JP5547111B2 - 不揮発性抵抗変化素子および不揮発性抵抗変化素子の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態に係る不揮発性抵抗変化素子の概略構成を示す断面図である。
図1において、この不揮発性抵抗変化素子では、第1電極1上に抵抗変化層2が積層されている。そして、抵抗変化層2上にはイオン活性化層3を介して第2電極4が積層されている。
図3(a)において、第2電極4にセット電圧が印加されると、第2電極4から第1電極1に向かう電界E1が抵抗変化層2にかかる。そして、イオン活性化層3と第2電極4との界面で第2電極4の銀Agがイオン化され、銀イオンAg+が抵抗変化層2に侵入するとともに、電子e−が第1電極1を介して抵抗変化層2に供給される。
図4(a)において、第2電極4にリセット電圧が印加されると、第1電極1から第2電極4に向かう電界E2が抵抗変化層2にかかり、第1電極1を介してホールh+が抵抗変化層2およびイオン活性化層3に供給される。
図5において、銀Agが銀イオンAg+と電子e−とに変化するには、活性化エネルギーで決まる障壁を越える必要がある。そして、第2電極4と抵抗変化層2との間にイオン活性化層3がある場合の活性化エネルギーE1は、第2電極4と抵抗変化層2との間にイオン活性化層3がない場合の活性化エネルギーE2よりも小さくなる。このため、第2電極4と抵抗変化層2との間にイオン活性化層3を挿入することにより、抵抗変化層2の抵抗を変化させるのに必要な電圧を低減させることができる。
電気化学的には、電極反応は、以下のButler−Volmer方程式によって記述される。
J=2J0sinh(qeΔη1/(2kBT))
dl(t)/dt≒1/(ρAgqe)FfJ, 0<l(t)<l
Ff=Sf/S
Δη2=((l−l(t))/ρAg ++l(t)/ρAg/Ff)J
ただし、ρAg +はアモルファスシリコン中でのAgイオンの導電率である。
V(t)=Δη1+Δη2
Ff≒0.2
ρAg +≒9.4×10−7Ω−1cm−1
J0≒9.4×10−17A/cm2
図6において、フィラメント接続電圧に関して、正規化実効電極反応断面積Ffおよび過電圧Δη1の依存性を計算した。ここで、電極反応が起こるために必要な過電圧(活性化エネルギー)が低下すると、フィラメント接続電圧は低下する。
次に、第2実施形態に係る不揮発性抵抗変化素子の製造方法について説明する。なお、この第2実施形態では、図1の第1電極1としてp型Si、抵抗変化層2およびイオン活性化層3としてアモルファスシリコン、第2電極4として銀Agを用いた場合を例にとる。
図7は、第3実施形態に係る不揮発性抵抗変化素子の概略構成を示す断面図である。
図7において、この不揮発性抵抗変化素子では、第1電極11上に抵抗変化層12が積層されている。そして、抵抗変化層12上にはイオン導電層13を介して第2電極14が積層されている。
図8は、第4実施形態に係る不揮発性抵抗変化素子の概略構成を示す断面図である。
図8において、この不揮発性抵抗変化素子では、第1電極21上に抵抗変化層22が積層されている。そして、抵抗変化層22上にはイオン活性化層23およびイオン導電層24を順次介して第2電極25が積層されている。
図9は、第5実施形態に係る不揮発性抵抗変化素子の製造方法を示す断面図である。なお、この第5実施形態では、図8の第1電極21としてp型Si、抵抗変化層22およびイオン活性化層23としてアモルファスシリコン、イオン導電層24としてAgI、第2電極25として銀Agを用いた場合を例にとる。
図9(a)において、例えば、加速電圧30keV、ドーズ量2×1015cm−2という条件でシリコン単結晶基板にBイオンを注入し、その後活性化アニールを施して形成したp型Si領域を第1電極21とする。
図10は、第6実施形態に係る不揮発性抵抗変化素子の製造方法を示す断面図である。
図10において、図10(a)〜図10(e)の工程は図9(a)〜図9(e)の工程と同一である。
図11(a)は、第7実施形態に係る不揮発性抵抗変化素子が適用されるメモリセルアレイの概略構成を示す平面図、図11(b)は、図11(a)のメモリセルアレイのクロスポイント部分の概略構成を示す断面図である。
図11(a)および図11(b)において、メモリセルアレイ30には、下部配線31が列方向に形成され、上部配線34が行方向に形成されている。そして、下部配線31と上部配線34との間のクロスポイント部分には、整流素子32を介して不揮発性抵抗変化素子33が配置されている。ここで、不揮発性抵抗変化素子33は、例えば、図1、図7または図8の不揮発性抵抗変化素子を用いることができる。また、図11(b)の例では、不揮発性抵抗変化素子33に整流素子32を設ける方法について説明したが、整流素子32は除去するようにしてもよい。
図12において、メモリセルアレイ30の周辺には、行選択を行う制御部35および列選択を行う制御部36が設けられている。そして、選択セルの書き込みを行う場合、選択列の下部配線31にセット電圧Vsetを印加し、非選択列の下部配線31にセット電圧Vsetの1/2の電圧を印加する。また、選択行の上部配線34に0Vを印加し、非選択行の上部配線34にセット電圧Vsetの1/2の電圧を印加する。
図13において、選択セルの読み出しを行う場合、選択列の下部配線31にリード電圧Vreadの1/2の電圧を印加し、非選択列の下部配線31に0Vを印加する。また、選択行の上部配線34にリード電圧Vreadの−1/2の電圧を印加し、非選択行の上部配線34に0Vを印加する。
図14において、選択セルの消去を行う場合、選択列の下部配線31にリセット電圧Vresetを印加し、非選択列の下部配線31にリセット電圧Vresetの1/2の電圧を印加する。また、選択行の上部配線34に0Vを印加し、非選択行の上部配線34にリセット電圧Vresetの1/2の電圧を印加する。
図15は、第8実施形態に係る不揮発性抵抗変化素子の概略構成を示す断面図である。
図15において、半導体基板41上には、ゲート絶縁膜44を介してゲート電極45が形成され、ゲート電極45上にはワード線46が形成されている。そして、半導体基板41には、ゲート電極45下に形成されるチャネル領域を挟むようにして不純物拡散層42、43が形成されることで、トランジスタ51が形成されている。ここで、不純物拡散層43にはソース線47が接続されている。
また、半導体基板41上には、トランジスタ51に隣接するようにして不揮発性抵抗変化素子33が配置されている。なお、不揮発性抵抗変化素子33としては、例えば、図1と同様の構成を用いることができる。そして、不揮発性抵抗変化素子33の第2電極4は、接続導体48を介して不純物拡散層42に接続され、不揮発性抵抗変化素子33の第1電極1は、接続導体49を介してビット線50に接続されている。
そして、ワード線46を介してトランジスタ51をオンさせることにより、不揮発性抵抗変化素子33にアクセスすることができ、読み書き対象となる不揮発性抵抗変化素子33を選択することができる。
なお、図15の例では、不揮発性抵抗変化素子33として図1の構成を用いた場合について説明したが、図7または図8の構成を用いるようにしてもよい。
図16において、図15の半導体基板41上には、ビット線BL1〜BL3がカラム方向に配線されるとともに、ワード線WL1〜WL3がロウ方向に配線されている。各ビット線BL1〜BL3と各ワード線WL1〜WL3のクロスポイント部分には、不揮発性抵抗変化素子33およびトランジスタ51が配置され、不揮発性抵抗変化素子33とトランジスタ51とは互いに直列に接続されている。
ここで、同一カラムの不揮発性抵抗変化素子33の一端は同一のビット線BL1〜BL3に接続され、同一ロウのトランジスタ51の一端は同一のソース線SL1〜SL3に接続されている。また、同一ロウのトランジスタ51のゲート電極45は同一のワード線WL1〜WL3に接続されている。
そして、ワード線WL1〜WL3を介してトランジスタ51をオンさせることにより、選択ロウの不揮発性抵抗変化素子33の第1電極1と第2電極4との間に電圧を印加させることができる。このため、選択ロウの不揮発性抵抗変化素子33の読み出し時に非選択ロウの不揮発性抵抗変化素子33に電流が流れるのを防止することができ、読み出し時間を短くすることができる。
図17は、第9実施形態に係る不揮発性抵抗変化素子の概略構成を示す断面図である。
図17において、下部配線61上には不揮発性抵抗変化素子33が配置され、不揮発性抵抗変化素子33上には接続導体62を介してユニポーラ型抵抗変化素子67が配置され、ユニポーラ型抵抗変化素子67上には上部配線66が配置されている。ユニポーラ型抵抗変化素子67では、下部電極63上に抵抗変化層64が積層され、抵抗変化層64上に上部電極65が積層されている。なお、抵抗変化層64としては、例えば、HfO2、ZrO2、NiO、V2O5、ZnO、TiO2、Nb2O5、WO3、CoOなどの遷移金属酸化物を用いることができる。このユニポーラ型抵抗変化素子67では、抵抗変化層64に印加されるパルスストレスの振幅および時間を変化させることで抵抗変化層64の抵抗を変化させることができる。
そして、ユニポーラ型抵抗変化素子67に順バイアスがかる場合、下部配線61を介して不揮発性抵抗変化素子33にセット電圧Vsetを印加することで、図3(a)の導電性フィラメントFを抵抗変化層2に形成し、不揮発性抵抗変化素子33を低抵抗化することができる。
一方、ユニポーラ型抵抗変化素子67に逆バイアスがかる場合、下部配線61を介して不揮発性抵抗変化素子33にリセット電圧Vresetを印加することで、図3(a)の導電性フィラメントFを抵抗変化層2から消滅させ、不揮発性抵抗変化素子33を高抵抗化することができる。
ここで、ユニポーラ型抵抗変化素子67に不揮発性抵抗変化素子33を直列に接続することにより、ユニポーラ型抵抗変化素子67にダイオードを直列に接続した場合に比べてオンオフ比を稼ぐことができる。
なお、図17の例では、不揮発性抵抗変化素子33として図1の構成を用いた場合について説明したが、図7または図8の構成を用いるようにしてもよい。
図18において、ビット線BL1〜BL3がカラム方向に配線されるとともに、ワード線WL1〜WL3がロウ方向に配線されている。各ビット線BL1〜BL3と各ワード線WL1〜WL3のクロスポイント部分には、不揮発性抵抗変化素子33および、ユニポーラ型抵抗変化素子67が配置され、不揮発性抵抗変化素子33とユニポーラ型抵抗変化素子67とは互いに直列に接続されている。
ここで、同一カラムのユニポーラ型抵抗変化素子67の一端は同一のビット線BL1〜BL3に接続され、同一ロウの不揮発性抵抗変化素子33の一端は同一のワード線WL1〜WL3に接続されている。
Claims (6)
- 第1電極と、
金属元素を有する第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に配置され、半導体元素を有する第一層と、
前記第2電極と前記第一層との間に挿入され、前記半導体元素を有し、前記第一層よりも前記半導体元素が未終端である比率が高い第二層とを備えることを特徴とする不揮発性抵抗変化素子。 - 前記第二層において前記半導体元素が未終端である比率が前記第一層に比べて5倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性抵抗変化素子。
- 第1電極と、
金属元素を有する第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に配置され、半導体元素を有する第一層と、
前記第2電極と前記第一層との間に挿入され、前記第一層よりも前記金属元素のイオンの導電率が高い第三層と、
前記第三層と前記第一層との間に挿入され、前記第一層よりも前記半導体元素が未終端である比率が高い第二層とを備えることを特徴とする不揮発性抵抗変化素子。 - 前記金属元素から構成される導電性フィラメントが前記第一層内に形成されることで高低抵抗状態から低抵抗状態に変化し、前記第一層内の前記導電性フィラメントが縮小させられることで低抵抗状態から高低抵抗状態に変化することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の不揮発性抵抗変化素子。
- 半導体元素を有する第一層を第1電極上に形成する工程と、
前記第一層の形成時よりも原料ガス中の水素ガスの含有量を減少させることにより、前記第一層よりも前記半導体元素が未終端である比率が高い第二層を前記第一層上に形成する工程と、
金属元素を有する第2電極を前記第二層上に形成する工程とを備えることを特徴とする不揮発性抵抗変化素子の製造方法。 - 半導体元素を有する第一層を第1電極上に形成する工程と、
前記第一層の表面をハロゲン化する工程と、
金属元素を有する第2電極を前記ハロゲン化された第一層上に形成することで、前記第2電極と前記第一層との間に金属ハロゲン化合物層を挿入させる工程とを備えることを特徴とする不揮発性抵抗変化素子の製造方法。
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