JP5120967B2 - Variable resistance element - Google Patents

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Description

本発明は、2つの電極に挟まれた金属酸化物に印加する電圧を変化させることにより、該電圧の変化に応じて電気抵抗が可逆変化する可変抵抗素子、その製造方法および、該可変抵抗素子をメモリセルとして備える不揮発性記憶装置に関するものである。   The present invention relates to a variable resistance element in which an electric resistance is reversibly changed by changing a voltage applied to a metal oxide sandwiched between two electrodes, a manufacturing method thereof, and the variable resistance element The present invention relates to a non-volatile memory device having a memory cell as a memory cell.

近年、フラッシュメモリに代表される不揮発性半導体記憶装置の大容量化は著しく、製品レベルでは4Gバイト程度の容量となる製品が数万円程度の価格で販売されている。特にUSBメモリ等の携帯型或いは可搬型メモリとして、その商品価値は増しており、これまで光磁気ディスク等が占めてきた市場を奪いとる勢いである。   In recent years, the increase in capacity of nonvolatile semiconductor memory devices represented by flash memory has been remarkable, and products having a capacity of about 4 GB at the product level are sold at a price of about tens of thousands of yen. In particular, as a portable or portable memory such as a USB memory, the value of the product is increasing, and the market has been losing the market that has been occupied by magneto-optical disks and the like.

また、数Gバイトの容量は携帯音楽プレイヤー用ストレージとしても十分であり、急速に普及しつつあるハードディスク搭載型携帯音楽プレイヤー用とは別に、固体素子である不揮発性半導体記憶装置を搭載した携帯音楽プレイヤーは、その耐振動性や高信頼性、また低消費電力といった固体素子メモリならではの原理的な優位性を、ユーザーにアピールすることに成功している。さらに、上記の音楽及び画像用の携帯型或いは可搬型商品用ストレージとして主流になると見込まれている。   In addition, the capacity of several gigabytes is sufficient as storage for portable music players, and portable music with a non-volatile semiconductor memory device that is a solid-state device separate from the hard disk-equipped portable music players that are rapidly spreading. Players have succeeded in appealing to users the fundamental advantages of solid-state memory such as vibration resistance, high reliability, and low power consumption. Furthermore, it is expected to become mainstream as a portable or portable commodity storage for music and images.

今後、不揮発性半導体記憶装置は、更なる大容量化とビットコストの低減が実現された場合、動画の録画再生を行う携帯型或いは可搬型商品用ストレージとしての可能性も期待されることから、さらなる研究が行なわれている。   In the future, if further increase in capacity and reduction in bit cost are realized, the nonvolatile semiconductor memory device is expected to be a portable or portable product storage for recording and reproducing moving images. Further research is underway.

特に、不揮発性半導体記憶装置は、フラッシュメモリの長所である低コスト、小セル面積(〜4F:Fは製造プロセスの最小加工寸法)を引き継ぎつつ、フラッシュメモリの動作原理に起因する以下の制限、(1)高い書き込み/消去電圧(昇圧回路が必要)、(2)遅い書き込み/消去動作(特に消去時間は100μ秒超)、(3)少ない書き換え回数(10回未満)、を克服できれば、現在の情報機器のメインメモリとして使用されているDRAMを置き換える用途が開拓される。これにより、使用時には瞬時に起動し待機時には消費電力を限りなく零とする所謂「インスタントオンコンピュータ」が実現可能となる。 In particular, the nonvolatile semiconductor memory device has the following limitations due to the operation principle of the flash memory while taking over the low cost and small cell area (˜4F 2 : F is the minimum processing dimension of the manufacturing process), which are the advantages of the flash memory. If (1) high write / erase voltage (requires a booster circuit), (2) slow write / erase operation (especially erase time is over 100 μsec), (3) small number of rewrites (less than 10 6 times) can be overcome. Applications for replacing DRAMs used as the main memory of current information equipment will be developed. This makes it possible to realize a so-called “instant-on computer” that is instantly activated during use and consumes as much power as possible during standby.

斯かる次世代不揮発性半導体記憶装置の候補として強誘電体メモリ(FeRAM)、磁気メモリ(MRAM)等、夫々独自の原理に基づく不揮発性メモリ素子の研究開発が行われているが、何れもフラッシュメモリの特長である低ビットコスト、小セル面積を凌ぐことは難しい。   As candidates for such next-generation non-volatile semiconductor memory devices, research and development of non-volatile memory elements based on their own principles such as ferroelectric memory (FeRAM), magnetic memory (MRAM), etc. have been conducted. It is difficult to surpass the low bit cost and small cell area that are the features of memory.

このような状況下、相変化メモリ(PRAM)や抵抗変化型メモリ(RRAM:登録商標)等が、フラッシュメモリのビットコストを凌ぐ可能性があるため注目されている。ここで言う抵抗変化型メモリとは、2つの電極と、この2つの電極に挟まれた金属酸化物とからなる可変抵抗素子をデータ記憶部として備えたものであり、この可変抵抗素子の2つの電極に閾電圧(または閾電流)以上の電圧(または電流)を印加することにより、可変抵抗素子の電気抵抗を変化させることができ、一旦電圧(または電流)の印加状態を解除した後においても、その抵抗状態が不揮発的に維持される。これにより、抵抗変化型メモリは、可変抵抗素子における異なる抵抗状態に対応させて情報を記憶できる。   Under such circumstances, phase change memory (PRAM), resistance change type memory (RRAM: registered trademark), and the like are attracting attention because they may surpass the bit cost of flash memory. The resistance change type memory mentioned here includes a variable resistance element composed of two electrodes and a metal oxide sandwiched between the two electrodes as a data storage unit. By applying a voltage (or current) that is equal to or higher than the threshold voltage (or threshold current) to the electrode, the electric resistance of the variable resistance element can be changed, and even after the voltage (or current) application state has been canceled once The resistance state is maintained in a nonvolatile manner. Thereby, the resistance change type memory can store information corresponding to different resistance states in the variable resistance element.

例えば、下記の特許文献1及び非特許文献1には、「一対の電極に挟まれたペロブスカイト物質からなる薄膜に異なる極性の電圧パルスを印加することにより抵抗値を変化させる方法」が開示されている。しかしながら、このペロブスカイト物質は、一般的な半導体プロセスとの親和性の点で問題を有している。   For example, the following Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose “a method of changing a resistance value by applying voltage pulses of different polarities to a thin film made of a perovskite material sandwiched between a pair of electrodes”. Yes. However, this perovskite substance has a problem in terms of affinity with a general semiconductor process.

この問題を解決するものとして、特許文献2には、半導体プロセスとの親和性が高く且つ単純な組成からなる2元系酸化物からなる抵抗変化型メモリが開示されている。具体的には、特許文献2には、「データ貯蔵物質層が、異なる電圧で異なる抵抗特性を有し、所定の電圧範囲で抵抗が急激に高くなる遷移金属酸化膜としてNiO、V、ZnO、Nb、TiO、WOまたはCoOであることを特徴とする不揮発性メモリ装置」が開示されている。 As a solution to this problem, Patent Document 2 discloses a resistance change type memory made of a binary oxide having a high affinity with a semiconductor process and having a simple composition. Specifically, Patent Document 2 states that “the data storage material layer has different resistance characteristics at different voltages and NiO, V 2 O 5 as transition metal oxide films whose resistance rapidly increases in a predetermined voltage range. , ZnO, Nb 2 O 5 , TiO 2 , WO 3 or CoO ”is disclosed.

また、非特許文献2には、上部電極および下部電極と、この2つの電極に挟まれた2元系遷移金属酸化物であるNiO、TiO、ZrO、またはHfOとより構成される、不揮発性抵抗変化メモリ素子の例が報告されている。 Non-Patent Document 2 includes an upper electrode and a lower electrode, and NiO, TiO 2 , ZrO 2 , or HfO 2 that is a binary transition metal oxide sandwiched between the two electrodes. An example of a nonvolatile resistance change memory element has been reported.

特許文献2または非特許文献2に開示されている2元系遷移金属酸化物からなる抵抗変化型メモリは、上述のように、半導体プロセスとの親和性が高く、且つ単純な構造・組成からなり、高集積不揮発メモリに適用し易いという利点がある。   As described above, the resistance change type memory made of a binary transition metal oxide disclosed in Patent Document 2 or Non-Patent Document 2 has a high affinity with a semiconductor process and has a simple structure and composition. There is an advantage that it can be easily applied to a highly integrated nonvolatile memory.

米国特許第6204139号公報(2001年3月20日公開)US Pat. No. 6,204,139 (published March 20, 2001) 特開2004−363604号公報(2004年12月24日公開)JP 2004-363604 A (published on December 24, 2004)

「Electric−pulse−induced reversible Resistance change effect in magnetoresistive films」 Applied Physics Letter, Vol.76,pp.2749−2751,2000年“Electric-pulse-induced reversible resistance change effect in magneto-sensitive films” Applied Physics Letter, Vol. 76, pp. 2749-2751, 2000 「Highly Scalable Non−volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses」 IEDM Technical Digest,pp.587−590,2004年"Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory Using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses," IEDM Tech. 587-590, 2004

しかしながら、特許文献2または非特許文献2に開示されている2元系遷移金属酸化物からなる抵抗変化型メモリにおいて、この抵抗変化型メモリを構成する可変抵抗素子には、フォーミングと呼ばれるソフトブレークダウンを起こさせるような初期化処理が必要である。具体的には、このフォーミングとは、2つの電極間に所定の電位差を与えることにより、金属酸化物中に、2つの電極間を導通させる導通路を形成することである。ここで、高集積不揮発メモリへの応用を考えた場合、フォーミングに必要な電圧(以下、フォーミング電圧とする)を低下させることは、周辺回路の簡略化などの観点から、非常に重要である。   However, in a resistance change type memory made of a binary transition metal oxide disclosed in Patent Document 2 or Non-Patent Document 2, a soft breakdown called forming is included in a variable resistance element constituting the resistance change type memory. It is necessary to perform an initialization process that causes Specifically, the forming is to form a conduction path in the metal oxide that conducts between the two electrodes by applying a predetermined potential difference between the two electrodes. Here, when considering application to a highly integrated nonvolatile memory, it is very important to reduce the voltage required for forming (hereinafter referred to as forming voltage) from the viewpoint of simplification of peripheral circuits.

ここで、このフォーミング電圧は、電極間に挟まれた金属酸化物の膜厚に、ほぼ比例することが知られており、この膜厚を薄くすることにより、フォーミング電圧を低下させることが可能と考えられる。しかしながら、数ボルト以下のフォーミング電圧を実現する程度までに、膜厚を薄くすると、薄膜化にともなうリーク電流が増大するという問題が生じる。   Here, it is known that this forming voltage is substantially proportional to the film thickness of the metal oxide sandwiched between the electrodes. By reducing this film thickness, the forming voltage can be reduced. Conceivable. However, if the film thickness is reduced to such an extent that a forming voltage of several volts or less is realized, there arises a problem that leakage current increases as the film thickness is reduced.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、リーク電流を増加させることなく、金属酸化物中に導通部を形成するためのフォーミング電圧を低下できる可変抵抗素子、その製造方法、および該可変抵抗素子を記憶層として備える不揮発性記憶装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and its purpose is to provide a variable resistance element capable of reducing a forming voltage for forming a conducting portion in a metal oxide without increasing a leakage current, An object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof and a nonvolatile memory device including the variable resistance element as a memory layer.

本発明の可変抵抗素子は、上記の課題を解決するために、
第1電極および第2電極と、上記第1電極と上記第2電極とに挟まれた金属酸化物とを備え、上記第1電極および上記第2電極間に印加する電圧に応じて上記第1電極および上記第2電極間の電気抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子であって、上記金属酸化物内に、上記第1電極および上記第2電極の少なくとも一方から離間した、上記金属酸化物よりも電気抵抗の低い低抵抗物をさらに備えていることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the variable resistance element of the present invention is
A first electrode and a second electrode; and a metal oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode, the first electrode depending on a voltage applied between the first electrode and the second electrode. A variable resistance element in which electrical resistance between an electrode and the second electrode reversibly changes, wherein the metal oxide is separated from at least one of the first electrode and the second electrode in the metal oxide. Further, it is characterized by further including a low resistance material having a lower electrical resistance than the above.

まず、可変抵抗素子において、第1および第2電極に印加する電圧に応じて第1電極および第2電極間の電気抵抗を、可逆的に変化させる、言い換えれば、低抵抗状態および高抵抗状態のいずれか一方に変化させるためには、予め、フォーミングと呼ばれる、初期化処理を可変抵抗素子に対して行う必要がある。具体的には、このフォーミングとは、2つの電極間に所定の電圧(以下、フォーミング電圧とする)を与えることにより、金属酸化物内に、2つの電極間を導通させる導通路を形成することである。なお、このフォーミング電圧の大きさは、導通路を形成する必要がある金属酸化物の膜厚に比例する。   First, in the variable resistance element, the electrical resistance between the first electrode and the second electrode is reversibly changed according to the voltage applied to the first and second electrodes, in other words, in the low resistance state and the high resistance state. In order to change to either one, it is necessary to perform an initialization process called forming in advance on the variable resistance element. Specifically, in this forming, a predetermined voltage (hereinafter referred to as a forming voltage) is applied between two electrodes to form a conduction path in the metal oxide that conducts between the two electrodes. It is. The magnitude of this forming voltage is proportional to the thickness of the metal oxide that needs to form a conduction path.

ここで、このフォーミング電圧を低下を実現するために、本発明の可変抵抗素子は、金属酸化物内に、金属酸化物よりも電気抵抗が低い低抵抗物を備えている。これにより、フォーミングによって形成される導通路は、第1電極から第2電極間を接続する必要がなく、低抵抗物から、低抵抗物と離間している電極(第1電極および第2電極の少なくとも一方)までを接続するように形成されればよい。   Here, in order to realize a reduction in the forming voltage, the variable resistance element of the present invention includes a low resistance material having an electric resistance lower than that of the metal oxide in the metal oxide. Thereby, the conductive path formed by forming does not need to connect between the first electrode and the second electrode, and the electrode (the first electrode and the second electrode is separated from the low resistance material from the low resistance material). It may be formed so as to connect up to at least one).

つまり、従来技術のような、金属酸化物内に低抵抗物を備えない可変抵抗素子の場合にいては、導通路を形成する必要がある金属酸化物の膜厚は、第1電極と第2電極との距離となる。これに比べ、本発明の可変低抵抗素子においては、金属酸化物内に低抵抗物を備えた分、導通路を形成する必要がある金属酸化物の厚みが、第1電極と第2電極との距離より小さくなる。結果、本発明の可変抵抗素子は、フォーミング電圧を低下できることになる。   In other words, in the case of a variable resistance element that does not have a low resistance in the metal oxide as in the prior art, the thickness of the metal oxide that needs to form a conduction path is the same as that of the first electrode and the second electrode. This is the distance to the electrode. In contrast, in the variable low-resistance element of the present invention, the thickness of the metal oxide that needs to form a conduction path corresponding to the provision of the low-resistance material in the metal oxide has the first electrode and the second electrode. Less than the distance. As a result, the variable resistance element of the present invention can reduce the forming voltage.

また、本発明の可変抵抗素子においては、第1電極および第2電極に挟まれた金属酸化物の膜厚自体を薄くすることなく、フォーミング電圧を低下できる。これは、金属酸化物の膜厚を薄くすることに起因するリーク電流の増大を、抑制することになる。   In the variable resistance element of the present invention, the forming voltage can be lowered without reducing the thickness of the metal oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode. This suppresses an increase in leakage current caused by reducing the thickness of the metal oxide.

以上より、本発明の可変抵抗素子は、リーク電流を増加させることなく、金属酸化物中に導通部を形成するためのフォーミング電圧を低下できるという効果を奏する。   As described above, the variable resistance element of the present invention has an effect that the forming voltage for forming the conductive portion in the metal oxide can be reduced without increasing the leakage current.

また、本発明に係る可変抵抗素子は、さらに、
上記低抵抗物は、上記第1電極を構成する元素、および、第2電極を構成する元素の少なくとも一方から構成されることが好ましい。
The variable resistance element according to the present invention further includes
The low resistance material is preferably composed of at least one of an element constituting the first electrode and an element constituting the second electrode.

上記構成を備えたことにより、低抵抗物を、第1電極または第2電極を加工して生成することができ、簡便に可変抵抗素子を製造できるという効果を奏する。   With the above configuration, the low resistance can be generated by processing the first electrode or the second electrode, and the variable resistance element can be easily manufactured.

また、本発明に係る可変抵抗素子は、さらに、
上記低抵抗物は、上記金属酸化物を構成する少なくとも1種類の金属元素から構成されることが好ましい。
The variable resistance element according to the present invention further includes
The low resistance material is preferably composed of at least one kind of metal element constituting the metal oxide.

上記構成を備えたことにより、低抵抗物を、金属酸化物を加工して生成することができ、簡便に可変抵抗素子を製造できるという効果を奏する。   With the above configuration, the low resistance can be generated by processing the metal oxide, and the variable resistance element can be easily manufactured.

また、本発明に係る可変抵抗素子は、さらに、
上記金属酸化物は多結晶であり、上記低抵抗物は、上記金属酸化物の粒界に形成されることが好ましい。
The variable resistance element according to the present invention further includes
The metal oxide is polycrystalline, and the low resistance material is preferably formed at a grain boundary of the metal oxide.

上記構成を備えたことにより、粒界拡散を利用して、低抵抗物を金属酸化物の粒界に容易に形成できる。さらに、上記構成を備えたことにより、本発明の可変抵抗素子においては、低抵抗物を局在化できるため、低抵抗物の存在によって金属酸化物の膜厚が局所的に薄くなる部分を小さくでき、結果、リーク電流を低く抑えることが可能となる。   With the above configuration, the low resistance can be easily formed at the grain boundary of the metal oxide by utilizing the grain boundary diffusion. In addition, since the variable resistance element of the present invention can localize the low-resistance material by providing the above-described configuration, the portion where the thickness of the metal oxide is locally thinned by the presence of the low-resistance material is reduced. As a result, the leakage current can be kept low.

また、本発明に係る可変抵抗素子は、さらに、
上記低抵抗物は、熱処理によって、上記第1電極または上記第2電極の少なくとも一方を構成する元素が上記金属酸化物に拡散されることで、形成されていることが好ましい。
The variable resistance element according to the present invention further includes
The low resistance material is preferably formed by diffusing an element constituting at least one of the first electrode or the second electrode into the metal oxide by heat treatment.

上記構成によれば、熱処理によって、第1電極または第2電極の少なくとも一方を構成する元素が、金属酸化物に拡散する。ここで、拡散した元素は、第1電極または第2電極の少なくとも一方を構成する元素であるため、導電性を有している。つまり、この導電性を有する元素が、金属酸化物内に拡散することにより、金属酸化物内に低抵抗物として形成されることになる。また、熱処理を用いて、この元素を金属酸化物内に拡散しているため、拡散された元素が、金属酸化物から酸素を奪い還元した結果、金属酸化物内に、金属酸化物を構成する金属元素を低抵抗物として形成することも可能となる。   According to the above configuration, the element constituting at least one of the first electrode or the second electrode diffuses into the metal oxide by the heat treatment. Here, since the diffused element is an element constituting at least one of the first electrode and the second electrode, it has conductivity. That is, this conductive element diffuses into the metal oxide, thereby forming a low-resistance material in the metal oxide. In addition, since this element is diffused into the metal oxide using heat treatment, the diffused element takes oxygen from the metal oxide and reduces it, thereby forming the metal oxide in the metal oxide. It is also possible to form a metal element as a low resistance material.

以上のように、上記構成を備えたことにより、低抵抗物を金属酸化物内に確実に形成できるという効果を奏する。   As described above, the provision of the above configuration has an effect that a low resistance material can be reliably formed in the metal oxide.

本発明の可変抵抗素子は、上記の課題を解決するために、
第1電極および第2電極と、上記第1電極と上記第2電極とに挟まれた金属酸化物とを備え、上記第1電極および上記第2電極間に印加する電圧に応じて上記第1電極および上記第2電極間の電気抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子であって、上記第1電極および第2電極の少なくとも一方と上記金属酸化物との間に、金属酸化物側から順に、上記金属酸化物を構成する第1金属元素と酸素とから構成された、上記第1金属元素の原子数に対する、上記酸素の原子数の比率が高い第1の領域と、上記第1の領域に隣接し、かつ、上記第1電極および上記第2電極の少なくとも一方を構成する第2金属元素と、上記第1金属元素と、酸素と、から構成された第2の領域と、を備えていることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the variable resistance element of the present invention is
A first electrode and a second electrode; and a metal oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode, the first electrode depending on a voltage applied between the first electrode and the second electrode. A variable resistance element in which an electrical resistance between the electrode and the second electrode reversibly changes, and the metal oxide is sequentially disposed between at least one of the first electrode and the second electrode and the metal oxide. A first region composed of a first metal element constituting the metal oxide and oxygen, wherein the ratio of the number of oxygen atoms to the number of atoms of the first metal element is high; and the first region And a second region composed of at least one of the first electrode and the second electrode, the first metal element, and oxygen. It is characterized by being.

上記構成を備えたことにより、本発明の可変抵抗素子は、リーク電流を増加させることなく、金属酸化物中に導通部を形成するためのフォーミング電圧を低下できるという効果を奏する。   With the above configuration, the variable resistance element of the present invention has an effect that the forming voltage for forming the conductive portion in the metal oxide can be reduced without increasing the leakage current.

また、本発明に係る可変抵抗素子は、さらに、
上記第2金属元素は、アルミニウムであることが好ましい。
The variable resistance element according to the present invention further includes
The second metal element is preferably aluminum.

また、本発明に係る可変抵抗素子は、さらに、
上記金属酸化物は、ニッケル酸化物であることが好ましい。
The variable resistance element according to the present invention further includes
The metal oxide is preferably nickel oxide.

本発明の可変抵抗素子の製造方法は、上記の課題を解決するために、
第1電極および第2電極と、上記第1電極と上記第2電極とに挟まれた金属酸化物とを備え、上記第1電極および上記第2電極間に印加する電圧に応じて上記第1電極および上記第2電極間の抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子の製造方法であって、上記第1電極または第2電極の少なくとも一方を構成する元素を、上記金属酸化物に拡散させる拡散工程と、上記拡散工程において拡散された上記元素によって、上記金属酸化物内に、上記第1電極および上記第2電極の少なくとも一方から離間した、上記金属酸化物よりも電気抵抗の低い低抵抗物を形成する形成工程と、を備えていることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the variable resistance element manufacturing method of the present invention provides:
A first electrode and a second electrode; and a metal oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode, the first electrode depending on a voltage applied between the first electrode and the second electrode. A variable resistance element manufacturing method in which resistance between an electrode and the second electrode reversibly changes, and diffusion for diffusing an element constituting at least one of the first electrode or the second electrode into the metal oxide And a low-resistance material having a lower electrical resistance than the metal oxide, separated from at least one of the first electrode and the second electrode in the metal oxide by the element diffused in the diffusion step And a forming step for forming the structure.

上記構成を備えたことにより、本発明の可変抵抗素子の製造方法は、リーク電流を増加させることなく、金属酸化物中に導通部を形成するためのフォーミング電圧を低下できる可変抵抗素子を製造することができる。   With the above-described configuration, the variable resistance element manufacturing method of the present invention manufactures a variable resistance element that can reduce the forming voltage for forming a conducting portion in the metal oxide without increasing the leakage current. be able to.

さらに、上記の可変抵抗素子の製造方法によれば、金属酸化物内に意図的に空隙をつくり、そこに低抵抗物を埋め込むような煩雑な工程を必要としない。結果、容易かつ安価に可変抵抗素子の製造が可能となるという効果を奏する。   Furthermore, according to the method of manufacturing a variable resistance element described above, a complicated process is not required in which a void is intentionally formed in the metal oxide and a low resistance material is embedded therein. As a result, the variable resistance element can be easily and inexpensively manufactured.

また、本発明に係る可変抵抗素子の製造方法は、さらに、
上記拡散工程を、熱処理によって行うことが好ましい。
The variable resistance element manufacturing method according to the present invention further includes:
It is preferable to perform the said diffusion process by heat processing.

上記構成を備えたことにより、熱処理のみで低抵抗物を金属酸化物内に形成することが可能となり、結果、より容易かつ安価に、可変抵抗素子の製造が可能となるという効果を奏する。   With the above configuration, it is possible to form a low-resistance material in the metal oxide only by heat treatment, and as a result, it is possible to produce a variable resistance element more easily and inexpensively.

また、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、
請求項1から5までのいずれか一項に記載の可変抵抗素子を有するメモリセルと、外部より入力された情報に応じた電圧を、上記第1電極および上記第2電極に印加し、上記可変抵抗素子の電気抵抗を変化させることによって、上記情報を上記メモリセルに書き込む、データ書き込み手段と、上記第1電極および上記第2電極に所定の電圧を印加し、上記可変抵抗素子に流れる電流値を検出することによって、検知した電流値から上記メモリセルが記憶する情報を読み出す、情報読み出し手段と、を備えていることを特徴としている。
In addition, the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes:
A memory cell having the variable resistance element according to any one of claims 1 to 5 and a voltage corresponding to information input from the outside are applied to the first electrode and the second electrode, and the variable A data writing means for writing the information to the memory cell by changing an electric resistance of the resistance element, a predetermined voltage applied to the first electrode and the second electrode, and a current value flowing through the variable resistance element And an information reading means for reading out information stored in the memory cell from the detected current value.

上記構成によれば、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、メモリセルとして、本発明の可変抵抗素子を備えている。したがって、リーク電流を増加させることなく、フォーミングを行う際のフォーミング電圧を低下できるため、フォーミング時の消費電力を低減することができる。さらに、フォーミング電圧を低下できるため、可変抵抗素子に電圧を印加する回路を構成する電子部品を、高耐圧仕様とする必要がなくなり、結果、コストを低減できるという効果を奏する。   According to the above configuration, the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention includes the variable resistance element of the present invention as a memory cell. Therefore, since the forming voltage at the time of forming can be reduced without increasing the leakage current, the power consumption during forming can be reduced. Furthermore, since the forming voltage can be lowered, it is not necessary to make the electronic components that constitute the circuit for applying a voltage to the variable resistance element have a high withstand voltage specification, and as a result, the cost can be reduced.

本発明の可変抵抗素子は、以上のように、第1電極および第2電極と、上記第1電極と上記第2電極とに挟まれた金属酸化物とを備え、上記第1電極および上記第2電極に印加する電圧に応じて上記第1電極および上記第2電極間の電気抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子であって、上記金属酸化物内に、上記第1電極および上記第2電極の少なくとも一方から離間した、上記金属酸化物よりも電気抵抗の低い低抵抗物をさらに備えている。   As described above, the variable resistance element of the present invention includes the first electrode and the second electrode, and the metal oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode, and includes the first electrode and the first electrode. A variable resistance element in which an electrical resistance between the first electrode and the second electrode reversibly changes according to a voltage applied to two electrodes, wherein the first electrode and the second electrode are included in the metal oxide. Further provided is a low-resistance material having a lower electrical resistance than the metal oxide and spaced from at least one of the electrodes.

また、本発明の可変抵抗素子は、以上のように、第1電極および第2電極と、上記第1電極と上記第2電極とに挟まれた金属酸化物とを備え、上記第1電極および上記第2電極間に印加する電圧に応じて上記第1電極および上記第2電極間の電気抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子であって、上記第1電極および第2電極の少なくとも一方と上記金属酸化物との間に、金属酸化物側から順に、上記金属酸化物を構成する第1金属元素と酸素とから構成された、上記第1金属元素の原子数に対する、上記酸素の原子数の比率が高い第1の領域と、上記第1の領域に隣接し、かつ、上記第1電極および上記第2電極の少なくとも一方を構成する第2金属元素と、上記第1金属元素と、酸素と、から構成された第2の領域と、を備えている。   In addition, as described above, the variable resistance element of the present invention includes the first electrode and the second electrode, and the metal oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode. A variable resistance element in which an electrical resistance between the first electrode and the second electrode reversibly changes according to a voltage applied between the second electrodes, and at least one of the first electrode and the second electrode The number of oxygen atoms with respect to the number of atoms of the first metal element, which is composed of the first metal element and oxygen constituting the metal oxide in order from the metal oxide side between the metal oxide and the metal oxide. A first region having a high ratio, a second metal element adjacent to the first region and constituting at least one of the first electrode and the second electrode, the first metal element, and oxygen And a second region composed of:

また、本発明の可変抵抗素子の製造方法は、以上のように、第1電極および第2電極と、上記第1電極と上記第2電極とに挟まれた金属酸化物とを備え、上記第1電極および上記第2電極間に印加する電圧に応じて上記第1電極および上記第2電極間の抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子の製造方法であって、上記第1電極または第2電極の少なくとも一方を構成する元素を、上記金属酸化物に拡散させる拡散工程と、上記拡散工程において拡散された上記元素によって、上記金属酸化物内に、上記第1電極および上記第2電極の少なくとも一方から離間した、上記金属酸化物よりも電気抵抗の低い低抵抗物を形成する形成工程と、を備えている。   In addition, as described above, the variable resistance element manufacturing method of the present invention includes the first electrode and the second electrode, and the metal oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode. A variable resistance element manufacturing method in which a resistance between the first electrode and the second electrode reversibly changes in accordance with a voltage applied between one electrode and the second electrode, wherein the first electrode or the second electrode A diffusion step of diffusing an element constituting at least one of the electrodes into the metal oxide; and at least one of the first electrode and the second electrode in the metal oxide by the element diffused in the diffusion step. Forming a low resistance object having a lower electrical resistance than the metal oxide, separated from one side.

したがって、本発明の可変抵抗素子およびその製造方法は、リーク電流を増加させることなく、金属酸化物中に導通部を形成するためのフォーミング電圧を低下できる。   Therefore, the variable resistance element and the manufacturing method thereof according to the present invention can reduce the forming voltage for forming the conductive portion in the metal oxide without increasing the leakage current.

本発明の一実施形態に係る、フォーミング前の可変抵抗素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the variable resistance element before forming based on one Embodiment of this invention. (a)および(b)は、本発明の一実施形態に係る、フォーミング後の可変抵抗素子の構成を示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows the structure of the variable resistance element after forming based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る、2つの電極に非接触の低抵抗物を備える、フォーミング前の可変抵抗素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the variable resistance element before forming which comprises a non-contact low-resistance thing in two electrodes based on one Embodiment of this invention. (a)および(b)は、本発明の一実施形態に係る、図3の可変抵抗素子に対してフォーミングした後の可変抵抗素子の構成を示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows the structure of the variable resistive element after forming with respect to the variable resistive element of FIG. 3 based on one Embodiment of this invention. (a)〜(e)は、本発明の一実施形態に係る、製造段階における、可変抵抗素子の各製造工程ごとの構成を示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the structure for every manufacturing process of the variable resistance element in the manufacture stage based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る、熱処理を施した可変抵抗素子と、熱処理を施さなかった可変抵抗素子との、フォーミング時における電流電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic at the time of forming of the variable resistance element which heat-processed and the variable resistance element which did not heat-process based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る、正極性のフォーミング電圧およびセット電圧と、負極性のリセット電圧を、可変抵抗素子に印加した場合における、可変抵抗素子の電流電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of a variable resistance element at the time of applying the positive polarity forming voltage and set voltage and negative polarity reset voltage which concern on one Embodiment of this invention to a variable resistance element. 本発明の一実施形態に係る、スイッチング動作ごとの、可変抵抗素子に流れる読み出し電流値を示すグラフである。It is a graph which shows the read-out electric current value which flows into a variable resistance element for every switching operation based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る、正極性のフォーミング電圧、セット電圧、およびリセット電圧を、可変抵抗素子に印加した場合における、可変抵抗素子の電流電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of a variable resistance element when the positive forming voltage, the set voltage, and the reset voltage which concern on one Embodiment of this invention are applied to a variable resistance element. 本発明の一実施形態に係る、スイッチング動作ごとの、可変抵抗素子に流れる読み出し電流値を示すグラフである。It is a graph which shows the read-out electric current value which flows into a variable resistance element for every switching operation based on one Embodiment of this invention. (a)は、従来例における、可変抵抗素子の断面のTEM像を示す図面であり、(b)は、本発明の一実施形態に係る、可変抵抗素子の断面のTEM像を示す図面である。(A) is drawing which shows the TEM image of the cross section of the variable resistance element in a prior art example, (b) is drawing which shows the TEM image of the cross section of the variable resistance element based on one Embodiment of this invention. . (a)は、従来例における、可変抵抗素子の断面の元素分布を示すグラフであり、(b)は、本発明の一実施形態に係る、可変抵抗素子の断面の元素分布を示すグラフである。(A) is a graph which shows the element distribution of the cross section of the variable resistance element in a prior art example, (b) is a graph which shows the element distribution of the cross section of the variable resistance element based on one Embodiment of this invention. . 本発明の他の実施形態に係る、不揮発性半導体記憶装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the non-volatile semiconductor memory device based on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る、不揮発性半導体記憶装置が備えるメモリセルアレイの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the memory cell array with which the non-volatile semiconductor memory device which concerns on other embodiment of this invention is provided. 従来例における、可変抵抗素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the variable resistance element in a prior art example.

本実施形態に係る可変抵抗素子およびその製造方法の説明を行う前に、まず、参考例として従来技術における可変抵抗素子について、図15を参照して説明する。   Before describing the variable resistance element according to the present embodiment and the method of manufacturing the variable resistance element, first, a variable resistance element according to the related art will be described as a reference example with reference to FIG.

〔参考例〕
図15は、従来技術における、フォーミング前の可変抵抗素子3の構成を示す断面図である。なお、フォーミングの詳細な説明は後述とする。図15に示すように、可変抵抗素子3は、電極11および12と、電極11と電極12とに挟まれた金属酸化物からなる金属酸化物層10とを備えている。
[Reference example]
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the configuration of the variable resistance element 3 before forming in the prior art. A detailed description of forming will be given later. As shown in FIG. 15, the variable resistance element 3 includes electrodes 11 and 12 and a metal oxide layer 10 made of a metal oxide sandwiched between the electrodes 11 and 12.

ここで、可変抵抗素子3の目的とする動作について簡単に説明する。可変抵抗素子3の目的とする動作は、電極11および12に印加された閾電圧に応じて、電極11および電極12間の電気抵抗が変化することである。具体的には、印加する閾電圧の値に応じて、電極11および電極12間の電気抵抗は、低抵抗状態または高抵抗状態のいずれか一方となる。   Here, the target operation of the variable resistance element 3 will be briefly described. The intended operation of the variable resistance element 3 is that the electrical resistance between the electrode 11 and the electrode 12 changes according to the threshold voltage applied to the electrodes 11 and 12. Specifically, according to the value of the threshold voltage to be applied, the electrical resistance between the electrode 11 and the electrode 12 is either a low resistance state or a high resistance state.

なお、以下の説明においては、説明の便宜上、可変抵抗素子3における電極11および電極12間の電気抵抗が、高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する低抵抗化動作を、セット動作と称し、低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する高抵抗化動作を、リセット動作と称す。さらに、セット動作とリセット動作を総じて、スイッチング動作と称する。   In the following description, for the sake of convenience of explanation, the low resistance operation in which the electrical resistance between the electrode 11 and the electrode 12 in the variable resistance element 3 transitions from the high resistance state to the low resistance state is referred to as a set operation. The high resistance operation that transitions from the resistance state to the high resistance state is referred to as a reset operation. Further, the set operation and the reset operation are collectively referred to as a switching operation.

(フォーミング)
ここで、上述したような、可変抵抗素子3がスイッチング動作するためには、図15に示す可変抵抗素子3に対して、予め、フォーミングと呼ばれる、金属酸化物層10にソフトブレークダウンを起こさせる初期化処理が必要となる。具体的には、電極11および12間に対して所定の電圧(以下、フォーミング電圧とする)を印加することにより、金属酸化物層10内に、局所的な導電パスであるフィラメントを形成する必要がある。
(Forming)
Here, in order for the variable resistance element 3 to perform the switching operation as described above, a soft breakdown is caused in the metal oxide layer 10, which is called forming, in advance with respect to the variable resistance element 3 shown in FIG. 15. Initialization processing is required. Specifically, it is necessary to form a filament as a local conductive path in the metal oxide layer 10 by applying a predetermined voltage (hereinafter referred to as a forming voltage) between the electrodes 11 and 12. There is.

このように、フォーミングによって、金属酸化物層10内に、フィラメントを形成してはじめて、可変抵抗素子3は、スイッチング動作を行うことが可能となる。この可変抵抗素子3のスイッチング動作における動作メカニズムについては、電極11および12に印加された閾電圧に応じて、金属酸化物層10内のフィラメントの破断と導通とが切り替わることによって、可変抵抗素子3の電気抵抗が、低抵抗状態または高抵抗状態に切り替わるものと考えられている。   Thus, the variable resistance element 3 can perform a switching operation only after forming a filament in the metal oxide layer 10 by forming. Regarding the operation mechanism in the switching operation of the variable resistance element 3, the breakage and conduction of the filament in the metal oxide layer 10 are switched according to the threshold voltage applied to the electrodes 11 and 12, whereby the variable resistance element 3 is switched. Is considered to switch to a low resistance state or a high resistance state.

ここで、可変抵抗素子3に対してフォーミングを行う際のフォーミング電圧は、金属酸化物層10の膜厚によって決定される。つまり、膜厚が厚いほど高いフォーミング電圧の印加が必要となる。よって、この膜厚を薄くすることにより、フォーミング電圧を低くすることは可能であるが、金属酸化物層10の薄膜化によって、リーク電流が増大する。   Here, the forming voltage when forming the variable resistance element 3 is determined by the film thickness of the metal oxide layer 10. That is, as the film thickness increases, a higher forming voltage needs to be applied. Therefore, it is possible to reduce the forming voltage by reducing the film thickness, but the leakage current increases by making the metal oxide layer 10 thinner.

(リーク電流に起因する問題)
次に、このリーク電流の増加に起因する問題点を説明する。まず、可変抵抗素子3の用途は、不揮発性記憶装置におけるメモリセルに使用されることである。具体的には、記憶する情報(ビット値など)に応じて、可変抵抗素子3の電気抵抗を、上述した低抵抗状態または高抵抗状態の一方に切り替えられる。また、この不揮発性記憶装置から、記憶した情報を読み出す場合、可変抵抗素子3に、情報を読み出すための電圧(以下、読み出し電圧とする)を印加し、低抵抗状態または高抵抗状態に応じた電流を検出することにより、記憶した情報を読み出すことになる。ここで、可変抵抗素子3の低抵抗状態と高抵抗状態との抵抗値の変化(以下、抵抗変化とする)を担う部分は、金属酸化物層10内のフィラメントが形成されているごく一部に限られている。したがって、フィラメントが形成されている部分以外の金属酸化物は、何の機能も持たない。真性の抵抗変化比(高抵抗状態の抵抗値に対する低抵抗状態の抵抗値の比)は、フィラメント部分だけの導通時抵抗値と破断時抵抗値によって決まるが、電極11および12に読み出し電圧が印加されていれば、フィラメント部分以外の金属酸化物にも電流が流れてしまう。このため、この電流が高抵抗状態における電流の支配的成分となり、見かけの抵抗変化比を低下させる可能性がある。つまり、従来技術の可変抵抗素子3において、フォーミング電圧を下げようとして金属酸化物層10の膜厚を薄くするとリーク電流が大きくなってしまい、この増大したリーク電流が高抵抗状態の電流の主成分となり、可変抵抗素子3の抵抗変化比が低下するという問題が生じる。なお、一般に非線形の電流電圧特性を示す金属酸化物において、例えば、金属酸化物層10の膜厚を半分にすると、同じ読み出し電圧を印加した場合の電流は、2倍以上に増加してしまう。
(Problems caused by leakage current)
Next, problems caused by the increase in leakage current will be described. First, the variable resistance element 3 is used for a memory cell in a nonvolatile memory device. Specifically, the electric resistance of the variable resistance element 3 can be switched to one of the low resistance state and the high resistance state described above according to the information to be stored (bit value or the like). When reading stored information from the nonvolatile memory device, a voltage for reading information (hereinafter referred to as a read voltage) is applied to the variable resistance element 3 in accordance with the low resistance state or the high resistance state. By detecting the current, the stored information is read out. Here, the portion responsible for the change in resistance value between the low resistance state and the high resistance state of the variable resistance element 3 (hereinafter referred to as resistance change) is a very small part where the filament in the metal oxide layer 10 is formed. It is limited to. Therefore, the metal oxide other than the portion where the filament is formed has no function. The intrinsic resistance change ratio (ratio of the resistance value in the low resistance state to the resistance value in the high resistance state) is determined by the resistance value at the time of conduction and the resistance value at breakage of only the filament portion, but a read voltage is applied to the electrodes 11 and 12. If so, current flows also in the metal oxide other than the filament portion. For this reason, this current becomes a dominant component of the current in the high resistance state, which may reduce the apparent resistance change ratio. That is, in the variable resistance element 3 of the prior art, when the metal oxide layer 10 is thinned to reduce the forming voltage, the leakage current increases, and this increased leakage current is the main component of the current in the high resistance state. Thus, there arises a problem that the resistance change ratio of the variable resistance element 3 is lowered. In general, in a metal oxide that exhibits non-linear current-voltage characteristics, for example, when the film thickness of the metal oxide layer 10 is halved, the current when the same read voltage is applied increases more than twice.

〔第1の実施形態〕
本発明に係る可変抵抗素子1は、上述したような、従来技術に係る可変抵抗素子3が有する問題を解決するものであり、具体的には、リーク電流を増大させることなく、フォーミング時のフォーミング電圧を低下させることが可能とするものである。
[First Embodiment]
The variable resistance element 1 according to the present invention solves the problems of the variable resistance element 3 according to the related art as described above, and specifically, forming at the time of forming without increasing the leakage current. The voltage can be lowered.

本発明の第1の実施形態に係る可変抵抗素子1について、図1〜図9を参照して、以下に説明する。   The variable resistance element 1 according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

(可変抵抗素子1の構成)
図1は、第1の実施形態に係る可変抵抗素子1の構成を示す断面図である。図1に示すように、可変抵抗素子1は、電極11および12と、電極11と電極12とに挟まれた金属酸化物からなる金属酸化物層10とを備えている。さらに、可変抵抗素子1は、金属酸化物層10内に、金属酸化物より電気抵抗が低い低抵抗物14を備えている。なお、図1に示す可変抵抗素子1が備える低抵抗物14は、電極11と接触し、電極12とは非接触である。また、図1において、電極11から電極12までの距離、言い換えれば、金属酸化物層10の膜厚は距離d0に、低抵抗物14から電極12までの距離は距離d1となっている。
(Configuration of variable resistance element 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the variable resistance element 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the variable resistance element 1 includes electrodes 11 and 12 and a metal oxide layer 10 made of a metal oxide sandwiched between the electrodes 11 and 12. Furthermore, the variable resistance element 1 includes a low resistance material 14 having a lower electrical resistance than the metal oxide in the metal oxide layer 10. 1 is in contact with the electrode 11 and is not in contact with the electrode 12. The variable resistance element 1 shown in FIG. In FIG. 1, the distance from the electrode 11 to the electrode 12, in other words, the film thickness of the metal oxide layer 10 is the distance d0, and the distance from the low resistance 14 to the electrode 12 is the distance d1.

ここで、図1に示すように、金属酸化物層10内に局所的に低抵抗物14を備えている場合、フォーミング時のフォーミング電圧を決める膜厚は、同図中の距離d1となる。つまり、低抵抗物14を備えない場合のフォーミング電圧は、電極11および電極12間の距離d0に対応した電圧値が必要となるが、これに比べ、低抵抗物14を備えることにより、フォーミング電圧を小さくすることができる。さらに、この場合、フィラメント部以外の金属酸化物層10に流れるリーク電流を抑制するために、距離d0を大きくできるため、または、距離d0を小さくする必要がないため、可変抵抗素子1の抵抗変化比の低下を抑制できる。   Here, as shown in FIG. 1, when the low resistance 14 is locally provided in the metal oxide layer 10, the film thickness that determines the forming voltage at the time of forming is the distance d1 in FIG. That is, a voltage value corresponding to the distance d0 between the electrode 11 and the electrode 12 is required as the forming voltage when the low-resistance material 14 is not provided. Can be reduced. Further, in this case, since the distance d0 can be increased or the distance d0 does not need to be decreased in order to suppress the leakage current flowing in the metal oxide layer 10 other than the filament portion, the resistance change of the variable resistance element 1 can be reduced. A decrease in the ratio can be suppressed.

以上のように、第1の実施形態に係る可変抵抗素子1は、金属酸化物層10内に、低抵抗物14を備えることにより、金属酸化物層10の膜厚を薄くすることなく、言い換えれば、リーク電流を増大させることなく、フォーミング電圧を低下させることが可能となるという効果を奏する。   As described above, the variable resistance element 1 according to the first exemplary embodiment includes the low resistance material 14 in the metal oxide layer 10, and in other words, the thickness of the metal oxide layer 10 is not reduced. For example, the forming voltage can be lowered without increasing the leakage current.

(低抵抗状態および高抵抗状態)
次に、可変抵抗素子1にフォーミングを施し、金属酸化物層10内に、フィラメント15を形成した後の、可変抵抗素子1aおよび1bについて、図2(a)および(b)を参照して説明する。図2(a)は、フォーミング後の低抵抗状態の可変抵抗素子1aの構成を示す断面図であり、同図(b)は、フォーミング後の高抵抗状態の可変抵抗素子1bの構成を示す断面図である。
(Low resistance state and high resistance state)
Next, the variable resistance elements 1 a and 1 b after forming the variable resistance element 1 and forming the filament 15 in the metal oxide layer 10 will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b). To do. 2A is a cross-sectional view showing the configuration of the variable resistance element 1a in the low resistance state after forming, and FIG. 2B is a cross section showing the configuration of the variable resistance element 1b in the high resistance state after forming. FIG.

図2(a)に示すように、可変抵抗素子1aにおいては、フォーミングによって金属酸化物層10内にフィラメント15が形成された後、セット動作のための閾電圧(以下、セット電圧とする)を、電極11および12に印加することによって、フィラメント15は、低抵抗状態14と電極12とを接続することになり、結果、可変抵抗素子1aは低抵抗状態となる。一方、図2(b)に示すように、フィラメント15の形成後、リセット動作のための閾電圧(以下、リセット電圧とする)を、電極11および12に印加することによって、フィラメント15はフィラメント破断部16において破断し、結果、可変抵抗素子1bは高抵抗状態となる。   As shown in FIG. 2A, in the variable resistance element 1a, after the filament 15 is formed in the metal oxide layer 10 by forming, a threshold voltage (hereinafter referred to as a set voltage) for the set operation is set. By applying to the electrodes 11 and 12, the filament 15 connects the low resistance state 14 and the electrode 12, and as a result, the variable resistance element 1a enters the low resistance state. On the other hand, as shown in FIG. 2B, after the filament 15 is formed, the filament 15 is broken by applying a threshold voltage for reset operation (hereinafter referred to as a reset voltage) to the electrodes 11 and 12. The portion 16 breaks, and as a result, the variable resistance element 1b enters a high resistance state.

(低抵抗物14の変形例)
図1に示す可変抵抗素子1においては、低抵抗物14が、電極11と接し、電極12と非接触となる構造であったが、図3に示すような構造であってもよい。図3は、可変抵抗素子1の変形である、可変抵抗素子2の構成を示す断面図である。
(Modification of low resistance 14)
In the variable resistance element 1 shown in FIG. 1, the low resistance 14 is in contact with the electrode 11 and is not in contact with the electrode 12, but the structure shown in FIG. 3 may be used. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of the variable resistance element 2, which is a modification of the variable resistance element 1.

図3に示すように、可変抵抗素子2における、可変抵抗素子1と異なる点は、低抵抗物14の代わりに、金属酸化物層10内に、電極11および12の両方に非接触の低抵抗物24を備えていることである。同図に示すように、低抵抗物24は、電極11と距離d2離間しており、電極12とは距離d3離間している。   As shown in FIG. 3, the variable resistance element 2 is different from the variable resistance element 1 in that a low resistance that is not in contact with both the electrodes 11 and 12 in the metal oxide layer 10 instead of the low resistance object 14. The thing 24 is provided. As shown in the figure, the low-resistance object 24 is separated from the electrode 11 by a distance d2, and is separated from the electrode 12 by a distance d3.

この可変抵抗素子2をフォーミングする場合、フォーミング電圧を決める膜厚は、同図中の距離d1と距離d2の和であり、低抵抗物24を備えない場合に比べ、フォーミング電圧を低くすることができる。なお、可変抵抗素子2におけるリーク電流の抑制が可能なことは、図1の可変抵抗素子1の場合と同様の理由である。   When the variable resistance element 2 is formed, the film thickness that determines the forming voltage is the sum of the distance d1 and the distance d2 in the figure, and the forming voltage can be lowered compared to the case where the low resistance object 24 is not provided. it can. Note that the leakage current in the variable resistance element 2 can be suppressed for the same reason as in the case of the variable resistance element 1 in FIG.

次に、可変抵抗素子2にフォーミング処理を施し、金属酸化物層10内に、フィラメント15を形成した後の、可変抵抗素子2aおよび2bについて、図4(a)および(b)を参照して説明する。図4(a)は、フォーミング後の低抵抗状態の可変抵抗素子2aの構成を示す断面図であり、同図(b)は、フォーミング後の高抵抗状態の可変抵抗素子2bの構成を示す断面図である。   Next, the variable resistance elements 2a and 2b after forming the filament 15 in the metal oxide layer 10 after forming the variable resistance element 2 will be described with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b). explain. 4A is a cross-sectional view showing a configuration of the variable resistance element 2a in the low resistance state after forming, and FIG. 4B is a cross section showing a configuration of the variable resistance element 2b in the high resistance state after forming. FIG.

図4(a)に示すように、可変抵抗素子2aにおいては、フォーミングによって金属酸化物層10内に、フィラメント15が、低抵抗物14から電極11および電極12の両方に向かって形成される。このフィラメント15が形成された後、セット電圧を、電極11および12に印加することによって、フィラメント15は、電極11および低抵抗状態14間と、電極12および低抵抗物14間とを接続することになり、結果、可変抵抗素子2aは低抵抗状態となる。一方、図4(b)に示すように、フィラメント15の形成後、リセット電圧を、電極11および12に印加することによって、フィラメント15はフィラメント破断部16において破断し、結果、可変抵抗素子2bは高抵抗状態となる。なお、図4(b)においては、フィラメント破断部16を、電極12と低抵抗物14とを接続するフィラメント15内に示しているが、電極11と低抵抗物14とを接続するフィラメント15内に存在してもよいし、また、電極11および12側の両方のフィラメント15内に存在することがあってもよい。   As shown in FIG. 4A, in the variable resistance element 2a, a filament 15 is formed in the metal oxide layer 10 from the low resistance material 14 toward both the electrode 11 and the electrode 12 by forming. After the filament 15 is formed, the filament 15 is connected between the electrode 11 and the low resistance state 14 and between the electrode 12 and the low resistance material 14 by applying a set voltage to the electrodes 11 and 12. As a result, the variable resistance element 2a is in a low resistance state. On the other hand, as shown in FIG. 4B, after the filament 15 is formed, the reset voltage is applied to the electrodes 11 and 12, whereby the filament 15 is broken at the filament breakage portion 16. As a result, the variable resistance element 2b is High resistance state. In FIG. 4B, the filament breakage portion 16 is shown in the filament 15 that connects the electrode 12 and the low resistance object 14, but in the filament 15 that connects the electrode 11 and the low resistance object 14. Or may be present in the filaments 15 on both the electrodes 11 and 12 side.

なお、可変抵抗素子1および2において、金属酸化物層10の膜厚方向(電極11、12と、金属酸化物層10との境界面の法線方向)には、連続した低抵抗領域14または24が、一つだけある場合を示したが、これは説明を容易にするためのものであり、複数存在してもよい。この場合も、局所的に金属酸化物層10の膜厚を薄くできる効果、つまり、リーク電流を増大させることなくフォーミング電圧を低下できる効果に変わりはないことは明らかである。さらに、低抵抗領域14は、電極11に接するように形成されているが、電極12に接するように形成されてもよい。また、本発明に係る可変抵抗素子は、電極11に接する低抵抗物14と、電極12に接する低抵抗物14との両方を備える構成となってもよく、この可変抵抗素子にフォーミングを行った場合、電極11に接する低抵抗物14と、電極12に接する低抵抗物14との間にフィラメント15が形成される。この場合も、局所的に金属酸化物層10の膜厚を薄くできる効果、つまり、リーク電流を増大させることなくフォーミング電圧を低下できる効果に変わりはない。   In the variable resistance elements 1 and 2, in the film thickness direction of the metal oxide layer 10 (the normal direction of the boundary surface between the electrodes 11 and 12 and the metal oxide layer 10), the continuous low resistance region 14 or Although 24 shows the case where there is only one, this is for ease of explanation, and a plurality of 24 may exist. Also in this case, it is clear that there is no change in the effect of locally reducing the thickness of the metal oxide layer 10, that is, the effect of reducing the forming voltage without increasing the leakage current. Furthermore, although the low resistance region 14 is formed so as to be in contact with the electrode 11, it may be formed so as to be in contact with the electrode 12. In addition, the variable resistance element according to the present invention may be configured to include both the low resistance object 14 in contact with the electrode 11 and the low resistance object 14 in contact with the electrode 12, and the variable resistance element is formed. In this case, the filament 15 is formed between the low resistance 14 in contact with the electrode 11 and the low resistance 14 in contact with the electrode 12. Also in this case, the effect of locally reducing the thickness of the metal oxide layer 10, that is, the effect of reducing the forming voltage without increasing the leakage current remains unchanged.

(可変抵抗素子の製造方法)
次に、本発明に係る、フォーミング前の可変抵抗素子の製造方法について、図5(a)〜(e)を参照して説明する。図5(a)〜(e)は、各製造工程における、可変抵抗素子の構成を示す断面図である。
(Manufacturing method of variable resistance element)
Next, a method for manufacturing a variable resistance element before forming according to the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 5E are cross-sectional views showing the configuration of the variable resistance element in each manufacturing process.

まず、図5(a)に示すように、シリコン酸化膜18付きのSi基板17上に、RFマグネトロンスパッタリング法によって、Ti層19、下部電極としてのPt層12(図1における電極12に相当)、金属酸化物層10の順に堆積し、Ti/Pt/金属酸化物層の積層構造を形成する。ここで、Ti層19は、下部電極としてのPt層12と、シリコン酸化膜18付きの基板17との接着性を向上させるための、接着材の役割を果たすものであって、Tiターゲットに対して、RF出力200W、圧力0.5PaのAr100%ガスによって、基板温度を室温とした条件下で成膜したものである。次に、Pt層12は、RF出力100W、圧力0.3PaのAr100%ガスで、基板温度を室温とした条件下で成膜したものである。   First, as shown in FIG. 5A, a Ti layer 19 and a Pt layer 12 as a lower electrode (corresponding to the electrode 12 in FIG. 1) are formed on an Si substrate 17 with a silicon oxide film 18 by RF magnetron sputtering. Then, the metal oxide layer 10 is deposited in this order to form a laminated structure of Ti / Pt / metal oxide layer. Here, the Ti layer 19 serves as an adhesive for improving the adhesion between the Pt layer 12 as the lower electrode and the substrate 17 with the silicon oxide film 18. The film was formed under the condition that the substrate temperature was room temperature by using Ar 100% gas having an RF output of 200 W and a pressure of 0.5 Pa. Next, the Pt layer 12 is formed by using an Ar 100% gas with an RF output of 100 W and a pressure of 0.3 Pa under the condition that the substrate temperature is room temperature.

また、金属酸化物層10の成膜には、RF出力200W、ガス圧0.5PaのAr雰囲気中で、基板温度を室温として堆積処理を施す。尚、金属酸化物層10の組成は適宜Oガスを添加することにより制御することができる。 The metal oxide layer 10 is deposited by depositing the substrate at room temperature in an Ar atmosphere with an RF output of 200 W and a gas pressure of 0.5 Pa. The composition of the metal oxide layer 10 can be controlled by appropriately adding O 2 gas.

なお、金属酸化物層10は、Co、Ni、Ti、V、Cu、W、Nb、Mnから選択される少なくとも1つの金属の酸化物によって構成される。金属酸化物層10の膜厚は、金属酸化物層10に流れるリーク電流が所定の値以下となるように適宜設定されればよく、例えば、50nmとしてもよい。   The metal oxide layer 10 is composed of an oxide of at least one metal selected from Co, Ni, Ti, V, Cu, W, Nb, and Mn. The film thickness of the metal oxide layer 10 may be set as appropriate so that the leakage current flowing through the metal oxide layer 10 is a predetermined value or less, and may be 50 nm, for example.

次に、図5(b)に示すように、i線縮小投影型露光装置を用いたフォトリソグラフィーとArイオンミリングとにより素子分離を行う。Arイオンミリングは印加電圧300Vで行う。なお、本実施形態に用いるフォトリソグラフィーとしては、他に、電子線描画等の方法が利用できる。次に、Arイオンミリングを行った後、残ったフォトレジスト20を除去して、金属酸化物層10を露出させる。   Next, as shown in FIG. 5B, element isolation is performed by photolithography using an i-line reduction projection exposure apparatus and Ar ion milling. Ar ion milling is performed at an applied voltage of 300V. In addition, as photolithography used in the present embodiment, other methods such as electron beam drawing can be used. Next, after Ar ion milling, the remaining photoresist 20 is removed to expose the metal oxide layer 10.

次に、図5(c)に示すように、フォトレジスト20とは異なる、別のフォトレジスト21をPt層12および金属酸化物層10に施す。さらに、図面における上方より、RFマグネトロンスパッタリング法によって、上部電極11としての金属層と、キャッピング層としてのPt層22を順に堆積する。これにより、同図に示すように、金属酸化物層10上に、上部電極11およびPt層22が積層される部分と、フォトレジスト21上に、上部電極11およびPt層22が積層される部分とに分けることができる。なお、上部電極11としての金属層の成膜には、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて、Ar雰囲気中で、基板温度を室温として、堆積処理を施した。上部電極11としての金属層の厚さは例えば50nmとした。さらに、酸化防止用のキャッピング層としてのPt層22の成膜は、下部電極12のPt層の成膜と同様に方法により行う。   Next, as shown in FIG. 5C, another photoresist 21 different from the photoresist 20 is applied to the Pt layer 12 and the metal oxide layer 10. Further, a metal layer as the upper electrode 11 and a Pt layer 22 as a capping layer are sequentially deposited from above in the drawing by RF magnetron sputtering. Thereby, as shown in the figure, a portion where the upper electrode 11 and the Pt layer 22 are laminated on the metal oxide layer 10 and a portion where the upper electrode 11 and the Pt layer 22 are laminated on the photoresist 21. And can be divided into In addition, for the film formation of the metal layer as the upper electrode 11, a deposition process was performed using an RF magnetron sputtering method in an Ar atmosphere at a substrate temperature of room temperature. The thickness of the metal layer as the upper electrode 11 is, for example, 50 nm. Further, the film formation of the Pt layer 22 as the capping layer for preventing oxidation is performed by the same method as the film formation of the Pt layer of the lower electrode 12.

次に、図5(d)に示すように、フォトレジスト21を、該フォトレジスト21上に堆積した上部電極11およびPt層22と合わせて除去し、下部電極12としてのPt層を露出させる。   Next, as shown in FIG. 5D, the photoresist 21 is removed together with the upper electrode 11 and the Pt layer 22 deposited on the photoresist 21 to expose the Pt layer as the lower electrode 12.

次に、図5(e)に示す、低抵抗物14の形成には、熱処理を用いる。具体的には、熱処理によって、上部電極11を構成する元素を金属酸化物層10へと拡散させることにより、金属酸化物層10内に低抵抗物14を形成できる。なお、拡散した上部電極11を構成する元素自体が低抵抗物14を形成してもよいし、拡散した元素と金属酸化物層10とを構成する元素を反応させて、低抵抗物14を形成させてもよい。例えば、拡散した元素が、金属酸化物層10を構成する金属酸化物から酸素を奪って還元し、低抵抗物14を形成することもできる。   Next, heat treatment is used to form the low resistance material 14 shown in FIG. Specifically, the low resistance material 14 can be formed in the metal oxide layer 10 by diffusing elements constituting the upper electrode 11 into the metal oxide layer 10 by heat treatment. Note that the diffused element itself constituting the upper electrode 11 may form the low resistance substance 14, or the diffused element and the element constituting the metal oxide layer 10 are reacted to form the low resistance substance 14. You may let them. For example, the diffused element can take oxygen from the metal oxide constituting the metal oxide layer 10 and reduce it to form the low resistance material 14.

また、金属酸化物層10が、多結晶であることがより好ましい。多結晶であれば、粒界拡散を利用して、局所的に低抵抗領域14を形成しやすくなる。また、多結晶であれば、熱処理によって、金属酸化物層10を構成する金属酸化物の粒界に、金属を析出させることにより、低抵抗領域14を形成することもできる。なお、図5(d)に示す可変抵抗素子の断面形状は、可変抵抗素子製作の簡便性、及び、実験の簡便性のためのものであって、図5(d)に示した断面形状に限定されるものではない。また、本発明に係る、可変抵抗素子の製造方法に用いる成膜法としては、上記の他に、レーザーアブレーション、化学気相成長(CVD)、金属(表面)を酸化させる等の周知の方法が利用できる。   The metal oxide layer 10 is more preferably polycrystalline. If it is polycrystalline, it becomes easy to form the low resistance region 14 locally by utilizing grain boundary diffusion. In the case of polycrystal, the low resistance region 14 can also be formed by precipitating a metal at the grain boundary of the metal oxide constituting the metal oxide layer 10 by heat treatment. Note that the cross-sectional shape of the variable resistance element shown in FIG. 5D is for the convenience of manufacturing the variable resistance element and the simplicity of the experiment, and the cross-sectional shape shown in FIG. It is not limited. In addition to the above, the film forming method used in the variable resistance element manufacturing method according to the present invention includes well-known methods such as laser ablation, chemical vapor deposition (CVD), and metal (surface) oxidation. Available.

(参考例との比較)
図5(a)〜(e)にて説明した方法により製造された、言い換えれば、熱処理が施され、低抵抗物14が金属酸化物層10内に形成された可変抵抗素子と、熱処理が施されず、低抵抗物14が金属酸化物層10内に形成されていない可変抵抗素子とにおける、フォーミング時の電流電圧特性の比較結果を、図6に示す。なお、可変抵抗素子を製造するために施した熱処理は、Ar雰囲気0.5Paの減圧下において、300℃の温度で10分間行ったものである。
(Comparison with reference example)
The variable resistance element manufactured by the method described with reference to FIGS. 5A to 5E, in other words, heat-treated and the low-resistance element 14 is formed in the metal oxide layer 10, and heat-treatment are performed. FIG. 6 shows a comparison result of the current-voltage characteristics at the time of forming in the variable resistance element in which the low resistance material 14 is not formed in the metal oxide layer 10. Note that the heat treatment performed for manufacturing the variable resistance element is performed at a temperature of 300 ° C. for 10 minutes under a reduced pressure of Ar atmosphere of 0.5 Pa.

図6は、熱処理有の可変抵抗素子と、熱処理無の可変抵抗素子との、フォーミング時の電流電圧特性を示すグラフである。また、図6に示すグラフにおいては、可変抵抗素子が備える2つの電極間に印加される電位差を横軸とし、可変抵抗素子に流れる電流値を縦軸としている。   FIG. 6 is a graph showing current-voltage characteristics during forming of a variable resistance element with heat treatment and a variable resistance element without heat treatment. In the graph shown in FIG. 6, the horizontal axis represents the potential difference applied between the two electrodes of the variable resistance element, and the vertical axis represents the current value flowing through the variable resistance element.

図6に示すように、熱処理を施さなかった可変抵抗素子において、フォーミングに必要なフォーミング電圧は、約10Vとなっている。一方、熱処理を施した可変抵抗素子においては、フォーミング電圧は約3.5Vであり、熱処理を施さなかった可変抵抗素子に比べ、フォーミング電圧を約1/3程度の低くできることが分かる。また、フォーミング後の熱処理を施した可変抵抗素子に流れる電流は、フォーミング後の熱処理を施さなかった可変抵抗素子に流れる電流に比べ、電流の大きな増大はなく、熱処理を施した可変抵抗素子は、リーク電流を抑制しつつ、フォーミング電圧を低下できていることが分かる。なお、図6に示すの電流電圧特性を測定するにあたり、フォーミング時には、可変抵抗素子に100kΩの電流制限抵抗を直列に挿入して測定している。これは、フォーミング時に大電流が流れて可変抵抗素子が破壊されることを防止するためである。   As shown in FIG. 6, in the variable resistance element not subjected to heat treatment, the forming voltage necessary for forming is about 10V. On the other hand, in the variable resistance element subjected to the heat treatment, the forming voltage is about 3.5 V, and it can be seen that the forming voltage can be lowered by about 1/3 as compared with the variable resistance element not subjected to the heat treatment. In addition, the current flowing through the variable resistance element that has undergone heat treatment after forming does not increase significantly compared to the current that flows through the variable resistance element that has not undergone heat treatment after forming. It can be seen that the forming voltage can be lowered while suppressing the leakage current. In measuring the current-voltage characteristics shown in FIG. 6, at the time of forming, a current limiting resistor of 100 kΩ is inserted in series in the variable resistance element. This is to prevent the variable resistance element from being destroyed due to a large current flowing during forming.

次に、フォーミング時と、フォーミング後に、極性が異なるセット電圧およびリセット電圧を可変抵抗素子に印加した際との、可変抵抗素子における電流電圧特性を図7に示す。図7は、正電圧のフォーミング電圧を、熱処理を施した可変抵抗素子に印加し、低抵抗状態にした後、負電圧のリセット電圧を可変抵抗素子に印加し、次に、正電圧のセット電圧を可変抵抗素子に印加し、また次に、負電圧のリセット電圧を再度可変抵抗素子に印加した場合における、可変抵抗素子における電流電圧特性を示すグラフである。なお、図7に示すグラフにおいては、可変抵抗素子が備える2つの電極間に印加される電位差を横軸とし、可変抵抗素子に流れる電流値を縦軸としている。   Next, FIG. 7 shows current-voltage characteristics in the variable resistance element during forming and when a set voltage and a reset voltage having different polarities are applied to the variable resistance element after forming. FIG. 7 shows a case where a positive forming voltage is applied to the heat-treated variable resistance element to bring it to a low resistance state, a negative reset voltage is applied to the variable resistance element, and then a positive set voltage is applied. Is a graph showing current-voltage characteristics in the variable resistance element when a negative reset voltage is applied to the variable resistance element again. In the graph shown in FIG. 7, the horizontal axis represents the potential difference applied between two electrodes of the variable resistance element, and the vertical axis represents the current value flowing through the variable resistance element.

ここで、フォーミング後の、熱処理を施された可変抵抗素子における、セット動作とリセット動作を繰り返し交互に行い、各セット動作および各リセット動作直後の、読み出し電圧(0.2V)印加時の、可変抵抗素子に流れる電流値の変化について、図8を参照して説明する。図8は、正電圧のセット電圧および負電圧のリセット電圧による、セット動作およびリセット動作を行い、セット動作直後およびリセット動作直後における、読み出し電圧印加時の、可変抵抗素子に流れる電流値の変化を示すグラフである。なお、図8における横軸のスイッチングサイクルにおいて、奇数番目のサイクルがフォーミングまたはセット動作直後の時点を示し、偶数番目のサイクルがリセット動作直後の時点を示している。   Here, after the forming, in the variable resistance element that has been subjected to heat treatment, the set operation and the reset operation are repeatedly performed alternately, and the variable at the time of applying the read voltage (0.2 V) immediately after each set operation and each reset operation. A change in the value of the current flowing through the resistance element will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a change in the value of the current flowing through the variable resistance element when the read voltage is applied immediately after the set operation and immediately after the reset operation by performing a set operation and a reset operation with a positive set voltage and a negative reset voltage. It is a graph to show. In the switching cycle on the horizontal axis in FIG. 8, the odd-numbered cycle indicates the time immediately after the forming or setting operation, and the even-numbered cycle indicates the time immediately after the reset operation.

図8に示すように、リセット動作直後の、読み出し電圧印加時の可変抵抗素子に流れる電流値と、セット動作直後の、読み出し電圧印加時の可変抵抗素子に流れる電流値とを比べると、抵抗変化比は2桁以上となり、熱処理を施された可変抵抗素子においては、抵抗変化比が低下するという問題は発生していないことが分かる。   As shown in FIG. 8, when the current value flowing through the variable resistance element when the read voltage is applied immediately after the reset operation is compared with the current value flowing through the variable resistance element when the read voltage is applied immediately after the set operation, the resistance change The ratio is two digits or more, and it can be seen that there is no problem that the resistance change ratio is lowered in the variable resistance element subjected to the heat treatment.

次に、フォーミング電圧、セット電圧、およびリセット電圧を、すべて同じ極性の電圧(正電圧)とした場合の、可変抵抗素子における電流電圧特性を図9に示す。図9は、熱処理を施した可変抵抗素子に対して、フォーミング、リセット動作、セット動作、リセット動作、セット動作、リセット動作の順で、各動作を行ったときの、可変抵抗素子における電流電圧特性を示すグラフである。なお、図9に示すグラフにおいては、可変抵抗素子が備える2つの電極間に印加される電位差を横軸とし、可変抵抗素子に流れる電流値を縦軸としている。   Next, FIG. 9 shows current-voltage characteristics of the variable resistance element when the forming voltage, the set voltage, and the reset voltage are all voltages having the same polarity (positive voltage). FIG. 9 shows the current-voltage characteristics of the variable resistance element when each operation is performed in the order of forming, reset operation, set operation, reset operation, set operation, and reset operation on the heat-treated variable resistance element. It is a graph which shows. In the graph shown in FIG. 9, the horizontal axis represents the potential difference applied between two electrodes of the variable resistance element, and the vertical axis represents the current value flowing through the variable resistance element.

ここで、フォーミング後の、熱処理を施された可変抵抗素子における、セット動作とリセット動作を繰り返し交互に行い、各セット動作および各リセット動作直後の、読み出し電圧(0.2V)印加時の、可変抵抗素子に流れる電流値の変化について、図10を参照して説明する。図10は、共に正電圧のセット電圧およびリセット電圧による、セット動作およびリセット動作を行い、セット動作直後およびリセット動作直後における、読み出し電圧印加時の、可変抵抗素子に流れる電流値の変化を示すグラフである。なお、図10における横軸のスイッチングサイクルにおいて、奇数番目のサイクルがフォーミングまたはセット動作直後の時点を示し、偶数番目のサイクルがリセット動作直後の時点を示している。   Here, after the forming, in the variable resistance element that has been subjected to heat treatment, the set operation and the reset operation are repeatedly performed alternately, and the variable at the time of applying the read voltage (0.2 V) immediately after each set operation and each reset operation. A change in the value of the current flowing through the resistance element will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a graph showing changes in the value of the current flowing through the variable resistance element when the read voltage is applied immediately after the set operation and immediately after the reset operation when the set operation and the reset operation are performed with a positive set voltage and a reset voltage. It is. In the switching cycle on the horizontal axis in FIG. 10, the odd-numbered cycle indicates the time immediately after the forming or setting operation, and the even-numbered cycle indicates the time immediately after the reset operation.

図10に示すように、リセット動作直後の、読み出し電圧印加時の可変抵抗素子に流れる電流値と、セット動作直後の、読み出し電圧印加時の可変抵抗素子に流れる電流値とを比べると、抵抗変化比は2桁以上となり、熱処理を施された可変抵抗素子においては、抵抗変化比が低下するという問題は発生していないことが分かる。   As shown in FIG. 10, when the current value flowing through the variable resistance element when the read voltage is applied immediately after the reset operation is compared with the current value flowing through the variable resistance element when the read voltage is applied immediately after the set operation, the resistance change The ratio is two digits or more, and it can be seen that there is no problem that the resistance change ratio is lowered in the variable resistance element subjected to the heat treatment.

なお、図7および図9に示すの電流電圧特性を測定するにあたり、また、図8および図10のリセット動作およびセット動作における、読み出し電圧印加時の電流を測定するにあたり、フォーミング時およびセット動作時には、可変抵抗素子に100kΩの電流制限抵抗を直列に挿入して測定している。これは、フォーミング時に大電流が流れて可変抵抗素子が破壊されることを防止するためである。   In measuring the current-voltage characteristics shown in FIG. 7 and FIG. 9, and in measuring the current when the read voltage is applied in the reset operation and the set operation of FIG. 8 and FIG. The measurement is performed by inserting a 100 kΩ current limiting resistor in series with the variable resistance element. This is to prevent the variable resistance element from being destroyed due to a large current flowing during forming.

次に、熱処理を施さない可変抵抗素子(従来技術に係る可変抵抗素子に相当)と、熱処理を施した可変抵抗素子との断面を、透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって撮影したTEM像を、図11(a)および(b)に示す。図11(a)は、熱処理を施さない可変低抵抗素子のTEM像を示す図面であり、同図(b)は、熱処理を施した可変抵抗素子のTEM像を示す図面である。   Next, a TEM image obtained by photographing a cross section of a variable resistance element not subjected to heat treatment (corresponding to a variable resistance element according to the prior art) and a heat treated variable resistance element with a transmission electron microscope (TEM). Is shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b). FIG. 11A is a drawing showing a TEM image of a variable low resistance element not subjected to heat treatment, and FIG. 11B is a drawing showing a TEM image of the variable resistance element subjected to heat treatment.

なお、図11(a)および(b)に示すTEM像は、ニッケル酸化物からなる金属酸化物層10と、Al(アルミニウム)からなる膜厚20nmの電極11との界面を撮影したものである。さらに、同図(a)および(b)のTEM像の可変抵抗素子は、図6に示すフォーミング時の電流電圧特性を示す可変抵抗素子と、ほぼ同様の構造である。   The TEM images shown in FIGS. 11A and 11B are obtained by photographing the interface between the metal oxide layer 10 made of nickel oxide and the electrode 11 made of Al (aluminum) with a thickness of 20 nm. . Further, the variable resistance elements of the TEM images in FIGS. 6A and 6B have substantially the same structure as the variable resistance element showing the current-voltage characteristics at the time of forming shown in FIG.

図11(a)および(b)に示すように、金属酸化物層10を構成するニッケル酸化物は、柱状結晶構造となっており、電界11のAlが粒界拡散を生じやすい構造となっている。このことから、電極11のAlが金属酸化物層10に拡散し、拡散したAl自体が、または、拡散したAlがニッケル酸化物から酸素を奪って還元されたニッケルが、ニッケル酸化物の粒界近傍に低抵抗物を生じていると考えられる。   As shown in FIGS. 11A and 11B, the nickel oxide constituting the metal oxide layer 10 has a columnar crystal structure, and Al in the electric field 11 is likely to cause grain boundary diffusion. Yes. From this, Al in the electrode 11 diffuses into the metal oxide layer 10, and the diffused Al itself, or the nickel that has been diffused and reduced by taking oxygen from the nickel oxide, is the grain boundary of the nickel oxide. It is thought that a low resistance material is generated in the vicinity.

次に、熱処理を施さない可変抵抗素子の元素分布と、熱処理を施した可変抵抗素子の元素分布(EELS強度分布)とを、電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて測定し、その測定結果を図12(a)および(b)に示す。図12(a)は、熱処理を施さない可変抵抗素子の元素分布を示すグラフであり、同図(b)は、熱処理を施した可変抵抗素子の元素分布を示すグラフである。なお、同図(a)および(b)に示すグラフの測定対象である可変抵抗素子は、下部電極12であるPt層、金属酸化物層10であるニッケル酸化物層、上部電極11であるAl層、キャッピング層22であるPt層の順に製膜されたものであり、図6に示すフォーミング時の電流電圧特性を示す可変抵抗素子と、ほぼ同様の構造である。   Next, the element distribution of the variable resistance element not subjected to heat treatment and the element distribution (EELS intensity distribution) of the variable resistance element subjected to heat treatment were measured using electron energy loss spectroscopy (EELS), and the measurement result Is shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b). FIG. 12A is a graph showing the element distribution of the variable resistance element not subjected to heat treatment, and FIG. 12B is a graph showing the element distribution of the variable resistance element subjected to heat treatment. In addition, the variable resistance element which is a measurement object of the graph shown to the same figure (a) and (b) is Pt layer which is the lower electrode 12, the nickel oxide layer which is the metal oxide layer 10, and Al which is the upper electrode 11. The layers are formed in the order of the Pt layer, which is the capping layer 22, and have substantially the same structure as the variable resistance element showing the current-voltage characteristics at the time of forming shown in FIG.

まず、図12(a)に示すグラフにおいては、ニッケル酸化物とAlが接した部分において、ニッケル、アルミ、酸素からなる層と、アルミ酸化物層との2つの層が生じている。金属酸化物層10であるニッケル酸化物層は、ほぼ一様な組成分布となっている。なお、同図(a)において、金属Alとして存在している層が確認できないが、これは、解析に用いた試料においては、成膜したAlが薄かったためにすべて酸化されてしまったためである。図6に示した可変抵抗素子においては、金属Al層が存在している。   First, in the graph shown in FIG. 12A, two layers of a layer made of nickel, aluminum, and oxygen and an aluminum oxide layer are formed at a portion where nickel oxide and Al are in contact with each other. The nickel oxide layer which is the metal oxide layer 10 has a substantially uniform composition distribution. In FIG. 9A, the layer existing as metal Al cannot be confirmed, but in the sample used for the analysis, the deposited Al was thin and thus all oxidized. In the variable resistance element shown in FIG. 6, a metal Al layer exists.

一方、図12(b)は、熱処理を施した可変抵抗素子の元素分布であるが、図12(a)の熱処理を施さなかった可変抵抗素子の元素分布と比べると、特に酸素とニッケルの分布が変化している。酸素の分布は均一になり、ニッケルに対応するEELS信号強度は電極界面付近で小さくなっている。結果として、ニッケル酸化物と電極界面付近において、言い換えれば、金属酸化物層10と電極11との間において、酸素過剰なニッケル酸化物層と、ニッケル、アルミ、酸素からなる層とが形成されている。つまり、可変抵抗素子に熱処理を行った結果、可変抵抗素子は、金属酸化物層10を構成するニッケル酸化物と、電極11を構成するAlとの界面付近において、酸素/金属元素比(ニッケルの原子数に対する酸素の原子数の比率)が高い遷移層である第1の領域と、電極11を構成する金属(Al)、金属酸化物を構成する金属(ニッケル)、および酸素からなる遷移層である第2の領域と、を備えた構造となっていることが確認できる。したがって、結果としてこのような元素分布となるような処理をすることにより、フォーミング電圧を低くできると考えられる。   On the other hand, FIG. 12B shows the element distribution of the variable resistance element subjected to the heat treatment. Compared with the element distribution of the variable resistance element not subjected to the heat treatment in FIG. Has changed. The distribution of oxygen is uniform, and the EELS signal intensity corresponding to nickel is small near the electrode interface. As a result, an oxygen-excess nickel oxide layer and a layer made of nickel, aluminum, and oxygen are formed in the vicinity of the nickel oxide and electrode interface, in other words, between the metal oxide layer 10 and the electrode 11. Yes. That is, as a result of heat-treating the variable resistance element, the variable resistance element has an oxygen / metal element ratio (nickel of nickel) in the vicinity of the interface between nickel oxide constituting the metal oxide layer 10 and Al constituting the electrode 11. A transition layer composed of a transition region composed of a transition layer having a high transition ratio (the ratio of the number of oxygen atoms to the number of atoms), a metal (Al) that constitutes the electrode 11, a metal (nickel) that constitutes a metal oxide, and oxygen It can be confirmed that the structure has a second region. Therefore, it is considered that the forming voltage can be lowered by performing a treatment that results in such an element distribution.

〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置4(以下、記憶装置とする)について、図13および図14を参照して、以下に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a nonvolatile semiconductor memory device 4 (hereinafter referred to as a memory device) according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

まず、図13を参照して、記憶装置4の構成について説明する。図13は、記憶装置4の構成を示すブロック図である。   First, the configuration of the storage device 4 will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of the storage device 4.

図13に示すように、記憶装置4は、メモリセルアレイ40と、ビット線デコーダ41、ワード線デコーダ42、電圧スイッチ回路44、読み出し回路45、電圧発生回路46、および、制御回路43を備えている。   As shown in FIG. 13, the storage device 4 includes a memory cell array 40, a bit line decoder 41, a word line decoder 42, a voltage switch circuit 44, a read circuit 45, a voltage generation circuit 46, and a control circuit 43. .

ここで、メモリセルアレイ40の内部構成について、図14を参照して以下に説明する。図14は、メモリセルアレイ40の構成を示す模式図である。   Here, the internal configuration of the memory cell array 40 will be described below with reference to FIG. FIG. 14 is a schematic diagram showing the configuration of the memory cell array 40.

図14に示すように、メモリセルアレイ40は、第1の実施形態において説明した可変抵抗素子1または2を、メモリセル50として複数備え、この複数のメモリセル50を、行方向および列方向のマトリクス状に配列して構成されている。より具体的には、メモリセルアレイ40は、列方向に延伸するm本のビット線(列選択線)BL1〜BLm(以下、総称する場合はビット線BLとする)と、行方向に延伸するn本のワード線(行選択線)WL1〜WLn(以下、総称する場合はワード線WLとする)との各交点に、メモリセル50がm×n個配置されたクロスポイント型のアレイ構成となっている。例えば、同一列のメモリセル50の電極12(図1参照)同士を接続して、列方向に延伸させた配線をビット線BLとし、同一行のメモリセル50の電極11(図1参照)同士を接続して、行方向に延伸させた配線をワード線WLとする。   As shown in FIG. 14, the memory cell array 40 includes a plurality of variable resistance elements 1 or 2 described in the first embodiment as memory cells 50, and the plurality of memory cells 50 are arranged in a matrix in the row direction and the column direction. It is arranged in a shape. More specifically, the memory cell array 40 includes m bit lines (column selection lines) BL1 to BLm (hereinafter collectively referred to as bit lines BL) extending in the column direction and n extending in the row direction. A cross-point array configuration in which m × n memory cells 50 are arranged at each intersection with one word line (row selection line) WL1 to WLn (hereinafter collectively referred to as word line WL). ing. For example, the electrodes 12 (see FIG. 1) of the memory cells 50 in the same column are connected to each other, the wiring extending in the column direction is used as the bit line BL, and the electrodes 11 (see FIG. 1) of the memory cells 50 in the same row are connected to each other. And the wiring extended in the row direction is defined as a word line WL.

ビット線デコーダ41とワード線デコーダ42とは、ビット線BLおよびワード線WLを介して、メモリセル50を行単位、列単位、またはメモリセル単位で選択するメモリセル選択回路としての機能を有する。   The bit line decoder 41 and the word line decoder 42 have a function as a memory cell selection circuit that selects the memory cells 50 in units of rows, columns, or memory cells via the bit lines BL and the word lines WL.

図13を参照して説明すると、ビット線デコーダ41とワード線デコーダ42とは、アドレス線47を介して制御回路43に入力された、読み出し対象または書き換え対象を示すアドレス信号に対応したメモリセル50を、メモリセルアレイ40の中から選択する。より具体的には、ワード線デコーダ42は、アドレス線47を介して入力されたアドレス信号に対応するメモリセルアレイ40のワード線WLを選択し、ビット線デコーダ41は、アドレス線47を介して入力されたアドレス信号に対応するメモリセルアレイ40のビット線BLを選択する。   Referring to FIG. 13, the bit line decoder 41 and the word line decoder 42 are memory cells 50 corresponding to an address signal indicating a read target or a rewrite target input to the control circuit 43 via the address line 47. Are selected from the memory cell array 40. More specifically, the word line decoder 42 selects the word line WL of the memory cell array 40 corresponding to the address signal input via the address line 47, and the bit line decoder 41 inputs via the address line 47. The bit line BL of the memory cell array 40 corresponding to the address signal thus selected is selected.

制御回路43は、メモリセルアレイ40が記憶する情報(以下、記憶情報とする)の書き換え動作(第1の実施形態における、セット動作およびリセット動作に相当)と、記憶情報の読み出し動作とにおける各制御を行う。   The control circuit 43 controls each of a rewrite operation (corresponding to a set operation and a reset operation in the first embodiment) of information stored in the memory cell array 40 (hereinafter referred to as storage information) and a read operation of stored information. I do.

記憶情報の書き換え動作時または読み出し動作時において、制御回路43は、アドレス線47を介して入力されたアドレス信号、データ線48を介して入力されたデータ信号(書き換え動作時のみ)、および、制御信号線19を介して入力された制御入力信号に基づいて、ワード線デコーダ42、ビット線デコーダ41、および、電圧スイッチ回路44を制御し、メモリセルアレイ40が記憶する記憶情報の読み出しまたは書き換えを行う。図13に示す記憶装置4においては、制御回路43は、図示しない一般的なアドレスバッファ回路、データ入出力バッファ回路、制御入力バッファ回路としての機能を具備している。   At the time of rewrite operation or read operation of stored information, the control circuit 43 controls the address signal input through the address line 47, the data signal input through the data line 48 (only during the rewrite operation), and control. Based on the control input signal input via the signal line 19, the word line decoder 42, the bit line decoder 41, and the voltage switch circuit 44 are controlled to read or rewrite the stored information stored in the memory cell array 40. . In the storage device 4 shown in FIG. 13, the control circuit 43 has functions as a general address buffer circuit, data input / output buffer circuit, and control input buffer circuit (not shown).

電圧スイッチ回路44は、メモリセルアレイ40が記憶する記憶情報の書き換え動作時および読み出し動作時に必要となる、ワード線WLおよびビット線BLを介してメモリアルアレイ40に入力される信号の各電圧を、各動作に応じて切り替え、ビット線デコーダ41およびワード線デコーダ42に供給する電圧供給回路として機能する。図13における、Vccは本発明装置の電源電圧、Vssは接地電圧、Vppはセット電圧、Veeはリセット電圧、Vrdは読み出し電圧である。なお、電圧スイッチ回路44への電源電圧Vccおよび接地電圧Vssは、記憶装置4の外部から供給されている。また、セット動作、リセット動作、読み出し動作における、メモリセルアレイ40に入力される信号の各電圧は、電圧発生回路46によって、電源電圧Vccまたは他の電源電圧から生成されている。   The voltage switch circuit 44 supplies each voltage of a signal input to the memorial array 40 via the word line WL and the bit line BL, which is required at the time of rewriting operation and reading operation of the storage information stored in the memory cell array 40. It switches according to the operation and functions as a voltage supply circuit that supplies the bit line decoder 41 and the word line decoder 42. In FIG. 13, Vcc is a power supply voltage of the device of the present invention, Vss is a ground voltage, Vpp is a set voltage, Vee is a reset voltage, and Vrd is a read voltage. The power supply voltage Vcc and the ground voltage Vss to the voltage switch circuit 44 are supplied from the outside of the storage device 4. In addition, each voltage of a signal input to the memory cell array 40 in the set operation, the reset operation, and the read operation is generated by the voltage generation circuit 46 from the power supply voltage Vcc or another power supply voltage.

読み出し回路45は、アドレス信号が示す選択メモリセル50に接続するビット線BLを流れる読み出し電流のうち、ビット線デコーダ41によって選択された選択ビット線BLを流れる読み出し電流を、電圧変換する。さらに、電圧変換した信号を、1行の選択メモリセルの内の選択ビット線BLに接続する読み出し対象のメモリセル50の記憶情報の状態を判定し、その結果を制御回路43に転送し、制御回路43は、読み出し回路45より転送された信号を、データ線48へ出力する。   The read circuit 45 converts the read current flowing through the selected bit line BL selected by the bit line decoder 41 out of the read current flowing through the bit line BL connected to the selected memory cell 50 indicated by the address signal. Further, the voltage-converted signal is determined in the memory information state of the memory cell 50 to be read connected to the selected bit line BL in the selected memory cells in one row, and the result is transferred to the control circuit 43 for control. The circuit 43 outputs the signal transferred from the reading circuit 45 to the data line 48.

次に、書き換え動作時における、メモリセルアレイ40への電圧印加の一例について説明する。本実施形態において、メモリセル50に使用される可変抵抗素子1または2(図1または図3参照)は、例として、図7および図8に示すようなスイッチング特性を有する。したがって、電極12を基準として電極11に正極性のセット電圧の電圧パルスを印加すると、可変抵抗素子の電気抵抗が、高抵抗状態から低抵抗状態へとスイッチングする。逆に、電極12を基準として電極11に負極性のリセット電圧の電圧パルスを印加すると、可変抵抗素子の電気抵抗が、低抵抗状態から高抵抗状態へとスイッチングする。なお、以下の説明においては、印加する電圧パルスが、セット電圧およびリセット電圧の半分の電圧振幅である場合には、スイッチング動作は発現しないものとする。   Next, an example of voltage application to the memory cell array 40 during the rewrite operation will be described. In the present embodiment, the variable resistance element 1 or 2 (see FIG. 1 or 3) used in the memory cell 50 has switching characteristics as shown in FIGS. Therefore, when a voltage pulse having a positive set voltage is applied to the electrode 11 with the electrode 12 as a reference, the electric resistance of the variable resistance element is switched from the high resistance state to the low resistance state. On the contrary, when a voltage pulse of a negative reset voltage is applied to the electrode 11 with the electrode 12 as a reference, the electric resistance of the variable resistance element is switched from the low resistance state to the high resistance state. In the following description, it is assumed that the switching operation does not occur when the applied voltage pulse has a voltage amplitude that is half of the set voltage and the reset voltage.

ここで、セット動作時には、ビット線デコーダ41およびワード線デコーダ42は、書き換え対象の選択メモリセル50に接続する選択ビット線BLに、接地電圧Vss(0V)を、選択メモリセル50に接続する選択ワード線WLに、セット電圧Vppを夫々印加する。これにより、選択メモリセル50の電極12(選択ビット線BL側)を基準として、電極11(選択ワード線WL側)に、セット電圧Vppが印加されてセット動作が実行される。このとき、ビット線デコーダ41およびワード線デコーダ42は、選択メモリセル50に接続しない非選択ビット線BLと非選択ワード線WLに対して、セット電圧Vppの2分の1の電圧(Vpp/2)を印加する。これにより、非選択ビット線BLと非選択ワード線WLに夫々接続する第1の非選択メモリセル50の両端には電圧印加が生じず、選択ビット線BLと非選択ワード線WLに夫々接続する第2の非選択メモリセル50の両端、および、非選択ビット線BLと選択ワード線WLに夫々接続する第3の非選択メモリセル50の両端には、電極12を基準として電極11には、セット電圧の半分の正電圧(Vpp/2)が印加されることになり、結果、何れの非選択メモリセル50においても、セット動作は起こらない。   Here, at the time of the set operation, the bit line decoder 41 and the word line decoder 42 select that the ground voltage Vss (0 V) is connected to the selected memory cell 50 to the selected bit line BL connected to the selected memory cell 50 to be rewritten. A set voltage Vpp is applied to each word line WL. Thus, the set operation is performed by applying the set voltage Vpp to the electrode 11 (selected word line WL side) with the electrode 12 (selected bit line BL side) of the selected memory cell 50 as a reference. At this time, the bit line decoder 41 and the word line decoder 42 are half the set voltage Vpp (Vpp / 2) with respect to the unselected bit line BL and the unselected word line WL that are not connected to the selected memory cell 50. ) Is applied. Thus, no voltage is applied to both ends of the first unselected memory cell 50 connected to the unselected bit line BL and the unselected word line WL, respectively, and the first bit line is connected to the selected bit line BL and the unselected word line WL. On both ends of the second non-selected memory cell 50 and on both ends of the third non-selected memory cell 50 respectively connected to the non-selected bit line BL and the selected word line WL, A positive voltage (Vpp / 2) that is half the set voltage is applied, and as a result, no set operation occurs in any unselected memory cell 50.

また、リセット動作時には、ビット線デコーダ41およびワード線デコーダ42は、書き換え対象の選択メモリセル50に接続する選択ビット線BLに、リセット電圧Veeを、選択メモリセル50に接続する選択ワード線WLに、接地電圧Vssを夫々印加する。これにより、選択メモリセル50の電極12(選択ビット線BL側)を基準として、電極11(選択ワード線WL側)に、負極性のリセット電圧(−Vee)が印加されてリセット動作が実行される。このとき、ビット線デコーダ41およびワード線デコーダ42は、選択メモリセル50に接続しない非選択ビット線BLと非選択ワード線WLに対して、リセット電圧Veeの2分の1の電圧(Vee/2)を印加する。これにより、非選択ビット線BLと非選択ワード線WLに夫々接続する第1の非選択メモリセル50の両端には電圧印加が生じず、選択ビット線BLと非選択ワード線WLに夫々接続する第2の非選択メモリセル50の両端、および、非選択ビット線BLと選択ワード線WLに夫々接続する第3の非選択メモリセル50の両端には、電極12を基準として電極11には、リセット電圧の半分の負電圧(−Vee/2)が印加されることになり、結果、何れの非選択メモリセル50においても、リセット動作は起こらない。   During the reset operation, the bit line decoder 41 and the word line decoder 42 apply the reset voltage Vee to the selected word line WL connected to the selected memory cell 50 and the selected bit line BL connected to the selected memory cell 50 to be rewritten. The ground voltage Vss is applied. Thereby, with the electrode 12 (selected bit line BL side) of the selected memory cell 50 as a reference, the negative reset voltage (−Vee) is applied to the electrode 11 (selected word line WL side), and the reset operation is executed. The At this time, the bit line decoder 41 and the word line decoder 42 are half the reset voltage Vee (Vee / 2) with respect to the unselected bit line BL and the unselected word line WL that are not connected to the selected memory cell 50. ) Is applied. Thus, no voltage is applied to both ends of the first unselected memory cell 50 connected to the unselected bit line BL and the unselected word line WL, respectively, and the first bit line is connected to the selected bit line BL and the unselected word line WL. On both ends of the second non-selected memory cell 50 and on both ends of the third non-selected memory cell 50 respectively connected to the non-selected bit line BL and the selected word line WL, As a result, a negative voltage (−Vee / 2) that is half of the reset voltage is applied, and as a result, no reset operation occurs in any unselected memory cell 50.

次に、読み出し動作時のメモリセルアレイ40への電圧印加の一例について説明する。読み出し動作時には、ビット線デコーダ41およびワード線デコーダ42は、読み出し対象の選択メモリセル50に接続する選択ビット線BLに、読み出し電圧Vrdを、選択メモリセル50に接続する選択ワード線WLに、接地電圧Vss(0V)を夫々印加する。これにより、選択メモリセル50の電極11(選択ワード線WL側)を基準として電極12(選択ビット線BL側)に読み出し電圧(Vrd)が印加される。このとき、選択メモリセル50に、抵抗状態に応じた読み出し電流が、選択ビット線BLから選択ワード線WLへと流れる。この読み出し電流を、ビット線デコーダ41を介して、読み出し回路45が検出することにより、読み出し動作が行われる。   Next, an example of voltage application to the memory cell array 40 during the read operation will be described. During the read operation, the bit line decoder 41 and the word line decoder 42 are connected to the selected bit line BL connected to the selected memory cell 50 to be read, the read voltage Vrd is grounded to the selected word line WL connected to the selected memory cell 50. A voltage Vss (0 V) is applied. As a result, the read voltage (Vrd) is applied to the electrode 12 (selected bit line BL side) with the electrode 11 (selected word line WL side) of the selected memory cell 50 as a reference. At this time, a read current corresponding to the resistance state flows through the selected memory cell 50 from the selected bit line BL to the selected word line WL. A read operation is performed when the read circuit 45 detects this read current via the bit line decoder 41.

なお、第2の実施形態において、電極11にワード線を、電極12にビット線を接続する構成としたが、逆に、電極11にビット線を、電極12にワード線を接続する構成としてもよい。また、読み出し動作において、ビット線デコーダ41に読み出し回路45を接続する構成としたが、ワード線デコーダ42に読み出し回路45を接続する構成としてもよい。   In the second embodiment, the word line is connected to the electrode 11 and the bit line is connected to the electrode 12, but conversely, the bit line is connected to the electrode 11 and the word line is connected to the electrode 12. Good. In the read operation, the read circuit 45 is connected to the bit line decoder 41, but the read circuit 45 may be connected to the word line decoder 42.

さらに、第2の実施形態においては、メモリセル50の構成として、第1の実施形態に説明した可変抵抗素子だけを用いた1R型のメモリセルを想定したが、本発明はこれに限るものではなく、可変抵抗素子とダイオード等の整流素子とを直列接続した1D/1R型のメモリセル構成、或いは、可変抵抗素子と選択トランジスタ(MOSFETやバイポーラトランジスタ等)の直列回路とによって構成した1T/1R型のメモリセル構成でメモリセルアレイを構成しても良い。   Further, in the second embodiment, the 1R type memory cell using only the variable resistance element described in the first embodiment is assumed as the configuration of the memory cell 50. However, the present invention is not limited to this. 1T / 1R type memory cell configuration in which a variable resistance element and a rectifying element such as a diode are connected in series, or a 1T / 1R configured by a series circuit of a variable resistance element and a selection transistor (such as a MOSFET or a bipolar transistor). The memory cell array may be configured with a type of memory cell configuration.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

なお、本発明の可変抵抗素子、その製造方法、および、該可変抵抗素子を記憶層として備える不揮発性記憶装置を以下のように構成してもよい。   In addition, you may comprise the variable resistance element of this invention, its manufacturing method, and the non-volatile memory device provided with this variable resistance element as a memory | storage layer as follows.

(第1の構成)
第1電極と第2電極の間に金属酸化物層を有し、前記第1及び第2電極間への電気的ストレスの印加に応じて、前記第1及び第2電極間の電気抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子であって、前記金属酸化物層中に、部分的に抵抗率が周囲よりも低い低抵抗領域を備えることを特徴とする可変抵抗素子。
(First configuration)
A metal oxide layer is provided between the first electrode and the second electrode, and the electrical resistance between the first and second electrodes is reversible in response to an electrical stress applied between the first and second electrodes. The variable resistance element is a variable resistance element, characterized in that a low resistance region having a resistivity partially lower than that of the surrounding is provided in the metal oxide layer.

(第2の構成)
前記低抵抗領域が、前記第1電極と前記第2電極の内の少なくとも何れか一方の特定電極を構成する元素の少なくとも一つから構成されることを特徴とする第1の構成に記載の可変抵抗素子。
(Second configuration)
The variable according to the first configuration, wherein the low-resistance region is composed of at least one element constituting at least one specific electrode of the first electrode and the second electrode. Resistance element.

(第3の構成)
前記低抵抗領域が前記金属酸化物層を構成する元素の少なくとも一つの元素から構成されることを特徴とする第1の構成に記載の可変抵抗素子。
(Third configuration)
The variable resistance element according to the first configuration, wherein the low resistance region is composed of at least one element constituting the metal oxide layer.

(第4の構成)
前記低抵抗領域が前記金属酸化物層の粒界近傍に存在すること特徴とする第2の構成または第3の構成に記載の可変抵抗素子。
(Fourth configuration)
The variable resistance element according to the second configuration or the third configuration, wherein the low resistance region exists in the vicinity of a grain boundary of the metal oxide layer.

(第5の構成)
第1電極と第2電極の間に金属酸化物層を有し、前記第1及び第2電極間への電気的ストレスの印加に応じて、前記第1及び第2電極間の電気抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子の製造方法であって、前記特定電極を構成する元素を拡散させる拡散工程によって、前記金属酸化物層中に、前記低抵抗領域を形成することを特徴とする可変抵抗素子の製造方法。
(Fifth configuration)
A metal oxide layer is provided between the first electrode and the second electrode, and the electrical resistance between the first and second electrodes is reversible in response to an electrical stress applied between the first and second electrodes. The variable resistance element is a method for manufacturing a variable resistance element, wherein the low resistance region is formed in the metal oxide layer by a diffusion step of diffusing elements constituting the specific electrode. Device manufacturing method.

(第6の構成)
前記拡散工程を、熱処理によって行うことを特徴とする請求項5に記載の可変抵抗素子の製造方法。
(Sixth configuration)
6. The method of manufacturing a variable resistance element according to claim 5, wherein the diffusion step is performed by heat treatment.

(第7の構成)
第1の構成から第4の構成までの何れか1つの構成に記載の前記可変抵抗素子を有するメモリセルと、前記可変抵抗素子の両端に電力を印加して、電気抵抗を変化させて情報の書き込み及び消去を行う情報書き換え手段と、前記可変抵抗素子の両端に読み出し電圧を印加して前記可変抵抗素子を流れる電流量から電気抵抗状態を検知して記憶された情報を読み出す情報読み出し手段と、を備えてなることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Seventh configuration)
The memory cell having the variable resistance element according to any one of the first configuration to the fourth configuration, and electric power is applied to both ends of the variable resistance element to change the electrical resistance, thereby Information rewriting means for performing writing and erasing, information reading means for applying a read voltage to both ends of the variable resistance element, detecting an electrical resistance state from the amount of current flowing through the variable resistance element, and reading stored information; A non-volatile semiconductor memory device comprising:

本発明は、リーク電流の抑制しつつ、フォーミングに必要なフォーミング電圧を低下することが可能な可変抵抗素子、その製造方法、および、該可変抵抗素子をメモリセルとして備える不揮発性記憶装置を提供するものであり、特に、携帯型または可搬型のメモリにおいて利用することが可能である。   The present invention provides a variable resistance element capable of reducing a forming voltage required for forming while suppressing leakage current, a method for manufacturing the same, and a nonvolatile memory device including the variable resistance element as a memory cell. In particular, it can be used in a portable or portable memory.

1 可変抵抗素子
1a 可変抵抗素子
1b 可変抵抗素子
2 可変抵抗素子
2a 可変抵抗素子
2b 可変抵抗素子
11 電極(第1電極)
12 電極(第2電極)
14 低抵抗物
24 低抵抗物
4 不揮発性半導体記憶装置
40 メモリセル
41 ビット線デコーダ(データ書き込み手段、データ読み出し手段)
42 ワード線デコーダ(データ書き込み手段、データ読み出し手段)
45 読み出し回路(データ読み出し手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Variable resistance element 1a Variable resistance element 1b Variable resistance element 2 Variable resistance element 2a Variable resistance element 2b Variable resistance element 11 Electrode (1st electrode)
12 electrodes (second electrode)
14 Low Resistance 24 Low Resistance 4 Nonvolatile Semiconductor Memory Device 40 Memory Cell 41 Bit Line Decoder (Data Writing Unit, Data Reading Unit)
42 Word line decoder (data writing means, data reading means)
45 Reading circuit (data reading means)

Claims (5)

第1電極および第2電極と、上記第1電極と上記第2電極とに挟まれた金属酸化物とを備え、上記第1電極および上記第2電極間に印加する電圧に応じて上記第1電極および上記第2電極間の電気抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子であって、
上記第1電極および第2電極の少なくとも一方と上記金属酸化物との間に、金属酸化物側から順に、
上記金属酸化物を構成する第1金属元素と酸素とから構成された、上記第1金属元素の原子数に対する、上記酸素の原子数の比率が高い第1の領域と、
上記第1の領域に隣接し、かつ、上記第1電極および上記第2電極の少なくとも一方を構成する第2金属元素と、上記第1金属元素と、酸素と、から構成された第2の領域と、
を備えていることを特徴とする、可変抵抗素子。
A first electrode and a second electrode; and a metal oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode, the first electrode depending on a voltage applied between the first electrode and the second electrode. A variable resistance element in which the electrical resistance between the electrode and the second electrode reversibly changes,
Between at least one of the first electrode and the second electrode and the metal oxide, in order from the metal oxide side,
A first region composed of a first metal element constituting the metal oxide and oxygen and having a high ratio of the number of oxygen atoms to the number of atoms of the first metal element;
A second region that is adjacent to the first region and that includes at least one of the first electrode and the second electrode, the second metal element, the first metal element, and oxygen. When,
A variable resistance element comprising:
上記第2金属元素は、アルミニウムであることを特徴とする、請求項1に記載の可変抵抗素子。   The variable resistance element according to claim 1, wherein the second metal element is aluminum. 上記金属酸化物は、ニッケル酸化物であることを特徴とする、請求項1または2に記載の可変抵抗素子。   The variable resistance element according to claim 1, wherein the metal oxide is nickel oxide. 第1電極および第2電極と、上記第1電極と上記第2電極とに挟まれた、金属酸化物からなる金属酸化物層とを備え、上記第1電極および上記第2電極間に印加する電圧に応じて上記第1電極および上記第2電極間の電気抵抗が可逆的に変化する可変抵抗素子であって、
上記金属酸化物層内に、上記第1電極および上記第2電極の少なくとも一方から離間した、上記金属酸化物よりも電気抵抗の低い低抵抗物であって、上記金属酸化物を構成する少なくとも1種類の金属元素から構成される低抵抗物をさらに備えており、
上記金属酸化物は、多結晶であり、
上記低抵抗物は、上記金属酸化物の粒界に析出した上記金属元素から構成されていることを特徴とする可変抵抗素子。
A first electrode and a second electrode; and a metal oxide layer made of a metal oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode, and applied between the first electrode and the second electrode. A variable resistance element in which an electrical resistance between the first electrode and the second electrode reversibly changes according to a voltage;
In the metal oxide layer, a low-resistance material having a lower electrical resistance than the metal oxide and separated from at least one of the first electrode and the second electrode, and at least one constituting the metal oxide It further comprises a low resistance material composed of various metal elements ,
The metal oxide is polycrystalline,
The variable resistance element , wherein the low-resistance material is composed of the metal element deposited at a grain boundary of the metal oxide .
上記第1電極と上記第2電極の間に電圧を印加してフォーミングを行った後に、上記第1電極および上記第2電極間に印加する電圧に応じて電気抵抗が可逆的に変化することを特徴とする請求項4に記載の可変抵抗素子。 After forming by applying a voltage between the first electrode and the second electrode, the electrical resistance reversibly changes according to the voltage applied between the first electrode and the second electrode. The variable resistance element according to claim 4 .
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