流性を有する素子を設けてもよい。整流性を有する素子とは、ゲート電極とドレイン電極を接続したトランジスタ、又はダイオードである。なお、整流性を有する素子は、有機化合物層244と第2の導電層245との間に設けてもよい。   Further, a rectifying element may be provided between the first conductive layers 243 and 264 and the organic compound layer 244. The element having a rectifying property is a transistor or a diode in which a gate electrode and a drain electrode are connected. Note that the element having a rectifying property may be provided between the organic compound layer 244 and the second conductive layer 245.

また、絶縁表面を有する基板230上に剥離層を設け、剥離層上にトランジスタを有する層253及び記憶素子241を形成した後、トランジスタを有する層253及び記憶素子241を剥離層から剥離し、基板461上に接着層462を介してトランジスタを有する層253及び記憶素子241を貼り合わせても良い(図10参照)。なお剥離方法としては、(1)耐熱性の高い基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として金属酸化物層を設け、当該金属酸化物層を結晶化により脆弱化して、当該トランジスタを有する層を剥離する方法、(2)耐熱性の高い基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として水素を含む非晶質珪素膜を設け、レーザ光の照射により非晶質珪素膜の水素ガスを放出させて耐熱性の高い基板を剥離する方法、または剥離層に非晶質珪素膜を設け、エッチングにより当該非晶質珪素膜を除去することで、当該トランジスタを有する層を剥離する方法、(3)トランジスタを有する層が形成された耐熱性の高い基板を機械的に削除する、又は溶液によるエッチングで除去する方法、(4)耐熱性の高い基板とトランジスタを有する層の間に剥離層として金属層及び金属酸化物層を設け、当該金属酸化物層を結晶化により脆弱化し、金属層の一部を溶液やNF、BrF、ClF等のフッ化ハロゲンガスによりエッチングで除去した後、脆弱化された金属酸化物層において物理的に剥離する方法等を用いればよい。 Further, after a separation layer is provided over the substrate 230 having an insulating surface and the transistor 253 and the memory element 241 are formed over the separation layer, the transistor 253 and the memory element 241 are separated from the separation layer. A layer 253 having a transistor and a memory element 241 may be attached to the memory element 241 with an adhesive layer 462 interposed therebetween (see FIGS. Note that as a peeling method, (1) a layer having a transistor is provided by providing a metal oxide layer as a peeling layer between a substrate having high heat resistance and a layer having a transistor, and weakening the metal oxide layer by crystallization. (2) An amorphous silicon film containing hydrogen is provided as a peeling layer between a substrate having high heat resistance and a layer having a transistor, and hydrogen gas of the amorphous silicon film is released by laser light irradiation. And a method of peeling a layer having the transistor by providing an amorphous silicon film on a peeling layer and removing the amorphous silicon film by etching, (3 ) A method of mechanically removing a substrate having high heat resistance on which a layer having a transistor is formed or removing by etching with a solution; (4) peeling between a substrate having high heat resistance and a layer having a transistor; The metal layer and metal oxide layer provided as a layer, the metal oxide layer is weakened by crystallization, is etched away by a part of the solution and NF 3, BrF 3, ClF 3 fluoride such as a halogen gas metal layer Then, a method of physically peeling off the weakened metal oxide layer or the like may be used.

また、基板461としては、実施の形態1で示した基板30で示した可撓性基板、熱可塑性を示すフィルム、繊維質な材料からなる紙等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。   In addition, as the substrate 461, a flexible substrate shown in the substrate 30 described in Embodiment 1, a film showing thermoplasticity, paper made of a fibrous material, or the like can be used, so that the memory device can be made small and thin. It is possible to reduce the weight.

次に、記憶回路216にデータの書き込みを行うときの動作について説明する(図6)。   Next, an operation when data is written to the memory circuit 216 will be described (FIG. 6).

まず、電圧印加によりデータの書き込みを行うときの動作について説明する。ここでは、m列目n行目のメモリセル221にデータの書き込みを行う場合について説明する。この場合、ロウデコーダ224a、カラムデコーダ226a、セレクタ226cにより、m列目のビット線Bmと、n行目のワード線Wnが選択され、m列目n行目のメモリセル221が含むトランジスタ240がオン状態となる。続いて、書き込み回路により、m列目のビット線Bmに、所定の電圧が印加される。ここで印加する電圧は、記憶素子241の両電極が短絡する程度の電圧値であり、通常よりも高い電圧が印加される。   First, an operation when data is written by voltage application will be described. Here, a case where data is written to the memory cell 221 in the m-th column and the n-th row will be described. In this case, the row decoder 224a, the column decoder 226a, and the selector 226c select the bit line Bm in the m-th column and the word line Wn in the n-th row, and the transistor 240 included in the memory cell 221 in the m-th column and the n-th row Turns on. Subsequently, a predetermined voltage is applied to the bit line Bm in the m-th column by the writing circuit. The voltage applied here is a voltage value at which both electrodes of the memory element 241 are short-circuited, and a voltage higher than usual is applied.

m列目のビット線Bmに印加された電圧は、第1の導電層243に印加され、第1の導電層243と第2の導電層245の間には電位差が生じる(図7(B)参照。)。そうすると、第1の導電層243及び絶縁層242の間で電荷が帯電する。第1の導電層243と第2の導電層245との間に、所定の電圧以上の電圧を印加すると、当該電荷が、有機化合物層に注入される。この結果、有機化合物層244に電流が流れてジュール熱が発生する。この熱の発生と共に、有機化合物層の温度がガラス転移点以上に上昇し、有機化合物層244が流動性を増し、有機化合物層の膜厚が不均一になる。この結果、有機化合物層244及び第2の導電層が変形し、第1の導電層243と第2の導電層245とが短絡し、記憶素子の電気抵抗が変化する。また、電流が流れなかった記憶素子の抵抗値は変化しない。   The voltage applied to the bit line Bm in the m-th column is applied to the first conductive layer 243, and a potential difference is generated between the first conductive layer 243 and the second conductive layer 245 (FIG. 7B). reference.). Then, electric charges are charged between the first conductive layer 243 and the insulating layer 242. When a voltage equal to or higher than a predetermined voltage is applied between the first conductive layer 243 and the second conductive layer 245, the charge is injected into the organic compound layer. As a result, a current flows through the organic compound layer 244 and Joule heat is generated. With the generation of this heat, the temperature of the organic compound layer rises above the glass transition point, the organic compound layer 244 increases in fluidity, and the film thickness of the organic compound layer becomes nonuniform. As a result, the organic compound layer 244 and the second conductive layer are deformed, the first conductive layer 243 and the second conductive layer 245 are short-circuited, and the electric resistance of the memory element is changed. Further, the resistance value of the memory element in which no current flows does not change.

次に、電圧印加により、データの読み出しを行う際の動作について具体的に説明する(図6、図7参照。)。   Next, an operation for reading data by applying a voltage will be specifically described (see FIGS. 6 and 7).

メモリセル221にデータ「1」を書き込む場合、まず、ロウデコーダ224a、レベルシフタ224b、カラムデコーダ226a、セレクタ226cによってメモリセル221を選択する。具体的には、ロウデコーダ224a、レベルシフタ224bによって、メモリセル221に接続されるワード線Wnに所定の電圧V22を印加する。また、カラムデコーダ226a、セレクタ226cによって、メモリセル221に接続されるビット線Bmを読み出し/書き込み回路226bに接続する。そして、読み出し/書き込み回路226bからビット線B3へ書き込み電圧V21を出力する。 When data “1” is written to the memory cell 221, the memory cell 221 is first selected by the row decoder 224a, the level shifter 224b, the column decoder 226a, and the selector 226c. Specifically, a predetermined voltage V22 is applied to the word line Wn connected to the memory cell 221 by the row decoder 224a and the level shifter 224b. Further, the bit line Bm connected to the memory cell 221 is connected to the read / write circuit 226b by the column decoder 226a and the selector 226c. Then, the write voltage V21 is output from the read / write circuit 226b to the bit line B3.

こうして、メモリセルを構成するトランジスタ240をオン状態とし、記憶素子241に、ビット線を電気的に接続し、おおむねVw=VcomーV21の電圧を印加する。なお、記憶素子241の一方の電極は電位Vcomの共通電極に接続されている。電位Vwを適切に選ぶことで、当該導電層間に設けられた有機化合物層29を物理的もしくは電気的変化させ、データ「1」の書き込みを行う。具体的には、読み出し動作電圧において、データ「1」の状態の第1の導電層と第2の導電層の間の電気抵抗が、データ「0」の状態と比して、大幅に小さくなるように変化させるとよく、単に短絡(ショート)させてもよい。なお、電位は、(V21、V22、Vcom)=(5〜15V、5〜15V、0V)、あるいは(−12〜0V、−12〜0V、3〜5V)の範囲から適宜選べば良い。電圧Vwは5〜15V、あるいは−5〜−15Vとすればよい。 Thus, the transistor 240 included in the memory cell is turned on, the bit line is electrically connected to the memory element 241, and a voltage of approximately Vw = Vcom−V21 is applied. Note that one electrode of the memory element 241 is connected to a common electrode of the potential Vcom. By appropriately selecting the potential Vw, the organic compound layer 29 provided between the conductive layers is changed physically or electrically, and data “1” is written. Specifically, at the read operation voltage, the electrical resistance between the first conductive layer and the second conductive layer in the data “1” state is significantly smaller than that in the data “0” state. It may be changed as described above, or it may be simply short-circuited. The potential may be appropriately selected from the range of (V21, V22, Vcom) = (5-15V, 5-15V, 0V), or (-12 to 0V, -12 to 0V, 3 to 5V). The voltage Vw may be 5 to 15V, or -5 to -15V.

なお、非選択のワード線および非選択のビット線には、接続されるメモリセルにデータ「1」が書き込まれないよう制御する。具体的には、非選択のワード線には接続されるメモリセルのトランジスタをオフ状態とする電位(例えば0V)を印加し、非選択のビット線は浮遊状態とするか、Vcomと同程度の電位を印加するとよい。 Note that data “1” is controlled not to be written in the memory cell connected to the non-selected word line and the non-selected bit line. Specifically, a potential (for example, 0 V) for turning off the transistor of the memory cell to be connected is applied to the non-selected word line, and the non-selected bit line is in a floating state or approximately equal to Vcom. A potential may be applied.

一方、メモリセル221にデータ「0」を書き込む場合は、メモリセル221には電気的作用を加えなければよい。回路動作上は、例えば、「1」を書き込む場合と同様に、ロウデコーダ224a、レベルシフタ224b、カラムデコーダ226a、およびセレクタ226cによってメモリセル221を選択するが、読み出し/書き込み回路226bからビット線B3への出力電位をVcomと同程度とするか、ビット線B3を浮遊状態とする。その結果、記憶素子241には、小さい電圧(例えば−5〜5V)が印加されるか、電圧が印加されないため、電気特性が変化せず、データ「0」書き込みが実現される。 On the other hand, when data “0” is written in the memory cell 221, it is not necessary to apply an electrical action to the memory cell 221. In the circuit operation, for example, as in the case of writing “1”, the memory cell 221 is selected by the row decoder 224a, the level shifter 224b, the column decoder 226a, and the selector 226c, but from the read / write circuit 226b to the bit line B3. Or the bit line B3 is set in a floating state. As a result, a small voltage (for example, −5 to 5 V) is applied to the memory element 241 or no voltage is applied, so that the electrical characteristics do not change and data “0” writing is realized.

次に、電気的作用により、データの読み出しを行う際の動作について説明する。データの読み出しは、記憶素子241の電気特性が、データ「0」を有するメモリセルとデータ「1」を有するメモリセルとで異なることを利用して行う。例えば、データ「0」を有するメモリセルを構成する記憶素子の電気抵抗が読み出し電圧においてR0、データ「1」を有するメモリセルを構成する記憶素子の電気抵抗が読み出し電圧においてR1とし、電気抵抗の差を利用して読み出す方法を説明する。なお、R1<<R0とする。読み出し/書き込み回路は、読み出し部分の構成として、例えば、図6(B)に示す抵抗素子254と差動増幅器247を用いた読み出し/書き込み回路226bを考えることができる。抵抗素子は抵抗値Rrを有し、R1<Rr<R0であるとする。 Next, an operation when data is read by electrical action will be described. Data is read by utilizing the fact that the electrical characteristics of the memory element 241 are different between the memory cell having the data “0” and the memory cell having the data “1”. For example, the electrical resistance of the memory element constituting the memory cell having data “0” is R0 at the read voltage, and the electrical resistance of the memory element constituting the memory cell having data “1” is R1 at the read voltage. A method of reading using the difference will be described. Note that R1 << R0. As the structure of the reading / writing circuit, for example, a reading / writing circuit 226b using the resistance element 254 and the differential amplifier 247 illustrated in FIG. 6B can be considered. The resistance element has a resistance value Rr, and R1 <Rr <R0.

x行y列目のメモリセル221からデータの読み出しを行う場合、まず、ロウデコーダ224a、レベルシフタ224b、カラムデコーダ226a、およびセレクタ226cによってメモリセル221を選択する。具体的には、レベルシフタ224bによって、メモリセル221に接続されるワード線Wyに所定の電圧V24を印加し、トランジスタ240をオン状態にする。また、カラムデコーダ226a、およびセレクタ226cによって、メモリセル221に接続されるビット線Bxを読み出し/書き込み回路226bの端子Pに接続する。その結果、端子Pの電位Vpは、VcomとV0が抵抗素子254(抵抗値Rr)と記憶素子241(抵抗値R0もしくはR1)による抵抗分割によって決定される値となる。従って、メモリセル221がデータ「0」を有する場合には、Vp0=Vcom+(V0−Vcom)×R0/(R0+Rr)となる。また、メモリセル221がデータ「1」を有する場合には、Vp1=Vcom+(V0−Vcom)×R1/(R1+Rr)となる。その結果、VrefをVp0とVp1の間となるように選択することで、出力電位Voutが、データ「0」/「1」に応じて、Lo/Hi(もしくはHi/Lo)が出力され、読み出しを行うことができる。 When data is read from the memory cell 221 in the xth row and the yth column, first, the memory cell 221 is selected by the row decoder 224a, the level shifter 224b, the column decoder 226a, and the selector 226c. Specifically, the level shifter 224b applies a predetermined voltage V24 to the word line Wy connected to the memory cell 221 to turn on the transistor 240. Further, the bit line Bx connected to the memory cell 221 is connected to the terminal P of the read / write circuit 226b by the column decoder 226a and the selector 226c. As a result, the potential Vp of the terminal P becomes a value determined by resistance division of Vcom and V0 by the resistance element 254 (resistance value Rr) and the storage element 241 (resistance value R0 or R1). Therefore, when the memory cell 221 has data “0”, Vp0 = Vcom + (V0−Vcom) × R0 / (R0 + Rr). When the memory cell 221 has data “1”, Vp1 = Vcom + (V0−Vcom) × R1 / (R1 + Rr). As a result, by selecting Vref to be between Vp0 and Vp1, the output potential Vout is output as Lo / Hi (or Hi / Lo) in accordance with the data “0” / “1” and read. It can be performed.

例えば、差動増幅器をVdd=3Vで動作させ、Vcom=0V、V0=3V、Vref=1.5Vとする。仮に、R0/Rr=Rr/R1=9とし、トランジスタ240のオン抵抗を無視できるとすると、メモリセルのデータが「0」の場合、Vp0=2.7VとなりVoutはHiが出力され、メモリセルのデータが「1」の場合、Vp1=0.3VとなりVoutはLoが出力される。こうして、メモリセルの読み出しを行うことができる。 For example, the differential amplifier is operated at Vdd = 3V, and Vcom = 0V, V0 = 3V, and Vref = 1.5V. Assuming that R0 / Rr = Rr / R1 = 9 and the on-resistance of the transistor 240 can be ignored, when the data in the memory cell is “0”, Vp0 = 2.7V and Vout is output as Hi, When the data of “1” is “1”, Vp1 = 0.3 V and Lo is output as Vout. Thus, the memory cell can be read.

次に、抵抗素子254の代わりにトランジスタを用いた場合において、電圧印加により記憶素子のデータの読み出しを行う際の動作について、図11に具体例を挙げて説明する。   Next, in the case where a transistor is used instead of the resistance element 254, operation when data is read from the memory element by voltage application will be described with reference to a specific example in FIG.

図11は、記憶素子に「0」のデータの書き込みを行った記憶素子の電流電圧特性951と、「1」のデータの書き込みを行った記憶素子の電流電圧特性952と、トランジスタの電流電圧特性953を示す。また、データを読み出す際の動作電圧として、第1の導電層243と第2の導電層245の間に3Vを印加した場合について説明する。   FIG. 11 shows a current-voltage characteristic 951 of a memory element in which data “0” is written to the memory element, a current-voltage characteristic 952 of a memory element in which data “1” is written, and a current-voltage characteristic of a transistor. 953. Further, a case where 3 V is applied between the first conductive layer 243 and the second conductive layer 245 as an operation voltage when reading data will be described.

図11において、「0」のデータの書き込みが行われた記憶素子を有するメモリセルでは、記憶素子の電流電圧特性951とトランジスタの電流電圧特性953との交点954が動作点となり、このときのノードPの電位はV2(V)となる。ノードPの電位は差動増幅器247に供給され、当該差動増幅器247において、上記メモリセルが記憶するデータは、「0」と判別される。   In FIG. 11, in a memory cell having a memory element in which data of “0” is written, an intersection 954 between the current-voltage characteristic 951 of the memory element and the current-voltage characteristic 953 of the transistor serves as an operating point. The potential of P is V2 (V). The potential of the node P is supplied to the differential amplifier 247. In the differential amplifier 247, the data stored in the memory cell is determined as “0”.

一方、「1」のデータの書き込みが行われた記憶素子を有するメモリセルでは、記憶素子の電流電圧特性952とトランジスタの電流電圧特性953との交点955が動作点となり、このときのノードPの電位はV1(V)(V1<V2)となる。ノードPの電位は差動増幅器247に供給され、当該差動増幅器247において、上記メモリセルが記憶するデータは、「1」と判別される。   On the other hand, in a memory cell having a memory element in which data of “1” is written, an intersection 955 between the current-voltage characteristic 952 of the memory element and the current-voltage characteristic 953 of the transistor serves as an operating point. The potential is V1 (V) (V1 <V2). The potential of the node P is supplied to the differential amplifier 247. In the differential amplifier 247, the data stored in the memory cell is determined as “1”.

このように、記憶素子241の抵抗値に従って、抵抗分割された電位を読み取ることによって、メモリセルに記憶されたデータを判別することができる。   As described above, the data stored in the memory cell can be determined by reading the resistance-divided potential in accordance with the resistance value of the memory element 241.

上記の方法によると、記憶素子241の抵抗値の相違と抵抗分割を利用して、電圧値で読み取っている。しかしながら、記憶素子241が有する情報を、電流値により読み取ってもよい。   According to the above method, the voltage value is read by utilizing the difference in resistance value of the memory element 241 and the resistance division. However, the information included in the memory element 241 may be read using a current value.

なお、本実施の形態は上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。 Note that this embodiment mode can be freely combined with the above embodiment modes.

本実施の形態により、厚さが4nm以下、好ましくは2nm以下の絶縁層を導電層と有機化合物層との間に設けることにより、当該絶縁層のトンネル効果により電荷注入性を高め、記憶素子の書き込み時の印加電圧及び電流値のばらつきを低減することが可能である。また、厚さが4nm以下、好ましくは2nm以下の絶縁層を導電層と有機化合物層との間に設けることにより電荷注入性型が高まるため、記憶素子の有機化合物層の厚さが厚くすることが可能であり、初期状態における電極間でのショートを低減することが可能である。この結果、記憶装置及び半導体装置の信頼性を向上させることが可能である。   According to this embodiment, an insulating layer having a thickness of 4 nm or less, preferably 2 nm or less is provided between the conductive layer and the organic compound layer, whereby the charge injection property is increased by the tunnel effect of the insulating layer, and the memory element It is possible to reduce variations in applied voltage and current value during writing. In addition, since the charge injection property is increased by providing an insulating layer having a thickness of 4 nm or less, preferably 2 nm or less, between the conductive layer and the organic compound layer, the thickness of the organic compound layer of the memory element is increased. It is possible to reduce the short circuit between the electrodes in the initial state. As a result, the reliability of the memory device and the semiconductor device can be improved.

(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態で示す記憶装置を有する半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a semiconductor device including the memory device described in the above embodiment will be described with reference to drawings.

本実施の形態で示す半導体装置は、非接触でデータの読み出しと書き込みが可能であることを特徴としており、データの伝送形式は、一対のコイルを対向に配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の3つに大別されるが、いずれの方式を用いてもよい。また、データの伝送に用いるアンテナは2通りの設け方があり、1つはトランジスタおよび記憶素子が設けられた基板上にアンテナを設ける場合、もう1つはトランジスタおよび記憶素子が設けられた基板に端子部を設け、当該端子部に別の基板に設けられたアンテナを接続して設ける場合がある。ここでは、半導体装置の断面の一部として、アンテナ、アンテナに接続される回路、メモリ回路の一部を示す。   The semiconductor device described in this embodiment is characterized in that data can be read and written in a non-contact manner. A data transmission format is an electromagnetic which performs communication by mutual induction with a pair of coils arranged opposite to each other. There are roughly divided into a coupling system, an electromagnetic induction system that communicates using an induction electromagnetic field, and a radio system that communicates using radio waves, but any system may be used. There are two types of antennas used for data transmission. One is provided on a substrate provided with a transistor and a memory element, and the other is provided on a substrate provided with a transistor and a memory element. There is a case where a terminal portion is provided and an antenna provided on another substrate is connected to the terminal portion. Here, as part of a cross section of the semiconductor device, an antenna, a circuit connected to the antenna, and a part of a memory circuit are illustrated.

まず、複数の素子および記憶素子が設けられた基板上にアンテナを設ける場合の半導体装置の一構成例を図8を用いて説明する。   First, a structure example of a semiconductor device in the case where an antenna is provided over a substrate provided with a plurality of elements and memory elements will be described with reference to FIGS.

図8(A)はパッシブマトリクス型で構成される記憶回路を有する半導体装置を示している。半導体装置は、基板350上にトランジスタ451、452を有する層351と、トランジスタを有する層351の上方に形成される記憶素子部352及びアンテナとして機能する導電層353とを有する。   FIG. 8A illustrates a semiconductor device having a memory circuit formed of a passive matrix type. The semiconductor device includes a layer 351 including transistors 451 and 452 over a substrate 350, a memory element portion 352 formed over the layer 351 including transistors, and a conductive layer 353 functioning as an antenna.

なお、ここではトランジスタを有する層351の上方に記憶素子部352及びアンテナとして機能する導電層353を有する場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部352またはアンテナとして機能する導電層353を、トランジスタを有する層351の下方や同一の層に有してもよい。 Note that although the case where the memory element portion 352 and the conductive layer 353 functioning as an antenna are provided above the transistor 351 is shown here, the present invention is not limited to this structure, and the memory element portion 352 or the conductive layer 353 functioning as an antenna is provided. May be provided below the layer 351 including a transistor or in the same layer.

記憶素子部352は複数の記憶素子352a、352bを有する。また、記憶素子352aは、絶縁層252上に形成される第1の導電層361と、第1の導電層の一部を覆う隔壁(絶縁層)374と、第1の導電層361及び隔壁(絶縁層)374を覆う厚さ0.1nm以上4nm以下、好ましくは1nm以上4nm以下の絶縁層364aと、第1の導電層361、隔壁(絶縁層)374、及び絶縁層364aを覆う有機化合物層362aと、第2の導電層363aとを有する。また、記憶素子352bは、絶縁層252上に形成される第1の導電層361と、第1の導電層の一部を覆う隔壁(絶縁層)374と、第1の導電層361及び隔壁(絶縁層)374を覆う厚さ0.1nm以上4nm以下、好ましくは1nm以上4nm以下の絶縁層364bと、第1の導電層361、隔壁(絶縁層)374、及び絶縁層364bを覆う有機化合物層362bと、第2の導電層363bとを有する。   The memory element portion 352 includes a plurality of memory elements 352a and 352b. The memory element 352a includes a first conductive layer 361 formed over the insulating layer 252, a partition wall (insulation layer) 374 that covers part of the first conductive layer, a first conductive layer 361, and a partition wall ( Insulating layer) 374 having a thickness of 0.1 nm to 4 nm, preferably 1 nm to 4 nm, and a first conductive layer 361, a partition wall (insulating layer) 374, and an organic compound layer covering insulating layer 364a 362a and a second conductive layer 363a. The memory element 352b includes a first conductive layer 361 formed over the insulating layer 252, a partition wall (insulating layer) 374 that covers part of the first conductive layer, a first conductive layer 361, and a partition wall ( Insulating layer) 374 having a thickness of 0.1 nm to 4 nm, preferably 1 nm to 4 nm, and a first conductive layer 361, a partition wall (insulating layer) 374, and an organic compound layer covering insulating layer 364b 362b and a second conductive layer 363b.

また、第2の導電層363a、363b及びアンテナとして機能する導電層353を覆って保護膜として機能する絶縁層366が形成されている。また、記憶素子部352が形成される第1の導電層361は、トランジスタ452の配線に接続する。また、記憶素子部352は上記実施の形態で示した記憶素子と同様の材料または作製方法を用いて形成することができる。また、ここではパッシブマトリクス型で構成される記憶回路を示しているため、第1の導電層361上に、複数の絶縁層364a、364b、有機化合物層362a、362b、第2の導電層363a、363bが形成され、複数の記憶素子352a、352bを構成している。なお、トランジスタ452は、記憶素子部352の第1の導電層361の電位を制御するためのスイッチとして機能する。 An insulating layer 366 that functions as a protective film is formed so as to cover the second conductive layers 363a and 363b and the conductive layer 353 that functions as an antenna. In addition, the first conductive layer 361 in which the memory element portion 352 is formed is connected to the wiring of the transistor 452. The memory element portion 352 can be formed using a material or a manufacturing method similar to those of the memory element described in the above embodiment. Further, here, a memory circuit including a passive matrix type is shown; thus, a plurality of insulating layers 364a and 364b, organic compound layers 362a and 362b, a second conductive layer 363a, and the like are formed over the first conductive layer 361. 363b is formed to constitute a plurality of memory elements 352a and 352b. Note that the transistor 452 functions as a switch for controlling the potential of the first conductive layer 361 in the memory element portion 352.

また、記憶素子部352において、上記実施の形態で示したように、第1の導電層361と有機化合物層362a、362bとの間、または有機化合物層362a、362bと第2の導電層363a、363bとの間に整流性を有する素子を設けてもよい。整流性を有する素子は、実施の形態1で上述したものを用いることが可能である。   In the memory element portion 352, as shown in the above embodiment mode, the first conductive layer 361 and the organic compound layers 362a and 362b, or the organic compound layers 362a and 362b and the second conductive layer 363a, An element having a rectifying property may be provided between 363b and 363b. As the rectifying element, the element described above in Embodiment Mode 1 can be used.

ここでは、アンテナとして機能する導電層353は第2の導電層363a、363bと同一の層で形成された導電層360上に設けられている。なお、第2の導電層363a、363bと同一の層でアンテナとして機能する導電層を形成してもよい。アンテナとして機能する導電層353はトランジスタ451のソース配線又はドレイン配線に接続する。なお、トランジスタ452は、アンテナに接続する回路の一部を構成する。   Here, the conductive layer 353 functioning as an antenna is provided over the conductive layer 360 formed using the same layer as the second conductive layers 363a and 363b. Note that a conductive layer functioning as an antenna may be formed in the same layer as the second conductive layers 363a and 363b. The conductive layer 353 functioning as an antenna is connected to the source wiring or the drain wiring of the transistor 451. Note that the transistor 452 forms part of a circuit connected to the antenna.

アンテナとして機能する導電層353の材料としては、金(Au)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)等から選ばれた一種の元素または当該元素を複数含む合金等を用いることができる。また、アンテナとして機能する導電層353の形成方法は、蒸着、スパッタ、CVD法、スクリーン印刷やグラビア印刷等の各種印刷法または液滴吐出法等を用いることができる。   As a material of the conductive layer 353 functioning as an antenna, gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), copper (Cu), aluminum (Al ), Manganese (Mn), titanium (Ti), or the like, or an alloy containing a plurality of such elements can be used. As a method for forming the conductive layer 353 functioning as an antenna, various printing methods such as vapor deposition, sputtering, CVD, screen printing, and gravure printing, a droplet discharge method, or the like can be used.

トランジスタを有する層351に含まれるトランジスタ451、452は、実施の形態2で示すトランジスタ240、262を適宜用いることができる。   As the transistors 451 and 452 included in the layer 351 including a transistor, the transistors 240 and 262 described in Embodiment 2 can be used as appropriate.

また、基板上に剥離層、トランジスタを有する層351、記憶素子部352、及びアンテナとして機能する導電層353を形成し、実施の形態2に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層351、記憶素子部352、及びアンテナとして機能する導電層353を剥離し、別の基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。別の基板としては、実施の形態1の基板30で示した可撓性基板、熱可塑性を示すフィルム、繊維質な材料からなる紙、基材フィルム等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。   In addition, a separation layer, a layer 351 including a transistor, a memory element portion 352, and a conductive layer 353 functioning as an antenna are formed over a substrate, and the layer 351 including a transistor is formed using the separation method described in Embodiment 2 as appropriate. The element portion 352 and the conductive layer 353 functioning as an antenna may be peeled off and attached to another substrate using an adhesive layer. As another substrate, a flexible substrate shown in the substrate 30 of Embodiment 1, a film showing thermoplasticity, paper made of a fibrous material, a base film, or the like is used, so that the memory device is small and thin. It is possible to reduce the weight.

図8(B)にアクティブマトリクス型の記憶回路を有する半導体装置の一例を示す。なお、図8(B)については、図8(A)と異なる部分に関して説明する。   FIG. 8B illustrates an example of a semiconductor device having an active matrix memory circuit. Note that FIG. 8B will be described with respect to portions different from FIG.

図8(B)に示す半導体装置は、基板350上にトランジスタ451、452を有する層351と、トランジスタを有する層351の上方に記憶素子部356及びアンテナとして機能する導電層353とを有する。なお、ここではトランジスタ451と同一の層に記憶素子部356のスイッチング素子として機能するトランジスタ452を有し、トランジスタを有する層351の上方に記憶素子部356及びアンテナ機能する導電層353を有する場合を示しているが、記憶素子部356やアンテナ機能する導電層353を、トランジスタを有する層351の下方や同一の層に有しても可能である。   The semiconductor device illustrated in FIG. 8B includes a layer 351 including transistors 451 and 452 over a substrate 350, and a memory element portion 356 and a conductive layer 353 functioning as an antenna above the layer 351 including the transistor. Note that here, the transistor 452 which functions as a switching element of the memory element portion 356 is provided in the same layer as the transistor 451, and the memory element portion 356 and the conductive layer 353 which functions as an antenna are provided above the layer 351 including the transistor. Although shown, the memory element portion 356 and the conductive layer 353 functioning as an antenna can be provided below the layer 351 including the transistor or in the same layer.

記憶素子部356は、記憶素子356a、356bで構成される。記憶素子356aは、絶縁層252上に形成される第1の導電層371aと、第1の導電層371aの一部を覆う隔壁(絶縁層)374と、第1の導電層361及び隔壁(絶縁層)374を覆う厚さ0.1nm以上4nm以下、好ましくは1nm以上4nm以下の絶縁層370と、第1の導電層371a、隔壁(絶縁層)374、及び絶縁層370を覆う有機化合物層372と、第2の導電層373とを有する。記憶素子356bは、絶縁層252上に形成される第1の導電層371bと、第1の導電層371bの一部を覆う隔壁(絶縁層)374と、第1の導電層361及び隔壁(絶縁層)374を厚さ0.1nm以上4nm以下、好ましくは1nm以上4nm以下の覆う絶縁層370と、第1の導電層371b、隔壁(絶縁層)374、及び絶縁層370を覆う有機化合物層372と、第2の導電層373とを有する。また、ここでは、アクティブマトリクス型の記憶回路を示すため、トランジスタそれぞれの配線に、第1の導電層371a、第1の導電層371bが接続されている。すなわち、記憶素子の第1の導電層それぞれは、トランジスタに接続されている。   The memory element unit 356 includes memory elements 356a and 356b. The memory element 356a includes a first conductive layer 371a formed over the insulating layer 252, a partition wall (insulating layer) 374 that covers part of the first conductive layer 371a, a first conductive layer 361, and a partition wall (insulating). Layer) 374 covering a thickness of 0.1 nm to 4 nm, preferably 1 nm to 4 nm, and an organic compound layer 372 covering the first conductive layer 371a, the partition (insulating layer) 374, and the insulating layer 370. And a second conductive layer 373. The memory element 356b includes a first conductive layer 371b formed over the insulating layer 252, a partition wall (insulating layer) 374 that covers part of the first conductive layer 371b, a first conductive layer 361, and a partition wall (insulating). Layer) 374 having a thickness of 0.1 nm to 4 nm, preferably 1 nm to 4 nm, and an organic compound layer 372 covering the first conductive layer 371b, the partition (insulating layer) 374, and the insulating layer 370. And a second conductive layer 373. Here, in order to show an active matrix memory circuit, a first conductive layer 371a and a first conductive layer 371b are connected to wirings of the transistors. That is, each of the first conductive layers of the memory element is connected to a transistor.

なお、記憶素子356a、356bは上記実施の形態1及び2で示した材料または作製方法を用いて形成することができる。また、記憶素子356a、356bにおいても、上述したように、第1の導電層371a、371bと有機化合物層372との間、または有機化合物層372と第2の導電層373との間に整流性を有する素子を設けてもよい。 Note that the memory elements 356a and 356b can be formed using the material or the manufacturing method described in Embodiments 1 and 2. In the memory elements 356a and 356b, as described above, the rectifying property is provided between the first conductive layers 371a and 371b and the organic compound layer 372 or between the organic compound layer 372 and the second conductive layer 373. You may provide the element which has.

また、トランジスタを有する層351、記憶素子部356、アンテナとして機能する導電層353は、上述したように蒸着、スパッタ法、CVD法、印刷法または液滴吐出法等を用いて形成することができる。なお、各場所によって異なる方法を用いて形成してもかまわない。   Further, the transistor layer 351, the memory element portion 356, and the conductive layer 353 functioning as an antenna can be formed by vapor deposition, sputtering, CVD, printing, droplet discharge, or the like as described above. . Note that a different method may be used depending on each place.

基板上に剥離層、トランジスタを有する層351、記憶素子部356、及びアンテナとして機能する導電層353を形成し、実施の形態2に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層351、記憶素子部356、及びアンテナとして機能する導電層353を剥離し、別の基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。別の基板としては、実施の形態1の基板30で示した可撓性基板、熱可塑性を示すフィルム、繊維質な材料からなる紙、基材フィルム等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。   A separation layer, a layer 351 having a transistor, a memory element portion 356, and a conductive layer 353 functioning as an antenna are formed over a substrate, and a layer 351 having a transistor and a memory element portion are appropriately formed using the separation method described in Embodiment 2. 356 and the conductive layer 353 functioning as an antenna may be peeled off and attached to another substrate using an adhesive layer. As another substrate, a flexible substrate shown in the substrate 30 of Embodiment 1, a film showing thermoplasticity, paper made of a fibrous material, a base film, or the like is used, so that the memory device is small and thin. It is possible to reduce the weight.

なお、トランジスタに接続するセンサを設けてもよい。センサとしては、温度、湿度、照度、ガス(気体)、重力、圧力、音(振動)、加速度、その他の特性を物理的又は化学的手段により検出する素子が挙げられる。センサは、代表的には抵抗素子、容量結合素子、誘導結合素子、光起電力素子、光電変換素子、熱起電力素子、トランジスタ、サーミスタ、ダイオード静電容量型素子、圧電素子などの素子で形成される。   Note that a sensor connected to the transistor may be provided. Examples of the sensor include an element that detects temperature, humidity, illuminance, gas (gas), gravity, pressure, sound (vibration), acceleration, and other characteristics by physical or chemical means. Sensors are typically formed of elements such as resistive elements, capacitive coupling elements, inductive coupling elements, photovoltaic elements, photoelectric conversion elements, thermoelectric elements, transistors, thermistors, diode capacitance elements, piezoelectric elements, etc. Is done.

次に、トランジスタを有する層、トランジスタに接続する端子部、および記憶素子を有する第1の基板と、当該端子部に接続されるアンテナが形成された第2の基板とを有する半導体装置の一構成例に関して図9を用いて説明する。なお、図9に関しては図8と異なる部分に関して説明を行う。   Next, one structure of a semiconductor device including a layer having a transistor, a terminal portion connected to the transistor, a first substrate having a memory element, and a second substrate on which an antenna connected to the terminal portion is formed An example will be described with reference to FIG. 9 will be described with respect to portions different from FIG.

図9(A)はパッシブマトリクス型の記憶回路を有する半導体装置を示している。半導体装置は、基板350上に形成されたトランジスタを有する層351と、トランジスタを有する層351の上方に形成される記憶素子部352と、トランジスタ451に接続する接続端子378と、アンテナとして機能する導電層357が形成された基板365とを有し、導電層357及び接続端子378は導電性粒子により接続している。なお、ここではトランジスタを有する層351の上方に記憶素子部352を設けた場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部352を、トランジスタを有する層351の下方や同一の層に有してもよい。   FIG. 9A illustrates a semiconductor device having a passive matrix memory circuit. The semiconductor device includes a layer 351 including a transistor formed over a substrate 350, a memory element portion 352 formed above the layer 351 including a transistor, a connection terminal 378 connected to the transistor 451, and a conductive layer functioning as an antenna. The conductive layer 357 and the connection terminal 378 are connected to each other with conductive particles. Note that here, the case where the memory element portion 352 is provided above the layer 351 having a transistor is shown; however, the present invention is not limited to this structure, and the memory element portion 352 is provided below the layer 351 having a transistor or in the same layer. May be.

記憶素子部352は、図8(A)に示す構成の記憶素子部352で構成することができる。   The memory element portion 352 can be formed using the memory element portion 352 having the structure illustrated in FIG.

また、トランジスタを有する層351と記憶素子部352とを含む基板と、アンテナとして機能する導電層357が設けられた基板365は、接着性を有する樹脂375により貼り合わされている。そして、トランジスタを有する層351と導電層358とは樹脂375中に含まれる導電性粒子359を介して電気的に接続されている。また、銀ペースト、銅ペースト、カーボンペースト等の導電性接着剤や半田接合を行う方法を用いてトランジスタを有する層351と記憶素子部352を含む基板と、アンテナとして機能する導電層357が設けられた基板365とを貼り合わせてもよい。   In addition, the substrate 365 including the transistor 351 and the memory element portion 352 and the substrate 365 provided with the conductive layer 357 functioning as an antenna are attached to each other with a resin 375 having adhesiveness. The layer 351 having a transistor and the conductive layer 358 are electrically connected through conductive particles 359 contained in the resin 375. In addition, a conductive layer such as a silver paste, a copper paste, or a carbon paste or a method of performing solder bonding is used to provide a layer 351 having a transistor and a substrate including a memory element portion 352, and a conductive layer 357 functioning as an antenna. The substrate 365 may be bonded together.

図9(B)は実施の形態2に示した記憶装置が設けられた半導体装置を示しており、基板350上に形成されたトランジスタ451、452を含むトランジスタを有する層351と、トランジスタを有する層351の上方に形成される記憶素子部356と、トランジスタ451に接続する接続端子378と、アンテナとして機能する導電層357が形成された基板365とを有し、導電層357及び接続端子378は導電性粒子により接続している。なお、ここではトランジスタを有する層351においてトランジスタ451と同一の層にトランジスタ452を有し、トランジスタを有する層351の上方にアンテナとして機能する導電層357を有する場合を示しているが、この構成に限られず記憶素子部356をトランジスタを有する層351の下方や同一の層に有してもよい。   FIG. 9B illustrates a semiconductor device provided with the memory device described in Embodiment 2, in which a layer 351 including a transistor including transistors 451 and 452 formed over a substrate 350 and a layer including a transistor are formed. 351 includes a memory element portion 356 formed above 351, a connection terminal 378 connected to the transistor 451, and a substrate 365 over which a conductive layer 357 functioning as an antenna is formed. The conductive layer 357 and the connection terminal 378 are conductive. Connected by sex particles. Note that here, a case where the transistor 451 is included in the same layer as the transistor 451 in the layer 351 including the transistor and the conductive layer 357 functioning as an antenna is provided above the layer 351 including the transistor is shown. Without limitation, the memory element portion 356 may be provided below the layer 351 including a transistor or in the same layer.

記憶素子部356は、図8(B)に示す構成の記憶素子356a、356bで構成することができる。   The memory element portion 356 can be composed of memory elements 356a and 356b having the structure shown in FIG.

また、図9(B)においてもトランジスタを有する層351と記憶素子部356を含む基板と、アンテナとして機能する導電層357が設けられた基板365は、導電性粒子359を含む樹脂375により貼り合わせられる。また、導電層357及び接続端子378は導電性粒子359により接続している。   9B, the substrate 365 including the transistor 351 and the memory element portion 356 and the substrate 365 provided with the conductive layer 357 functioning as an antenna are attached to each other with a resin 375 including conductive particles 359. It is done. Further, the conductive layer 357 and the connection terminal 378 are connected by conductive particles 359.

また、基板上に剥離層、トランジスタを有する層351、記憶素子部356を形成し、実施の形態2に示す剥離方法を適宜用いてトランジスタを有する層351、記憶素子部356を剥離し、別の基板上に接着層を用いて貼り付けてもよい。別の基板としては、実施の形態1の基板30で示した可撓性基板、熱可塑性を示すフィルム、繊維質な材料からなる紙、基材フィルム等を用いることで、記憶装置の小型、薄型、軽量化を図ることが可能である。   Further, a separation layer, a layer 351 having a transistor, and a memory element portion 356 are formed over a substrate, and the separation method described in Embodiment 2 is appropriately used to separate the layer 351 having a transistor and the memory element portion 356 so that another layer You may affix using a contact bonding layer on a board | substrate. As another substrate, a flexible substrate shown in the substrate 30 of Embodiment 1, a film showing thermoplasticity, paper made of a fibrous material, a base film, or the like is used, so that the memory device is small and thin. It is possible to reduce the weight.

さらには、記憶素子部352、356を、アンテナとして機能する導電層が設けられた基板365に設けてもよい。すなわち、トランジスタを有する層が形成される第1の基板と、記憶素子部及びアンテナとして機能する導電層が形成される第2の基板とを、導電性粒子を含む樹脂により貼り合わせてもよい。また、図8(A)及び(B)に示す半導体装置と同様に、トランジスタに接続するセンサを設けてもよい。 Further, the memory element portions 352 and 356 may be provided over the substrate 365 provided with a conductive layer functioning as an antenna. In other words, the first substrate over which a layer including a transistor is formed and the second substrate over which a conductive layer functioning as a memory element portion and an antenna are formed may be bonded to each other with a resin containing conductive particles. Further, similarly to the semiconductor device illustrated in FIGS. 8A and 8B, a sensor connected to the transistor may be provided.

なお、本実施の形態は、上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。 Note that this embodiment can be freely combined with the above embodiment.

厚さが4nm以下、好ましくは2nm以下の絶縁層を導電層と有機化合物層との間に設けることにより、当該絶縁層のトンネル効果により電荷注入性を高め、記憶素子の書き込み時の印加電圧及び電流値のばらつきを低減することが可能である。また、厚さが4nm以下、好ましくは2nm以下の絶縁層を導電層と有機化合物層との間に設けることにより電荷注入性が高まるため、記憶素子の有機化合物層の厚さが厚くすることが可能であり、初期状態における電極間でのショートを低減することが可能である。この結果、半導体装置の信頼性を向上させることが可能である。   By providing an insulating layer having a thickness of 4 nm or less, preferably 2 nm or less, between the conductive layer and the organic compound layer, the charge injection property is enhanced by the tunnel effect of the insulating layer, the applied voltage at the time of writing to the memory element, and It is possible to reduce variation in current value. In addition, since the charge injection property is increased by providing an insulating layer having a thickness of 4 nm or less, preferably 2 nm or less, between the conductive layer and the organic compound layer, the thickness of the organic compound layer of the memory element may be increased. It is possible to reduce the short circuit between the electrodes in the initial state. As a result, the reliability of the semiconductor device can be improved.

本実施例では、基板上に記憶素子を作製し、記憶素子に電圧を印加してデータの書き込みを行ったときの電流電圧特性について、図15を用いて説明する。なお、ここでは、記憶素子に電圧を印加してショートさせることでデータの書き込みを行った。記憶素子は、基板上に、第1の導電層、絶縁層、有機化合物層、第2の導電層の順に積層した素子であり、第1の導電層はチタン、絶縁層はフッ化カルシウム、有機化合物層は4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ]ビフェニル(NPB)、第2の導電層はアルミニウムを用いて形成した。また、絶縁層は2nm、有機化合物層は8nm、第2の導電層は200nmの厚さで形成した。また、第1の導電層をスパッタリング法により形成し、絶縁層、有機化合物層、及び第2の導電層を蒸着法により形成した。当該構造を有し、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さが100μmの記憶素子を試料1と示す。また、当該構造を有し、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さが10μmの記憶素子を試料2及び試料3と示す。   In this example, current-voltage characteristics when a memory element is manufactured over a substrate and voltage is applied to the memory element to write data will be described with reference to FIGS. Note that here, data is written by applying a voltage to the memory element to cause a short circuit. The memory element is an element in which a first conductive layer, an insulating layer, an organic compound layer, and a second conductive layer are stacked in this order on a substrate. The first conductive layer is titanium, the insulating layer is calcium fluoride, and the organic layer is organic. The compound layer was formed using 4,4′-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl (NPB), and the second conductive layer was formed using aluminum. The insulating layer was 2 nm, the organic compound layer was 8 nm, and the second conductive layer was 200 nm. In addition, the first conductive layer was formed by a sputtering method, and the insulating layer, the organic compound layer, and the second conductive layer were formed by an evaporation method. A memory element having this structure and having a top surface of a square shape and a side length of 100 μm is referred to as a sample 1. In addition, a memory element having this structure, having a top surface of a square shape, and a side length of 10 μm is referred to as Sample 2 and Sample 3.

また、試料1乃至試料3の比較試料として、基板上に、第1の導電層、有機化合物層、第2の導電層の順に積層した素子を形成した。第1の導電層はチタン、有機化合物層は4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ]ビフェニル(NPB)、第2の導電層はアルミニウムを用いて形成した。また、有機化合物層は8nm、第2の導電層は200nmの厚さで形成した。また、第1の導電層をスパッタリング法により形成し、有機化合物層及び第2の導電層を蒸着法により形成した。当該構造を有し、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さが100μmの記憶素子を比較試料1と示す。また、当該構造を有し、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さが10μmの記憶素子を比較試料2及び比較試料3と示す。   In addition, as a comparative sample of Samples 1 to 3, an element in which a first conductive layer, an organic compound layer, and a second conductive layer were stacked in that order on a substrate was formed. The first conductive layer was formed using titanium, the organic compound layer was formed using 4,4'-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl (NPB), and the second conductive layer was formed using aluminum. The organic compound layer was formed with a thickness of 8 nm, and the second conductive layer was formed with a thickness of 200 nm. The first conductive layer was formed by a sputtering method, and the organic compound layer and the second conductive layer were formed by an evaporation method. A memory element having this structure, having a square top surface, and a side length of 100 μm is referred to as a comparative sample 1. In addition, a memory element having the above structure, having a square top surface shape, and a side length of 10 μm is referred to as a comparative sample 2 and a comparative sample 3.

記憶素子(試料1、比較試料1)に電圧を印加して書き込みを行ったときの電圧電流特性について、図15(A)を用いて説明する。図15(A)は、横軸が電圧値、縦軸が電流値である。 The voltage-current characteristics when writing is performed by applying a voltage to the memory element (sample 1, comparative sample 1) will be described with reference to FIG. In FIG. 15A, the horizontal axis represents the voltage value and the vertical axis represents the current value.

図15(A)において、プロット411aは電圧印加による書込み前の試料1の電流値の挙動を示し、プロット411bは書込み後の試料1の電流値の挙動を示す。 In FIG. 15A, plot 411a shows the behavior of the current value of sample 1 before writing due to voltage application, and plot 411b shows the behavior of the current value of sample 1 after writing.

プロット412aは電圧印加による書込み前の比較試料1の電流値の挙動を示しプロット412bは書込み後の比較試料1の電流値の挙動を示す。 The plot 412a shows the behavior of the current value of the comparative sample 1 before writing by voltage application, and the plot 412b shows the behavior of the current value of the comparative sample 1 after writing.

試料1が書込みした時の電圧は2.9V、電流値は82000μAであった。また、比較試料1が書込みした時の電圧は4.9V、電流値は110μAであった。さらに、書込み前において比較試料1と比較して同電位における電流値は試料1の方が高い。このことから、試料1の記憶素子は、第1の導電層及び有機化合物層の間に絶縁層を有することにより電荷注入性が高いことがわかる。なお、絶縁層は安定なフッ化カルシウムを用いて形成されているため、この機構はトンネル注入であることがわかる。また、電荷注入性が高まっているため、書込み時の印加電圧が低下している。 When Sample 1 was written, the voltage was 2.9 V and the current value was 82000 μA. The voltage when the comparative sample 1 was written was 4.9 V, and the current value was 110 μA. Furthermore, the current value at the same potential is higher in the sample 1 than in the comparative sample 1 before writing. From this, it can be seen that the memory element of Sample 1 has a high charge injection property by including an insulating layer between the first conductive layer and the organic compound layer. Since the insulating layer is formed using stable calcium fluoride, it can be seen that this mechanism is tunnel injection. Further, since the charge injection property is enhanced, the applied voltage at the time of writing is lowered.

次に、試料2、3、比較試料2、3に電圧を印加して書き込みを行ったときの電圧電流特性について、図15(B)を用いて説明する。図15(B)は、横軸が電圧値、縦軸が電流値である。 Next, voltage-current characteristics when voltage is applied to Samples 2 and 3 and Comparative Samples 2 and 3 for writing will be described with reference to FIG. In FIG. 15B, the horizontal axis represents the voltage value and the vertical axis represents the current value.

図15(B)において、プロット401aは電圧印加による書込み前の試料3の電流値の挙動を示し、プロット401bは書込み後の試料3の電流値の挙動を示す。 In FIG. 15B, the plot 401a shows the behavior of the current value of the sample 3 before writing by voltage application, and the plot 401b shows the behavior of the current value of the sample 3 after writing.

プロット402aは電圧印加による書込み前の試料3の電流値の挙動を示し、プロット402bは書込み後の試料3の電流値の挙動を示す。 The plot 402a shows the behavior of the current value of the sample 3 before writing due to voltage application, and the plot 402b shows the behavior of the current value of the sample 3 after writing.

プロット403aは電圧印加による書込み前の比較試料3の電流値の挙動、プロット403bは書込み後の比較試料3の電流値の挙動を示す。 The plot 403a shows the behavior of the current value of the comparative sample 3 before writing by voltage application, and the plot 403b shows the behavior of the current value of the comparative sample 3 after writing.

プロット404aは電圧印加による書込み前の比較試料3の電流値の挙動、プロット404bは書込み後の比較試料3の電流値の挙動を示す。 The plot 404a shows the behavior of the current value of the comparative sample 3 before writing by voltage application, and the plot 404b shows the behavior of the current value of the comparative sample 3 after writing.

試料2における書込み時の電圧は5.1V、電流値は130μAであった。また、試料3における書込み時の電圧は4.2V、電流値は110μAであった。このように、書き込み時の電圧及び電流値にばらつきが少ないことがわかる。このことから、第1の導電層及び有機化合物層の間に絶縁層を有することにより書き込み時の電圧及び電流値のばらつきが低下することがわかる。 In Sample 2, the voltage at the time of writing was 5.1 V, and the current value was 130 μA. The voltage at the time of writing in Sample 3 was 4.2 V, and the current value was 110 μA. Thus, it can be seen that there is little variation in voltage and current values during writing. From this, it can be seen that by having an insulating layer between the first conductive layer and the organic compound layer, variations in voltage and current values during writing are reduced.

一方、比較試料2におけるデータ書き込み時の電圧は2.0V、電流値は6.8×10μAであった。また、比較試料3におけるデータ書き込み時の電圧は7.9V、電流値は0.45μAであった。このように、書き込み時の電圧及び電流値に、ばらつきが多いことがわかる。 On the other hand, the voltage when writing data in Comparative Sample 2 was 2.0 V, and the current value was 6.8 × 10 3 μA. Moreover, the voltage at the time of data writing in the comparative sample 3 was 7.9 V, and the current value was 0.45 μA. Thus, it can be seen that there are many variations in voltage and current values during writing.

次に、有機化合物層をスピンコート法で形成した記憶素子の電圧電流特性について、表1乃至表3を用いて説明する。記憶素子は、基板上に、第1の導電層、絶縁層、有機化合物層、第2の導電層の順に積層した素子であり、第1の導電層はチタン、絶縁層は、フッ化カルシウム、有機化合物層はポリビニルカルバゾール(PVK)、第2の導電層はアルミニウムを用いて形成した。また、絶縁層は1nm、有機化合物層は15nm、第2の導電層は200nmの膜厚で形成した。また、第1の導電層をスパッタリング法により形成し、絶縁層及び第2の導電層を蒸着法により形成し、有機化合物層をスピンコートにより形成した。なお、絶縁層を第1の導電層上に蒸着する前に、第1の導電層として、スパッタリング法によりチタン層を形成し、チタン層上に厚さ100nmのアルミニウム層を形成した後、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)を用いてアルミニウム層を除去した。   Next, voltage-current characteristics of a memory element in which an organic compound layer is formed by a spin coating method will be described with reference to Tables 1 to 3. The memory element is an element in which a first conductive layer, an insulating layer, an organic compound layer, and a second conductive layer are stacked in this order on a substrate. The first conductive layer is titanium, the insulating layer is calcium fluoride, The organic compound layer was formed using polyvinyl carbazole (PVK), and the second conductive layer was formed using aluminum. The insulating layer was 1 nm, the organic compound layer was 15 nm, and the second conductive layer was 200 nm. In addition, the first conductive layer was formed by a sputtering method, the insulating layer and the second conductive layer were formed by an evaporation method, and the organic compound layer was formed by spin coating. Note that, before the insulating layer is deposited on the first conductive layer, a titanium layer is formed as the first conductive layer by a sputtering method, and an aluminum layer having a thickness of 100 nm is formed on the titanium layer. The aluminum layer was removed using tetramethylammonium hydroxide).

当該構造の記憶素子において、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さが10μmとした記憶素子を、試料4及び試料5と示す。   In the memory element having the above structure, a memory element having a top surface of a square shape and a side length of 10 μm is referred to as Sample 4 and Sample 5.

また、試料4及び試料5の比較例として、基板上に、第1の導電層、有機化合物層、第2の導電層の順に積層した素子を形成した。第1の導電層はチタン、有機化合物層はポリビニルカルバゾール(PVK)、第2の導電層はアルミニウムを用いて形成した。また、有機化合物層は15nm、第2の導電層は200nmの膜厚で形成した。また、第1の導電層をスパッタリング法により形成し有機化合物層をスピンコーティング法により形成し、及び第2の導電層を蒸着法により形成した。当該構造の記憶素子において、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さを10μmとした記憶素子を、比較試料4〜6と示す。   In addition, as a comparative example of Sample 4 and Sample 5, an element in which a first conductive layer, an organic compound layer, and a second conductive layer were stacked in this order on a substrate was formed. The first conductive layer was formed using titanium, the organic compound layer was formed using polyvinyl carbazole (PVK), and the second conductive layer was formed using aluminum. The organic compound layer was formed with a thickness of 15 nm, and the second conductive layer was formed with a thickness of 200 nm. The first conductive layer was formed by sputtering, the organic compound layer was formed by spin coating, and the second conductive layer was formed by vapor deposition. In the memory element having the above structure, memory elements having a square top shape and a side length of 10 μm are shown as comparative samples 4 to 6.

試料4及び5、比較試料4〜6に電圧を印加し書込み時の電圧、及び電流値を表1に示した。

Figure 0004974555
Table 1 shows the voltages and current values at the time of writing by applying voltages to Samples 4 and 5 and Comparative Samples 4 to 6.
Figure 0004974555

試料4及び試料5は、書込み時の電圧及び電流値のばらつきが少ない。一方、比較試料4〜6においては、書込み時の電圧の値が高い。また、電流値にはばらつきが生じている。 Sample 4 and sample 5 have little variation in voltage and current values at the time of writing. On the other hand, in the comparative samples 4 to 6, the voltage value at the time of writing is high. In addition, the current value varies.

また、試料1〜5と同様の積層構造であり、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さを5μmとした記憶素子を、試料6、試料7と示す。同様に、比較試料1〜6と同様の積層構造であり、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さを5μmとした記憶素子を、比較試料7〜10と示す。 In addition, a memory element having the same stacked structure as Samples 1 to 5, the top surface shape is square, and the length of one side is 5 μm is referred to as Sample 6 and Sample 7. Similarly, Comparative Samples 7 to 10 are memory elements having the same stacked structure as Comparative Samples 1 to 6, the top surface shape is square, and the length of one side is 5 μm.

試料6、7、比較試料7〜10に電圧を印加し書込みさせた時の電圧、及び電流値を表2に示した。

Figure 0004974555
Table 2 shows the voltage and current values when voltage was applied to Samples 6 and 7 and Comparative Samples 7 to 10 and writing was performed.
Figure 0004974555

試料6及び試料7は、書込み時の電圧及び電流値のばらつきが少ない。一方、比較試料7及び比較試料10では書込みせず絶縁化が生じた。また比較試料8及び比較試料9においては、書込み時の電圧及び電流値の値が高い。 Sample 6 and sample 7 have little variation in voltage and current values at the time of writing. On the other hand, the comparative sample 7 and the comparative sample 10 were not written but were insulated. Moreover, in the comparative sample 8 and the comparative sample 9, the voltage and current value at the time of writing are high.

また、試料4及び試料5と同様の積層構造であり、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さを3μmとした記憶素子を、試料8〜10と示す。同様に、比較試料4〜6と同様の積層構造であり、上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さを3μmとした記憶素子を、比較試料11〜13と示す。 Samples 8 to 10 are storage elements having the same stacked structure as Sample 4 and Sample 5, the top surface shape is square, and the length of one side is 3 μm. Similarly, memory elements having the same stacked structure as Comparative Samples 4 to 6, a top surface shape of square, and a side length of 3 μm are shown as Comparative Samples 11 to 13.

試料8〜10、比較試料11〜13に電圧を印加し書込みさせた時の電圧、及び電流値を表3に示した。

Figure 0004974555
Table 3 shows the voltage and current values when voltage was applied to Samples 8 to 10 and Comparative Samples 11 to 13 for writing.
Figure 0004974555

試料8〜10は、書込み時の電圧及び電流値のばらつきが少ない。一方、比較試料11〜13では書込みせず絶縁化が生じた。 Samples 8 to 10 have little variation in voltage and current values at the time of writing. On the other hand, in Comparative Samples 11 to 13, no data was written and insulation occurred.

表1乃至表3に示すように、有機化合物層を有する記憶素子において、4nm以下、好ましくは2nm以下の絶縁層を第1の導電層及び有機化合物層に設けることで、記憶素子の上面面積に関わらず書込み時の電圧及び電流値のばらつきが低減した。 As shown in Tables 1 to 3, in a memory element having an organic compound layer, an insulating layer having a thickness of 4 nm or less, preferably 2 nm or less is provided in the first conductive layer and the organic compound layer, thereby increasing the top surface area of the memory element. Regardless, variations in voltage and current values during writing were reduced.

ここで、本発明の半導体装置の構成について、図12を参照して説明する。図12(A)に示すように、本発明の半導体装置20は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路11、クロック発生回路12、データ復調・変調回路13、他の回路を制御する制御回路14、インターフェース回路15、記憶回路16、バス17、アンテナ18を有する。 Here, the structure of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 12A, the semiconductor device 20 of the present invention has a function of communicating data without contact, and includes a power supply circuit 11, a clock generation circuit 12, a data demodulation / modulation circuit 13, and other circuits. A control circuit 14 for controlling, an interface circuit 15, a memory circuit 16, a bus 17, and an antenna 18 are included.

また、図12(B)に示すように、本発明の半導体装置20は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路11、クロック発生回路12、データ復調・変調回路13、他の回路を制御する制御回路14、インターフェース回路15、記憶回路16、バス17、アンテナ18の他、中央処理ユニット1を有しても良い。 Further, as shown in FIG. 12B, the semiconductor device 20 of the present invention has a function of communicating data without contact, and includes a power supply circuit 11, a clock generation circuit 12, a data demodulation / modulation circuit 13, and the like. In addition to the control circuit 14 for controlling the circuit, the interface circuit 15, the memory circuit 16, the bus 17, and the antenna 18, the central processing unit 1 may be included.

また、図12(C)に示すように、本発明の半導体装置20は、非接触でデータを交信する機能を有し、電源回路11、クロック発生回路12、データ復調・変調回路13、他の回路を制御する制御回路14、インターフェース回路15、記憶回路16、バス17、アンテナ18、中央処理ユニット1の他、検出素子3、検出制御回路4からなる検出部2を有しても良い。 Further, as shown in FIG. 12C, the semiconductor device 20 of the present invention has a function of communicating data without contact, and includes a power supply circuit 11, a clock generation circuit 12, a data demodulation / modulation circuit 13, and the like. In addition to the control circuit 14, the interface circuit 15, the storage circuit 16, the bus 17, the antenna 18, and the central processing unit 1, the detection unit 2 including the detection element 3 and the detection control circuit 4 may be included.

本実施の形態の半導体装置は、トランジスタを有する層のトランジスタにより、電源回路11、クロック発生回路12、データ復調・変調回路13、他の回路を制御する制御回路14、インターフェース回路15、記憶回路16、バス17、アンテナ18、中央処理ユニット1の他、検出素子3、検出制御回路4からなる検出部2等を構成することで、小型でセンサ機能を有する半導体装置を形成することが可能である。 The semiconductor device of this embodiment includes a power supply circuit 11, a clock generation circuit 12, a data demodulation / modulation circuit 13, a control circuit 14 for controlling other circuits, an interface circuit 15, and a memory circuit 16 by transistors in a layer having transistors. In addition to the bus 17, the antenna 18, and the central processing unit 1, the detection unit 2 including the detection element 3 and the detection control circuit 4 can be configured to form a small semiconductor device having a sensor function. .

電源回路11は、アンテナ18から入力された交流信号を基に、半導体装置20の内部の各回路に供給する各種電源を生成する回路である。クロック発生回路12は、アンテナ18から入力された交流信号を基に、半導体装置20の内部の各回路に供給する各種クロック信号を生成する回路である。データ復調・変調回路13は、リーダライタ19と交信するデータを復調/変調する機能を有する。制御回路14は、記憶回路16を制御する機能を有する。アンテナ18は、電磁波或いは電波の送受信を行う機能を有する。リーダライタ19は、半導体装置との交信、制御及びそのデータに関する処理を制御する。なお、半導体装置は上記構成に制約されず、例えば、電源電圧のリミッタ回路や暗号処理専用ハードウエアといった他の要素を追加した構成であってもよい。   The power supply circuit 11 is a circuit that generates various power supplies to be supplied to each circuit inside the semiconductor device 20 based on the AC signal input from the antenna 18. The clock generation circuit 12 is a circuit that generates various clock signals to be supplied to each circuit inside the semiconductor device 20 based on the AC signal input from the antenna 18. The data demodulation / modulation circuit 13 has a function of demodulating / modulating data communicated with the reader / writer 19. The control circuit 14 has a function of controlling the memory circuit 16. The antenna 18 has a function of transmitting / receiving electromagnetic waves or radio waves. The reader / writer 19 controls communication and control with the semiconductor device and processing related to the data. The semiconductor device is not limited to the above-described configuration, and may be a configuration in which other elements such as a power supply voltage limiter circuit and hardware dedicated to cryptographic processing are added.

記憶回路16は、実施の形態1または実施の形態2に示す記憶素子から選択される1つ又は複数を有する。有機化合物層を有する記憶素子は、小型化、薄膜化および大容量化を同時に実現することができるため、記憶回路16を有機化合物層を有する記憶素子で設けることにより、半導体装置の小型化、軽量化を達成することができる。   The memory circuit 16 includes one or a plurality selected from the memory elements described in Embodiment 1 or Embodiment 2. Since a memory element having an organic compound layer can simultaneously achieve downsizing, thinning, and large capacity, providing the memory circuit 16 with a memory element having an organic compound layer makes the semiconductor device smaller and lighter. Can be achieved.

検出部2は、温度、圧力、流量、光、磁気、音波、加速度、湿度、気体成分、液体成分、その他の特性を物理的又は化学的手段により検出することができる。また、検出部2は、物理量または化学量を検出する検出素子3と当該検出素子3で検出された物理量または化学量を電気信号等の適切な信号に変換する検出制御回路4とを有している。検出素子3としては、抵抗素子、容量結合素子、誘導結合素子、光起電力素子、光電変換素子、熱起電力素子、トランジスタ、サーミスタ、ダイオード、静電容量型素子、圧電素子などの素子で形成することができる。なお、検出部2は複数設けてもよく、この場合、複数の物理量または化学量を同時に検出することが可能である。 The detection unit 2 can detect temperature, pressure, flow rate, light, magnetism, sound wave, acceleration, humidity, gas component, liquid component, and other characteristics by physical or chemical means. The detection unit 2 includes a detection element 3 that detects a physical quantity or a chemical quantity, and a detection control circuit 4 that converts the physical quantity or the chemical quantity detected by the detection element 3 into an appropriate signal such as an electrical signal. Yes. The detection element 3 is formed of an element such as a resistance element, a capacitive coupling element, an inductive coupling element, a photovoltaic element, a photoelectric conversion element, a thermoelectric element, a transistor, a thermistor, a diode, a capacitive element, or a piezoelectric element. can do. A plurality of detection units 2 may be provided. In this case, a plurality of physical quantities or chemical quantities can be detected simultaneously.

また、ここでいう物理量とは、温度、圧力、流量、光、磁気、音波、加速度、湿度等を指し、化学量とは、ガス等の気体成分やイオン等の液体成分等の化学物質等を指す。化学量としては、他にも、血液、汗、尿等に含まれる特定の生体物質(例えば、血液中に含まれる血糖値等)等の有機化合物も含まれる。特に、化学量を検出しようとする場合には、必然的にある特定の物質を選択的に検出することになるため、あらかじめ検出素子3に検出したい物質と選択的に反応する物質を設けておくことが好ましい。例えば、生体物質の検出を行う場合には、検出素子3に検出させたい生体物質と選択的に反応する酵素、抗体分子または微生物細胞等を高分子等に固定化して設けておくことが好ましい。 The physical quantity here refers to temperature, pressure, flow rate, light, magnetism, sound wave, acceleration, humidity, etc., and the chemical quantity refers to chemical substances such as gas components such as gas and liquid components such as ions. Point to. In addition, the chemical amount includes organic compounds such as specific biological substances (for example, blood glucose level contained in blood) contained in blood, sweat, urine and the like. In particular, when a chemical amount is to be detected, a specific substance is necessarily selectively detected. Therefore, a substance that selectively reacts with a substance to be detected is provided in advance in the detection element 3. It is preferable. For example, when detecting a biological substance, it is preferable that an enzyme, an antibody molecule, a microbial cell, or the like that selectively reacts with the biological substance to be detected by the detection element 3 is fixed to a polymer or the like.

本発明により無線チップとして機能する半導体装置を形成することができる。無線チッフ゜の用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図14(A)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図14(C)参照)、記録媒体(DVDソフトやビデオテープ等、図14(B)参照)、乗物類(自転車等、図14(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類、衣類、生活用品類、電子機器等の商品や荷物の荷札(図14(E)、図14(F)参照)等の物品に設けて使用することができる。また、動物類、人体に貼り付けたり、埋め込んだりすることができる。電子機器とは、液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置(単にテレビ、テレビ受像機、テレビジョン受像機とも呼ぶ)及び携帯電話等を指す。   According to the present invention, a semiconductor device functioning as a wireless chip can be formed. Applications of wireless chips are wide-ranging. For example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, resident's card, etc., see FIG. 14A), packaging containers (wrapping paper and Bottles, etc., see FIG. 14C), recording media (DVD software, video tape, etc., see FIG. 14B), vehicles (bicycles, etc., see FIG. 14D), personal items (bags, glasses, etc.) ), Products such as foods, plants, clothing, daily necessities, electronic devices, and articles such as luggage tags (see FIGS. 14E and 14F). It can also be pasted or embedded in animals and human bodies. Electronic devices refer to liquid crystal display devices, EL display devices, television devices (also simply referred to as televisions, television receivers, television receivers), mobile phones, and the like.

本発明の半導体装置20は、プリント基板に実装したり、表面に貼ったり、埋め込んだりして、物品に固定される。例えば、本なら紙に埋め込んだり、有機樹脂からなるパッケージなら当該有機樹脂に埋め込んだりして、各物品に固定される。本発明の半導体装置20は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後も、その物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類等に本発明の半導体装置2707を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、電子機器等に本発明の半導体装置を設けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。   The semiconductor device 20 of the present invention is fixed to an article by being mounted on a printed board, pasted on a surface, or embedded. For example, a book is embedded in paper, and a package made of an organic resin is embedded in the organic resin, and is fixed to each article. Since the semiconductor device 20 of the present invention realizes a small size, a thin shape, and a light weight, the design of the article itself is not impaired even after being fixed to the article. Further, by providing the semiconductor device 2707 of the present invention to bills, coins, securities, bearer bonds, certificates, etc., an authentication function can be provided, and forgery can be prevented by utilizing this authentication function. Can do. In addition, by providing the semiconductor device of the present invention in packaging containers, recording media, personal items, foods, clothing, daily necessities, electronic devices, etc., the efficiency of a system such as an inspection system can be improved.

次に、本発明の半導体装置を実装した電子機器の一態様について図面を参照して説明する。ここで例示する電子機器は携帯電話機であり、筐体2700、2706、パネル2701、ハウジング2702、プリント配線基板2703、操作ボタン2704、バッテリ2705を有する(図13参照)。パネル2701はハウジング2702に脱着自在に組み込まれ、ハウジング2702はプリント配線基板2703に嵌着される。ハウジング2702はパネル2701が組み込まれる電子機器に合わせて、形状や寸法が適宜変更される。プリント配線基板2703には、パッケージングされた複数の半導体装置が実装されており、このうちの1つとして、本発明の半導体装置を用いることができる。プリント配線基板2703に実装される複数の半導体装置は、コントローラ、中央処理ユニット(CPU、Central Processing Unit)、メモリ、電源回路、音声処理回路、送受信回路等のいずれかの機能を有する。 Next, one mode of an electronic device in which the semiconductor device of the present invention is mounted will be described with reference to the drawings. The electronic device illustrated here is a mobile phone, and includes housings 2700 and 2706, a panel 2701, a housing 2702, a printed wiring board 2703, operation buttons 2704, and a battery 2705 (see FIG. 13). The panel 2701 is detachably incorporated in the housing 2702, and the housing 2702 is fitted on the printed wiring board 2703. The shape and dimensions of the housing 2702 are changed as appropriate in accordance with the electronic device in which the panel 2701 is incorporated. A plurality of packaged semiconductor devices are mounted on the printed wiring board 2703, and the semiconductor device of the present invention can be used as one of them. The plurality of semiconductor devices mounted on the printed wiring board 2703 have any one function of a controller, a central processing unit (CPU), a memory, a power supply circuit, a sound processing circuit, a transmission / reception circuit, and the like.

パネル2701は、接続フィルム2708を介して、プリント配線基板2703と接続される。上記のパネル2701、ハウジング2702、プリント配線基板2703は、操作ボタン2704やバッテリ2705と共に、筐体2700、2706の内部に収納される。パネル2701が含む画素領域2709は、筐体2700に設けられた開口窓から視認できるように配置されている。 The panel 2701 is connected to the printed wiring board 2703 through the connection film 2708. The panel 2701, the housing 2702, and the printed wiring board 2703 are housed in the housings 2700 and 2706 together with the operation buttons 2704 and the battery 2705. A pixel region 2709 included in the panel 2701 is arranged so as to be visible from an opening window provided in the housing 2700.

上記の通り、本発明の半導体装置は、小型、薄型、軽量であることを特徴としており、上記特徴により、電子機器の筐体2700、2706内部の限られた空間を有効に利用することができる。 As described above, the semiconductor device of the present invention is characterized in that it is small, thin, and lightweight, and the limited space inside the housings 2700 and 2706 of the electronic device can be effectively used due to the above characteristics. .

また、本発明の半導体装置は、外部からの電圧印加により変化する有機化合物層が一対の導電層間に挟まれた単純な構造の記憶素子を有するため、安価な半導体装置を用いた電子機器を提供することができる。また、本発明の半導体装置は高集積化が容易なため、大容量の記憶回路を有する半導体装置を用いた電子機器を提供することができる。   In addition, since the semiconductor device of the present invention includes a memory element having a simple structure in which an organic compound layer that is changed by external voltage application is sandwiched between a pair of conductive layers, an electronic device using an inexpensive semiconductor device is provided. can do. In addition, since the semiconductor device of the present invention can be easily integrated, an electronic device using the semiconductor device including a large-capacity memory circuit can be provided.

また、本発明の半導体装置が有する記憶装置は、外部からの電圧印加によりデータの書き込みを行うものであり、不揮発性であって、データの追記が可能であることを特徴とする。上記特徴により、書き換えによる偽造を防止することができ、新たなデータを追加して書き込むことができる。従って、高機能化と高付加価値化を実現した半導体装置を用いた電子機器を提供することができる。   In addition, a memory device included in the semiconductor device of the present invention writes data by applying voltage from the outside, is nonvolatile, and can additionally write data. With the above feature, forgery due to rewriting can be prevented, and new data can be added and written. Therefore, an electronic device using a semiconductor device that achieves high functionality and high added value can be provided.

なお、筐体2700、2706は、携帯電話機の外観形状を一例として示したものであり、本実施例に係る電子機器は、その機能や用途に応じて様々な態様に変容しうる。 Note that the housings 2700 and 2706 are examples of the appearance of a mobile phone, and the electronic device according to the present embodiment can be transformed into various modes depending on the function and application.

本実施例では、記憶素子の書込み特性について、図17及び18を用いて説明する。   In this embodiment, write characteristics of the memory element will be described with reference to FIGS.

図17(A)には、本実施例で用いた試料11の構造を示し、図17(B)は試料11の比較となる比較試料14の構造を示す。   17A shows the structure of the sample 11 used in this example, and FIG. 17B shows the structure of the comparative sample 14 that is a comparison with the sample 11.

試料11は、基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された絶縁層52、第1の導電層51及び絶縁層52上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子55を有する。   The sample 11 includes a first conductive layer 51 formed on the substrate 50, an insulating layer 52 formed on the first conductive layer 51, an organic compound formed on the first conductive layer 51 and the insulating layer 52. The memory element 55 includes a layer 53 and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53.

比較試料14は、基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子56を有する。   The comparative sample 14 includes a first conductive layer 51 formed on the substrate 50, an organic compound layer 53 formed on the first conductive layer 51, and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53. The memory element 56 is configured.

なお、記憶素子55及び56において、第1の導電層51の端部は、隔壁(絶縁層)57によって覆われる。   Note that in the memory elements 55 and 56, the end portion of the first conductive layer 51 is covered with a partition wall (insulating layer) 57.

記憶素子55及び56においては、基板50にガラス基板を用い、第1の導電層51にスパッタリング法により形成された厚さ100nmのチタン層を用い、有機化合物層53に蒸着法により形成された厚さ10nmのNPBを用い、第2の導電層54に蒸着法により形成された厚さ200nmのアルミニウム層を用いた。また、記憶素子55は、絶縁層52に蒸着法により形成された厚さ1nmのフッ化カルシウム層を用いた。また、記憶素子55及び56の第1の導電層51及び第2の導電層54が重複する上面形状を正方形とし、その一辺の長さを5μmとした。   In the memory elements 55 and 56, a glass substrate is used as the substrate 50, a 100 nm-thick titanium layer formed by a sputtering method is used as the first conductive layer 51, and a thickness formed by an evaporation method in the organic compound layer 53. NPB having a thickness of 10 nm was used, and an aluminum layer having a thickness of 200 nm formed by vapor deposition on the second conductive layer 54 was used. As the memory element 55, a 1-nm-thick calcium fluoride layer formed on the insulating layer 52 by a vapor deposition method was used. In addition, the upper surface shape where the first conductive layer 51 and the second conductive layer 54 of the memory elements 55 and 56 overlap is a square, and the length of one side thereof is 5 μm.

図18に、試料11及び比較試料14の書込み特性を示す。横軸は書き込み電圧であり、縦軸はその書き込み電圧以下で書込みが成功した確率(書込み成功率)を表す。また、書き込み時間を100msとした。また、試料11及び比較試料14それぞれに形成される64個の記憶素子について評価した。試料11の記憶素子は9Vで書込みが開始され、12Vで書込み成功率が100%に達した。一方、比較試料14は5Vの時点で書込みが開始されるが、電圧の上昇に対する書込み成功率の上昇は鈍く、書込み成功率が100%に達するのに書き込み電圧が14V必要であった。   FIG. 18 shows the writing characteristics of Sample 11 and Comparative Sample 14. The horizontal axis represents the write voltage, and the vertical axis represents the probability of successful write (write success rate) below the write voltage. The writing time was 100 ms. In addition, 64 memory elements formed in each of the sample 11 and the comparative sample 14 were evaluated. The memory element of Sample 11 started writing at 9V, and the writing success rate reached 100% at 12V. On the other hand, the writing of the comparative sample 14 is started at the time of 5V, but the increase in the writing success rate with respect to the increase in voltage is slow, and the writing voltage of 14V is necessary for the writing success rate to reach 100%.

以上のことから、第1の導電層に接するように第1の導電層及び有機化合物層の間に絶縁層を設けることで、書き込みに必要な電圧のバラツキを低減することが可能であることが分かる。 From the above, it is possible to reduce variation in voltage necessary for writing by providing an insulating layer between the first conductive layer and the organic compound layer so as to be in contact with the first conductive layer. I understand.

本実施例では、異なる絶縁層を用いた記憶素子の書込み特性について、図17及び19を用いて説明する。   In this embodiment, write characteristics of a memory element using different insulating layers will be described with reference to FIGS.

絶縁層としてハロゲン化リチウム塩を用いた記憶素子を有する試料12〜14において、ハロゲン化リチウム塩の種類及び記憶素子の上面面積による書込み特性を図19に示す。 In Samples 12 to 14 each having a memory element using a lithium halide salt as an insulating layer, the write characteristics depending on the type of the lithium halide salt and the upper surface area of the memory element are shown in FIG.

試料12〜14は、図17(A)に示すような基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された絶縁層52、第1の導電層51及び絶縁層52上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子55を有する。   Samples 12 to 14 include a first conductive layer 51 formed on a substrate 50 as shown in FIG. 17A, an insulating layer 52 formed on the first conductive layer 51, and a first conductive layer 51. And a memory element 55 including an organic compound layer 53 formed on the insulating layer 52 and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53.

ここでは、試料12〜14の記憶素子としては、基板50にガラス基板を用い、第1の導電層51にスパッタリング法により形成された厚さ100nmのチタン層を用い、有機化合物層53に蒸着法により形成された厚さ10nmのTPAQnを用い、第2の導電層54に蒸着法により形成された厚さ200nmのアルミニウム層を用いた。また、試料12〜14は、それぞれ第1の導電層51及び第2の導電層54が重複する上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さが2μm、または3μmである記憶素子を有する。   Here, as the memory elements of Samples 12 to 14, a glass substrate is used as the substrate 50, a titanium layer having a thickness of 100 nm formed by a sputtering method is used as the first conductive layer 51, and a vapor deposition method is used as the organic compound layer 53. The TPAQn having a thickness of 10 nm formed by the above method was used, and an aluminum layer having a thickness of 200 nm formed by a vapor deposition method was used for the second conductive layer 54. In addition, each of the samples 12 to 14 has a memory element in which the upper surface shape where the first conductive layer 51 and the second conductive layer 54 overlap each other is a square, and the length of one side is 2 μm or 3 μm.

試料12〜14の記憶素子に電圧を8V〜12V印加して書込みを行った。このときの、書込み時間を10msとした。   Writing was performed by applying a voltage of 8 to 12 V to the memory elements of Samples 12 to 14. The writing time at this time was 10 ms.

試料12の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法により形成された厚さ1nmのフッ化リチウム層を用いた。このときの書込み電圧に対する書込み成功率を図19(A)に示した。   As the memory element of Sample 12, a 1-nm-thick lithium fluoride layer formed on the insulating layer 52 by a vapor deposition method was used. The write success rate with respect to the write voltage at this time is shown in FIG.

試料13の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法により形成された厚さ1nmの塩化リチウム層を用いた。このときの書込み電圧に対する書込み成功率を図19(B)に示した。   As the memory element of Sample 13, a 1-nm-thick lithium chloride layer formed by vapor deposition on the insulating layer 52 was used. The write success rate with respect to the write voltage at this time is shown in FIG.

試料14の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法により形成された厚さ1nmの臭化リチウム層を用いた。このときの書込み電圧に対する書込み成功率を図19(C)に示した。   For the memory element of Sample 14, a 1 nm thick lithium bromide layer formed on the insulating layer 52 by vapor deposition was used. The writing success rate with respect to the writing voltage at this time is shown in FIG.

試料12〜14の記憶素子の構成を表4に示す。

Figure 0004974555
Table 4 shows the configurations of the memory elements of Samples 12 to 14.
Figure 0004974555

塩化リチウムを用いた絶縁層を有する試料13(図19(B))、及び臭化リチウムを用いた絶縁層を有する試料14(図19(C))と比較して、フッ化リチウムを用いた絶縁層を有する試料12(図19(A))は、書込み成功率の上昇が急峻であった。また、記憶素子の上面面積に関わらず、書込み電圧に対する書込み成功率のばらつきが少なかった。このことから、絶縁層にフッ化リチウムを用いる記憶素子は、記憶素子間の書込み電圧の値のばらつきを低減することが可能であることがわかる。   Compared with Sample 13 (FIG. 19B) having an insulating layer using lithium chloride and Sample 14 having an insulating layer using lithium bromide (FIG. 19C), lithium fluoride was used. In Sample 12 having an insulating layer (FIG. 19A), the increase in the writing success rate was steep. Further, the variation in the write success rate with respect to the write voltage was small regardless of the top surface area of the memory element. From this, it can be seen that a memory element using lithium fluoride for the insulating layer can reduce variations in the value of the write voltage between the memory elements.

次に、異なる絶縁層を用いた記憶素子の書込み電圧及び電流値を、図20に示す。本実施例では、絶縁層にアルカリ土類金属のフッ化物塩を用いた記憶素子を有する試料について評価した。   Next, FIG. 20 shows write voltages and current values of the memory elements using different insulating layers. In this example, a sample having a memory element using an alkaline earth metal fluoride salt as an insulating layer was evaluated.

試料15〜20は、図17(A)に示すように、基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された絶縁層52、第1の導電層51及び絶縁層52上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子を有する。   As shown in FIG. 17A, the samples 15 to 20 include a first conductive layer 51 formed on the substrate 50, an insulating layer 52 formed on the first conductive layer 51, and a first conductive layer. 51 and an organic compound layer 53 formed on the insulating layer 52 and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53.

また、試料15〜17としては、基板50にガラス基板を用い、第1の導電層51にスパッタリング法により形成された厚さ100nmのチタン層を用い、有機化合物層53に蒸着法により形成された厚さ10nmのNPBを用い、第2の導電層54に蒸着法により形成された厚さ200nmのアルミニウム層を用いた。また、第1の導電層51及び第2の導電層54が重複する上面形状は正方形であり、且つ一辺の長さを10μmとした。   In addition, as samples 15 to 17, a glass substrate was used as the substrate 50, a 100 nm-thick titanium layer formed by a sputtering method was used as the first conductive layer 51, and an organic compound layer 53 was formed by a vapor deposition method. NPB having a thickness of 10 nm was used, and an aluminum layer having a thickness of 200 nm formed by a vapor deposition method was used for the second conductive layer 54. Further, the upper surface shape where the first conductive layer 51 and the second conductive layer 54 overlap each other is a square, and the length of one side is 10 μm.

試料15の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ1nmのフッ化マグネシウムを用いた。   As the memory element of Sample 15, magnesium fluoride having a thickness of 1 nm formed on the insulating layer 52 by vapor deposition was used.

試料16の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ1nmのフッ化カルシウムを用いた。   As the memory element of Sample 16, calcium fluoride having a thickness of 1 nm formed on the insulating layer 52 by a vapor deposition method was used.

試料17の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ1nmのフッ化バリウムを用いた。   For the memory element of sample 17, barium fluoride having a thickness of 1 nm formed on the insulating layer 52 by vapor deposition was used.

試料15〜17の記憶素子の構成を表5に示す。

Figure 0004974555
Table 5 shows the configuration of the memory elements of Samples 15-17.
Figure 0004974555

また、試料15〜17と異なる材料で有機化合物層が形成される記憶素子を試料18〜20とした。ここでは、有機化合物層としてNPBの代わりにSFDCzを用いた。また、基板50、第1の導電層51、及び第2の導電層54は、試料15〜17と同様のものを用いた。   Samples 18 to 20 are memory elements in which the organic compound layer is formed of a material different from that of Samples 15 to 17. Here, SFDCz was used instead of NPB as the organic compound layer. The substrate 50, the first conductive layer 51, and the second conductive layer 54 were the same as those used in the samples 15 to 17.

試料18の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ1nmのフッ化カルシウムを用い、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのSFDCzを用いて形成した。   The memory element of Sample 18 was formed using 1 nm-thick calcium fluoride formed on the insulating layer 52 by a vapor deposition method and 10 nm thick SFDCz formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method.

試料19の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ0.1nmのフッ化バリウムを用い、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのSFDCzを用いた。   As the memory element of the sample 19, barium fluoride having a thickness of 0.1 nm formed by the evaporation method was used for the insulating layer 52, and SFDCz having a thickness of 10 nm formed by the evaporation method was used for the organic compound layer 53.

試料20の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ1nmのフッ化バリウムを用い、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのSFDCzを用いた。   The memory element of the sample 20 used barium fluoride having a thickness of 1 nm formed by an evaporation method for the insulating layer 52 and SFDCz having a thickness of 10 nm formed by an evaporation method for the organic compound layer 53.

試料18〜20の記憶素子の構成を表6に示す。

Figure 0004974555
Table 6 shows the configuration of the memory elements of Samples 18-20.
Figure 0004974555

試料15〜17の書込み電圧及び電流値を図20(A)に示し、試料18〜20の書込み電圧及び電流値を図20(B)に示した。また、図20(A)及び(B)において、それぞれ20μW、100μW、及び200μWの等電力曲線を示した。なお、このときの書込み方法としては、0Vから0.1Vごとに電圧を上昇させながら各電圧での試料の電流値を測定するスイープ測定を行った。また、各電圧の印加時間を100msとした。   The write voltage and current values of Samples 15 to 17 are shown in FIG. 20A, and the write voltage and current values of Samples 18 to 20 are shown in FIG. 20A and 20B show isopower curves of 20 μW, 100 μW, and 200 μW, respectively. As a writing method at this time, sweep measurement was performed in which the current value of the sample at each voltage was measured while increasing the voltage from 0V to 0.1V. The application time of each voltage was 100 ms.

図20(A)に示すように、また、絶縁層にフッ化バリウムを用いた記憶素子を有する試料17と比較して、絶縁層にフッ化カルシウムを用いた記憶素子を有する試料16の方が、書込み電圧は高いものの、電流値が低い。このため、消費電力を低減することが可能であることがわかる。なお、試料15の記憶素子は、初期ショートが生じたため、図20(A)にプロットが無い。以下、記憶素子に電圧を印加して書込みを行う前に、既に記憶素子が書き込まれた状態であることを、初期ショートという。   As shown in FIG. 20A, the sample 16 having the memory element using calcium fluoride in the insulating layer is more preferable than the sample 17 having the memory element using barium fluoride in the insulating layer. Although the write voltage is high, the current value is low. For this reason, it turns out that power consumption can be reduced. Note that the memory element of Sample 15 has no plot in FIG. 20A because an initial short circuit occurred. Hereinafter, the state in which the memory element is already written before the voltage is applied to the memory element to perform writing is referred to as an initial short circuit.

図20(A)及び(B)を比較すると、有機化合物層にNPBの代わりにSFDCzを用いた場合も、絶縁層にフッ化バリウムを用いた記憶素子を有する試料19、20と比較して、絶縁層にフッ化カルシウムを用いた記憶素子を有する試料18の方が、書込み電圧は高いものの、電流値がより低く、この結果消費電力を低減することが可能であった。   20A and 20B, when SFDCz is used instead of NPB for the organic compound layer, compared with Samples 19 and 20 having a memory element using barium fluoride for the insulating layer, The sample 18 having a memory element using calcium fluoride as the insulating layer had a higher write voltage but a lower current value, and as a result, it was possible to reduce power consumption.

また、図20(B)に示すように、絶縁層にフッ化バリウムを用いた記憶素子を有する試料19及び20を比較すると、試料19のように絶縁層の膜厚を薄くすると、書込み電圧を低減することが可能であることがわかる。   In addition, as shown in FIG. 20B, when comparing the samples 19 and 20 each having a storage element using barium fluoride as the insulating layer, when the film thickness of the insulating layer is reduced as in the sample 19, the write voltage is reduced. It can be seen that this can be reduced.

次に、本発明の記憶素子において、絶縁層の膜厚に対する記憶素子の書込み電圧及び電流値を、図21に示す。   Next, in the memory element of the present invention, the write voltage and current value of the memory element with respect to the thickness of the insulating layer are shown in FIG.

試料21〜24は、図17(A)に示すように、基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された絶縁層52、第1の導電層51及び絶縁層52上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子を有する。   As shown in FIG. 17A, the samples 21 to 24 include a first conductive layer 51 formed on the substrate 50, an insulating layer 52 formed on the first conductive layer 51, and a first conductive layer. 51 and an organic compound layer 53 formed on the insulating layer 52 and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53.

ここでは、試料21〜24としては、基板50にガラス基板を用い、第1の導電層51にスパッタリング法により形成された厚さ100nmのチタン層を用い、有機化合物層53に蒸着法により形成された厚さ10nmのNPBを用い、第2の導電層54に蒸着法により形成された厚さ200nmのアルミニウム層を用いた。   Here, as the samples 21 to 24, a glass substrate is used as the substrate 50, a titanium layer having a thickness of 100 nm formed by a sputtering method is used as the first conductive layer 51, and an organic compound layer 53 is formed by a vapor deposition method. Further, NPB having a thickness of 10 nm was used, and an aluminum layer having a thickness of 200 nm formed on the second conductive layer 54 by an evaporation method was used.

試料21の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ1nmのフッ化カルシウムを用いた。   As the memory element of the sample 21, calcium fluoride having a thickness of 1 nm formed on the insulating layer 52 by a vapor deposition method was used.

試料22の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ2nmのフッ化カルシウムを用いた。   As the memory element of the sample 22, calcium fluoride having a thickness of 2 nm formed on the insulating layer 52 by a vapor deposition method was used.

試料23の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ3nmのフッ化カルシウムを用いた。   For the memory element of Sample 23, calcium fluoride having a thickness of 3 nm formed on the insulating layer 52 by vapor deposition was used.

試料24の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ5nmのフッ化カルシウムを用いた。   As the memory element of the sample 24, calcium fluoride having a thickness of 5 nm formed on the insulating layer 52 by a vapor deposition method was used.

試料21〜24の記憶素子の構成を表7に示す。

Figure 0004974555
Table 7 shows the configuration of the memory elements of Samples 21 to 24.
Figure 0004974555

次に測定の仕方を以下に示す。はじめに、読み出し電圧0〜3Vを各試料に印加して、各試料の記憶素子において初期ショートしている記憶素子の有無及びその場所を特定した。   Next, the method of measurement is shown below. First, a read voltage of 0 to 3 V was applied to each sample, and the presence and location of the memory element that was initially short-circuited in the memory element of each sample was specified.

次に、初期ショートしていない記憶素子について、電圧を印加して書込みを行った。ここでは、昇圧回路を用いて昇圧した電圧を書込み電圧とし、各試料の記憶素子に印加した。このときの昇圧回路の動作周波数を5MHz、書込み電圧を3Vとした。次に、電圧を0Vから50Vまで0.1Vごと上昇させながら各電圧での試料の電流値を測定するスイープ測定を行った。また、各電圧の印加時間を20msとした。   Next, writing was performed by applying a voltage to a memory element that was not initially short-circuited. Here, the voltage boosted using the booster circuit was used as the write voltage and applied to the memory element of each sample. The operating frequency of the booster circuit at this time was 5 MHz, and the write voltage was 3V. Next, sweep measurement was performed to measure the current value of the sample at each voltage while increasing the voltage by 0.1V from 0V to 50V. Moreover, the application time of each voltage was 20 ms.

図21に示すように、試料21の書込み電圧及び電流値のプロットを破線61で囲み、試料22の書込み電圧及び電流値のプロットを破線62で囲み、試料23の書込み電圧及び電流値のプロットを破線63で囲み、試料24の書込み電圧及び電流値のプロットを破線64で囲んだ。試料21〜23と、試料24とを比較すると、絶縁層の膜厚が薄い(1〜3nm)記憶素子は、書込み電圧が低くなると共に、電流値が大きくなることが分かった。しかしながら、試料21〜23においては、書き込み時の電流電圧特性はほぼ変化しないことがわかる。このことから、記憶素子の絶縁層の膜厚を1〜3nmとすることで、書込み電圧及び電流値を安定化させることが可能であることがわかる。   As shown in FIG. 21, a plot of the write voltage and current value of the sample 21 is surrounded by a broken line 61, a plot of the write voltage and current value of the sample 22 is surrounded by a broken line 62, and a plot of the write voltage and current value of the sample 23 is plotted. A plot of the writing voltage and current value of the sample 24 is enclosed by a broken line 64 and surrounded by a broken line 63. When Samples 21 to 23 and Sample 24 were compared, it was found that a memory element having a thin insulating layer (1 to 3 nm) had a low write voltage and a large current value. However, it can be seen that in Samples 21 to 23, the current-voltage characteristics at the time of writing hardly change. From this, it is understood that the write voltage and current value can be stabilized by setting the thickness of the insulating layer of the memory element to 1 to 3 nm.

本実施例では、異なる絶縁層を有する記憶素子の書き込み時間及び書込み特性の測定結果について、表8〜11及び図22に示す。   In this example, Tables 8 to 11 and FIG. 22 show measurement results of writing time and writing characteristics of memory elements having different insulating layers.

試料25〜27は、図17(A)に示すように、基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された絶縁層52、第1の導電層51及び絶縁層52上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子を有する。   As shown in FIG. 17A, the samples 25 to 27 include a first conductive layer 51 formed on the substrate 50, an insulating layer 52 formed on the first conductive layer 51, and a first conductive layer. 51 and an organic compound layer 53 formed on the insulating layer 52 and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53.

ここでは、試料25〜27としては、基板50上にガラス基板を用い、第1の導電層51にスパッタリング法により形成された厚さ100nmのチタン層を用い、有機化合物層53に蒸着法により形成された厚さ10nmのNPBを用い、第2の導電層54に蒸着法により形成された厚さ200nmのアルミニウム層を用いた。また、試料25〜27は、第1の導電層51及び第2の導電層54が重複する上面形状を正方形とし、その一辺の長さを2μm、3μm、5μm、10μmとする記憶素子をそれぞれ有する。   Here, as the samples 25 to 27, a glass substrate is used on the substrate 50, a 100 nm-thick titanium layer formed by a sputtering method is used for the first conductive layer 51, and an organic compound layer 53 is formed by a vapor deposition method. The NPB having a thickness of 10 nm was used, and an aluminum layer having a thickness of 200 nm formed on the second conductive layer 54 by an evaporation method was used. Samples 25 to 27 each have a storage element in which the upper surface shape where the first conductive layer 51 and the second conductive layer 54 overlap is a square, and the length of one side is 2 μm, 3 μm, 5 μm, and 10 μm. .

試料25の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ1nmのフッ化カルシウムを用いた。   For the memory element of sample 25, calcium fluoride having a thickness of 1 nm formed on the insulating layer 52 by vapor deposition was used.

試料26の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ1nmのフッ化バリウムを用いた。   As the memory element of the sample 26, barium fluoride having a thickness of 1 nm formed on the insulating layer 52 by a vapor deposition method was used.

試料27の記憶素子は、絶縁層52に蒸着法で形成された厚さ1nmのフッ化リチウムを用いた。   For the memory element of Sample 27, lithium fluoride having a thickness of 1 nm formed on the insulating layer 52 by vapor deposition was used.

試料25〜27の記憶素子の構成を表8に示す。

Figure 0004974555
Table 8 shows the structures of the memory elements of Samples 25 to 27.
Figure 0004974555

次に測定の仕方を以下に示す。はじめに、読み出し電圧3Vを各試料に印加して、各試料の記憶素子において初期ショートしている記憶素子の有無及びその場所を特定した。   Next, the method of measurement is shown below. First, a read voltage of 3 V was applied to each sample, and the presence and location of the memory element initially short-circuited in the memory element of each sample was specified.

次に、初期ショートしていない記憶素子について、電圧を印加して書込みを行った。ここでは、昇圧回路を用いて昇圧した電圧を書込み電圧とし、各試料の記憶素子に印加した。このときの昇圧回路の動作周波数を5MHz、書込み電圧を3Vとした。   Next, writing was performed by applying a voltage to a memory element that was not initially short-circuited. Here, the voltage boosted using the booster circuit was used as the write voltage and applied to the memory element of each sample. The operating frequency of the booster circuit at this time was 5 MHz, and the write voltage was 3V.

はじめに各試料の記憶素子に1ms電圧を印加し、書き込みできなかった記憶素子にはさらに書込み時間を2ms、5ms、10ms、20ms、50ms、100msとして電圧を印加して書き込みを行った。   First, a voltage of 1 ms was applied to the memory element of each sample, and writing was performed by applying a voltage to the memory element that could not be written with a writing time of 2 ms, 5 ms, 10 ms, 20 ms, 50 ms, and 100 ms.

試料25の書込みを行った評価結果を表9に示し、試料26の書込みを行った評価結果を表10に示し、試料27の書込みを行った評価結果を表11に示す。

Figure 0004974555
Figure 0004974555
Figure 0004974555
Table 9 shows the evaluation results of writing the sample 25, Table 10 shows the evaluation results of writing the sample 26, and Table 11 shows the evaluation results of writing the sample 27.
Figure 0004974555
Figure 0004974555
Figure 0004974555

表9及び表10に示すように、絶縁層にフッ化バリウムを用いた記憶素子を有する試料26と、絶縁層にフッ化カルシウムを用いた記憶素子を有する試料25は、ほぼ同じ書込み特性であった。これに対し、表9乃至表11に示すように、絶縁層にフッ化リチウムを用いた記憶素子を有する試料27は、絶縁層にフッ化カルシウムを用いた記憶素子を有する試料25や、絶縁層にフッ化バリウムを用いた記憶素子を有する試料26よりも書込み成功率が高い。 As shown in Table 9 and Table 10, the sample 26 having a memory element using barium fluoride for the insulating layer and the sample 25 having a memory element using calcium fluoride for the insulating layer had substantially the same write characteristics. It was. On the other hand, as shown in Tables 9 to 11, the sample 27 having a memory element using lithium fluoride as the insulating layer is a sample 25 having a memory element using calcium fluoride as the insulating layer, or the insulating layer. The writing success rate is higher than that of the sample 26 having a memory element using barium fluoride.

次に、書込み成功率が高かった試料27書込み成功率と書き込み時間との関係を図22に示す。一辺の長さが10μmの記憶素子であれば、1msの書込みで100%の書込みに成功していることが分かる。 Next, FIG. 22 shows the relationship between the writing success rate of the sample 27 and the writing time with a high writing success rate. If the memory element has a side length of 10 μm, it can be seen that 100% writing is successful with 1 ms writing.

以上のことから、フッ化リチウムを絶縁層に用いた記憶素子を用いることで、書込み成功率高めることが可能であることが分かった。特に、フッ化リチウムを絶縁層に用いた記憶素子は、短い書込み時間においても書き込み成功率が高いため、高速動作が必要な半導体装置に適することがわかる。 From the above, it was found that the write success rate can be increased by using a memory element using lithium fluoride as an insulating layer. In particular, it can be seen that a memory element using lithium fluoride as an insulating layer is suitable for a semiconductor device that requires high-speed operation because the writing success rate is high even in a short writing time.

本実施例では、異なる有機化合物層を有する記憶素子の書込み特性の測定結果について、表12および13、並びに図23を用いて説明する。   In this example, measurement results of write characteristics of memory elements having different organic compound layers will be described with reference to Tables 12 and 13 and FIG.

試料28〜33は、図17(A)に示すように、基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された絶縁層52、第1の導電層51及び絶縁層52上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子を有する。   As shown in FIG. 17A, the samples 28 to 33 include a first conductive layer 51 formed on the substrate 50, an insulating layer 52 formed on the first conductive layer 51, and a first conductive layer. 51 and an organic compound layer 53 formed on the insulating layer 52 and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53.

ここでは、試料28〜33としては、基板50上にガラス基板を用い、第1の導電層51にスパッタリング法により形成された厚さ100nmのチタン層を用い、絶縁層52に蒸着法により形成された厚さ1nmのフッ化カルシウム層を用い、第2の導電層54に蒸着法により形成された厚さ200nmのアルミニウム層を用いた。また、試料28〜30において、第1の導電層51及び第2の導電層54が重複する上面形状を正方形とし、その一辺の長さを5μmとする記憶素子をそれぞれ形成した。   Here, as the samples 28 to 33, a glass substrate is used on the substrate 50, a 100 nm-thick titanium layer formed by a sputtering method is used for the first conductive layer 51, and an insulating layer 52 is formed by an evaporation method. In addition, a calcium fluoride layer having a thickness of 1 nm was used, and an aluminum layer having a thickness of 200 nm formed on the second conductive layer 54 by an evaporation method was used. Further, in Samples 28 to 30, memory elements were formed in which the top surface shape where the first conductive layer 51 and the second conductive layer 54 overlap each other was a square and the length of one side thereof was 5 μm.

試料28の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのNPBを用いた。   As the memory element of the sample 28, NPB having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料29の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのt−BuDNAを用いた。   As the memory element of the sample 29, t-BuDNA having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料30の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのTPAQnを用いた。   As the memory element of Sample 30, TPAQn having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料28〜30の記憶素子の構成を表12に示す。

Figure 0004974555
Table 12 shows the configuration of the memory elements of Samples 28 to 30.
Figure 0004974555

はじめに、読み出し電圧を各試料に印加して、各試料の記憶素子において初期ショートした割合(以下初期ショート率と示す。)及び、初期ショートしない記憶素子に5Vから14Vまでの書き込み電圧を印加した時の書き込み成功率を、表13に示した。なお、書込み時間は10msと100msの2条件で行った。

Figure 0004974555
First, when a read voltage is applied to each sample, a ratio of initial short-circuit in the memory element of each sample (hereinafter referred to as initial short-circuit ratio), and a write voltage from 5 V to 14 V is applied to the memory element that is not initially short-circuited. Table 13 shows the writing success rate. The writing time was performed under two conditions of 10 ms and 100 ms.
Figure 0004974555

表13に示すように、記憶素子の有機化合物層にNPB、t−BuDNA、及びTPAQnをそれぞれ用いた場合でも、各試料の初期ショート率は非常に低い結果となった。   As shown in Table 13, even when NPB, t-BuDNA, and TPAQn were used for the organic compound layer of the memory element, the initial short-circuit rate of each sample was very low.

また、5Vから14Vでの書込み成功率はNPBを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料28よりもt−BuDNAを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料29やTPAQnを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料30のほうが高くなった。 In addition, the writing success rate from 5V to 14V is higher in the sample 29 having the memory element using t-BuDNA in the organic compound layer and the TPAQn in the organic compound layer than in the sample 28 having the memory element using NPB in the organic compound layer. The sample 30 having the memory element used was higher.

次に、図23に、試料28〜30の記憶素子に電圧を印加して書込みを行ったときの電圧電流特性を示す。なお、ここでの各試料の記憶素子の上面形状を正方形とし、且つ一辺の長さを5μmとし、書込み時間を10msとした。   Next, FIG. 23 shows voltage-current characteristics when writing is performed by applying a voltage to the memory elements of Samples 28-30. Here, the shape of the upper surface of the memory element of each sample was a square, the length of one side was 5 μm, and the writing time was 10 ms.

図23に示すように、TPAQnを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料30の書込み電圧が最も低く、次いでt−BuDNAを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料29、NPBを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料28の順に書込み電圧が上昇した。TPAQnを有機化合物層に用いることで、記憶素子の書込み電圧を低減することができる。   As shown in FIG. 23, the write voltage of the sample 30 having the memory element using TPAQn as the organic compound layer is the lowest, then the sample 29 having the memory element using t-BuDNA as the organic compound layer, and NPB as the organic compound. The writing voltage increased in the order of the sample 28 having the memory element used for the layer. By using TPAQn for the organic compound layer, the write voltage of the memory element can be reduced.

本実施例では、実施例9と同様に、異なる有機化合物層を有する記憶素子に電圧を印加して書込みを行ったときの書込み電圧及び電流値の測定結果について、表14及び図24を用いて示す。   In this example, as in Example 9, the measurement results of the writing voltage and current value when writing is performed by applying a voltage to a memory element having a different organic compound layer, using Table 14 and FIG. Show.

ここでは、異なる材料で形成される有機化合物層を用いた記憶素子を有する試料を作製した。その結果を、図24(A)及び(B)に示した。図24(A)は、有機化合物層にホール輸送材料を用いた記憶素子を有する試料31〜34の書込み電圧及び電流値を示し、図24(B)は、有機化合物層に電子輸送材料を用いた記憶素子を有する試料35〜40の書込み電圧及び電流値を示した。 Here, a sample having a memory element using an organic compound layer formed of a different material was manufactured. The results are shown in FIGS. 24 (A) and (B). FIG. 24A shows the write voltage and current values of Samples 31 to 34 each having a memory element using a hole transport material for the organic compound layer, and FIG. 24B uses an electron transport material for the organic compound layer. The write voltage and current values of Samples 35 to 40 having the storage elements were shown.

試料31〜40は、図17(A)に示すように、基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された絶縁層52、第1の導電層51及び絶縁層52上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子を有する。   As shown in FIG. 17A, the samples 31 to 40 include a first conductive layer 51 formed on the substrate 50, an insulating layer 52 formed on the first conductive layer 51, and a first conductive layer. 51 and an organic compound layer 53 formed on the insulating layer 52 and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53.

ここでは、試料31〜40としては、基板50上にガラス基板を用い、第1の導電層51にスパッタリング法により形成された厚さ100nmのチタン層を用い、絶縁層52に蒸着法により形成された厚さ1nmのフッ化カルシウム層を用い、第2の導電層54に蒸着法により形成された厚さ200nmのアルミニウム層を用いた。また、試料31〜43において、第1の導電層51及び第2の導電層54が重複する上面形状を正方形とし、且つ一辺の長さを2μm、3μm、5μm、10μmとする記憶素子をそれぞれ形成した。   Here, as the samples 31 to 40, a glass substrate is used on the substrate 50, a 100 nm-thick titanium layer formed by a sputtering method is used for the first conductive layer 51, and an insulating layer 52 is formed by a vapor deposition method. In addition, a calcium fluoride layer having a thickness of 1 nm was used, and an aluminum layer having a thickness of 200 nm formed on the second conductive layer 54 by an evaporation method was used. Further, in Samples 31 to 43, memory elements in which the top surface shape where the first conductive layer 51 and the second conductive layer 54 overlap are square and the length of one side is 2 μm, 3 μm, 5 μm, and 10 μm are formed. did.

試料31の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのNPBを用いて有機化合物層を形成した。   In the memory element of sample 31, an organic compound layer was formed using NPB having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method.

試料32の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのSFDCzを用いて有機化合物層を形成した。   In the memory element of Sample 32, an organic compound layer was formed on the organic compound layer 53 using SFDCz having a thickness of 10 nm formed by a vapor deposition method.

試料33の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのPVKを用いた。   As the memory element of Sample 33, PVK having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料34の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのTCTAを用いた。   As the memory element of the sample 34, TCTA having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料35の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのInTzを用いた。   As the memory element of the sample 35, InTz having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料36の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのTPQを用いた。   As the memory element of the sample 36, TPQ having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料37の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのAlqを用いた。   As the memory element of the sample 37, Alq having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料38の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのBAlqを用いた。   As the memory element of the sample 38, BAlq having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料39の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのTPAQnを用いた。   As the memory element of the sample 39, TPAQn having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料40の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのt−BuDNAを用いた。   As the memory element of the sample 40, t-BuDNA having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料31〜40の記憶素子の構成を表14に示す。

Figure 0004974555
Table 14 shows the configuration of the memory elements of Samples 31 to 40.
Figure 0004974555

なお、このときの書込み方法としては、電圧を0Vから0.1Vごと上昇させながら各電圧での試料の電流値を測定するスイープ測定を行った。また、各電圧の印加時間を100msとした。 As a writing method at this time, sweep measurement was performed in which the current value of the sample at each voltage was measured while increasing the voltage from 0V by 0.1V. The application time of each voltage was 100 ms.

図24(A)に示すように、TCTAを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料34は大幅に書込み電圧が増大している。一方、NPBを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料31、SFDCzを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料32、PVKを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料33は、200μWの等電力曲線より下の領域にプロットされることから、これらの有機化合物層を有する記憶素子を用いることで、半導体装置の消費電力を低減させることが可能であることが分かる。 As shown in FIG. 24A, the writing voltage of the sample 34 having a memory element using TCTA for the organic compound layer is significantly increased. On the other hand, a sample 31 having a memory element using NPB for the organic compound layer, a sample 32 having a memory element using SFDCz for the organic compound layer, and a sample 33 having a memory element using PVK for the organic compound layer are 200 μW. Since it plots in the area | region below an isopower curve, it turns out that the power consumption of a semiconductor device can be reduced by using the memory element which has these organic compound layers.

図24(B)に示すように、Alqを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料37やBAlqを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料38は、ほぼ200μWの等電力曲線より下の領域にプロットされる。また、InTzを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料35、TPQを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料36、TPAQnを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料39、t−BuDNAを有機化合物層に用いた記憶素子を有する試料40は、100μWの等電力曲線より下の領域にプロットされる。このため、これらの有機化合物層を有する記憶素子を用いることで、半導体装置の消費電力を低減させることが可能であることがわかる。 As shown in FIG. 24B, a sample 37 having a memory element using Alq as the organic compound layer and a sample 38 having a memory element using BAlq as the organic compound layer are below the isopower curve of about 200 μW. Is plotted in the region. Sample 35 having a memory element using InTz as an organic compound layer, Sample 36 having a memory element using TPQ as an organic compound layer, Sample 39 having a memory element using TPAQn as an organic compound layer, t-BuDNA A sample 40 having a memory element in which is used for the organic compound layer is plotted in a region below the 100 μW isopower curve. For this reason, it is understood that the power consumption of the semiconductor device can be reduced by using the memory element having these organic compound layers.

本実施例では、異なる有機化合物層が積層された記憶素子に電圧を印加して書込みを行ったときの電流電圧特性の測定結果を表15に示す。   In this example, Table 15 shows measurement results of current-voltage characteristics when writing is performed by applying a voltage to a memory element in which different organic compound layers are stacked.

試料41は、図17(A)に示すように、基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された絶縁層52、第1の導電層51及び絶縁層52上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子をとした。 As shown in FIG. 17A, the sample 41 includes a first conductive layer 51 formed on the substrate 50, an insulating layer 52 formed on the first conductive layer 51, a first conductive layer 51, and A memory element including an organic compound layer 53 formed on the insulating layer 52 and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53 was used.

ここでは、試料41の記憶素子は、蒸着法で形成された厚さ10nmのBCP、及びBCP上に形成された厚さ10nmのNPBを用いて積層された有機化合物層を有する。   Here, the memory element of the sample 41 includes a 10 nm thick BCP formed by an evaporation method and an organic compound layer stacked using NPB 10 nm thick formed on the BCP.

また、基板50上にガラス基板を用い、第1の導電層51にスパッタリング法により形成された厚さ100nmのチタン層を用い、絶縁層52に蒸着法により形成された厚さ1nmのフッ化カルシウム層を用い、第2の導電層54に蒸着法により形成された厚さ200nmのアルミニウム層を用いた。   Further, a glass substrate is used on the substrate 50, a titanium layer having a thickness of 100 nm formed by a sputtering method is used for the first conductive layer 51, and a calcium fluoride having a thickness of 1 nm formed by an evaporation method on the insulating layer 52. A 200 nm-thick aluminum layer formed by vapor deposition on the second conductive layer 54 was used.

各記憶素子の上面形状は正方形であり、記憶素子の一辺の長さに対する記憶素子の書込電圧及び電流値を、表15に示した。

Figure 0004974555
The shape of the upper surface of each memory element is a square, and Table 15 shows the write voltage and current value of the memory element with respect to the length of one side of the memory element.
Figure 0004974555

表15に示すように、有機化合物層を積層した記憶素子において、書込みを行うことが可能であった。また、書込み電圧は高いものの、書き込み時の電流値を低減することが可能であった。また、書込み電圧のばらつきも小さいことがわかった。   As shown in Table 15, it was possible to perform writing in the memory element in which the organic compound layers were stacked. Moreover, although the write voltage is high, the current value at the time of writing can be reduced. It was also found that the variation in the write voltage was small.

本実施例では、記憶素子の上面面積及び有機化合物層の膜厚に対する、書込電圧及び電流値の変化について、表16及び図25〜27を用いて説明する。   In this example, changes in the write voltage and current value with respect to the upper surface area of the memory element and the film thickness of the organic compound layer will be described with reference to Table 16 and FIGS.

試料42〜48は、図17(A)に示すように、基板50上に形成された第1の導電層51、第1の導電層51上に形成された絶縁層52、第1の導電層51及び絶縁層52上に形成された有機化合物層53、有機化合物層53上に形成された第2の導電層54で構成される記憶素子を有する。   As shown in FIG. 17A, the samples 42 to 48 include a first conductive layer 51 formed on the substrate 50, an insulating layer 52 formed on the first conductive layer 51, and a first conductive layer. 51 and an organic compound layer 53 formed on the insulating layer 52 and a second conductive layer 54 formed on the organic compound layer 53.

また、試料42〜48としては、基板50上にガラス基板を用い、第1の導電層51にスパッタリング法により形成された厚さ100nmのチタン層を用い、絶縁層52に蒸着法により形成された厚さ1nmのフッ化カルシウム層を用い、第2の導電層54に蒸着法により形成された厚さ200nmのアルミニウム層を用いた。   As samples 42 to 48, a glass substrate was used on the substrate 50, a titanium layer having a thickness of 100 nm formed by a sputtering method was used for the first conductive layer 51, and an insulating layer 52 was formed by a vapor deposition method. A calcium fluoride layer having a thickness of 1 nm was used, and an aluminum layer having a thickness of 200 nm formed by vapor deposition on the second conductive layer 54 was used.

試料42の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ5nmのNPBを用いた。   As the memory element of the sample 42, NPB having a thickness of 5 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料43の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのNPBを用いた。   As the memory element of the sample 43, NPB having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料44の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ10nmのNPBを用いた。   As the memory element of the sample 44, NPB having a thickness of 10 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料45の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ20nmのNPBを用いた。   As the memory element of the sample 45, NPB having a thickness of 20 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料46の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ30nmのNPBを用いた。   As the memory element of the sample 46, NPB having a thickness of 30 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料47の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ40nmのNPBを用いた。   For the memory element of Sample 47, NPB having a thickness of 40 nm formed on the organic compound layer 53 by vapor deposition was used.

試料48の記憶素子は、有機化合物層53に蒸着法で形成された厚さ50nmのNPBを用いた。   As the memory element of the sample 48, NPB having a thickness of 50 nm formed on the organic compound layer 53 by a vapor deposition method was used.

試料42〜48の記憶素子の構成を表16に示す。

Figure 0004974555
Table 16 shows the configuration of the memory elements of Samples 42 to 48.
Figure 0004974555

また、試料42において、第1の導電層51及び第2の導電層54が重複する上面形状が正方形であり、且つ一辺の長さを2μm、3μm、5μm、10μmとする記憶素子をそれぞれ形成した。なお、このときの書込み方法としては、電圧を0Vから0.1Vごと上昇させながら各電圧での試料の電流値を測定するスイープ測定を行った。また、各電圧の印加時間を100msとした。   Further, in the sample 42, the memory elements in which the top surface shape where the first conductive layer 51 and the second conductive layer 54 overlap each other are square and the length of one side is 2 μm, 3 μm, 5 μm, and 10 μm are formed. . As a writing method at this time, sweep measurement was performed in which the current value of the sample at each voltage was measured while increasing the voltage from 0V by 0.1V. The application time of each voltage was 100 ms.

図25に、試料42において、記憶素子の一辺の長さを2μm、3μm、5μm、10μmとする記憶素子の書き込み電圧及び書込み特性の測定結果を示す。   FIG. 25 shows measurement results of the writing voltage and the writing characteristics of the memory element in Sample 42 in which the length of one side of the memory element is 2 μm, 3 μm, 5 μm, and 10 μm.

図25に示されるように、記憶素子の一辺の長さが長いほうが書込み特性を向上させることが可能である。このような傾向は、図示しないが試料43や、書込み時間を異ならせて評価した結果でも同じ傾向が確認された。   As shown in FIG. 25, the longer the length of one side of the memory element, the better the writing characteristics. Although this tendency is not shown, the same tendency was confirmed in the sample 43 and the results of evaluation with different writing times.

次に、有機化合物層の膜厚を変化させたときの、書き込み電圧及び電流値、並びに書込み特性の測定結果を図26及び27に示す。   Next, FIG. 26 and FIG. 27 show measurement results of write voltage and current value and write characteristics when the film thickness of the organic compound layer is changed.

図26において、試料44〜48の記憶素子に電圧を印加して書き込みを行ったときの書き込み電圧と電流値を示す。図26において、破線71で囲まれるプロットは試料44のプロットであり、破線72で囲まれるプロットは試料45のプロットであり、破線73で囲まれるプロットは試料46のプロットであり、破線74で囲まれるプロットは試料47のプロットであり、破線75で囲まれるプロットは試料48のプロットを示す。また、破線の楕円内においては、構造が同じでサイズの異なる記憶素子の測定結果がプロットされており、楕円の左上ほどサイズが大きい記憶素子の測定結果のプロットを示し、右下ほどサイズが小さい記憶素子の測定結果のプロットを示す。   In FIG. 26, writing voltage and current value when writing is performed by applying a voltage to the memory elements of the samples 44 to 48 are shown. In FIG. 26, a plot surrounded by a broken line 71 is a plot of the sample 44, a plot surrounded by a broken line 72 is a plot of the sample 45, a plot surrounded by a broken line 73 is a plot of the sample 46, and is surrounded by a broken line 74. The plot shown is a plot of the sample 47, and the plot surrounded by the broken line 75 shows the plot of the sample 48. Further, in the dashed ellipse, the measurement results of the memory elements having the same structure and different sizes are plotted. The upper left of the ellipse shows the measurement results of the larger storage elements, and the lower right is the smaller size. The plot of the measurement result of a memory element is shown.

図26から、有機化合物層の膜厚が薄くなるほど、電流値はそれほど変化しないものの、書込み電圧が低減することが分かる。また、同じ構造の記憶素子においては、上面面積が小さくなるほど、書込み電圧は低減するものの、そのときの電流値は上昇することが分かる。 FIG. 26 shows that the write voltage decreases as the film thickness of the organic compound layer decreases, although the current value does not change so much. It can also be seen that, in the memory elements having the same structure, the smaller the upper surface area, the lower the write voltage, but the higher the current value at that time.

次に、有機化合物層の膜厚をさらに薄くしたときの、記憶素子の書込み電圧及び書込み特性を図27に示す。なお、試料42及び43の記憶素子の一辺の長さを3μmとした。   Next, FIG. 27 shows the write voltage and write characteristics of the memory element when the film thickness of the organic compound layer is further reduced. The length of one side of the memory elements of the samples 42 and 43 was 3 μm.

図27に示されるように、記憶素子の一辺の長さが同じ場合、有機化合物層の膜厚が5nmである記憶素子を有する試料42の方が、有機化合物層の膜厚が10nmである記憶素子を有する試料43よりも、低電圧での書込み成功率が高いことが分かった。具体的には、試料42は試料43に比べ4V程度低い電圧で書込み可能である。   As shown in FIG. 27, when the length of one side of the memory element is the same, the sample 42 having the memory element with the organic compound layer thickness of 5 nm has the organic compound layer thickness of 10 nm. It was found that the writing success rate at a low voltage was higher than that of the sample 43 having the element. Specifically, the sample 42 can be written with a voltage lower by about 4 V than the sample 43.

本発明の記憶装置を説明する上面図及び断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a memory device of the present invention. 本発明の記憶装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a memory device of the present invention. 本発明の記憶装置を説明する上面図。FIG. 6 is a top view illustrating a memory device of the present invention. 本発明の記憶装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a memory device of the present invention. 本発明の記憶装置を説明する図。3A and 3B illustrate a memory device of the present invention. 本発明の記憶装置を説明する図。3A and 3B illustrate a memory device of the present invention. 本発明の記憶装置を説明する上面図及び断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a memory device of the present invention. 本発明の半導体装置を説明する断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置を説明する断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置を説明する断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device of the present invention. 記憶素子、抵抗素子の電流電圧特性を説明する図。10A and 10B illustrate current-voltage characteristics of a memory element and a resistance element. 本発明の半導体装置の構成例を説明する図。8A and 8B illustrate a structure example of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置を有する電子機器を説明する図。6A and 6B illustrate an electronic device including a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の使用形態について説明する図。4A and 4B each illustrate a usage pattern of a semiconductor device of the invention. 記憶素子の電流電圧特性を示す図。FIG. 11 shows current-voltage characteristics of a memory element. 本発明の記憶装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a memory device of the present invention. 本発明の記憶素子の構造を説明する断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the structure of a memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention. 本発明の記憶素子を用いた実験結果を説明する図。4A and 4B illustrate experimental results using the memory element of the present invention.

Claims (3)

第1の導電層と、
第2の導電層と、
前記第1の導電層と前記第2の導電層に挟持され有機化合物層と、
前記第1の導電層と前記有機化合物層との間に設けられた絶縁層と、を有し、
前記絶縁層の厚さは、0.1nm以上4nm以下であり、
前記絶縁層は、フッ化リチウムを含むことを特徴とする記憶素子。
A first conductive layer;
A second conductive layer;
An organic compound layer sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer;
An insulating layer provided between the first conductive layer and the organic compound layer ,
The insulating layer has a thickness of 0.1 nm to 4 nm ,
The memory element , wherein the insulating layer contains lithium fluoride .
請求項1において、In claim 1,
前記有機化合物層は、TPAQnを含むことを特徴とする記憶素子。The memory element, wherein the organic compound layer includes TPAQn.
請求項1において、In claim 1,
前記有機化合物層は、NPBを含むことを特徴とする記憶素子。The memory element, wherein the organic compound layer includes NPB.
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