JP5048350B2 - Memory device - Google Patents

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Description

本発明は、超伝導体を用いた回路によるメモリ装置及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a memory device using a circuit using a superconductor and a method for manufacturing the same.

従来、ネットワーク機器や情報端末に搭載されて情報を記憶する装置(メモリ)には、主に半導体材料が用いられてきた。半導体を用いたメモリの1つとして、DRAM(Dynamic Random Access Memory)が広く使用されている(非特許文献1参照)。DRAMの単位記憶素子(以下、メモリセルという)では、1個の蓄積容量と1個のMOSFET(Metal-oxide-semiconductor field effect transistor)からなり、選択されたメモリセルの蓄積容量に蓄えられた電荷の状態に対応する電圧を、ビット線から電気的なデジタル信号の「on」あるいは「off」として取り出すことで、記憶されているデータを読み出すようにしている。   Conventionally, semiconductor materials have been mainly used for devices (memory) that are mounted on network devices and information terminals and store information. As one of the memories using a semiconductor, a DRAM (Dynamic Random Access Memory) is widely used (see Non-Patent Document 1). A unit storage element (hereinafter referred to as a memory cell) of a DRAM is composed of one storage capacitor and one MOSFET (Metal-oxide-semiconductor field effect transistor), and the charge stored in the storage capacitor of the selected memory cell. The voltage corresponding to the state is taken out as “on” or “off” of the electrical digital signal from the bit line, so that the stored data is read out.

しかし、DRAMでは、電源を切ると蓄積容量の状態を維持することが不可能となり、蓄積された情報が消去されてしまう。言い換えると、DRAMは揮発性のメモリ素子である。また、よく知られているように、DRAMでは、データを再び書き込むリフレッシュ動作が必要となり、動作速度が低下するという欠点もある。   However, in the DRAM, when the power is turned off, it is impossible to maintain the state of the storage capacity, and the stored information is erased. In other words, DRAM is a volatile memory element. As is well known, a DRAM requires a refresh operation for rewriting data, and has a drawback that the operation speed is reduced.

昨今のマルチメディア情報化社会の拡大、さらには、ユビキタスサービスを実現するためには、より高機能なメモリが必要とされてきている。例えば、ユビキタス端末に搭載されるメモリに求められる機能として、高速,長期保持期間,環境耐性,低消費電力などがあり、さらに、電源を切っても蓄積された情報を保持し続ける不揮発性が必須とされている。不揮発性メモリとしては、ROM(Read only Memory)がよく知られているが、一度記憶された(書き込まれた)データは、消去不可能であり、また、再書き込みができないという大きな欠点を持っている。   In order to realize the recent expansion of the multimedia information society, and further to realize ubiquitous services, more sophisticated memories are required. For example, the functions required of the memory installed in ubiquitous terminals include high speed, long-term retention period, environmental resistance, low power consumption, and non-volatility that keeps stored information even when the power is turned off. It is said that. ROM (Read only Memory) is well known as a non-volatile memory, but once stored (written) data cannot be erased, and has a major disadvantage that it cannot be rewritten. Yes.

これに対し、ROMの一種ではあるが、限定された回数のデータ消去と書き込みとを可能としたEEPROM(Electrically erasable programmable read only memory)を用いたフラッシュメモリ(Flash memory)が開発されている(特許文献1,非特許文献1,非特許文献2参照)。このフラッシュメモリは、実用的な不揮発性メモリとして、多くの分野で使用されている。   On the other hand, although it is a kind of ROM, a flash memory using an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) capable of erasing and writing a limited number of times has been developed (patent) Reference 1, Non-patent document 1, Non-patent document 2). This flash memory is used in many fields as a practical non-volatile memory.

代表的なフラッシュメモリのメモリセルは、MOSFETのゲート電極部が、制御ゲート電極と浮遊ゲート電極を有した複数の層からなるスタックゲート(Stack gate)構造となっている。フラッシュメモリでは、浮遊ゲートに蓄積された電荷の量により、MOSFETの閾値が変化することを利用して、データの記録を可能としている。   In a memory cell of a typical flash memory, a gate electrode portion of a MOSFET has a stack gate structure including a plurality of layers each having a control gate electrode and a floating gate electrode. In the flash memory, data can be recorded by utilizing the fact that the threshold value of the MOSFET changes depending on the amount of charge accumulated in the floating gate.

フラッシュメモリのデータの書き込みは、ドレイン領域に高電圧を印加して発生したホットキャリアがゲート絶縁膜のエネルギー障壁を乗り越えることで行う。また、ゲート絶縁膜に高電界を印加してF−N(Fowler-Nordheim)トンネル電流を流すことで、半導体基板から浮遊ゲートに電荷(一般的には電子)を注入することで、データの書き込みが行われる。データの消去は、ゲート絶縁膜に逆方向の高電界を印加することで、浮遊ゲートから電荷を引き抜くことにより行われる。   Writing data in the flash memory is performed by hot carriers generated by applying a high voltage to the drain region overcoming the energy barrier of the gate insulating film. In addition, data is written by injecting electric charges (generally electrons) from the semiconductor substrate to the floating gate by applying a high electric field to the gate insulating film to flow an FN (Fowler-Nordheim) tunnel current. Is done. Data is erased by extracting charges from the floating gate by applying a high electric field in the opposite direction to the gate insulating film.

フラッシュメモリは、DRAMのようなリフレッシュ動作が不要な反面、F−Nトンネル現象を用いるために18V程度の高電圧が必要となり、また、DRAMに比べてデータの書き込み及び消去に要する時間が桁違いに長くなってしまうというの問題がある。さらに、データの書き込み・消去を繰り返すと、ゲート絶縁膜が劣化するので、書き換え回数がある程度制限されているという問題もある。   A flash memory does not require a refresh operation like a DRAM, but requires a high voltage of about 18 V in order to use the FN tunnel phenomenon, and the time required for writing and erasing data is orders of magnitude higher than that of a DRAM. There is a problem of becoming longer. Further, when data writing / erasing is repeated, the gate insulating film deteriorates, so that the number of rewrites is limited to some extent.

一方、高いパフォーマンスが必要とされるでバイス分野では、さらなる低消費電力動作と高速スイッチング動作とが求められている。これらを実現するために、超伝導体を用いたデジタル回路によるメモリ装置が提案されている(非特許文献3参照)。   On the other hand, in the vice field where high performance is required, further low power consumption operation and high-speed switching operation are required. In order to realize these, a memory device using a digital circuit using a superconductor has been proposed (see Non-Patent Document 3).

超伝導(Superconductivity)は、超低温環境下で金属又は酸化物に生じる現象であり、電気抵抗がゼロになることからこのように呼ばれている。超伝導現象が生じる物質のことを超伝導体(Superconductor)といい、超伝導状態で流れる電流のことを超伝導電流という。1911年、水銀の電気抵抗が4.2Kでゼロになることが、ヘイケ・カメルリング・ネオス(オランダ)によって初めて報告された。この発見以降、多くの超伝導を示す元素,物質が発見されている。単体の元素で最も超伝導転移温度が高いものは、ニオブであり、この超伝導転移温度は9.3K(常圧下,大気圧下)である。   Superconductivity is a phenomenon that occurs in metals or oxides in an ultra-low temperature environment, and is called in this way because its electric resistance becomes zero. A substance that causes a superconducting phenomenon is called a superconductor, and a current that flows in a superconducting state is called a superconducting current. In 1911, it was first reported by Heike Camerling Neos (Netherlands) that the electrical resistance of mercury would be zero at 4.2K. Since this discovery, many superconducting elements and materials have been discovered. A single element having the highest superconducting transition temperature is niobium, and this superconducting transition temperature is 9.3 K (under atmospheric pressure and atmospheric pressure).

常圧下において超伝導を示す金属は多いが、常圧下では超伝導を示さない金属あるいは非金属元素でも、高圧下で(非金属の場合は金属化と同時に)超伝導を示すものもある。また、重い電子系における超伝導や、高温超伝導,強磁性と超伝導が共存する物質など、従来の超伝導体と性格の異なるものも発見されている。超伝導現象は、1957年に発表されたジョン・バーディン,レオン・クーパー、及びロバート・シェリーファーらの理論(BCS理論)により、基本的なメカニズムが解明されている。   Although many metals exhibit superconductivity under normal pressure, some metals or nonmetallic elements that do not exhibit superconductivity under normal pressure may exhibit superconductivity under high pressure (in the case of nonmetal, simultaneously with metallization). In addition, superconductivity in heavy electron systems, high-temperature superconductivity, and materials that coexist with ferromagnetism and superconductivity have been discovered that have different characteristics from conventional superconductors. The basic mechanism of the superconducting phenomenon has been elucidated by the theory (BCS theory) of John Bardin, Leon Cooper, and Robert Shelleyfer, published in 1957.

超伝導現象については、より高温で超伝導を起こす物質を探索することを中心に、発見から100年近くを経た現在も、多くの研究が盛んになされている。しかしながら、超伝導体材料を用いた大規模で高速なメモリ装置は、実現されていない。このメモリ素子の欠如が、実用的な超伝導体デジタル回路の実現に、大きな足かせとなっていた。   With regard to the superconducting phenomenon, much research has been actively conducted even now, nearly 100 years after its discovery, focusing on searching for substances that cause superconductivity at higher temperatures. However, a large-scale and high-speed memory device using a superconductor material has not been realized. This lack of memory elements has been a major impediment to the realization of practical superconductor digital circuits.

超伝導体を用いたメモリ装置を実現するために、いくつかの試みがなされている。この代表例が、超伝導量子干渉計(Superconducting quantum interface device:SQUID)を応用するものである。SQUIDは、永久電流(perpetual current)や磁束量子(flux quantum)を蓄積できるため、これをメモリとして応用したものである(非特許文献4,非特許文献5参照)。しかしながら、磁束量子を扱うために、セルサイズの微細化に限界があることや、SQUIDを作成する技術が容易ではないため、大規模なメモリを作成することが困難であるという問題を有している。   Several attempts have been made to realize a memory device using a superconductor. A typical example is an application of a superconducting quantum interface device (SQUID). Since the SQUID can store a perpetual current and a flux quantum, it is applied as a memory (see Non-Patent Documents 4 and 5). However, there is a problem that it is difficult to create a large-scale memory because there is a limit to the miniaturization of the cell size in order to handle magnetic flux quanta and the technology for creating SQUID is not easy. Yes.

また、超伝導体を用いたメモリ装置を、他のメモリ技術と組み合わせることで実現しようとする試みもある。この1つに、ジョセフソン接合(Josephson Junction)とCMOS(Complementary Metaal-Oxide Semiconductor)とを組み合わせたメモリ装置がある(非特許文献6参照)。しかし、CMOSを極低温下で動作させることは容易ではなく、実現に至っていない。   There are also attempts to realize a memory device using a superconductor by combining it with other memory technologies. One example is a memory device that combines a Josephson Junction and a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) (see Non-Patent Document 6). However, it is not easy to operate a CMOS at an extremely low temperature, and it has not been realized yet.

また、室温下で動作する不揮発性メモリとジョセフソン接合とを組み合わせて実現しようとするものがある(非特許文献7,非特許文献8参照)。非特許文献7に示された技術では、強磁性体の磁気抵抗を用いた強磁性体メモリ(Magnetoresist RAM:MRAM)を、超伝導単一磁束量子(single flux quantum:SFQ)の制御に用いている。   In addition, there are some which are intended to be realized by combining a nonvolatile memory operating at room temperature and a Josephson junction (see Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8). In the technique shown in Non-Patent Document 7, a ferromagnetic memory (Magnetoresist RAM: MRAM) using a ferromagnetic reluctance is used for controlling a superconducting single flux quantum (SFQ). Yes.

また、図17に示すように、SFQハイブリッドRAM/超伝導ラッチングを用いたものが提案されている(特許文献2,特許文献3,非特許文献5参照)。また、random accessメモリに応用したものの報告もある(特許文献4参照)。   In addition, as shown in FIG. 17, one using SFQ hybrid RAM / superconducting latching has been proposed (see Patent Document 2, Patent Document 3, and Non-Patent Document 5). There is also a report of application to random access memory (see Patent Document 4).

特開平8−031960号公報JP-A-8-031960 特開2000−260187号公報JP 2000-260187 A 特開平10−269783号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-269883 特開平10−154397号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-15497 サイモン・ジー著、「フィジクス・オブ・セミコンダクター・デバイス」、1981年、(S.M.Sze,"Physics of Semiconductor Devices",John Wiley and Sons,Inc.)Simon G., Physics of Semiconductor Devices, 1981 (S.M.Sze, "Physics of Semiconductor Devices", John Wiley and Sons, Inc.) 舛岡富士雄著、「不揮発性メモリーの現状と展望」、応用物理、73巻、第9号、頁1166−1171、2004年。Fujio Tsujioka, “Current Status and Prospects of Non-Volatile Memory”, Applied Physics, Vol. 73, No. 9, pp. 1166-1171, 2004. S.Yoruzu, et al. ,"Progress of Single Flux Quantum Packet Switch Technology", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.15, No.2, pp411-414, 2005.S. Yoruzu, et al., "Progress of Single Flux Quantum Packet Switch Technology", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.15, No.2, pp411-414, 2005. S.Nagasawa et al. ,"A 380 ps, 9.5mW Josephson 4-Kbit RAM Operated at a High Bit Yield", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.5, No.2, pp2447-2452, 1995.S. Nagasawa et al., "A 380 ps, 9.5mW Josephson 4-Kbit RAM Operated at a High Bit Yield", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.5, No.2, pp2447-2452, 1995. S.Nagasawa, et al. ,"Superconducting Lctching/SFQ Hybrid RAM", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.11, No.1, pp533-536, 2001.S. Nagasawa, et al., "Superconducting Lctching / SFQ Hybrid RAM", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.11, No.1, pp533-536, 2001. U.Ghoshal, et al. ,"SUPERCONDUCTR-SEMCONDUCTOR MEMORIES", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.3, No.1, pp2315-2318,1993.U.Ghoshal, et al., "SUPERCONDUCTR-SEMCONDUCTOR MEMORIES", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.3, No.1, pp2315-2318,1993. T.Van Duzer, "Cryogenic Memories for RSFQ Ultra-High-Speed Processor", Proceedings of the 2005 ACM/IEEE Supercomputing Conference, pp 66-68, 2005.T. Van Duzer, "Cryogenic Memories for RSFQ Ultra-High-Speed Processor", Proceedings of the 2005 ACM / IEEE Supercomputing Conference, pp 66-68, 2005. K.K.Likharev, et al. ,"RSFQ Logic/Memory Family: A New Josephson-Junction Technology for Sub-Teraherz-Clock-Frequency Digital Systems", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.1, No.1, pp3-28,1991.KKLikharev, et al., "RSFQ Logic / Memory Family: A New Josephson-Junction Technology for Sub-Teraherz-Clock-Frequency Digital Systems", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.1, No.1, pp3-28, 1991. M.Yamaguchi, et al. ,"Effect of Grain Size on Bi4Ti3O12 Thin Film Properties", Jpn. J. Appl. Phys. Vol.37, pp.5166-5170, 1998.M. Yamaguchi, et al., "Effect of Grain Size on Bi4Ti3O12 Thin Film Properties", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 37, pp. 5166-5170, 1998.

しかしながら、前述したMRAMは、これ自体の集積化が困難なことや、セルアレイの選択としてのみMRAMを用いているため、高集積化の解決には至っていない。
このように、従来の技術では、超伝導デジタル回路の高集積化が容易ではなく、超伝導体を用いたデジタル回路によるメモリ装置の実現にはほど遠いのが現状である。
However, since the MRAM described above is difficult to integrate itself, and the MRAM is used only for selection of the cell array, it has not yet reached a solution for high integration.
As described above, in the conventional technology, it is not easy to highly integrate a superconducting digital circuit, and it is far from realizing a memory device using a digital circuit using a superconductor.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、安定した状態でより高密度に記憶保持が行える超伝導デジタル回路用のメモリ装置の実現を目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to realize a memory device for a superconducting digital circuit capable of storing and holding data at a higher density in a stable state.

本発明に係るメモリ装置は、入力端子及び出力端子と、入力端子と出力端子との間に直列に接続する第1コイル及び第2コイルと、所定の電圧が印可される第1電圧端子と入力端子及び第1コイルの間の第1接続ノードとの間に接続する第1抵抗と、第1接続ノードに接続する第1ジョセフソン接合と、所定の電圧が印可される第2電圧端子と第1コイル及び第2コイルの間の第2接続ノードとの間に接続する第2抵抗と、第2接続ノードに接続する第2ジョセフソン接合と、所定の電圧が印可される第3電圧端子と第2コイル及び出力端子の間の第3接続ノードとの間に接続する第3抵抗と、第3接続ノードに接続する第3ジョセフソン接合とを少なくとも備え、第2抵抗は、Bi 4 Ti 3 12 の化学量論的組成に比較して過剰なTiを含む非晶質状態の基部層、および前記基部層の中のBi 4 Ti 3 12 の化学量論的組成の複数の微粒子からなる金属酸化物層から構成され、金属酸化物層は、印加された電気信号により抵抗値が変化するものである。 A memory device according to the present invention includes an input terminal and an output terminal, a first coil and a second coil connected in series between the input terminal and the output terminal, a first voltage terminal to which a predetermined voltage is applied, and an input A first resistor connected between the terminal and the first connection node between the first coil, a first Josephson junction connected to the first connection node, a second voltage terminal to which a predetermined voltage is applied, A second resistor connected between the first coil and the second connection node between the second coil, a second Josephson junction connected to the second connection node, and a third voltage terminal to which a predetermined voltage is applied. And a third resistor connected to the third connection node between the second coil and the output terminal, and a third Josephson junction connected to the third connection node, wherein the second resistor is Bi 4 Ti 3. containing excess Ti as compared to the stoichiometric composition of O 12 A base layer in an amorphous state, and a metal oxide layer composed of a plurality of fine particles having a stoichiometric composition of Bi 4 Ti 3 O 12 in the base layer, and the metal oxide layer is applied The resistance value changes depending on the electrical signal.

従って、金属酸化物層の抵抗状態が変化すると、第2電圧端子に印加された電圧により第2ジョセフソン接合に入力される電流の状態が変化する。ここで、入力端子より入力される信号による電流値と、第2電圧端子に印加された電圧により第2ジョセフソン接合に入力される電流との合計が所定の値より小さければ、第2ジョセフソン接合の超伝導状態が維持される。このため、金属酸化物層の抵抗状態が変化して上記電流の合計が所定の値より小さくなると、第2ジョセフソン接合の超伝導状態は維持され、入力端子より入力された信号は、第2ジョセフソン接合を流れ、第2コイルには流れず、出力端子より出力されることがない。   Therefore, when the resistance state of the metal oxide layer changes, the state of the current input to the second Josephson junction changes according to the voltage applied to the second voltage terminal. Here, if the sum of the current value due to the signal input from the input terminal and the current input to the second Josephson junction due to the voltage applied to the second voltage terminal is smaller than a predetermined value, the second Josephson The superconducting state of the junction is maintained. For this reason, when the resistance state of the metal oxide layer changes and the total current becomes smaller than a predetermined value, the superconducting state of the second Josephson junction is maintained, and the signal input from the input terminal is It flows through the Josephson junction, does not flow through the second coil, and is not output from the output terminal.

上記メモリ装置において、入力端子には、三角波の形をなして単一磁束量子と同一の入力電流が入力されるものである。 In the memory device, the input terminal is input with the same input current as that of the single flux quantum in the form of a triangular wave .

また、上記メモリ装置において、金属酸化物層は、第1電圧値を超える電圧印加により第1抵抗値を持つ第1状態となり、第1電圧とは極性の異なる第2電圧値を超える電圧印加により第1抵抗値より高い第2抵抗値を持つ第2状態となる。また、微粒子はX線回折により非晶質と解析されたものであってもよい In the memory device, the metal oxide layer is in a first state having a first resistance value when a voltage exceeding the first voltage value is applied, and when a voltage exceeding a second voltage value having a polarity different from that of the first voltage is applied. The second state has a second resistance value higher than the first resistance value. Further, the fine particles may be those analyzed to be amorphous by X-ray diffraction .

また、上記メモリ装置において、金属酸化物層は、スパッタ法により30℃以上180℃未満で形成されたものであればよい In the above memory device, the metal oxide layer may be any one which is formed below 30 ° C. or higher 180 ° C. by sputtering.

以上説明したように、本発明によれば、所定の電圧が印可される第2電圧端子と第1コイル及び第2コイルの間の第2接続ノードとの間に接続する第2抵抗は、Bi 4 Ti 3 12 の化学量論的組成に比較して過剰なTiを含む非晶質状態の基部層、および前記基部層の中のBi 4 Ti 3 12 の化学量論的組成の複数の微粒子からなる金属酸化物層から構成し、金属酸化物層は、印加された電気信号により抵抗値が変化するものから構成したので、安定した状態でより高密度に記憶保持が行える超伝導デジタル回路用のメモリ装置が容易に実現できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the second resistor connected between the second voltage terminal to which a predetermined voltage is applied and the second connection node between the first coil and the second coil is Bi. 4 Ti 3 O 12 in the stoichiometric base layer in the amorphous state containing excess Ti as compared to the composition, and a plurality of the stoichiometric composition of Bi 4 Ti 3 O 12 in said base layer A superconducting digital circuit that consists of a metal oxide layer composed of fine particles , and the metal oxide layer has a resistance value that changes according to an applied electrical signal, so that memory can be stored at a higher density in a stable state. Therefore, an excellent effect can be obtained that a memory device can be easily realized.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の形態におけるメモリ装置の構成を示す等価回路である。図1に示す等価回路は、一般的なジョセフソン伝送線路(Josephson Transmission Line:JTL)に類似した回路であるが、回路中の抵抗R3(=RM)を、抵抗変化現象が発現する材料から構成していることが全く異なる。JTLについては、非特許文献8を参考にされたい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an equivalent circuit showing a configuration of a memory device according to an embodiment of the present invention. The equivalent circuit shown in FIG. 1 is a circuit similar to a general Josephson Transmission Line (JTL), but the resistance R 3 (= R M ) in the circuit is a material that exhibits a resistance change phenomenon. It is completely different that it consists of For JTL, refer to Non-Patent Document 8.

図1において、V1,V2,V3,V4,V5は電源、JJ1,JJ2,JJ3,JJ4,JJ5はジョセフソン接合である。また、L12,L23,L34,L45は、コイルであり、R1,R2,R3(=RM),R4,R5は、抵抗であり、T1,T2,T3,T4,T5は、図示しない電圧源より発生する電圧が供給される電圧端子である。 In FIG. 1, V 1 , V 2 , V 3 , V 4 and V 5 are power supplies, and JJ 1 , JJ 2 , JJ 3 , JJ 4 and JJ 5 are Josephson junctions. L 12 , L 23 , L 34 and L 45 are coils, and R 1 , R 2 , R 3 (= R M ), R 4 and R 5 are resistors, and T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , and T 5 are voltage terminals to which a voltage generated from a voltage source (not shown) is supplied.

このメモリ装置は、入力端子Tin及び出力端子Iinとの間に直列にコイルL12,L23,L34,L45が接続している。また、所定の電圧が印可される電圧端子T1と入力端子Tin及びコイルL12の間の接続ノードとの間に第1抵抗R1が接続し、この接続ノードにジョセフソン接合JJ1が接続している。ジョセフソン接合JJ1は接続ノードと接地との間に接続されている。また、所定の電圧が印可される電圧端子T2とコイルL12及びコイルL23の間の接続ノードとの間に抵抗R2が接続し、この接続ノードにジョセフソン接合JJ2が接続している。ジョセフソン接合JJ2も接続ノードと接地との間に接続されている。 In this memory device, coils L 12 , L 23 , L 34 , and L 45 are connected in series between an input terminal T in and an output terminal I in . The first resistor R 1 is connected between a connection node between the voltage terminals T 1 and the input terminal T in and the coil L 12 to which a predetermined voltage is applied, the Josephson junction JJ 1 to the connection node Connected. Josephson junction JJ 1 is connected between the ground and the connection node. A resistor R 2 is connected between a voltage terminal T 2 to which a predetermined voltage is applied and a connection node between the coil L 12 and the coil L 23 , and a Josephson junction JJ 2 is connected to the connection node. Yes. Josephson junction JJ 2 is also connected between ground and the connection node.

また、所定の電圧が印可される電圧端子T3とコイルL23及びコイルL34の間の接続ノード(第2接続ノード)との間に抵抗RM(第2抵抗)が接続し、この接続ノードにジョセフソン接合JJ3(第3ジョセフソン接合)が接続している。ジョセフソン接合JJ3も接続ノードと接地との間に接続されている。また、所定の電圧が印可される電圧端子T4とコイルL34及びコイルL45の間の接続ノードとの間に抵抗R4が接続し、この接続ノードにジョセフソン接合JJ4が接続している。ジョセフソン接合JJ4も接続ノードと接地との間に接続されている。また、所定の電圧が印可される電圧端子T5とコイルL45及び出力端子Toutの間の接続ノードとの間に抵抗R5が接続し、この接続ノードにジョセフソン接合JJ5が接続している。ジョセフソン接合JJ5も接続ノードと接地との間に接続されている。 Further, a resistor R M (second resistor) is connected between the voltage terminal T 3 to which a predetermined voltage is applied and a connection node (second connection node) between the coil L 23 and the coil L 34. A Josephson junction JJ 3 (third Josephson junction) is connected to the node. Josephson junction JJ 3 is also connected between ground and the connection node. Further, a resistor R 4 is connected between a voltage terminal T 4 to which a predetermined voltage is applied and a connection node between the coil L 34 and the coil L 45 , and a Josephson junction JJ 4 is connected to this connection node. Yes. Josephson junction JJ 4 is also connected between ground and the connection node. A resistor R 5 is connected between a voltage terminal T 5 to which a predetermined voltage is applied and a connection node between the coil L 45 and the output terminal T out , and a Josephson junction JJ 5 is connected to this connection node. ing. Josephson junction JJ 5 is also connected between ground and the connection node.

また、図1に示す等価回路において、入力端子Tinから、入力電流Iinが入力される。このとき、入力電流Iinは、三角波の形をなし、単一磁束量子(SFQ)と同一のものである。このSFQが、各々のジョセフソン接合JJ1,JJ2,JJ3,JJ4,JJ5をすり抜けることができれば、示された出力端子Toutに、入力したSFQと同じ大きさの出力信号が現れる。上述した入力端子Tinから出力端子ToutまでのSFQの流れを制御することにより、出力信号が得られる状態、もしくは、出力信号が得られない状態とすることで、メモリ機能を持たせることができる。具体的には、抵抗RM(R3)を抵抗変化現象を発現する材料から構成することで実現する。 In the equivalent circuit shown in FIG. 1, an input current I in is input from the input terminal T in . At this time, the input current I in is in the form of a triangular wave and is the same as the single flux quantum (SFQ). If this SFQ can pass through each of the Josephson junctions JJ 1 , JJ 2 , JJ 3 , JJ 4 , JJ 5 , an output signal having the same magnitude as the input SFQ appears at the output terminal T out shown. . By controlling the flow of SFQ from the input terminal T in to the output terminal T out described above, a memory function can be provided by setting a state where an output signal can be obtained or a state where an output signal cannot be obtained. it can. Specifically, the resistance R M (R 3 ) is realized by forming a material that exhibits a resistance change phenomenon.

抵抗RMは、高抵抗状態(High-Resistance State:HRS)と低抵抗状態(Low-Resistance State:LRS)の2つの状態を持つ。この状態は、後に具体的に説明するが、外部からの電気信号(直流電圧やパルス電圧など)により、抵抗値が、繰り返し高くなりまた低くなるものである。言い換えると、抵抗RMは、HRSとLRSとが、外部からの電気信号により制御可能な素子である。 Resistor R M is a high-resistance state (High-Resistance State: HRS) and the low resistance state: with two states (Low-Resistance State LRS). Although this state will be specifically described later, the resistance value is repeatedly increased and decreased by an external electric signal (DC voltage, pulse voltage, etc.). In other words, the resistance R M is a HRS and LRS is a controllable elements by an external electric signal.

SFQを制御する図1に示す回路の場合、抵抗RMの抵抗状態がLRSの場合、他の抵抗R1、R2、R4、R5と同じ抵抗値である。また、抵抗RMの抵抗状態が、HRSの場合、LRSの場合の抵抗値よりも数桁大きい。従って、HRSの時の抵抗RMの抵抗値をRM,HRS、LRS時の抵抗RMの抵抗値をRM,LRSとすると、RM,HRS>>RM,LRS=R1=R2=R4=R5=Rという式が成立する。素子を動作させるときは、電圧源(不図示)から発生したV1=V2=V3=V4=V5=Vなる電圧を、電圧端子T1,T2,T3,T4,T5に供給する。 For the circuit shown in FIG. 1 for controlling the SFQ, when the resistance state of the resistance R M of LRS, the same resistance value as the other resistors R1, R2, R4, R5. The resistance state of the resistance R M is the case of HRS, several orders of magnitude greater than the resistance value when the LRS. Therefore, the resistance R M of the resistance value R M of the time of HRS, HRS, the resistance value R M of the resistor R M during LRS, when the LRS, R M, HRS >> R M, LRS = R 1 = R The formula 2 = R 4 = R 5 = R holds. When the element is operated, a voltage V 1 = V 2 = V 3 = V 4 = V 5 = V generated from a voltage source (not shown) is applied to voltage terminals T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , supplied to the T 5.

一般的に、超伝導状態は、小さな電流を流した場合は、永久電流が流れるが、ある大きさ以上の電流を流した場合、超伝導状態が崩れ、常伝導状態となることが知られている。この超伝導状態が維持できなくなる電流が、ジョセフソン臨界電流(Josephson critical current)と呼ばれている。なお、ジョセフソン臨界電流を超えて超伝導状態が維持できなくなっても、再びジョセフソン臨界電流以下にすることで、超伝導状態に戻る。   In general, in the superconducting state, a permanent current flows when a small current flows, but it is known that when a current of a certain magnitude or more flows, the superconducting state collapses and becomes a normal state. Yes. The current at which this superconducting state cannot be maintained is called the Josephson critical current. Even if the superconducting state cannot be maintained beyond the Josephson critical current, the superconducting state is restored by setting the current to the Josephson critical current or less again.

図1に示す等価回路のジョセフソン接合JJ1,JJ2,JJ4,JJ5のジョセフソン臨界電流は、V1=V2=V3=V4=V5=Vなる電圧と、RM,LRS=R1=R2=R4=R5=Rからなる電流IB=V/R以下になり、ジョセフソン接合JJ3のジョセフソン臨界電流は、RM,LRS=RM=Rからなる電流IBM=V/R以下になるように設計してある。つまり、各々のジョセフソン接合JJ1,JJ2,JJ4,JJ5にIBの電流が流れ、ジョセフソン接合JJ3にIBMの電流が流れていても超伝導状態は維持している。しかし、この状態に、入力端子TinにSFQの入力があった場合、つまり、各々のジョセフソン接合JJ1,JJ2,JJ4,JJ5に、IB+Iinの電流が入力され、ジョセフソン接合JJ3にIBM+Iinの電流が入力された場合、ジョセフソン臨界電流以上となり、超伝導状態が維持できなくなるように設計されている。 Josephson junction JJ 1 of the equivalent circuit shown in FIG. 1, JJ 2, Josephson critical current of JJ 4, JJ 5 has a V 1 = V 2 = V 3 = V 4 = V 5 = V becomes the voltage, R M , LRS = R 1 = R 2 = R 4 = R 5 = R current I B = V / R or less, and the Josephson critical current of Josephson junction JJ 3 is R M, LRS = R M = R The current I BM is designed to be equal to or less than V / R. In other words, the superconducting state is maintained even if the current I B flows through each of the Josephson junctions JJ 1 , JJ 2 , JJ 4 , and JJ 5 and the current I BM flows through the Josephson junction JJ 3 . However, when SFQ is input to the input terminal T in this state, that is, a current of I B + I in is input to each of the Josephson junctions JJ 1 , JJ 2 , JJ 4 , and JJ 5. When a current of I BM + I in is input to the son junction JJ 3 , it is designed so that the superconducting state cannot be maintained because the current exceeds the Josephson critical current.

まず、抵抗RMの抵抗状態が、LRSの場合を考える。電圧端子T1,T2,T3,T4,T5からV1=V2=V3=V4=V5=Vなる電圧が供給され、RM,LRS=R1=R2=R4=R5=Rなので、ジョセフソン接合JJ1,JJ2,JJ4,JJ5には、IB=V/Rという電流が流れ、またRM,LRS=RM=Rなので、ジョセフソン接合JJ3にはIBM=V/Rという電流が流れている。ジョセフソン接合JJ1,JJ2,JJ3,JJ4,JJ5に流れる電流は、ジョセフソン臨界電流以下なので、超伝導状態は維持されている。 First, the resistance state of the resistance R M is, consider the case of the LRS. Voltages V 1 = V 2 = V 3 = V 4 = V 5 = V are supplied from the voltage terminals T 1 , T 2 , T 3 , T 4 and T 5 , and R M, LRS = R 1 = R 2 = Since R 4 = R 5 = R, a current of I B = V / R flows through Josephson junctions JJ 1 , JJ 2 , JJ 4 , and JJ 5, and since R M, LRS = R M = R, Joseph A current of I BM = V / R flows through the son junction JJ 3 . Since the currents flowing through the Josephson junctions JJ 1 , JJ 2 , JJ 3 , JJ 4 , and JJ 5 are less than the Josephson critical current, the superconducting state is maintained.

この時、入力端子Tinから、入力電流Iinの電流からなるSFQを入力する。入力されたSFQのIinと、電圧端子T1から供給された電圧によるIBにより、ジョセフソン接合JJ1の超伝導状態が維持できなくなり、ジョセフソン接合JJ1は常伝導状態となり、抵抗が発生する。すると、SFQは、抵抗の低いコイルL12に流れ、ジョセフソン接合JJ1を通り抜ける。 At this time, from the input terminal T in, enter the SFQ consisting of a current of the input current I in. And I in the SFQ entered by I B due to the voltage supplied from the voltage terminal T 1, the superconducting state of Josephson junction JJ 1 can no longer be maintained, Josephson junction JJ 1 becomes normal state, resistance appear. Then, the SFQ flows through the low-resistance coil L 12 and passes through the Josephson junction JJ 1 .

ジョセフソン接合JJ1を通り抜けてコイルL12に流れたSFQは、ジョセフソン接合JJ2に入力されるが、入力されたSFQのIinと、電圧端子T2から供給された電圧によるIBにより、ジョセフソン接合JJ2は超伝導状態を維持できなくなり常伝導状態となり、抵抗が発生する。すると、SFQは、抵抗の低いコイルL23に流れ、ジョセフソン接合JJ2を通り抜ける。 SFQ that flows through the Josephson junction JJ 1 and flows to the coil L 12 is input to the Josephson junction JJ 2 , but is caused by I in of the input SFQ and I B by the voltage supplied from the voltage terminal T 2. The Josephson junction JJ 2 can no longer maintain the superconducting state, becomes a normal conducting state, and generates resistance. Then, SFQ flows through the coil L 23 having low resistance and passes through the Josephson junction JJ 2 .

ジョセフソン接合JJ2を通り抜けてコイルL23に流れたSFQは、ジョセフソン接合JJ3に入力されるが、入力されたSFQのIinと、電圧端子T3から供給された電圧によるIBMにより、ジョセフソン接合JJ3は超伝導状態を維持できなくなり常伝導状態となり、抵抗が発生する。すると、SFQは、抵抗の低いコイルL34に流れ、ジョセフソン接合JJ3を通り抜ける。 SFQ that flows through the Josephson junction JJ 2 and flows into the coil L 23 is input to the Josephson junction JJ 3 , but is caused by I in of the input SFQ and I BM due to the voltage supplied from the voltage terminal T 3. The Josephson junction JJ 3 cannot maintain the superconducting state, becomes a normal conducting state, and generates resistance. Then, SFQ flows through the low-resistance coil L 34 and passes through the Josephson junction JJ 3 .

ジョセフソン接合JJ3を通り抜けてコイルL34に流れたSFQは、ジョセフソン接合JJ4に入力されるが、入力されたSFQのIinと、電圧端子T4から供給された電圧によるIBにより、ジョセフソン接合JJ4は超伝導状態を維持できなくなり常伝導状態となり、抵抗が発生する。すると、SFQは、抵抗の低いコイルL45に流れ、ジョセフソン接合JJ4を通り抜ける。 SFQ that flows through the Josephson junction JJ 3 and flows into the coil L 34 is input to the Josephson junction JJ 4 , but by I in of the input SFQ and I B due to the voltage supplied from the voltage terminal T 4. Josephson junction JJ 4 becomes normally conducting state can not be maintained superconducting state, the resistance is generated. Then, SFQ flows through the coil L 45 having a low resistance and passes through the Josephson junction JJ 4 .

最後に、ジョセフソン接合JJ4を通り抜けてコイルL45に流れたSFQは、ジョセフソン接合JJ5に入力されるが、入力されたSFQのIinと、電圧端子T5から供給された電圧によるIBにより、ジョセフソン接合JJ5は超伝導状態を維持できなくなり常伝導状態となり、抵抗が発生する。すると、SFQは、ジョセフソン接合JJ5を通り抜け、出力端子Toutに出力され、結果的に、出力端子Toutにおいて出力信号が観測できる。SFQが通り抜けた後のジョセフソン接合JJ1,JJ2,JJ3,JJ4,JJ5は、ジョセフソン臨界電流以下となり超伝導状態に戻る。このように、R3=RMの抵抗状態が低抵抗状態(LRS)の場合は、入力端子TinにSFQを入力すると、出力端子Toutに出力信号が観測される。 Finally, SFQ that flows through the Josephson junction JJ 4 and flows into the coil L 45 is input to the Josephson junction JJ 5, and depends on the input SFQ I in and the voltage supplied from the voltage terminal T 5. the I B, Josephson junction JJ 5 becomes normal state can not be maintained superconducting state, the resistance is generated. Then, the SFQ passes through the Josephson junction JJ 5 and is output to the output terminal T out , and as a result, an output signal can be observed at the output terminal T out . The Josephson junctions JJ 1 , JJ 2 , JJ 3 , JJ 4 , and JJ 5 after the SFQ has passed become less than the Josephson critical current and return to the superconducting state. Thus, when the resistance state of R 3 = R M is the low resistance state (LRS), when SFQ is input to the input terminal T in , an output signal is observed at the output terminal T out .

次に、抵抗RMの抵抗状態が、HRSの場合を考える。この場合、ジョセフソン接合JJ3に流れる電流IBMは、IBM=RM,HRSであるが、RM,HRS>>RM,LRSであるため、V/RM,LRS5>>V/とRM,HRSなり、IBMはほとんど流れなくなる。 Next, the resistance state of the resistance R M is, consider the case of HRS. In this case, the current I BM flowing through the Josephson junction JJ 3 is I BM = R M, HRS , but since R M, HRS >> R M, LRS , V / R M, LRS5 >> V / And R M, HRS , and I BM hardly flows.

この時、入力端子Tinから、入力電流Iinの電流からなるSFQが入力されると、このSFQのIinと電圧端子T1から供給された電圧によるIBにより、ジョセフソン接合JJ1の超伝導状態が維持できなくなり、ジョセフソン接合JJ1は常伝導状態となり、抵抗が発生する。この結果、前述同様に、SFQは、ジョセフソン接合JJ1を通り抜ける。このことは、ジョセフソン接合JJ2においても同様である。 At this time, the input terminal T in, the SFQ consisting current of the input current I in is input, the I B due to the voltage supplied from the I in and the voltage terminal T 1 of the this SFQ, the Josephson junction JJ 1 The superconducting state cannot be maintained, and the Josephson junction JJ 1 becomes a normal conducting state, and resistance is generated. As a result, as described above, the SFQ passes through the Josephson junction JJ 1 . This also applies to the Josephson junction JJ 2.

しかしながら、ジョセフソン接合JJ3においては、この状態が異なる。上述したように、抵抗RMの抵抗状態がHRSの場合、電流IBMが十分小さいために、SFQによるIinが入力されてIin+IBMの電流がジョセフソン接合JJ3に入力されても、ジョセフソン接合JJ3は超伝導状態を維持する。このため、コイルL23を経由してきたSFQは、ジョセフソン接合JJ3を通過できずに、反射されてしまう。結果として、出力端子Toutにおいては出力信号が観測できない。このように、R3=RMの抵抗状態が、高抵抗状態(HRS)の場合は、入力端子TinにSFQを入力しても出力端子Toutに出力信号は観測できない。 However, in the Josephson junction JJ 3, this state is different. As described above, if the resistance state of the resistance R M is a HRS, because current I BM is sufficiently small, the current of I in by SFQ is input I in + I BM is also inputted to the Josephson junction JJ 3 The Josephson junction JJ 3 maintains the superconducting state. For this reason, the SFQ that has passed through the coil L 23 cannot be passed through the Josephson junction JJ 3 and is reflected. As a result, an output signal cannot be observed at the output terminal Tout . Thus, when the resistance state of R 3 = R M is the high resistance state (HRS), an output signal cannot be observed at the output terminal T out even if SFQ is input to the input terminal T in .

図2に、図1に示した等価回路における抵抗変化する抵抗RMの抵抗状態と入力信号と出力信号の関係をまとめる。入力信号がない場合は、出力信号は得られない。入力信号を入力しても、抵抗RMの抵抗状態がHRSの場合は、出力信号は得られない。抵抗RMの抵抗状態がLRS(=R1=R2=R4=R5)の場合に初めて出力信号が得られる。つまり、抵抗RMの抵抗状態を制御することにより、SFQの流れを制御し、出力端子Tinの信号の出力する/しないが制御できる。 Figure 2 summarizes the relationship between resistance state between the input signal and the output signal of the resistance R M of the resistance change in the equivalent circuit shown in FIG. If there is no input signal, no output signal is obtained. Entering the input signal, the resistance state of the resistance R M is the case of the HRS, the output signal is not obtained. First output signal is obtained when the resistance state of the resistance R M of LRS (= R 1 = R 2 = R 4 = R 5). That is, by controlling the resistance state of the resistance R M, controls the flow of SFQ, can be output to / not but control of the output terminal T in the signal.

以下、上述した本実施の形態におけるメモリ装置(回路)を実現する手段について説明する。ジョセフソン接合を形成するのは、ある温度以下になると超伝導状態をなすものである。超伝導体には、単体の元素で最も超伝導転移温度が高いニオブ(Nb)をはじめ、1980年代に発見されたYBa2Cu37-x(YBCO:Y123)、Bi2Sr2Ca2Cu310(BSCCO:Bi2223ビスコ)、La−Ba−Cu−Oをはじめとする銅酸化物高温超伝導体(ほとんどの場合、ペロブスカイト構造)、また、今世紀になって見つかった2ホウ化マグネシウム(MgB2)などが挙げられる。 Hereinafter, means for realizing the memory device (circuit) in the present embodiment will be described. A Josephson junction is formed in a superconducting state at a certain temperature or lower. Superconductors include niobium (Nb), which is the simplest element and has the highest superconducting transition temperature, as well as YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO: Y123), Bi 2 Sr 2 Ca 2 discovered in the 1980s. Copper oxide high-temperature superconductors (mostly perovskite structures) such as Cu 3 O 10 (BSCCO: Bi2233 Visco), La-Ba-Cu-O, and magnesium diboride discovered in this century (MgB 2 ) and the like.

一方、抵抗変化現象を発現する材料には、PrCaMnOなどのマンガン酸化物や、SrTiOに金属元素をドープしたもの、NiOやTiO、CuOなどの遷移金属酸化物などがある。発明者らは、強誘電体でもあるチタン酸ビスマス膜中にこの抵抗変化現象を見いだしている。例えば、図3の断面図に示すように、上述した抵抗スイッチ現象を起こす強誘電体よりなる金属酸化物層104を、下部電極層103と上部電極105との間に挟み、上部電極105と下部電極層103との間に電圧を印加することにより、金属酸化物層104の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態へ、また、低抵抗状態から高抵抗状態へスイッチングする現象が可逆的に安定に現れる。この現象は、巨大電界抵抗変化(Colossalelectro-resistance:CER)効果とも呼ばれ、この現象を応用したRRAM(ResistanceRAM、ReRAM)が、ポストフラッシュメモリとして注目されている。   On the other hand, materials that exhibit a resistance change phenomenon include manganese oxides such as PrCaMnO, SrTiO doped with a metal element, transition metal oxides such as NiO, TiO, and CuO. The inventors have found this resistance change phenomenon in a bismuth titanate film which is also a ferroelectric. For example, as shown in the cross-sectional view of FIG. 3, a metal oxide layer 104 made of a ferroelectric material that causes the above-described resistance switch phenomenon is sandwiched between a lower electrode layer 103 and an upper electrode 105, and the upper electrode 105 and the lower electrode By applying a voltage between the electrode layer 103 and the resistance value of the metal oxide layer 104 from the high resistance state to the low resistance state, and the phenomenon of switching from the low resistance state to the high resistance state is reversibly stable. Appear in This phenomenon is also called a giant electric field resistance change (Colossal electro-resistance: CER) effect, and RRAM (Resistance RAM, ReRAM) applying this phenomenon has attracted attention as a post-flash memory.

以下、図1の回路を実現するための抵抗変化現象を起こす抵抗RMについて図3を用いて具体的に説明する。まず、図3に示す素子について説明する。この素子は、例えば、単結晶シリコンからなる基板101の上に絶縁層102,下部電極層103,BiとTiとOとから構成された膜厚30〜200nm程度の金属酸化物層104(抵抗RM),上部電極105を備えるようにしたものである。 Will be specifically described with reference to FIG resistor R M which causes a resistance change phenomenon for realizing the circuit of Figure 1. First, the element shown in FIG. 3 will be described. This element includes, for example, a metal oxide layer 104 (resistor R) having a thickness of about 30 to 200 nm formed of an insulating layer 102, a lower electrode layer 103, Bi, Ti, and O on a substrate 101 made of single crystal silicon. M ), an upper electrode 105 is provided.

基板101は、半導体,絶縁体,金属などの導電性材料のいずれから構成されていてもよい。基板101が絶縁材料から構成されている場合、絶縁層102はなくてもよい。また、基板101が導電性材料から構成されている場合、絶縁層102,下部電極層103はなくてもよく、この場合、導電性材料から構成された基板101が、下部電極となる。   The substrate 101 may be made of any conductive material such as a semiconductor, an insulator, or a metal. When the substrate 101 is made of an insulating material, the insulating layer 102 is not necessary. Further, when the substrate 101 is made of a conductive material, the insulating layer 102 and the lower electrode layer 103 may not be provided. In this case, the substrate 101 made of the conductive material serves as a lower electrode.

下部電極層103,上部電極105は、例えば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、金(Au)、銀(Ag)などの貴金属を含む遷移金属の金属から構成されていればよい。また、下部電極層103,上部電極105は、窒化チタン(TiN)、窒化ハフニウム(HfN)、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO2)、酸化亜鉛(ZnO)、鉛酸スズ(ITO)、フッ化ランタン(LaF3)などの遷移金属の窒化物や酸化物やフッ化物等の化合物、さらに、これらを積層した複合膜であってもよい。 The lower electrode layer 103 and the upper electrode 105 may be made of transition metal including noble metals such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), gold (Au), and silver (Ag). The lower electrode layer 103 and the upper electrode 105 are made of titanium nitride (TiN), hafnium nitride (HfN), strontium ruthenate (SrRuO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin lead (ITO), lanthanum fluoride (LaF). 3 ) transition metal nitrides, compounds such as oxides and fluorides, and a composite film in which these are laminated.

絶縁層102は、二酸化シリコン,シリコン酸窒化膜,アルミナなどをはじめ、リチウム,ベリリウム,マグネシウム,カルシウムなどの軽金属から構成されたLiNbO3などの酸化物、LiCaAlF6、LiSrAlF6、LiYF4、LiLuF4、KMgF3などのフッ化物から構成されていればよい。また、絶縁層102は、スカンジウム,チタン,ストロンチウム,イットリウム,ジルコニウム,ハフニウム,タンタル,及び、ランタン系列を含む遷移金属の酸化物及び窒化物、又は、以上の元素を含むシリケート(金属、シリコン、酸素の三元化合物)、及び、これらの元素を含むアルミネート(金属、アルミニウム、酸素の三元化合物)、さらに、以上の元素を2以上含む酸化物及び窒化物などから構成されていてもよい。さらにまた、これらの絶縁材料からなる膜の多層構造であってもよい。 The insulating layer 102 includes oxides such as LiNbO 3 , LiCaAlF 6 , LiSrAlF 6 , LiYF 4 , LiLuF 4 , which are composed of light metals such as lithium dioxide, beryllium, magnesium, and calcium, including silicon dioxide, silicon oxynitride film, and alumina. , KMgF 3 and other fluorides may be used. The insulating layer 102 includes scandium, titanium, strontium, yttrium, zirconium, hafnium, tantalum, and transition metal oxides and nitrides including the lanthanum series, or silicates (metal, silicon, oxygen, and the like). Ternary compounds), aluminates containing these elements (ternary compounds of metals, aluminum and oxygen), and oxides and nitrides containing two or more of these elements. Furthermore, a multilayer structure of films made of these insulating materials may be used.

上記素子の具体例について説明すると、例えば、下部電極層103は、膜厚10nmのTi層と膜厚10nmのPt層との積層構造であり、金属酸化物層104は、膜厚30nmのBi4Ti312膜であり、上部電極105は、金から構成されたものである。なお、前述したように、基板101及び絶縁層102の構成は、これに限るものではなく、電気特性に影響を及ぼさなければ、他の材料も適当に選択できる。 A specific example of the element will be described. For example, the lower electrode layer 103 has a stacked structure of a Ti layer with a thickness of 10 nm and a Pt layer with a thickness of 10 nm, and the metal oxide layer 104 has a Bi 4 thickness of 30 nm. It is a Ti 3 O 12 film, and the upper electrode 105 is made of gold. Note that, as described above, the structures of the substrate 101 and the insulating layer 102 are not limited to this, and other materials can be appropriately selected as long as the electrical characteristics are not affected.

以上で説明した、絶縁層102、下部電極層103、金属酸化物層104、及び上部電極105は、具体的な製法については後述するが、図4に示すようなECRスパッタ装置により金属ターゲットや金属ターゲットを、アルゴンガス、キセノンガス、酸素ガス、窒素ガスからなるECRプラズマをプラズマ源で発生させ、発生させたプラズマ中の粒子を用いてスパッタリングして形成すればよい。   The insulating layer 102, the lower electrode layer 103, the metal oxide layer 104, and the upper electrode 105 described above will be described in detail later, but a metal target or metal can be formed by an ECR sputtering apparatus as shown in FIG. The target may be formed by generating ECR plasma composed of argon gas, xenon gas, oxygen gas, and nitrogen gas with a plasma source, and sputtering using particles in the generated plasma.

ここで、ECRスパッタ装置について、図4の概略的な断面図を用いて説明する。図4に示すECRスパッタ装置は、まず、処理室401とこれに連通するプラズマ生成室402とを備えている。処理室401は、図示していない真空排気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室402とともに内部が真空排気される。   Here, the ECR sputtering apparatus will be described with reference to the schematic cross-sectional view of FIG. The ECR sputtering apparatus shown in FIG. 4 includes a processing chamber 401 and a plasma generation chamber 402 communicating with the processing chamber 401. The processing chamber 401 communicates with an evacuation device (not shown), and the inside of the processing chamber 401 is evacuated together with the plasma generation chamber 402 by the evacuation device.

処理室401には、膜形成対象の基板101が固定される基板ホルダ404が設けられている。基板ホルダ404は、図示しない回転機構により所望の角度に傾斜し、かつ回転可能とされている。基板ホルダ404を傾斜して回転させることで、堆積させる材料による膜の面内均一性と段差被覆性とを向上させることが可能となる。また、処理室401内のプラズマ生成室402からのプラズマが導入される開口領域において、開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット405が備えられている。   The processing chamber 401 is provided with a substrate holder 404 to which the substrate 101 on which a film is to be formed is fixed. The substrate holder 404 is inclined at a desired angle by a rotation mechanism (not shown) and is rotatable. By tilting and rotating the substrate holder 404, it is possible to improve the in-plane uniformity of the film and the step coverage with the material to be deposited. Further, a ring-shaped target 405 is provided in the opening region where the plasma from the plasma generation chamber 402 in the processing chamber 401 is introduced so as to surround the opening region.

ターゲット405は、絶縁体からなる容器405a内に載置され、内側の面が処理室401内に露出している。また、ターゲット405には、マッチングユニット421を介して高周波電源422が接続され、例えば、13.56MHzの高周波が印加可能とされている。ターゲット405が導電性材料の場合、直流を印加するようにしても良い。なお、ターゲット405は、上面から見た状態で、円形状だけでなく、多角形状態であっても良い。   The target 405 is placed in a container 405 a made of an insulator, and the inner surface is exposed in the processing chamber 401. In addition, a high frequency power source 422 is connected to the target 405 via a matching unit 421 so that, for example, a high frequency of 13.56 MHz can be applied. When the target 405 is a conductive material, direct current may be applied. In addition, the target 405 may be not only a circular shape but also a polygonal state as viewed from above.

プラズマ生成室402は、真空導波管406に連通し、真空導波管406は、石英窓407を介して導波管408に接続されている。導波管408は、図示していないマイクロ波発生部に連通している。また、プラズマ生成室402の周囲及びプラズマ生成室402の上部には、磁気コイル(磁場形成手段)410が備えられている。これら、マイクロ波発生部、導波管408,石英窓407,真空導波管406により、マイクロ波供給手段が構成されている。なお、導波管408の途中に、モード変換器を設けるようにする構成もある。   The plasma generation chamber 402 communicates with the vacuum waveguide 406, and the vacuum waveguide 406 is connected to the waveguide 408 through a quartz window 407. The waveguide 408 communicates with a microwave generator (not shown). In addition, a magnetic coil (magnetic field forming means) 410 is provided around the plasma generation chamber 402 and at the top of the plasma generation chamber 402. The microwave generator, the waveguide 408, the quartz window 407, and the vacuum waveguide 406 constitute microwave supply means. There is also a configuration in which a mode converter is provided in the middle of the waveguide 408.

図4のECRスパッタ装置の動作例について説明すると、まず、処理室401及びプラズマ生成室402内を真空排気した後、不活性ガス導入部411より不活性ガスであるArガス又はXeガスを導入し、また、反応性ガス導入部412より反応性ガスを導入し、プラズマ生成室402内を例えば10-5〜10-4Pa程度の圧力にする。この状態で、磁気コイル410よりプラズマ生成室402内に0.0875T(テスラ)の磁場を発生させた後、導波管408,石英窓407,及び真空導波管406を介してプラズマ生成室402内に2.45GHzのマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマを発生させる。なお、1T=10000ガウスである。 The operation example of the ECR sputtering apparatus of FIG. 4 will be described. First, after the processing chamber 401 and the plasma generation chamber 402 are evacuated, Ar gas or Xe gas, which is an inert gas, is introduced from an inert gas introduction unit 411. In addition, a reactive gas is introduced from the reactive gas introduction unit 412 to bring the inside of the plasma generation chamber 402 to a pressure of about 10 −5 to 10 −4 Pa, for example. In this state, a magnetic field of 0.0875 T (Tesla) is generated from the magnetic coil 410 in the plasma generation chamber 402, and then the plasma generation chamber 402 is passed through the waveguide 408, the quartz window 407, and the vacuum waveguide 406. A 2.45 GHz microwave is introduced into the inside, and an electron cyclotron resonance (ECR) plasma is generated. Note that 1T = 10000 Gauss.

ECRプラズマは、磁気コイル410からの発散磁場により、基板ホルダ404の方向にプラズマ流を形成する。生成されたECRプラズマのうち、電子は磁気コイル410で形成される発散磁場によりターゲット405の中を貫通して基板101の側に引き出され、基板101の表面に照射される。このとき同時に、ECRプラズマ中のプラスイオンが、電子による負電荷を中和するように、すなわち、電界を弱めるように基板101側に引き出され、成膜している層の表面に照射される。このように各粒子が照射される間に、プラスイオンの一部は電子と結合して中性粒子となる。   The ECR plasma forms a plasma flow in the direction of the substrate holder 404 by the divergent magnetic field from the magnetic coil 410. Among the generated ECR plasma, electrons pass through the target 405 by the divergent magnetic field formed by the magnetic coil 410, are extracted toward the substrate 101, and are irradiated onto the surface of the substrate 101. At the same time, positive ions in the ECR plasma are drawn out to the substrate 101 side so as to neutralize the negative charge due to electrons, that is, weaken the electric field, and are irradiated onto the surface of the layer being formed. Thus, while each particle is irradiated, some of the positive ions are combined with electrons to become neutral particles.

なお、図4の薄膜形成装置では、図示していないマイクロ波発生部より供給されたマイクロ波電力を、導波管408において一旦分岐し、プラズマ生成室402上部の真空導波管406に、プラズマ生成室402の側方から石英窓407を介して結合させている。このようにすることで、石英窓407に対するターゲット405からの飛散粒子の付着が、防げるようになり、ランニングタイムを大幅に改善できるようになる。また、処理対象の基板とターゲット405との間にシャッターなどを設け、基板に対する原料の到達を制御してもよい。   In the thin film forming apparatus of FIG. 4, microwave power supplied from a microwave generation unit (not shown) is once branched in the waveguide 408, and plasma is supplied to the vacuum waveguide 406 above the plasma generation chamber 402. The generation chamber 402 is coupled from the side through a quartz window 407. By doing so, it becomes possible to prevent the scattered particles from adhering to the quartz window 407 from the target 405, and the running time can be greatly improved. In addition, a shutter or the like may be provided between the substrate to be processed and the target 405 to control the arrival of the raw material with respect to the substrate.

次に、図3を用いて説明した素子の製造方法例について、図5を用いて説明する。まず、図5(a)に示すように、主表面が面方位(100)で抵抗率が1〜2Ω-cmのp形のシリコンからなる基板101を用意し、基板101の表面を硫酸と過酸化水素水の混合液と純水と希フッ化水素水とにより洗浄し、この後、乾燥させる。次いで、洗浄・乾燥した基板101の上に、絶縁層102が形成された状態とする。絶縁層102の形成では、上述したECRスパッタ装置を用い、ターゲット405として純シリコン(Si)を用い、プラズマガスとしてアルゴン(Ar)と酸素ガスを用いたECRスパッタ法により、基板101の上に、表面を覆う程度にSi−O分子によるメタルモードの絶縁層102を形成する。 Next, an example of a method for manufacturing the element described with reference to FIG. 3 will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 5 (a), a main surface resistivity plane orientation (100) is 1~2Omu - providing a substrate 101 made of cm p-type silicon, over the acid the surface of the substrate 101 It is washed with a mixed solution of hydrogen oxide water, pure water and dilute hydrogen fluoride water, and then dried. Next, the insulating layer 102 is formed on the cleaned and dried substrate 101. In the formation of the insulating layer 102, the above-described ECR sputtering apparatus is used, pure silicon (Si) is used as the target 405, and argon (Ar) and oxygen gas are used as the plasma gas, and the substrate 101 is subjected to ECR sputtering. A metal mode insulating layer 102 made of Si—O molecules is formed to cover the surface.

例えば、10-4〜10-5Pa台の高真空状態の圧力に設定されているプラズマ生成室402内に、不活性ガス導入部411より例えば希ガスであるアルゴン(Ar)ガスを流量20sccm程度で導入する。また、反応性ガス導入部412より反応性ガスである酸素ガスを流量5sccm程度で挿入する。このように各ガスを導入し、ECRスパッタ装置の内部圧力を10-3〜10-2Pa程度にする。この状態で、プラズマ生成室402に、2.45GHzのマイクロ波(500W程度)と0.0875Tの磁場とを供給して電子サイクロトロン共鳴条件とすることで、プラズマ生成室402内にArのプラズマが生成された状態とする。なお、sccmは流量の単位あり、0℃・1気圧の流体が1分間に1cm3流れることを示す。また、T(テスラ)は、磁束密度の単位であり、1T=10000ガウスである。 For example, argon (Ar) gas, which is a rare gas, is supplied at a flow rate of about 20 sccm from the inert gas introduction unit 411 into the plasma generation chamber 402 set to a high vacuum pressure of about 10 −4 to 10 −5 Pa. Introduced in. Further, an oxygen gas, which is a reactive gas, is inserted from the reactive gas introduction unit 412 at a flow rate of about 5 sccm. In this way, each gas is introduced, and the internal pressure of the ECR sputtering apparatus is set to about 10 −3 to 10 −2 Pa. In this state, by supplying a 2.45 GHz microwave (about 500 W) and a 0.0875 T magnetic field to the plasma generation chamber 402 to satisfy electron cyclotron resonance conditions, Ar plasma is generated in the plasma generation chamber 402. Let it be a generated state. Sccm is a unit of flow rate, and indicates that a fluid at 0 ° C. and 1 atm flows 1 cm 3 per minute. T (Tesla) is a unit of magnetic flux density, and 1T = 10000 gauss.

上述したことにより生成されたプラズマは、磁気コイル410の発散磁場によりプラズマ生成室402より処理室401の側に放出される。また、プラズマ生成室402の出口に配置されたターゲット405に、高周波電源422より13.56MHzの高周波電力(例えば500W)を供給する。このことにより、ターゲット405にArイオンが衝突してスパッタリング現象が起こり、Si粒子が飛び出す。ターゲット405より飛び出したSi粒子は、プラズマ生成室402より放出されたプラズマ、及び導入されてプラズマにより活性化された酸素ガスと共に基板101の表面に到達し、活性化された酸素により酸化され二酸化シリコンとなる。以上のことにより、基板101上に二酸化シリコンからなる例えば100nm程度の膜厚の絶縁層102が形成された状態とすることができる(図5(a))。   The plasma generated as described above is emitted from the plasma generation chamber 402 to the processing chamber 401 side by the divergent magnetic field of the magnetic coil 410. Further, a high frequency power of 13.56 MHz (for example, 500 W) is supplied from a high frequency power supply 422 to a target 405 disposed at the outlet of the plasma generation chamber 402. As a result, Ar ions collide with the target 405, causing a sputtering phenomenon, and Si particles pop out. The Si particles that have jumped out of the target 405 reach the surface of the substrate 101 together with the plasma released from the plasma generation chamber 402 and the oxygen gas that has been introduced and activated by the plasma, and are oxidized by the activated oxygen and silicon dioxide. It becomes. As described above, the insulating layer 102 made of silicon dioxide and having a thickness of, for example, about 100 nm can be formed on the substrate 101 (FIG. 5A).

なお、絶縁層102は、この後に形成する下部電極層103と上部電極105に電圧を印加した時に、基板101に電圧が漏れて、所望の電気的特性に影響することがないように絶縁を図るものである。例えば、シリコン基板の表面を熱酸化法により酸化することで形成した酸化シリコン膜を絶縁層102として用いるようにしてもよい。絶縁層102は、絶縁性が保てればよく、酸化シリコン以外の他の絶縁材料から構成してもよく、また、絶縁層102の膜厚は、100nmに限らず、これより薄くてもよく厚くてもよい。絶縁層102は、上述したECRスパッタによる膜の形成では、基板101に対して加熱はしていないが、基板101を加熱しながら膜の形成を行ってもよい。   Note that the insulating layer 102 is insulated so that when a voltage is applied to the lower electrode layer 103 and the upper electrode 105 to be formed later, the voltage does not leak to the substrate 101 and the desired electrical characteristics are not affected. Is. For example, a silicon oxide film formed by oxidizing the surface of a silicon substrate by a thermal oxidation method may be used as the insulating layer 102. The insulating layer 102 only needs to maintain insulating properties, and may be made of an insulating material other than silicon oxide. The thickness of the insulating layer 102 is not limited to 100 nm, and may be thinner or thicker. Also good. The insulating layer 102 is not heated to the substrate 101 in the above-described film formation by ECR sputtering, but the film may be formed while the substrate 101 is heated.

以上のようにして下地絶縁層を形成した後、基板を装置内より大気中に搬出した後、図5(b)に示すように、形成されている絶縁層102の上に、下部電極層103が形成された状態とする。下部電極層103は、以下に説明するように、チタン層と白金層とから構成する。これらチタン層及び白金層は、上述したECRスパッタ装置を用い、処理室401内の基板ホルダ404に基板101を固定し、ターゲット405として純チタン(Ti)及び純白金(Pt)を用い、プラズマガスとしてキセノン(Xe)を用いたECRスパッタ法により、表面を覆う程度にTi層及びこの上にPt層が形成された状態とする。   After the base insulating layer is formed as described above, the substrate is carried out from the apparatus to the atmosphere, and then the lower electrode layer 103 is formed on the formed insulating layer 102 as shown in FIG. Is formed. The lower electrode layer 103 is composed of a titanium layer and a platinum layer, as will be described below. The titanium layer and the platinum layer are formed by using the above-described ECR sputtering apparatus, fixing the substrate 101 to the substrate holder 404 in the processing chamber 401, using pure titanium (Ti) and pure platinum (Pt) as the target 405, and plasma gas The Ti layer and the Pt layer are formed on the Ti layer so as to cover the surface by ECR sputtering using xenon (Xe).

はじめに、チタン層の形成について詳述すると、前述したECRスパッタ装置において、まず、プラズマ生成室402の内部を10-4〜10-5Pa台の高真空状態に真空排気した後、プラズマ生成室402内に、不活性ガス導入部411より、例えばXeガスを流量26sccm導入し、プラズマ生成室402内の圧力を例えば10-1〜10-2Pa台に設定する。なお、sccmは流量の単位であり、0℃で1気圧の流体が1分間に1cm3流れることを示す。また、プラズマ生成室402内には、磁気コイル410にコイル電流を例えば26Aで供給することで電子サイクロトロン共鳴条件の磁場を与える。 First, the formation of the titanium layer will be described in detail. In the ECR sputtering apparatus described above, first, the inside of the plasma generation chamber 402 is evacuated to a high vacuum state of 10 −4 to 10 −5 Pa, and then the plasma generation chamber 402 is formed. The inert gas introduction unit 411 introduces, for example, Xe gas at a flow rate of 26 sccm, and sets the pressure in the plasma generation chamber 402 to, for example, the order of 10 −1 to 10 −2 Pa. Note that sccm is a unit of flow rate and indicates that 1 cm 3 of fluid at 1 atm flows at 0 ° C. per minute. Further, in the plasma generation chamber 402, a magnetic field of electron cyclotron resonance condition is applied by supplying a coil current to the magnetic coil 410 at, for example, 26A.

加えて、図示していないマイクロ波発生部より、例えば2.45GHzのマイクロ波(例えば500W)を供給し、これを導波管408,石英窓407,真空導波管406を介してプラズマ生成室402内に導入し、このマイクロ波の導入により、プラズマ生成室402にプラズマ(ECRプラズマ)が生成された状態とする。   In addition, a 2.45 GHz microwave (for example, 500 W) is supplied from a microwave generation unit (not shown), and this is supplied to the plasma generation chamber via the waveguide 408, the quartz window 407, and the vacuum waveguide 406. It introduce | transduces in 402, It is set as the state by which the plasma (ECR plasma) was produced | generated in the plasma production | generation chamber 402 by introduction of this microwave.

この生成されたプラズマは、磁気コイル410の発散磁場によりプラズマ生成室402より処理室401の側に放出される。また、プラズマ生成室402の出口に配置されたTiよりなるターゲット405に、高周波電源422より高周波電力(例えば500W)を供給する。このことにより、ターゲット405にXe粒子が衝突してスパッタリング現象が起こり、Ti粒子がターゲット405より飛び出す。ターゲット405より飛び出したTi粒子は、絶縁層102に到達し、このことにより、絶縁層102の上にTiが堆積してチタン層が形成される。   The generated plasma is emitted from the plasma generation chamber 402 to the processing chamber 401 side by the divergent magnetic field of the magnetic coil 410. Further, high frequency power (for example, 500 W) is supplied from a high frequency power source 422 to a target 405 made of Ti disposed at the outlet of the plasma generation chamber 402. As a result, Xe particles collide with the target 405 to cause a sputtering phenomenon, and Ti particles jump out of the target 405. Ti particles that have jumped out of the target 405 reach the insulating layer 102, whereby Ti is deposited on the insulating layer 102 to form a titanium layer.

以上に説明したECRスパッタ法によるTiの堆積で、例えば、膜厚10nm程度のチタン層が形成された状態が得られる。この後、前述したシャッターを閉じた状態としてスパッタされた原料が基板101に到達しないようにすることで、成膜を停止する。この後、マイクロ波電力の供給を停止することなどによりプラズマ照射を停止し、各ガスの供給を停止し、基板101温度を所定の値までに低下させ、処理室401の内部より絶縁層102の上にチタン層が形成された基板101を搬出する。なお、チタン層の膜厚は、膜厚は10nmに限るものではない。   By the Ti deposition by the ECR sputtering method described above, for example, a state in which a titanium layer having a thickness of about 10 nm is formed can be obtained. Thereafter, the film formation is stopped by keeping the above-described shutter closed so that the sputtered raw material does not reach the substrate 101. Thereafter, the plasma irradiation is stopped by stopping the supply of microwave power, the supply of each gas is stopped, the temperature of the substrate 101 is lowered to a predetermined value, and the insulating layer 102 from the inside of the processing chamber 401 is reduced. The substrate 101 on which the titanium layer is formed is unloaded. Note that the thickness of the titanium layer is not limited to 10 nm.

次に、白金層の形成について、詳述すると、前述したECRスパッタ装置において、まず、プラズマ生成室402の内部を10-4〜10-5Pa台の高真空状態に真空排気した後、プラズマ生成室402内に、不活性ガス導入部411より、例えばXeガスを流量10sccm導入し、プラズマ生成室402内の圧力を例えば10-1〜10-2Pa台に設定する。また、プラズマ生成室402内には、磁気コイル410にコイル電流を例えば26Aで供給することで電子サイクロトロン共鳴条件の磁場を与える。 Next, the formation of the platinum layer will be described in detail. In the above-described ECR sputtering apparatus, first, the inside of the plasma generation chamber 402 is evacuated to a high vacuum state of 10 −4 to 10 −5 Pa, and then plasma generation is performed. For example, Xe gas is introduced at a flow rate of 10 sccm from the inert gas introduction unit 411 into the chamber 402, and the pressure in the plasma generation chamber 402 is set to, for example, about 10 −1 to 10 −2 Pa. Further, in the plasma generation chamber 402, a magnetic field of electron cyclotron resonance condition is applied by supplying a coil current to the magnetic coil 410 at, for example, 26A.

加えて、図示していないマイクロ波発生部より、例えば2.45GHzのマイクロ波(例えば800W)を供給し、これを導波管408,石英窓407,真空導波管406を介してプラズマ生成室402内に導入し、このマイクロ波の導入により、プラズマ生成室402にプラズマ(ECRプラズマ)が生成された状態とする。   In addition, a 2.45 GHz microwave (for example, 800 W) is supplied from a microwave generation unit (not shown), and this is supplied to the plasma generation chamber via the waveguide 408, the quartz window 407, and the vacuum waveguide 406. It introduce | transduces in 402, It is set as the state by which the plasma (ECR plasma) was produced | generated in the plasma production | generation chamber 402 by introduction of this microwave.

この生成されたプラズマは、磁気コイル410の発散磁場によりプラズマ生成室402より処理室401の側に放出される。また、プラズマ生成室402の出口に配置されたPtよりなるターゲット405に、高周波電源422より高周波電力(例えば500W)を供給する。このことにより、ターゲット405にXe粒子が衝突してスパッタリング現象が起こり、Pt粒子がターゲット405より飛び出す。ターゲット405より飛び出したPt粒子は、既に形成されているチタン層に到達し、このことにより、チタン層の上にPtが堆積して白金層が形成される。   The generated plasma is emitted from the plasma generation chamber 402 to the processing chamber 401 side by the divergent magnetic field of the magnetic coil 410. Further, high frequency power (for example, 500 W) is supplied from a high frequency power source 422 to a target 405 made of Pt disposed at the outlet of the plasma generation chamber 402. As a result, Xe particles collide with the target 405 to cause a sputtering phenomenon, and Pt particles jump out of the target 405. The Pt particles that have jumped out of the target 405 reach the titanium layer that has already been formed. As a result, Pt is deposited on the titanium layer to form a platinum layer.

以上に説明したECRスパッタ法によるPtの堆積で、例えば、膜厚10nm程度の白金層が形成された状態が得られる。この後、前述したシャッターを閉じた状態としてスパッタされた原料が基板101に到達しないようにすることで、成膜を停止する。この後、マイクロ波電力の供給を停止することなどによりプラズマ照射を停止し、各ガスの供給を停止し、基板101温度を所定の値までに低下させ、処理室401の内部よりチタン層の上に白金層が形成された基板101を搬出する。なお、白金層の膜厚は、膜厚は10nmに限るものではない。以上のことにより、チタン層及びこの上に形成された白金層よりなる下部電極層103が形成された状態が得られる(図5(b))。   By depositing Pt by the ECR sputtering method described above, for example, a state in which a platinum layer having a thickness of about 10 nm is formed can be obtained. Thereafter, the film formation is stopped by keeping the above-described shutter closed so that the sputtered raw material does not reach the substrate 101. Thereafter, the plasma irradiation is stopped by stopping the supply of the microwave power, the supply of each gas is stopped, the temperature of the substrate 101 is lowered to a predetermined value, and the upper portion of the titanium layer is The substrate 101 on which the platinum layer is formed is unloaded. The film thickness of the platinum layer is not limited to 10 nm. As a result, a state in which the lower electrode layer 103 made of the titanium layer and the platinum layer formed thereon is formed is obtained (FIG. 5B).

以上のようにして、所望の膜厚に下部電極層103が形成された状態とした後、図5(c)に示すように、下部電極層103の上に接して金属酸化物層104が形成された状態とする。金属酸化物層104の形成では、上述同様のECRスパッタ装置を用い、処理室401内の基板ホルダ404に基板101を固定し、ターゲット405としてBiとTiの割合が4:3の焼結体(Bi−Ti−O)を用い、プラズマガスとしてArと酸素(O2)を用いたECRスパッタ法により、下部電極層103の表面を覆う程度に金属酸化物層104が形成された状態とする。 As described above, after the lower electrode layer 103 is formed in a desired thickness, the metal oxide layer 104 is formed on and in contact with the lower electrode layer 103 as shown in FIG. It is assumed that In the formation of the metal oxide layer 104, the substrate 101 is fixed to the substrate holder 404 in the processing chamber 401 using the same ECR sputtering apparatus as described above, and a Bi (Ti) ratio of 4: 3 is used as the target 405. Bi-Ti-O) is used, and the metal oxide layer 104 is formed so as to cover the surface of the lower electrode layer 103 by ECR sputtering using Ar and oxygen (O 2 ) as plasma gases.

金属酸化物層104の形成について詳述すると、前述したECRスパッタ装置において、まず、プラズマ生成室402の内部を10-4〜10-5Pa台の高真空状態に真空排気した後、基板101が30℃〜700℃に加熱された状態とし、また、プラズマ生成室402内に、不活性ガス導入部411より、例えばArガスを流量20sccm導入し、プラズマ生成室402内の圧力を例えば10-2〜10-3Pa台に設定する。また、プラズマ生成室402内には、磁気コイル410にコイル電流を例えば27Aで供給することで電子サイクロトロン共鳴条件の磁場を与える。 The formation of the metal oxide layer 104 will be described in detail. In the ECR sputtering apparatus described above, first, the inside of the plasma generation chamber 402 is evacuated to a high vacuum state of 10 −4 to 10 −5 Pa, and then the substrate 101 is The plasma generation chamber 402 is heated to 30 ° C. to 700 ° C., and, for example, Ar gas is introduced at a flow rate of 20 sccm from the inert gas introduction unit 411 into the plasma generation chamber 402, and the pressure in the plasma generation chamber 402 is set to 10 −2, for example. Set to 10 -3 Pa. Further, in the plasma generation chamber 402, a magnetic field of electron cyclotron resonance condition is applied by supplying a coil current to the magnetic coil 410 at, for example, 27A.

加えて、図示していないマイクロ波発生部より、例えば2.45GHzのマイクロ波(例えば500W)を供給し、これを導波管408,石英窓407,真空導波管406を介してプラズマ生成室402内に導入し、このマイクロ波の導入により、プラズマ生成室402にプラズマ(ECRプラズマ)が生成された状態とする。   In addition, a 2.45 GHz microwave (for example, 500 W) is supplied from a microwave generation unit (not shown), and this is supplied to the plasma generation chamber via the waveguide 408, the quartz window 407, and the vacuum waveguide 406. It introduce | transduces in 402, It is set as the state by which the plasma (ECR plasma) was produced | generated in the plasma production | generation chamber 402 by introduction of this microwave.

この生成されたプラズマは、磁気コイル410の発散磁場によりプラズマ生成室402より処理室401の側に放出される。また、プラズマ生成室402の出口に配置されたターゲット405に、高周波電源422より高周波電力(例えば500W)を供給する。このことにより、ターゲット405にAr粒子が衝突してスパッタリング現象を起こし、Bi粒子とTi粒子がターゲット405より飛び出す。   The generated plasma is emitted from the plasma generation chamber 402 to the processing chamber 401 side by the divergent magnetic field of the magnetic coil 410. Further, high frequency power (for example, 500 W) is supplied from the high frequency power source 422 to the target 405 disposed at the outlet of the plasma generation chamber 402. As a result, Ar particles collide with the target 405 to cause a sputtering phenomenon, and Bi particles and Ti particles jump out of the target 405.

ターゲット405より飛び出したBi粒子とTi粒子は、プラズマ生成室402より放出されたプラズマ、及び、反応性ガス導入部412より導入されてプラズマにより活性化した酸素ガスとともに、下部電極層103の表面に到達し、活性化された酸素により酸化される。酸素ガスは、反応性ガス導入部412より、例えば1sccm程度で導入されていればよい。ターゲット405は焼結体であり、酸素が含まれるが、酸素を供給することにより堆積している膜中の酸素不足を防ぐことができる。なお、基板101の温度条件は、後述するように、30〜180℃としてもよい。   Bi particles and Ti particles that have jumped out of the target 405 are formed on the surface of the lower electrode layer 103 together with the plasma released from the plasma generation chamber 402 and the oxygen gas introduced from the reactive gas introduction unit 412 and activated by the plasma. It reaches and is oxidized by the activated oxygen. The oxygen gas may be introduced from the reactive gas introduction unit 412 at about 1 sccm, for example. The target 405 is a sintered body and contains oxygen. By supplying oxygen, oxygen deficiency in the deposited film can be prevented. The temperature condition of the substrate 101 may be 30 to 180 ° C. as will be described later.

以上に説明したECRスパッタ法による膜の形成で、例えば、膜厚30nm程度の金属酸化物層104が、下部電極層103の上に形成された状態が得られる(図5(b))。この後、前述したシャッターを閉じた状態としてスパッタされた原料が基板101に到達しないようにすることで、成膜を停止する。この後、マイクロ波電力の供給を停止することなどによりプラズマ照射を停止し、各ガスの供給を停止し、基板101の温度を所定の値までに低下させ、処理室401の内部より金属酸化物層104が形成された基板101を搬出する。   By forming the film by the ECR sputtering method described above, for example, a state in which the metal oxide layer 104 with a film thickness of about 30 nm is formed on the lower electrode layer 103 is obtained (FIG. 5B). Thereafter, the film formation is stopped by keeping the above-described shutter closed so that the sputtered raw material does not reach the substrate 101. Thereafter, the plasma irradiation is stopped by stopping the supply of microwave power, the supply of each gas is stopped, the temperature of the substrate 101 is lowered to a predetermined value, and the metal oxide is supplied from the inside of the processing chamber 401. The substrate 101 on which the layer 104 is formed is unloaded.

次いで、図5(c)に示すように、金属酸化物層104の上に所定の面積の金からなる上部電極105が形成された状態とする。例えば、よく知られたフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とによりパターニングで金膜を加工することで、所定の面積の上部電極105が形成可能である。なお、上部電極105は、金に限らず、例えばRu、Pt、窒化チタンなどの他の金属材料や導電性材料から構成してもよい。   Next, as shown in FIG. 5C, the upper electrode 105 made of gold having a predetermined area is formed on the metal oxide layer 104. For example, the upper electrode 105 having a predetermined area can be formed by processing a gold film by patterning using a well-known photolithography technique and etching technique. The upper electrode 105 is not limited to gold, and may be composed of other metal materials such as Ru, Pt, titanium nitride, or conductive materials.

次に、上述したようにECRスパッタ法により形成される金属酸化物層104について、より詳細に説明する。発明者らは、ECRスパッタ法を用いたBiとTiと酸素からなる金属酸化物層の形成について注意深く観察を繰り返すことで、温度によって形成される金属酸化物層の膜特性が制御できることを見い出した。なお、このスパッタ成膜では、BiとTiが4:3の組成を持つように形成された酸化物焼結体ターゲットを用いている。   Next, the metal oxide layer 104 formed by ECR sputtering as described above will be described in more detail. The inventors have found that the film characteristics of the metal oxide layer formed by temperature can be controlled by carefully observing the formation of the metal oxide layer composed of Bi, Ti, and oxygen using the ECR sputtering method. . In this sputtering film formation, an oxide sintered body target formed so that Bi and Ti have a composition of 4: 3 is used.

図6に示す特性は、上記スパッタ成膜における基板温度に対する成膜速度と屈折率の変化を示したものである。図6には、前述したECRスパッタ法による金属酸化物層104の形成時と同じガス条件で成膜した場合が示してある。図6に示すように、成膜速度と屈折率が、温度とともに変化することがわかる。   The characteristics shown in FIG. 6 show changes in the deposition rate and refractive index with respect to the substrate temperature in the sputter deposition. FIG. 6 shows a case where the film is formed under the same gas conditions as those for forming the metal oxide layer 104 by the ECR sputtering method described above. As shown in FIG. 6, it can be seen that the deposition rate and the refractive index change with temperature.

まず、屈折率に注目すると、約250℃程度までの低温領域では、屈折率は約2と小さくアモルファス的な特性を示している。300℃〜600℃での中間領域では、屈折率は約2.6と論文などで報告されているバルクに近い値となり、Bi4Ti312の結晶化が進んでいることがわかる。これらの数値に関しては、例えば、山口らのジャパニーズ・ジャーナル・アプライド・フィジクス、第37号、5166−5170頁、1998年、(M. Yamaguchi, et al. "Effect of Grain Size on Bi4Ti3O12 Thin Film Properties",Jpn.J.Appl.Phys.,37,pp.5166-5170,(1998).)などを参考にしていただきたい。 First, paying attention to the refractive index, the refractive index is as small as about 2 in a low temperature region up to about 250 ° C., and shows amorphous characteristics. In the intermediate region at 300 ° C. to 600 ° C., the refractive index is about 2.6, which is close to the bulk reported in the paper, and it can be seen that the crystallization of Bi 4 Ti 3 O 12 is progressing. Regarding these figures, for example, Yamaguchi et al., Japanese Journal Applied Physics, No. 37, pages 5166-5170, 1998 (M. Yamaguchi, et al. “Effect of Grain Size on Bi 4 Ti 3 O 12 Thin Film Properties ", Jpn. J. Appl. Phys., 37, pp. 5166-5170, (1998)).

しかし、約600℃を超える温度領域では、屈折率が大きくなり、表面モフォロジ(表面凹凸)が大きくなってしまい、結晶性が変化しているものと思われる。この温度はBi4Ti312のキュリー温度である675℃よりも低いが、成膜している基板表面にECRプラズマが照射されることでエネルギーが供給され、基板表面の温度が上昇して酸素欠損などの結晶性が悪化しているとすれば、上述した結果に矛盾はないものと考える。 However, in a temperature region exceeding about 600 ° C., the refractive index increases, the surface morphology (surface irregularities) increases, and the crystallinity seems to change. This temperature is lower than the Bi 4 Ti 3 O 12 Curie temperature of 675 ° C., but energy is supplied by irradiating the surface of the substrate on which the film is formed with ECR plasma, and the temperature of the substrate surface rises. If crystallinity such as oxygen deficiency is deteriorated, it is considered that there is no contradiction in the above results.

成膜速度の温度依存性についてみると、約180℃までは、温度とともに成膜速度が上昇する。しかし、約180℃から300℃の領域で、急激に成膜速度が低下する。約300℃に達すると成膜速度は600℃まで一定となる。この時の各酸素領域における成膜速度は、酸素領域Cが約3nm/minであった。   Looking at the temperature dependence of the deposition rate, the deposition rate increases with temperature up to about 180 ° C. However, the film formation rate rapidly decreases in the region of about 180 ° C. to 300 ° C. When the temperature reaches about 300 ° C., the deposition rate becomes constant up to 600 ° C. The film formation rate in each oxygen region at this time was about 3 nm / min in the oxygen region C.

次に、X線回折により、各温度領域で形成された膜の結晶性の解析を行った。室温約30℃から180℃までの低温領域においては、アモルファス(非晶質)であることが確認された。また、180℃から300℃の温度領域では、微結晶より構成されていることが確認された。また、300℃以上の温度領域では、(117)方向に配向した膜であることがわかった。   Next, the crystallinity of the film formed in each temperature region was analyzed by X-ray diffraction. In a low temperature range from room temperature of about 30 ° C. to 180 ° C., it was confirmed to be amorphous. Further, it was confirmed that the crystal was composed of microcrystals in a temperature range of 180 ° C. to 300 ° C. It was also found that the film was oriented in the (117) direction in the temperature range of 300 ° C. or higher.

300℃以上の温度領域における金属酸化物層の状態について、透過型電子顕微鏡により断面形状を観察すると、図7の構成図及び図8の顕微鏡写真に示すような結果を得た。膜の形成では、420℃の成膜温度で、シリコン基板701の上に直接BiとTiと酸素からなる金属酸化物を堆積した。   When the cross-sectional shape of the state of the metal oxide layer in the temperature region of 300 ° C. or higher was observed with a transmission electron microscope, the results shown in the configuration diagram of FIG. 7 and the micrograph of FIG. 8 were obtained. In forming the film, a metal oxide composed of Bi, Ti, and oxygen was directly deposited on the silicon substrate 701 at a deposition temperature of 420 ° C.

図7及び図8に示す結果から、形成された金属酸化物層704は、Bi4Ti312の化学量論的組成に比較して過剰なTiを含む基部層の中に、Bi4Ti312の化学量論的組成の3nm〜15nm程度の複数の微結晶粒から成り立っていることがわかった。微結晶粒への電子線回折により、微結晶粒はBi4Ti312の(117)面を持つことが確認された。 From the results shown in FIGS. 7 and 8, the metal oxide layer 704 is formed, in the base layer containing excess Ti as compared to the stoichiometric composition of Bi 4 Ti 3 O 12, Bi 4 Ti It was found to be composed of a plurality of fine crystal grains having a stoichiometric composition of 3 O 12 of about 3 nm to 15 nm. Electron diffraction on the fine crystal grains confirmed that the fine crystal grains had a (117) plane of Bi 4 Ti 3 O 12 .

また、図8の写真の詳細な観察により、金属酸化物層704とシリコン基板701と界面に、界面層702及び界面層703の存在が判明した。界面層702は、シリコン基板701が酸化されて形成されたものであり、界面層703は、BiとTiがシリコンと反応して形成されたものであることが確認されている。   Further, detailed observation of the photograph in FIG. 8 revealed the presence of the interface layer 702 and the interface layer 703 at the interface between the metal oxide layer 704 and the silicon substrate 701. It has been confirmed that the interface layer 702 is formed by oxidizing the silicon substrate 701, and the interface layer 703 is formed by reaction of Bi and Ti with silicon.

次に、上述した420℃程度の成膜温度により形成した金属酸化物層の特性について説明する。この特性は、Ruから構成した下部電極層と上部電極との間に上記金属酸化物層を挟んだ素子を形成し、下部電極層と上部電極との間に、適度な電圧を印加することで調査されたものである。下部電極層と上部電極との間に電源により電圧を印加し、電圧を印加したときの電流を電流計により観測すると、図9に示す結果が得られた。図9において、横軸に上部電極に印加した電圧値を取り、縦軸に電流値の絶対値を対数表示してある。   Next, characteristics of the metal oxide layer formed at the film forming temperature of about 420 ° C. described above will be described. This characteristic is that an element in which the metal oxide layer is sandwiched between a lower electrode layer and an upper electrode made of Ru is formed, and an appropriate voltage is applied between the lower electrode layer and the upper electrode. It has been investigated. When a voltage was applied between the lower electrode layer and the upper electrode by a power source and the current when the voltage was applied was observed with an ammeter, the result shown in FIG. 9 was obtained. In FIG. 9, the horizontal axis represents the voltage value applied to the upper electrode, and the vertical axis represents the absolute value of the current value in logarithm.

以下、図9を用いて上述した素子(金属酸化物層)の特性について説明するが、ここで説明する電圧値や電流値は、実際の素子で観測されたものを例として使用している。従って、本現象は、以下に示す数値に限るものではない。実際に素子に用いる膜の材料や膜厚、その他の条件により、他の数値が観測されることがある。また、以下では、上部電極に対する電圧印加を基準に、正の電圧印加と負の電圧印加を説明しているが、下部電極層に対する電圧印加を基準とした場合は、正と負との関係が逆転する。   Hereinafter, the characteristics of the above-described element (metal oxide layer) will be described with reference to FIG. 9, but the voltage value and current value described here are used as an example observed in an actual element. Therefore, this phenomenon is not limited to the following numerical values. Other numerical values may be observed depending on the material and thickness of the film actually used for the element and other conditions. In the following, positive voltage application and negative voltage application are described based on voltage application to the upper electrode. However, when voltage application to the lower electrode layer is used as a reference, there is a relationship between positive and negative. Reverse.

まず、上部電極に正の電圧を印可すると、図9中の[1]に示すように、0〜0.8Vの範囲では、例えば+0.5Vの印加で10-6Aと電流は少なく、高抵抗の状態である。これに対し、図9中の[2]に示すように、印加する電圧が0.8Vを超えると、急に正電流が流れて低抵抗状態となる。ただし、図9中の[2]に示すような正電流が流れる状態とならないように、0〜0.8Vの範囲で電圧を印可している場合は、[1]に示すような高抵抗状態が維持される。 First, when a positive voltage is applied to the upper electrode, as shown in [1] in FIG. 9, in the range of 0 to 0.8 V, for example, +0.5 V is applied, the current is as small as 10 −6 A, and high It is a state of resistance. On the other hand, as shown in [2] in FIG. 9, when the applied voltage exceeds 0.8 V, a positive current suddenly flows and a low resistance state is entered. However, when a voltage is applied in the range of 0 to 0.8 V so that a positive current as shown in [2] in FIG. 9 does not flow, a high resistance state as shown in [1] Is maintained.

また、図9中の[2]に示すように低抵抗状態となった後に、上部電極に正電圧を印可すると、図9中の[3]に示すように、0.5V程度の電圧印加で1×10-5A程度の正電流が流れる。この状態より、上部電極に負電圧を印可しても、図9中の[4]に示すように、−0.5V程度の電圧印加で3×10-5A程度の電流が流れ、低抵抗の状態が維持される。 In addition, when a positive voltage is applied to the upper electrode after the low resistance state as shown in [2] in FIG. 9, a voltage of about 0.5 V is applied as shown in [3] in FIG. A positive current of about 1 × 10 −5 A flows. Even if a negative voltage is applied to the upper electrode from this state, a current of about 3 × 10 −5 A flows when a voltage of about −0.5 V flows as shown in [4] in FIG. The state of is maintained.

これに対し、上部電極に−0.8Vを超える負の電圧を印可すると、図9中の[5]に示すように、急激に電流が流れなくなり、高抵抗状態へと遷移する。この状態となった後、図9中の[6]に示すように負電圧を印可しても、−0.5Vの電圧印加で流れる電流は10-6A以下であり、高抵抗状態が維持される。 On the other hand, when a negative voltage exceeding −0.8 V is applied to the upper electrode, as indicated by [5] in FIG. 9, current suddenly stops flowing, and the state transitions to the high resistance state. Even after a negative voltage is applied as shown in [6] in FIG. 9 after this state is reached, the current flowing by applying a voltage of -0.5 V is 10 -6 A or less, and the high resistance state is maintained. Is done.

この状態において、今度は上部電極に正電圧を印可すると、図9中の[1]に示すように、+0.8V程度の電圧印加までは高抵抗状態が維持されるが、+0.8Vを超える正電圧の印加により、図9中の[2]に示すように、低抵抗状態へと遷移する。
以上に説明したように、上述した金属酸化物層を用いた素子によれば、高抵抗状態と低抵抗状態とが可逆的にスイッチする現象が安定に観察される。
In this state, when a positive voltage is applied to the upper electrode, the high resistance state is maintained until a voltage of about + 0.8V is applied as shown in [1] in FIG. 9, but it exceeds + 0.8V. By applying a positive voltage, a transition is made to a low resistance state, as indicated by [2] in FIG.
As described above, according to the element using the above-described metal oxide layer, a phenomenon in which the high resistance state and the low resistance state are switched reversibly is stably observed.

また、発明者らは、30〜180℃程度の十分低い温度領域での、前述したECRスパッタによる金属酸化物層の成膜について検討した。この低温度の領域は、図6に示すように、屈折率が約2.0〜2.1で、成膜速度が温度上昇により大きくなる領域である。ただし、基板温度が30℃の場合、つまり、基板加熱を行わない場合、成膜される基板表面の実際の温度は、エネルギーを持ったECRプラズマが照射するため、約100℃まで上昇することが確認されている。しかし、基板温度を100℃〜150℃とした場合は、基板加熱する温度とプラズマにより加熱される温度が同程度となり、温度コントローラーの制御により基板加熱が抑制され、基板表面の温度は、約130℃〜180℃程度となる。   In addition, the inventors examined the formation of the metal oxide layer by ECR sputtering described above in a sufficiently low temperature range of about 30 to 180 ° C. As shown in FIG. 6, this low temperature region is a region where the refractive index is about 2.0 to 2.1 and the film formation rate is increased by the temperature rise. However, when the substrate temperature is 30 ° C., that is, when the substrate is not heated, the actual temperature of the substrate surface on which the film is formed may rise to about 100 ° C. because the ECR plasma with energy is irradiated. It has been confirmed. However, when the substrate temperature is set to 100 ° C. to 150 ° C., the substrate heating temperature and the plasma heating temperature are approximately the same, and the substrate heating is suppressed by the control of the temperature controller. It becomes about 180 ° C to 180 ° C.

この低温領域において、ECRスパッタ法を用いてBiとTiと酸素からなる金属酸化物層をシリコン基板上に形成した。この時の透過型電子顕微鏡の断面観察したものを図10の顕微鏡写真に示す。具体的には、基板加熱は行わず、上記に示したECRスパッタ法を用いた金属酸化物層のガス条件を用いて成膜した。図10に示すように、基板加熱を行わずに堆積したにも拘わらず、形成された金属酸化物層の中に3nm〜5nmの微粒子が存在していることがわかる。   In this low temperature region, a metal oxide layer made of Bi, Ti, and oxygen was formed on the silicon substrate using ECR sputtering. A cross-sectional observation of the transmission electron microscope at this time is shown in the photomicrograph of FIG. Specifically, the substrate was not heated, and the film was formed using the gas conditions of the metal oxide layer using the ECR sputtering method described above. As shown in FIG. 10, it can be seen that fine particles having a size of 3 nm to 5 nm are present in the formed metal oxide layer despite being deposited without heating the substrate.

上記微粒子とこの周辺部分について、電子線を照射して照射箇所から発生した特性X線を、直接半導体検出器で検出し、電気信号に変えて分析する手法により組成を分析した結果、基部層(微粒子ではないところ)は、Bi4Ti312の化学量論的組成よりもTiが過剰に含まれていること、微粒子は、基部層よりもBiが多く含まれており、Bi4Ti312の化学量論的組成に近いことがわかった。測定した微粒子は、3nm〜5nmと極めて小さいために電子線回折での正確な組成を同定するのは難しいが、300℃以上の高温領域において観測された基部層及び微結晶と同様の構造が確認できた。 As a result of analyzing the composition of the fine particles and the peripheral portion by a technique in which characteristic X-rays generated from the irradiated portion by direct irradiation with an electron beam are directly detected by a semiconductor detector and converted into an electrical signal, the base layer ( Where the particles are not fine particles), Ti is contained more excessively than the stoichiometric composition of Bi 4 Ti 3 O 12 , and the fine particles contain more Bi than the base layer, and Bi 4 Ti 3 it was found close to the stoichiometric composition of O 12. The measured fine particles are very small, 3nm to 5nm, so it is difficult to identify the exact composition by electron diffraction, but the same structure as the base layer and microcrystals observed in the high temperature region above 300 ° C is confirmed. did it.

前述に図6を用いて説明したように、XRDの結果から、低温で成膜したものについては、アモルファス(非晶質)状態であることが確認されている。このような、低温成膜で微粒子が確認されることは今までになく、10〜30eV程度の適度なエネルギーを持つECRスパッタ法により成膜したために観測されたものと考えている。BiとTiと酸素からなる金属酸化物層を30℃〜180℃の低温領域でシリコン基板の上に成膜した場合、図7及び図8に見られたような、界面層702及び界面層703は観測されない。このように低温で成膜した場合、図11の模式的な断面図に示すように、シリコン1101と形成された金属酸化物層1104との界面は、良好な状態であった。 As described with reference to FIG. 6 described above, the results of XRD, about one formed at a low temperature, it has been confirmed that the amorphous state. It is considered that the fine particles have not been confirmed in such a low temperature film formation, and it was observed because the film was formed by the ECR sputtering method having an appropriate energy of about 10 to 30 eV. When a metal oxide layer composed of Bi, Ti, and oxygen is formed on a silicon substrate in a low temperature region of 30 ° C. to 180 ° C., the interface layer 702 and the interface layer 703 as seen in FIGS. Is not observed. When the film was formed at such a low temperature, the interface between the silicon 1101 and the formed metal oxide layer 1104 was in a good state as shown in the schematic cross-sectional view of FIG.

さらに、発明者らは、上述した低温領域で形成したBiとTiと酸素からなる金属酸化物層においても、以下に説明するように2つの抵抗状態が保持される特性を見いだした。この特性は、上述同様に、下部電極層と上部電極との間に低温領域で形成した金属酸化物層を挟んだ素子を形成し、下部電極層と上部電極との間に、適度な電圧を印加することで調査されたものである。下部電極層と上部電極との間に電源により電圧を印加し、電圧を印加したときの電流を電流計により観測すると、図12に示す結果が得られた。図12において、横軸に上部電極に印加した電圧値を取り、縦軸に電流値の絶対値を対数表示してある。   Further, the inventors have found that the two resistance states are maintained as described below even in the metal oxide layer composed of Bi, Ti, and oxygen formed in the low temperature region described above. Similar to the above, this characteristic is that an element in which a metal oxide layer formed in a low temperature region is sandwiched between a lower electrode layer and an upper electrode, and an appropriate voltage is applied between the lower electrode layer and the upper electrode. It was investigated by applying. When a voltage was applied between the lower electrode layer and the upper electrode by a power source and the current when the voltage was applied was observed with an ammeter, the result shown in FIG. 12 was obtained. In FIG. 12, the horizontal axis represents the voltage value applied to the upper electrode, and the vertical axis represents the absolute value of the current value in logarithm.

以下、図12を用いて上述した素子(金属酸化物層)の特性について説明するが、ここで説明する電圧値や電流値も、実際の素子で観測されたものを例として使用している。従って、本現象も、以下に示す数値に限るものではない。実際に素子に用いる膜の材料や膜厚、その他の条件により、他の数値が観測されることがある。また、以下でも、上部電極に対する電圧印加を基準に、正の電圧印加と負の電圧印加を説明しているが、下部電極層に対する電圧印加を基準とした場合は、正と負との関係が逆転する。   Hereinafter, the characteristics of the above-described element (metal oxide layer) will be described with reference to FIGS. 12A and 12B. The voltage value and current value described here are also used as an example observed in an actual element. Therefore, this phenomenon is not limited to the following numerical values. Other numerical values may be observed depending on the material and thickness of the film actually used for the element and other conditions. Also, in the following, positive voltage application and negative voltage application are described with reference to voltage application to the upper electrode, but when voltage application to the lower electrode layer is used as a reference, there is a relationship between positive and negative. Reverse.

まず、上部電極に正の電圧を印可すると、図12中の[1]に示すように、0〜1.7Vの範囲では、例えば+0.3Vの印加で10-6A以下と電流は少なく、高抵抗の状態である。これに対し、図12中の[2]に示すように、印加する電圧が1.7Vを超えると、急に正電流が流れて低抵抗状態となる。ただし、図12中の[2]に示すような正電流が流れる状態とならないように、0〜1.7Vの範囲で電圧を印可している場合は、[1]に示すような高抵抗状態が維持される。 First, when a positive voltage is applied to the upper electrode, as shown by [1] in FIG. 12, in the range of 0 to 1.7 V, for example, when +0.3 V is applied, the current is as low as 10 −6 A or less, and It is a state of high resistance. On the other hand, as shown in [2] in FIG. 12, when the applied voltage exceeds 1.7 V, a positive current suddenly flows and a low resistance state is entered. However, when a voltage is applied in the range of 0 to 1.7 V so that the positive current as shown in [2] in FIG. 12 does not flow, the high resistance state as shown in [1] Is maintained.

また、図12中の[2]に示すように低抵抗状態となった後に、上部電極に正電圧を印可すると、図12中の[3]に示すように、0.1V程度の電圧印加で1×10-4A程度の正電流が流れる。この状態より、上部電極に負電圧を印可しても、図12中の[4]に示すように、−0.5V程度の電圧印加で1×10-3A程度の電流が流れ、低抵抗状態が維持される。 Further, when a positive voltage is applied to the upper electrode after the low resistance state as shown in [2] in FIG. 12, a voltage of about 0.1 V is applied as shown in [3] in FIG. A positive current of about 1 × 10 −4 A flows. Even if a negative voltage is applied to the upper electrode from this state, a current of about 1 × 10 −3 A flows when a voltage of about −0.5 V flows as shown in [4] in FIG. State is maintained.

これに対し、上部電極に−0.7Vを超える負の電圧を印可すると、図12中の[5]に示すように、急激に電流が流れなくなり、高抵抗状態へと遷移する。この状態となった後、図9中の[6]に示すように負電圧を印可しても、−0.5V程度の電圧印加で流れる電流は3×10-6A程度であり、高抵抗状態が維持される。 On the other hand, when a negative voltage exceeding −0.7 V is applied to the upper electrode, as indicated by [5] in FIG. 12, current suddenly stops flowing, and the state transitions to the high resistance state. Even if a negative voltage is applied as shown in [6] in FIG. 9 after this state is reached, the current that flows when a voltage of about −0.5 V is applied is about 3 × 10 −6 A, which is a high resistance. State is maintained.

この状態において、今度は上部電極に正電圧を印可すると、図12中の[1]に示すように、+1.7V程度の電圧印加までは高抵抗状態が維持されるが、+1.7Vを超える正電圧の印加により、図12中の[2]に示すように、低抵抗状態へと遷移する。
以上に説明したように、上述した低温で形成した金属酸化物層を用いた素子においても、高抵抗状態と低抵抗状態とが可逆的にスイッチする現象が安定に観察される。
In this state, when a positive voltage is applied to the upper electrode, the high resistance state is maintained until a voltage of about +1.7 V is applied as shown in [1] in FIG. 12, but it exceeds +1.7 V. By applying a positive voltage, a transition is made to a low resistance state as indicated by [2] in FIG.
As described above, the phenomenon in which the high resistance state and the low resistance state are reversibly switched is also stably observed in the element using the metal oxide layer formed at a low temperature as described above.

さらに、図1に示す回路を実現するためには、図3を用いて説明した素子が、超伝導体の超伝導状態が維持できる低温において、抵抗変化現象が起きるかどうかを確認する必要がある。そこで、ヘリウム温度までの低温においての抵抗変化現象の観測を行った。   Furthermore, in order to realize the circuit shown in FIG. 1, it is necessary to confirm whether or not the element described with reference to FIG. 3 causes a resistance change phenomenon at a low temperature at which the superconductor state of the superconductor can be maintained. . Therefore, the resistance change phenomenon was observed at a low temperature up to the helium temperature.

一般的に、測定温度を変えた電気測定では、プローブと電極との間の接触抵抗の変化が問題となる。各々の熱膨張率が異なるために、応力などが変化して接触抵抗がふらついて正確な抵抗測定ができなくなるためである。   Generally, in the electrical measurement with the measurement temperature changed, a change in contact resistance between the probe and the electrode becomes a problem. This is because each coefficient of thermal expansion is different, and stress or the like changes to cause the contact resistance to fluctuate so that accurate resistance measurement cannot be performed.

このため、発明者らは、図13(a)に示すような4つの端子1301,1302,1303,1304を持つクロスポイント型構造の試料素子を用意した。なお図13(b)は、図13(a)に示す試料素子の等価回路である。この試料素子は、前述した構成の金属酸化物層1340が、端子1302と端子1304を備える下部電極1330と、端子1301と端子1303を備える上部電極1350に挾まれた構成となっている。また、端子1301と端子1304との間に電源1310と電流計1311が直列に接続されている。   Therefore, the inventors prepared a cross-point type sample element having four terminals 1301, 1302, 1303, and 1304 as shown in FIG. FIG. 13B is an equivalent circuit of the sample element shown in FIG. In this sample element, the metal oxide layer 1340 having the above-described configuration is sandwiched between a lower electrode 1330 including a terminal 1302 and a terminal 1304 and an upper electrode 1350 including a terminal 1301 and a terminal 1303. A power source 1310 and an ammeter 1311 are connected in series between the terminal 1301 and the terminal 1304.

また、等価回路において、V1,V2,V3,V4は、端子1301,1302,1303,1304における電圧であり、R1,R2,R3,R4は、各端子に接続する各プローブに関わる寄生抵抗であり、RMは、金属酸化物層1340の抵抗である。また、電源1310より電圧VBが供給される。上述した構成の試料素子を用いた測定システムは、金属酸化物層1340の抵抗RMを性格に測定するためのものである。 In the equivalent circuit, V 1 , V 2 , V 3 , and V 4 are voltages at terminals 1301, 1302, 1303, and 1304, and R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are connected to the terminals. Parasitic resistance associated with each probe, and R M is the resistance of the metal oxide layer 1340. In addition, the voltage V B is supplied from the power source 1310. Measuring system using the sample elements of the structure described above is for measuring the resistance R M of the metal oxide layer 1340 in personality.

一般的な2つの端子を使用した抵抗測定では、例えば、図13(a)中の端子1301と端子1304に電圧を印加して、同時に端子1301と端子1304とで電流を読み取る。この時、図13(b)の等価回路を見ると、寄生抵抗R1と寄生抵抗R4とがあるために、印加した電圧VBは、測定しようとしている抵抗RMだけでなく、寄生抵抗R1及び寄生抵抗R4にも分配されてしまう。つまり、下部電極1330と上部電極1350との間に観測される電流IMは、IM=VB/(R1+R4+RM)となる。測定する温度が変化した場合、寄生抵抗に大きく寄与する接触抵抗が大きく変化するために正確なRMを測定できない。 In resistance measurement using two general terminals, for example, a voltage is applied to the terminal 1301 and the terminal 1304 in FIG. 13A, and the current is read at the terminal 1301 and the terminal 1304 at the same time. At this time, looking at the equivalent circuit in FIG. 13 (b), because of the parasitic resistor R 1 and the parasitic resistance R 4, the applied voltage V B is not only resistance R M to be measured, the parasitic resistance It is also distributed to R 1 and parasitic resistance R 4 . That is, the current I M observed between the lower electrode 1330 and the upper electrode 1350 is IM = V B / (R 1 + R 4 + R M ). If the temperature to be measured is changed, it can not be measured accurately R M to greatly contributes contact resistance to the parasitic resistance largely changes.

以上の測定に対し、4端子法を用いて正確なRMを求めた。つまり、端子1301と端子1304の間に電流を流し、端子1302と端子1303と間の電圧を測定する。抵抗RMの直前の電圧をVMI、直後の電圧をVMOとすると、印加した電圧VBは既知なので、求める抵抗は、RM=VM/(VMI−VMO)から求められる。一方、VMI=V3,VMO=V2なので、RM=VM/(V3−V2)となり、端子1303と端子1302で測定される電圧の差を求めることで、抵抗RMを正確に求めることができる。この方法は、4端子法と呼ばれる。ここで、V3−V2=VMとして、試料素子電圧とする。 For the above measurement, an accurate RM was determined using the 4-terminal method. That is, a current is passed between the terminal 1301 and the terminal 1304, and a voltage between the terminal 1302 and the terminal 1303 is measured. Resistor R M voltage V MI of the previous and the voltage immediately after the V MO, since the applied voltage V B is known, determining the resistance is determined from R M = V M / (V MI -V MO). On the other hand, since V MI = V 3 and V MO = V 2 , R M = V M / (V 3 −V 2 ), and the resistance R M is obtained by obtaining the difference between the voltages measured at the terminal 1303 and the terminal 1302. Can be obtained accurately. This method is called the 4-terminal method. Here, V 3 -V 2 = V M, and the sample element voltage.

図13(a)の試料素子を用いて抵抗RMを測定した結果を図14に示す。ビスマスとチタンと酸素からなる金属酸化物層1340は、成膜温度450℃の条件で、Ruよりなる下部電極1330の上に形成した。また、上部電極1350もRuから構成した。また、金属酸化物層1340の膜厚は30nm、上部電極1350の膜厚は20nm、下部電極1330の膜厚は、20nmであった。また、試料素子は、液体ヘリウムに浸すことにより冷却を行った。 13 the results of the resistance R M were measured using a sample element of (a) shown in FIG. 14. A metal oxide layer 1340 made of bismuth, titanium, and oxygen was formed on the lower electrode 1330 made of Ru under the condition of a film forming temperature of 450 ° C. The upper electrode 1350 is also made of Ru. The metal oxide layer 1340 has a thickness of 30 nm, the upper electrode 1350 has a thickness of 20 nm, and the lower electrode 1330 has a thickness of 20 nm. The sample element was cooled by being immersed in liquid helium.

図14において、横軸に上部電極1350に印加した試料素子電圧を取り、縦軸に端子1303と端子1302との間で測定される電流値の絶対値を対数表示してある。測定は、250K(−23℃に相当)と4.2K(−269℃に相当)で行った。なお、250Kにおける結果は、白丸で示し、4.2Lにおける結果は黒丸で示している。   In FIG. 14, the horizontal axis represents the sample element voltage applied to the upper electrode 1350, and the vertical axis represents the absolute value of the current value measured between the terminal 1303 and the terminal 1302 in logarithm. The measurement was performed at 250K (corresponding to −23 ° C.) and 4.2K (corresponding to −269 ° C.). The results at 250K are indicated by white circles, and the results at 4.2L are indicated by black circles.

以下、図14を説明するが、ここで説明する電圧値や電流値は、実際の素子で観測されたものを例として使用している。従って、本現象は、以下に示す数値に限るものではない。実際に素子に用いる膜の材料や膜厚、その他の条件により、他の数値が観測されることがある。   Hereinafter, FIG. 14 will be described. The voltage values and current values described here are those observed with actual elements as an example. Therefore, this phenomenon is not limited to the following numerical values. Other numerical values may be observed depending on the material and thickness of the film actually used for the element and other conditions.

まず、250Kの測定時に、上部電極1350に正の電圧を印加すると、0〜1.9Vでは、+0.1Vに対し10-7Aと電流は少なく高抵抗状態である。しかし、1.9Vを超えると急に正電流が流れ低抵抗状態となる。なお、急な正電流が流れる低抵抗状態とならないように、0〜1.9Vの電圧を印加している場合は、高抵抗状態が維持される。 First, when a positive voltage is applied to the upper electrode 1350 during the measurement at 250 K, the current is 10 −7 A with respect to +0.1 V and a high resistance state at 0 to 1.9 V with respect to +0.1 V. However, when it exceeds 1.9V, a positive current suddenly flows and a low resistance state is entered. Note that the high resistance state is maintained when a voltage of 0 to 1.9 V is applied so as not to be in a low resistance state where an abrupt positive current flows.

1.9Vを超える正電圧印加により低抵抗状態となった状態で、上部電極1350に正電圧を印加すると、0.1V程度で1×10-3A程度の正電流が流れる。この状態で、上部電極1350に負電圧を印加すると、−0.1V程度で1×10-3A程度の電流が流れ、低抵抗状態であることがわかる。しかし、上部電極1350に−0.5Vを超える負電圧を印加すると、急激に電流が流れなくなり、高抵抗状態へと遷移する。 When a positive voltage is applied to the upper electrode 1350 in a low resistance state by applying a positive voltage exceeding 1.9 V, a positive current of about 1 × 10 −3 A flows at about 0.1 V. When a negative voltage is applied to the upper electrode 1350 in this state, a current of about 1 × 10 −3 A flows at about −0.1 V, indicating that the state is a low resistance state. However, when a negative voltage exceeding −0.5 V is applied to the upper electrode 1350, current suddenly stops flowing, and a transition is made to a high resistance state.

この状態となった後、負電圧を印加しても−0.1Vで1×10-7A程度の高抵抗状態が維持される。さらに続いて、上部電極1350に正電圧を印加すると、+1.9V程度までは高抵抗状態であるが、+1.9Vを超える正電圧の印加によって、低抵抗状態と遷移する。以下、高抵抗状態と低抵抗状態が可逆的にスイッチする現象が安定に観測される。 After this state is reached, a high resistance state of about 1 × 10 −7 A is maintained at −0.1 V even when a negative voltage is applied. Subsequently, when a positive voltage is applied to the upper electrode 1350, it is in a high resistance state up to about + 1.9V, but transitions to a low resistance state by applying a positive voltage exceeding + 1.9V. Hereinafter, a phenomenon in which the high resistance state and the low resistance state are switched reversibly is stably observed.

次に、試料素子を4.2Kまで冷却し、測定を行った。まず、上部電極1350に正の電圧を印加すると、0〜2.6Vでは、+0.1Vに対し10-11A以下と電流は少なく高抵抗状態である。しかし、印加電圧が2.6Vを超えると急に正電流が流れて低抵抗状態となる。急な正電流が流れる低抵抗状態とならないように、0〜2.6Vの電圧を印加している場合は、高抵抗状態が維持される。 Next, the sample element was cooled to 4.2 K and measured. First, when a positive voltage is applied to the upper electrode 1350, the current is low at 10 −11 A or less with respect to +0.1 V at 0 to 2.6 V and is in a high resistance state. However, when the applied voltage exceeds 2.6 V, a positive current suddenly flows and a low resistance state is entered. The high resistance state is maintained when a voltage of 0 to 2.6 V is applied so as not to be in a low resistance state where an abrupt positive current flows.

2.6Vを超える正電圧印加により低抵抗状態となった状態で、上部電極1350に正電圧を印加すると、0.1V程度で1×10-3A程度の正電流が流れる。この状態で、上部電極1350に負電圧を印加すると、−0.1V程度で1×10-3A程度の電流が流れ、低抵抗状態であることがわかる。しかし、上部電極1350に−0.8Vを超える負電圧を印加すると、急激に電流が流れなくなり、高抵抗状態と遷移する。 When a positive voltage is applied to the upper electrode 1350 in a low resistance state by applying a positive voltage exceeding 2.6 V, a positive current of about 1 × 10 −3 A flows at about 0.1 V. When a negative voltage is applied to the upper electrode 1350 in this state, a current of about 1 × 10 −3 A flows at about −0.1 V, indicating that the state is a low resistance state. However, when a negative voltage exceeding −0.8 V is applied to the upper electrode 1350, the current suddenly stops flowing, and a transition is made to the high resistance state.

この状態となった後、負電圧を印加しても−0.1Vで1×10-11A程度の高抵抗状態を維持される。さらに続いて、上部電極1350に正電圧を印加すると、+2.6V程度までは高抵抗状態であるが、+2。6Vを超える正電圧の印加によって、低抵抗状態と遷移する。以下、高抵抗状態と低抵抗状態が可逆的にスイッチする現象が安定に観測できる。 After this state, even if a negative voltage is applied, a high resistance state of about 1 × 10 −11 A is maintained at −0.1V. Subsequently, when a positive voltage is applied to the upper electrode 1350, it is in a high resistance state up to about + 2.6V, but transitions to a low resistance state by applying a positive voltage exceeding + 2.6V. Hereinafter, a phenomenon in which the high resistance state and the low resistance state are reversibly switched can be observed stably.

以上に示したように、特筆すべきは、極低温状態の4.2Kにおいても、安定な抵抗変化現象が観測されることである。   As shown above, it should be noted that a stable resistance change phenomenon is observed even at a cryogenic temperature of 4.2K.

図15に、測定温度を変化させたときの高抵抗状態と低抵抗状態の0.1V時の電流比を示す。この電流比は、On状態とOff状態の抵抗比(On/Off)に相当する。図15より、室温(300K)状態では、4桁程度のOn/Off比であったのに対し、温度を下げてゆくと、On/Off比は上昇し、50K以下では、7桁以上のOn/Off比を得ることができる。つまり、低温化しても抵抗状態を容易に判別することが可能であり、低温にすればするほど容易な判別が可能となることを意味している。   FIG. 15 shows the current ratio at 0.1 V between the high resistance state and the low resistance state when the measurement temperature is changed. This current ratio corresponds to the resistance ratio (On / Off) between the On state and the Off state. FIG. 15 shows that the On / Off ratio was about 4 digits at room temperature (300 K), but the On / Off ratio increased as the temperature was lowered. / Off ratio can be obtained. In other words, it is possible to easily determine the resistance state even when the temperature is lowered, and it is possible to easily determine as the temperature is lowered.

これは、超伝導体が超伝導現象を維持できるだけの十分低温で、上記メモリ素子(金属酸化物層)のメモリ動作が可能であることを示しており、この素子が、図1に示す等価回路による本実施の形態のメモリ装置を実現できることを示している。   This indicates that the memory operation of the memory element (metal oxide layer) is possible at a sufficiently low temperature that the superconductor can maintain the superconducting phenomenon. This element is equivalent to the equivalent circuit shown in FIG. This shows that the memory device of this embodiment can be realized.

抵抗変化現象を発現する金属酸化物層について、製造方法と特性を示したが、本メモリ装置を実現するための製造方法についても説明する。   Although the manufacturing method and characteristics of the metal oxide layer that exhibits the resistance change phenomenon have been shown, the manufacturing method for realizing the memory device will also be described.

前述したが、超伝導状態を実現する超伝導体は、一般的なジョセフソン伝送線路(JTL)と同様の作製方法を取り入れればよい。抵抗変化現象を示す抵抗RM(金属酸化物層)を形成するプロセスを追加することにより、本実施の形態におけるメモリ装置が実現できる。 As described above, a superconductor that realizes a superconducting state may be manufactured by using a manufacturing method similar to that of a general Josephson transmission line (JTL). By adding a process for forming a resistance R M (metal oxide layer) exhibiting a resistance change phenomenon, the memory device according to the present embodiment can be realized.

上記に説明したように、抵抗変化現象を示すビスマスとチタンからなる金属酸化物層は、無加熱から600℃付近までの温度領域で成膜することができる。このため、超伝導体材料の成膜条件に合わせて金属酸化物層が形成可能である。さらに、図1の等価回路に示すように、ジョセフソン伝送線路中に抵抗変化現象を示す抵抗RMを配置するだけで良く、大容量化に優位である。図16に、本実施の形態のメモリ装置(セル)を、メモリエリア1501に集積化した場合のNOR型回路の構成図を示す。 As described above, the metal oxide layer made of bismuth and titanium exhibiting a resistance change phenomenon can be formed in a temperature range from no heating to around 600 ° C. For this reason, a metal oxide layer can be formed according to the film forming conditions of the superconductor material. Furthermore, as shown in the equivalent circuit of FIG. 1, it is only necessary to place the resistor R M showing the resistance changing phenomenon in the Josephson transmission line, which is superior in capacity. FIG. 16 shows a configuration diagram of a NOR circuit in the case where the memory device (cell) of this embodiment is integrated in the memory area 1501.

この装置では、メモリエリア1501にN×Nのマトリクスのメモリアレイを備え、また、X及びY軸方向のSFQ−NORデコーダ回路、X及びY軸方向のドライバ回路、クロック回路、インプット端子、アウトプット端子、インピーダンスマッチング線を備え、また、図示していないアドレスバッファ回路、図示していないデータの読み出し/書き込みコンバータ回路を備えている。例えば、X軸のSFQ−NORアドレス回路で選択され、X軸のドライバ回路により電圧印加されたワード線上と、Y軸のSFQ−NORアドレス回路で選択され、Y軸のドライバ回路により電圧印加されたビット線上の重なりあったメモリセルが選択され、選択されたメモリセルの状態を読み出すことで、メモリ状態をセンスすることができる。また、同様に選択したメモリセルのメモリ状態を変更することが可能である。   In this apparatus, an N × N matrix memory array is provided in the memory area 1501, and the SFQ-NOR decoder circuit in the X and Y axis directions, the driver circuit in the X and Y axis directions, the clock circuit, the input terminal, and the output The terminal includes an impedance matching line, an address buffer circuit (not shown), and a data read / write converter circuit (not shown). For example, on the word line selected by the X-axis SFQ-NOR address circuit and applied with a voltage by the X-axis driver circuit, and selected by the Y-axis SFQ-NOR address circuit and applied by the Y-axis driver circuit. The memory state can be sensed by selecting the overlapping memory cell on the bit line and reading the state of the selected memory cell. Similarly, the memory state of the selected memory cell can be changed.

ところで、上述した本発明の実施の形態では、抵抗変化を示す金属酸化物層として、チタン酸ビスマス膜を用いたが、これに限るものではなく、他の金属酸化物からなる層を用いてもよい。例えば、ペロブスカイト構造を持つ材料、又は、擬イルメナイト構造を持つ材料、さらに、タングステン・ブロンズ構造を持つ材料、ビスマス層状構造を持つ材料、パイロクロア構造を持つ材料から構成されていればよい。詳細には、BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、(Pb,La)(Zr,Ti)O3、LiNbO3、LiTaO3、PbNb36、PbNaNb515、Cd2Nb27、Pb2Nb27、Bi4Ti312、(Bi,La)4Ti312、SrBi2Ta29などが挙げられる。 By the way, in the above-described embodiment of the present invention, the bismuth titanate film is used as the metal oxide layer exhibiting a resistance change. However, the present invention is not limited to this, and a layer made of another metal oxide may be used. Good. For example, a material having a perovskite structure, a material having a pseudo-ilmenite structure, a material having a tungsten bronze structure, a material having a bismuth layer structure, or a material having a pyrochlore structure may be used. Specifically, BaTiO 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 , (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , PbNb 3 O 6 , PbNaNb 5 O 15 , Cd 2 Nb 2 O 7 , Pb 2 Nb 2 O 7 , Bi 4 Ti 3 O 12 , (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 and the like.

また、上述した本発明の例では、シリコンからなる基板上の下地絶縁層、金属薄膜、ECRスパッタ法で形成するようにした。しかしながら、これらの各層を形成する方法は、ECRスパッタ法に限定するものではない。   Further, in the above-described example of the present invention, the base insulating layer on the substrate made of silicon, the metal thin film, and the ECR sputtering method are used. However, the method for forming each of these layers is not limited to the ECR sputtering method.

例えば、シリコン基板の上に形成する絶縁層は、熱酸化法や化学気相成長(CVD)法、ALD法、従来のスパッタ法、MOCVD法などで形成しても良い。   For example, the insulating layer formed on the silicon substrate may be formed by a thermal oxidation method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an ALD method, a conventional sputtering method, an MOCVD method, or the like.

また、下部電極層は、CVD法、MBE法、IBD法、従来スパッタ法、PDL法等の他の方法で形成しても良い。   The lower electrode layer may be formed by other methods such as CVD, MBE, IBD, conventional sputtering, and PDL.

ただし、ECRスパッタ法を用いることで、平坦で良好な絶縁膜、金属膜が容易に得られる。   However, a flat and good insulating film and metal film can be easily obtained by using the ECR sputtering method.

また、上記の実施の形態では、各層を形成した後、一旦大気に取り出していたが、各々のECRスパッタを実現する処理室を、連続的な処理により真空搬送室でつなげてもよい。これらのことにより、処理対象の基板を真空中で搬送できるようになり、水分等の外乱の影響を受けづらくなり、膜質と界面の特性の向上につながる。   In the above embodiment, after each layer is formed, it is once taken out to the atmosphere. However, the processing chambers for realizing each ECR sputtering may be connected to the vacuum transfer chamber by continuous processing. As a result, the substrate to be processed can be transported in a vacuum, and is less susceptible to disturbances such as moisture, leading to improved film quality and interface characteristics.

また、特開2003−077911号公報に示されているように、各層を形成した後、形成した層の表面にECRプラズマを照射し、特性を改善するようにしても良い。また、各層を形成した後に、特開2004−273730号公報に示されているように、適当なガス雰囲気中でアニールし、特性を改善するようにしても良い。   Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-077911, after each layer is formed, the surface of the formed layer may be irradiated with ECR plasma to improve the characteristics. Further, after each layer is formed, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-273730, annealing may be performed in an appropriate gas atmosphere to improve the characteristics.

また、電極や配線を構成するための金属薄膜の厚さは、適便最適な厚さとした方がよい。例えば、膜応力による剥離等を考慮すれば、金属薄膜は100nm以下の厚さが望ましい。また、配線としての抵抗値を考慮すれば、10nmより厚くした方がよい。
また、発明者らの実験の結果、金属酸化物層の厚さが10〜100nmであれば、メモリの動作が確認され、最も良好な状態は、金属酸化物層の厚さを30nmとした時に得られた。
Also, the thickness of the metal thin film for constituting the electrodes and wirings should be set to an optimal and optimal thickness. For example, in consideration of peeling due to film stress, the metal thin film preferably has a thickness of 100 nm or less. Further, considering the resistance value as the wiring, it is better to make it thicker than 10 nm.
As a result of experiments by the inventors, if the thickness of the metal oxide layer is 10 to 100 nm, the operation of the memory is confirmed, and the best state is when the thickness of the metal oxide layer is 30 nm. Obtained.

また、以上の実施の形態においては、シリコンという半導体基板を用いた結果について示したが、ガラス基板や石英基板、サファイア基板などの絶縁物を基体(基板)として用いても良い。例えばガラス基板を用いる場合、ガラス基板に穴を開け、基板の裏面より電気的コンタクトを取るようにしてもよい。この構造にすることによって、加工しやすいガラス基板上などへの適用が可能となる。   In the above embodiment, the result of using a semiconductor substrate called silicon has been described. However, an insulator such as a glass substrate, a quartz substrate, or a sapphire substrate may be used as a base (substrate). For example, when a glass substrate is used, a hole may be made in the glass substrate and electrical contact may be made from the back surface of the substrate. With this structure, application to a glass substrate that can be easily processed becomes possible.

さらに、金属基板などの導電性のある物質に接触して絶縁層を形成し、これを基体として用いても良い。また、金属基板などの導電性のある物質を基体として用いても良い。   Further, an insulating layer may be formed in contact with a conductive substance such as a metal substrate and used as a base. Further, a conductive substance such as a metal substrate may be used as the base.

本発明の形態におけるメモリ装置の構成を示す等価回路である。3 is an equivalent circuit illustrating a configuration of a memory device according to an embodiment of the present invention. 本実施の形態におけるメモリ装置の価回路における抵抗変化する抵抗RMの抵抗状態と入力信号と出力信号の関係を説明する説明図である。It is an explanatory view illustrating a relationship between resistance state between the input signal and the output signal of the resistance R M of the resistance change in the valence circuit of the memory device in this embodiment. 図1に示す抵抗RMを実現するための素子の構成(断面)を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure (cross section) of the element for implement | achieving resistance RM shown in FIG. ECRスパッタ装置の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of an ECR sputtering apparatus. 図3を用いて説明した素子の製造方法例を示す工程図である。It is process drawing which shows the example of the manufacturing method of the element demonstrated using FIG. スパッタ成膜における基板温度に対する金属酸化物層の成膜速度と屈折率の変化を示したものである。3 shows changes in the deposition rate and refractive index of the metal oxide layer with respect to the substrate temperature in sputter deposition. 300℃以上の温度領域で形成した金属酸化物層の状態について、透過型電子顕微鏡により断面形状を観察した結果を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the result of having observed the cross-sectional shape with the transmission electron microscope about the state of the metal oxide layer formed in the temperature range of 300 degreeC or more. 300℃以上の温度領域で形成した金属酸化物層の状態について、透過型電子顕微鏡により断面形状を観察した結果を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the result of having observed the cross-sectional shape with the transmission electron microscope about the state of the metal oxide layer formed in the temperature range of 300 degreeC or more. 300℃以上の温度領域で形成した金属酸化物層に対し、上部電極から下部電極層にかけて電圧を印加したときの電流を電流計により観測した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having observed the electric current when an electric current was applied with respect to the metal oxide layer formed in the temperature range of 300 degreeC or more from the upper electrode to the lower electrode layer with the ammeter. 180℃以下の低温領域において、ECRスパッタ法を用いてシリコン基板の上に形成したBiとTiと酸素からなる金属酸化物層の透過型電子顕微鏡による断面観察で得られた顕微鏡写真である。It is the microscope picture obtained by the cross-sectional observation by the transmission electron microscope of the metal oxide layer which consists of Bi, Ti, and oxygen formed on the silicon substrate using the ECR sputtering method in a low temperature region of 180 ° C. or lower. 図10に示す顕微鏡写真の状態を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the state of the microscope picture shown in FIG. 180℃以下の低温領域で形成した金属酸化物層に対し、上部電極から下部電極層にかけて電圧を印加したときの電流を電流計により観測した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having observed the electric current when an electric voltage was applied with respect to the metal oxide layer formed in the low temperature area | region below 180 degreeC from an upper electrode to a lower electrode layer with an ammeter. 特性調査のために作製したクロスポイント型構造の試料素子の構成を示す平面図(a)及び等価回路(b)である。It is the top view (a) and equivalent circuit (b) which show the structure of the sample element of the crosspoint type | mold structure produced for the characteristic investigation. 図13(a)の試料素子を用いて抵抗RMを測定した結果を示す特性図である。Is a characteristic diagram showing the results of a resistor R M were measured using a sample device of FIG. 13 (a). 測定温度を変化させたときの高抵抗状態と低抵抗状態の0.1V時の電流比を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the current ratio at the time of 0.1V of a high resistance state and a low resistance state when changing measurement temperature. 本実施の形態のメモリ装置(セル)を集積化した場合のNOR型回路の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the NOR type circuit at the time of integrating the memory device (cell) of this Embodiment. SFQハイブリッドRAM/超伝導ラッチングを用いたメモリ装置の構成を示す等価回路である。3 is an equivalent circuit showing a configuration of a memory device using SFQ hybrid RAM / superconducting latching.

符号の説明Explanation of symbols

1,R2,R3(=RM),R4,R5…抵抗、L12,L23,L34,L45…コイル、JJ1,JJ2,JJ3,JJ4,JJ5…ジョセフソン接合、T1,T2,T3,T4,T5…電圧端子、Tin…入力端子、Tout…出力端子、101…基板、102…下部電極層、103…下部電極層、104…金属酸化物層、105…上部電極。 R 1 , R 2 , R 3 (= R M ), R 4 , R 5 ... Resistor, L 12 , L 23 , L 34 , L 45 ... coil, JJ 1 , JJ 2 , JJ 3 , JJ 4 , JJ 5 ... Josephson junction, T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , T 5 ... voltage terminal, T in ... input terminal, T out ... output terminal, 101 ... substrate, 102 ... lower electrode layer, 103 ... lower electrode layer 104 ... Metal oxide layer, 105 ... Upper electrode.

Claims (5)

入力端子及び出力端子と、
前記入力端子と出力端子との間に直列に接続する第1コイル及び第2コイルと、
所定の電圧が印加される第1電圧端子と前記入力端子及び前記第1コイルの間の第1接続ノードとの間に接続する第1抵抗と、
前記第1接続ノードに接続する第1ジョセフソン接合と、
所定の電圧が印加される第2電圧端子と前記第1コイル及び前記第2コイルの間の第2接続ノードとの間に接続する第2抵抗と、
前記第2接続ノードに接続する第2ジョセフソン接合と、
所定の電圧が印加される第3電圧端子と前記第2コイル及び前記出力端子の間の第3接続ノードとの間に接続する第3抵抗と、
前記第3接続ノードに接続する第3ジョセフソン接合と
を少なくとも備え、
前記第2抵抗は、Bi 4 Ti 3 12 の化学量論的組成に比較して過剰なTiを含む非晶質状態の基部層、および前記基部層の中のBi 4 Ti 3 12 の化学量論的組成の複数の微粒子からなる金属酸化物層から構成され、
前記金属酸化物層は、印加された電気信号により抵抗値が変化する
ことを特徴とするメモリ装置。
An input terminal and an output terminal;
A first coil and a second coil connected in series between the input terminal and the output terminal;
A first resistor connected between a first voltage terminal to which a predetermined voltage is applied and a first connection node between the input terminal and the first coil;
A first Josephson junction connected to the first connection node;
A second resistor connected between a second voltage terminal to which a predetermined voltage is applied and a second connection node between the first coil and the second coil;
A second Josephson junction connected to the second connection node;
A third resistor connected between a third voltage terminal to which a predetermined voltage is applied and a third connection node between the second coil and the output terminal;
And at least a third Josephson junction connected to the third connection node,
Said second resistor, Bi 4 Ti 3 O 12 in the stoichiometric base layer in the amorphous state containing excess Ti as compared to the composition, and the chemical of Bi 4 Ti 3 O 12 in said base layer Consists of a metal oxide layer composed of a plurality of fine particles of stoichiometric composition ,
A resistance value of the metal oxide layer is changed by an applied electric signal.
請求項1記載のメモリ装置において、
前記入力端子には、三角波の形をなして単一磁束量子と同一の入力電流が入力される
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 1.
The memory device, wherein the input terminal is inputted with the same input current as a single flux quantum in the form of a triangular wave .
請求項1又は2記載のメモリ装置において、
前記金属酸化物層は、
第1電圧値を超える電圧印加により第1抵抗値を持つ第1状態となり、
前記第1電圧とは極性の異なる第2電圧値を超える電圧印加により前記第1抵抗値より高い第2抵抗値を持つ第2状態となる
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to claim 1 or 2,
The metal oxide layer is
When a voltage exceeding the first voltage value is applied, the first state having the first resistance value is obtained.
The memory device, wherein a second state having a second resistance value higher than the first resistance value is obtained by applying a voltage exceeding a second voltage value having a polarity different from that of the first voltage.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のメモリ装置において、
前記微粒子はX線回折により非晶質と解析されたものである
ことを特徴とするメモリ装置。
The memory device according to any one of claims 1 to 3 ,
The memory device, wherein the fine particles are analyzed to be amorphous by X-ray diffraction .
請求項記載のメモリ装置において、
前記金属酸化物層は、スパッタ法により30℃以上180℃未満で形成されたものである
ことを特徴とするメモリ装置。
5. The memory device according to claim 4 , wherein
The memory device, wherein the metal oxide layer is formed at 30 ° C. or higher and lower than 180 ° C. by a sputtering method.
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