JP5698714B2 - Nonvolatile memory device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、不揮発性記憶装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a nonvolatile memory device.
不揮発性記憶装置として、抵抗変化型メモリ(抵抗変化型の不揮発性記憶装置)がある。抵抗変化型メモリでは、例えば、浮遊ゲート型NAND−Flashメモリよりも高密度なメモリを実現することができる。抵抗変化型の不揮発性記憶装置において、さらなる高記憶密度化が望まれる。 As a nonvolatile memory device, there is a resistance change type memory (resistance change type nonvolatile memory device). In the resistance change type memory, for example, a memory having a higher density than a floating gate type NAND-Flash memory can be realized. In the variable resistance nonvolatile memory device, further higher memory density is desired.
本発明の実施形態は、高記憶密度の不揮発性記憶装置を提供する。 Embodiments of the present invention provide a high storage density nonvolatile memory device.
本発明の実施形態によれば、第1導電部と、第2導電部と、記憶層と、を備えた不揮発性記憶装置が提供される。前記第2導電部は、リチウム、クロム、鉄、銅、インジウム、テルル、カルシウム、ナトリウム、銀、コバルト、金、チタン、タングステン、エルビウム、白金、アルミニウム及びニッケルの少なくともいずれかの金属原子、または前記少なくともいずれかの金属原子を含む合金を含む。前記記憶層は、第1導電型の第1半導体層と、第2導電型の第2半導体層と、を含む。前記第1半導体層は、前記第1導電部と前記第2導電部との間に設けられ、前記第1導電部に接触する。前記第2半導体層は、前記第1半導体層と前記第2導電部との間に設けられ、前記第1半導体層に接触するとともに前記第2導電部に接触する。前記記憶層は、前記第1導電部と前記第2導電部とを介して印加される電圧及び供給される電流の少なくともいずれかにより、抵抗が低い第1状態と前記第1状態よりも抵抗が高い第2状態との間で可逆的に遷移する。 According to the embodiment of the present invention, a nonvolatile memory device including a first conductive part, a second conductive part, and a storage layer is provided. The second conductive part may be at least one metal atom of lithium, chromium, iron, copper, indium, tellurium, calcium, sodium, silver, cobalt, gold, titanium, tungsten, erbium, platinum, aluminum, and nickel, or An alloy containing at least one metal atom is included. The storage layer includes a first semiconductor layer of a first conductivity type and a second semiconductor layer of a second conductivity type. The first semiconductor layer is provided between the first conductive portion and the second conductive portion, and is in contact with the first conductive portion . The second semiconductor layer is provided between the first semiconductor layer and the second conductive part, and is in contact with the first semiconductor layer and in contact with the second conductive part . The memory layer has a resistance lower than that of the first state and the first state due to at least one of a voltage applied via the first conductive portion and the second conductive portion and a supplied current. Transition reversibly between high second states.
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的断面図である。
図1に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置110は、第1導電部10と、第2導電部20と、記憶層15と、を備える。記憶層15は、第1導電部10と第2導電部20との間に設けられる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the nonvolatile memory device according to the first embodiment.
As illustrated in FIG. 1, the
記憶層15には、例えば、第1導電部10と第2導電部20とを介して印加される電圧が印加される。記憶層15には、例えば、第1導電部10と第2導電部20とを介して電流が供給される。記憶層15は、印加された電圧及び供給された電流の少なくともいずれかにより、抵抗が低い第1状態(低抵抗状態)と、第1状態よりも抵抗が高い第2状態(高抵抗状態)との間を可逆的に遷移可能である。
For example, a voltage applied via the first
不揮発性記憶装置110は、記憶層15の状態の遷移により、情報の記憶を行う。例えば、高抵抗状態をデジタル信号の「0」とし、低抵抗状態をデジタル信号の「1」とする。これにより、デジタル信号の1ビットの情報を記憶することができる。
The
ここで、第1導電部10と第2導電部20との積層方向をZ軸方向とする。Z軸方向は、例えば、第1導電部10の表面、第2導電部20の表面、及び、記憶層15の表面に対して直交する。
Here, the stacking direction of the first
第1導電部10は、例えば、タングステン、モリブデン、チタン、クロム、タンタル及びニッケルの少なくともいずれかを含む。第1導電部10には、例えば、TiNが用いられる。第1導電部10に用いられる導電性材料は、例えば、不純物を導入した半導体材料でもよい。例えば、第1導電部10は、ホウ素を導入したシリコンでもよい。
The first
第2導電部20は、例えば、リチウム、クロム、鉄、銅、インジウム、テルル、カルシウム、ナトリウム、銀、コバルト、金、チタン、タングステン、エルビウム、白金、アルミニウム及びニッケルの少なくともいずれかの金属原子を含む。第2導電部20は、例えば、前記少なくともいずれかの金属原子を含む合金を含んでもよい。例えば、シリサイドなどの合金を第2導電部20に用いてもよい。この例において、第2導電部20は、銀を含む。第2導電部20は、導電性を有するマトリクス材料をさらに含んでもよい。第2導電部20の前記少なくともいずれかの金属原子または合金は、例えば、マトリクス材料中に含有させてもよい。例えば、金属原子または合金が、マトリクス材料に取り囲まれる。金属原子または合金が、マトリクス材料中に分散される。この場合、金属原子の凝集エネルギーまたは合金の凝集エネルギーは、マトリクス材料の凝集エネルギーよりも低くする。「凝集エネルギー」とは、原子間に働く引力であり、液体または固体を構成している原子またはイオンを、無限遠まで引き離すために必要なエネルギーである。凝集エネルギーの低い原子は、凝集エネルギーの高い原子よりもイオン化し易い。すなわち、金属原子または合金は、マトリクス材料よりもイオン化し易い。
The second
マトリクス材料には、例えば、タングステン、モリブデン、チタン、クロム、タンタル及びニッケルの少なくともいずれかが用いられる。マトリクス材料は、例えば、不純物を導入した半導体材料でもよい。例えば、マトリクス材料は、リンを導入したシリコンでもよい。 As the matrix material, for example, at least one of tungsten, molybdenum, titanium, chromium, tantalum, and nickel is used. The matrix material may be, for example, a semiconductor material into which impurities are introduced. For example, the matrix material may be silicon doped with phosphorus.
記憶層15は、第1導電型形の第1半導体層31と、第2導電型の第2半導体層32と、を含む。第1半導体層31は、第1導電部10と第2導電部20との間に設けられる。第2半導体層32は、第1半導体層31と第2導電部20との間に設けられる。第1導電型は、例えば、n型である。第2導電型は、例えば、p型である。以降では、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明を行う。すなわち、第1半導体層31は、n型の半導体層であり、第2半導体層32は、p型の半導体層である。
The
この例において、第1半導体層31は、第2半導体層32と接触している。第1半導体層31と第2半導体層32とは、互いにpn接合している。また、第1半導体層31は、第1導電部10と接触している。第2半導体層32は、第2導電部20と接触している。記憶層15は、第1導電部10と向かい合う第1面15aと、第2導電部20と向かい合う第2面15bと、を有する。第2面15bは、第1面15aと反対側の面である。この例において、第1面15aは、第1導電部10と接触し、第2面15bは、第2導電部20と接触する。
In this example, the
第1半導体層31及び第2半導体層32には、例えば、ポリシリコンやアモルファスシリコンなどの半導体材料が用いられる。第1半導体層31は、例えば、半導体材料に砒素やリンなどのドナーを導入することで形成される。第2半導体層32は、例えば、半導体材料にボロンなどのアクセプタを導入することで形成される。
For the
第1半導体層31の厚さ(Z軸方向に沿う長さ)は、例えば、100nm(50nm以上200nm以下)である。第2半導体層32の厚さは、例えば、400nm(200nm以上600nm以下)である。
The thickness (length along the Z-axis direction) of the
図2は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図2は、記憶層15に含まれる不純物の濃度プロファイルを表す。
図2の横軸は、Z軸方向の位置z(nm)であり、縦軸は、不純物の濃度IC(cm−3)である。また、図2において、実線は、アクセプタの濃度を表し、破線は、ドナーの濃度を表す。
図2に表したように、第1半導体層31に含まれるドナーの濃度は、例えば、約7×1018cm−3(1×1018cm−3以上1×1019cm−3以下)である。第2半導体層32に含まれるアクセプタの濃度は、例えば、約1×1021cm−3(1×1019cm−3以上1×1022cm−3以下)である。
FIG. 2 is a graph illustrating characteristics of the nonvolatile memory device according to the first embodiment.
FIG. 2 shows a concentration profile of impurities contained in the
The horizontal axis in FIG. 2 is the position z (nm) in the Z-axis direction, and the vertical axis is the impurity concentration IC (cm −3 ). In FIG. 2, the solid line represents the acceptor concentration, and the broken line represents the donor concentration.
As illustrated in FIG. 2, the concentration of the donor included in the
図3(a)〜図3(c)は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図3(a)は、高抵抗状態の記憶層15を表し、図3(b)及び図3(c)は、低抵抗状態の記憶層15を表す。
図3(a)〜図3(c)に表したように、記憶層15は、第2面15bから第1面15aに向かって延びる金属部16を有する。金属部16は、第2導電部20に含まれる金属原子を含む。すなわち、この例において、金属部16は、銀を含む。
FIG. 3A to FIG. 3C are schematic cross-sectional views illustrating the configuration of a part of the nonvolatile memory device according to the first embodiment.
3A shows the
As illustrated in FIG. 3A to FIG. 3C, the
金属部16は、第1導電部10と第2導電部20とを介して印加される電圧及び供給される電流の少なくともいずれかにより、Z軸方向に沿う長さD1を変化させる。金属部16の長さD1は、第1導電部10と第2導電部20とを介して印加される電圧及び供給される電流の少なくともいずれかによって変化する。記憶層15は、金属部16の長さD1によって低抵抗状態と高抵抗状態との間で遷移する。
The
図3(a)〜図3(c)に表したように、記憶層15は、金属部16の長さD1を短くした状態において高抵抗状態となり、金属部16の長さD1を長くした状態において低抵抗状態となる。金属部16は、例えば、フィラメントやメタルブリッジなどと呼ばれる場合もある。
As shown in FIGS. 3A to 3C, the
金属部16の長さD1を長くする場合には、第1導電部10と第2導電部20との間に、順方向の電圧を印加する。順方向の電圧は、例えば、第1導電部10を接地し、第2導電部20に正電圧を印加することで実現される。すなわち、順方向の電圧においては、第2導電部20の電位を第1導電部10の電位よりも高くする。
In order to increase the length D1 of the
第1導電部10と第2導電部20との間に順方向の電圧を印加すると、第2導電部20に含まれる銀原子がイオン化し、正の銀イオンとなる。銀イオンは、第1導電部10と第2導電部20との間の電界によって記憶層15中に拡散する。そして、銀イオンは、記憶層15中において、第1導電部10から供給された電子と結合し、銀原子となる。このように、第1導電部10と第2導電部20との間に順方向の電圧を印加すると、第2導電部20に含まれる銀原子(金属原子)が、記憶層15に析出する。すなわち、銀原子によって金属部16が形成される。これにより、順方向の電圧の印加によって、金属部16の長さD1が長くなる。
When a forward voltage is applied between the first
金属部16の長さD1を短くする場合には、第1導電部10と第2導電部20との間に、逆方向の電圧を印加する。逆方向の電圧は、例えば、第1導電部10に正電圧を印加し、第2導電部20を接地することで実現される。すなわち、逆方向の電圧においては、第2導電部20の電位を第1導電部10の電位よりも低くする。
When the length D1 of the
第1導電部10と第2導電部20との間に逆方向の電圧を印加すると、金属部16に含まれる銀原子がイオン化して正の銀イオンとなる。銀イオンは、第1導電部10と第2導電部20との間の電界によって、記憶層15から第2導電部20に向けて移動する。これにより、逆方向の電圧の印加によって、金属部16の長さD1が短くなる。
When a reverse voltage is applied between the first
記憶層15は、(1)式で表される第1条件を満たすときに低抵抗状態となり、第1条件を満たさないときに高抵抗状態となる。
(1)式には、
第1半導体層31と金属部16との間のZ軸方向に沿う距離Δd(cm)、
第2半導体層32の誘電率εsem(Fcm−1)、
金属部16のフェルミ準位を基準にした第2半導体層32の伝導バンドのショットキー・バリア高さφB(eV)(図4参照)、
単位素電荷q(C)、及び、
第2半導体層32の不純物濃度Nx(cm−3)、
が示される。
距離Δdは、より詳しくは、金属部16のZ軸方向の端部16aと第1半導体層31との間のZ軸方向に沿う距離である。単位素電荷qは、例えば、約1.6×10−19Cである。不純物濃度Nxは、アクセプタの濃度とドナーの濃度との差分で表される実効的な不純物濃度である。不純物濃度Nxは、いわゆるネット濃度である。
The
(1)
A distance Δd (cm) along the Z-axis direction between the
Dielectric constant ε sem (Fcm −1 ) of the
Schottky barrier height φ B (eV) of the conduction band of the
Unit elementary charge q (C), and
Impurity concentration N x (cm −3 ) of the
Is shown.
More specifically, the distance Δd is a distance along the Z-axis direction between the end 16 a of the
図3(a)〜図3(c)には、低抵抗状態となる最短の金属部16の長さD2が示される。長さD2は、(1)式において右辺と左辺とが等しい場合である。高抵抗状態となる図3(a)においては、長さD1が、長さD2より短い。低抵抗状態となる図3(b)及び図3(c)においては、長さD1が、長さD2より長い。
3A to 3C show the length D2 of the
図3(c)に表したように、金属部16は、第2半導体層32を貫通してもよい。金属部16の長さD1は、第2半導体層32の厚さより長くてもよい。この場合、金属部16は、第1半導体層31に接触する。すなわち、金属部16と第1半導体層31とが、互いにショットキー接合する。
As shown in FIG. 3C, the
図4(a)〜図4(c)は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置の特性を例示する模式的バンド図である。
図4(a)〜図4(c)の縦軸は、ポテンシャルエネルギーEnであり、横軸は、Z軸方向の位置zである。
図4(a)においては、長さD1が、長さD2より短い。図4(b)及び図4(c)においては、長さD1が、長さD2より長い。また、図4(b)においては、長さD1が、第2半導体層32の厚さより短く、図4(c)においては、長さD1が、第2半導体層32の厚さより長い。すなわち、図4(a)は、図3(a)の状態に対応し、図4(b)は、図3(b)の状態に対応し、図4(c)は、図3(c)の状態に対応する。
FIG. 4A to FIG. 4C are schematic band diagrams illustrating characteristics of the nonvolatile memory device according to the first embodiment.
4A to 4C, the vertical axis represents the potential energy En, and the horizontal axis represents the position z in the Z-axis direction.
In FIG. 4A, the length D1 is shorter than the length D2. In FIGS. 4B and 4C, the length D1 is longer than the length D2. 4B, the length D1 is shorter than the thickness of the
図4(a)に表したように、長さD1が長さD2より短い場合(第1条件を満たさない場合)、記憶層15は、pn接合ダイオードの特性を示す。
一方、図4(c)に表したように、金属部16が第2半導体層32を貫通して第1半導体層31に達した場合、記憶層15は、ショットキーバリアダイオードの特性を示す。
また、図4(b)に表したように、長さD1が長さD2より長い場合(第1条件を満たす場合)には、金属部16と第1半導体層31との間の第2半導体層32の厚さが薄くなり、ショットキーバリアダイオードと実質的に同じ特性を示す。
As shown in FIG. 4A, when the length D1 is shorter than the length D2 (when the first condition is not satisfied), the
On the other hand, as shown in FIG. 4C, when the
As shown in FIG. 4B, when the length D1 is longer than the length D2 (when the first condition is satisfied), the second semiconductor between the
ショットキーバリアダイオードに順方向の電圧を印加したときの抵抗値は、pn接合ダイオードに順方向の電圧を印加したときの抵抗値より低い。これにより、金属部16の長さD1を長さD2より長くすることによって、記憶層15が低抵抗状態となり、金属部16の長さD1を長さD2より短くすることによって、記憶層15が高抵抗状態となる。
The resistance value when a forward voltage is applied to the Schottky barrier diode is lower than the resistance value when a forward voltage is applied to the pn junction diode. Thereby, by making the length D1 of the
低抵抗状態の記憶層15では、記憶層15のうちの金属部16以外の部分で、第1半導体層31と第2半導体層32とがpn接合している。低抵抗状態の記憶層15に逆方向の電圧を印加した場合、pn接合部分から延びる空乏層が、金属部16と第1半導体層31との間にも延在する。これにより、第1導電部10から第2導電部20に向かって流れる逆方向の電流は、pn接合の空乏層によって遮断される。このように、不揮発性記憶装置110においては、順方向の電圧が印加された場合には、ショットキー接合の低いオン電圧を得ることができ、逆方向の電圧が印加された場合には、pn接合の低いリーク電流を得ることができる。
In the
不揮発性記憶装置110においては、記憶層15が、電圧または電流によって抵抗値を変化させる抵抗変化素子としての機能と、意図せぬ電流経路の発生を抑える整流素子としての機能と、を持つ。このため、不揮発性記憶装置110では、整流素子などを別途設ける必要がなく、微細化に有利である。例えば、不揮発性記憶装置110では、抵抗変化素子と整流素子とをZ軸方向に積層させる従来の構成に比べて、薄型化できる。これにより、不揮発性記憶装置110によれば、記憶密度が向上できる。
In the
また、抵抗変化素子と整流素子とを接続する従来の不揮発性記憶装置の構成では、抵抗変化素子と整流素子との接続にともなう寄生抵抗が多い。これに対し、不揮発性記憶装置110では、抵抗変化素子と整流素子とを接続する必要が無いので、寄生抵抗も抑えることができる。
Further, in the configuration of the conventional nonvolatile memory device that connects the variable resistance element and the rectifying element, there are many parasitic resistances accompanying the connection between the variable resistance element and the rectifying element. On the other hand, in the
不揮発性記憶装置110において、(1)式で表される第1条件によって金属部16の長さD1を規定する。第1条件は、ショットキーバリアの空乏層幅で金属部16の長さD1を規定する。これにより、第2導電部20の金属原子と、金属部16の構造と、動作電圧及び動作電流と、の関係を適切に制御することができる。
In the
第2導電部20に含まれる金属原子は、例えば、合金を形成し難い金属原子のグループと、合金を形成し易い金属原子のグループと、に分類することができる。合金を形成し難い金属原子のグループとしては、例えば、リチウム、クロム、インジウム、テルル、カルシウム及びナトリウムなどが挙げられる。一方、合金を形成し易い金属原子のグループとしては、例えば、コバルト、鉄、銅、チタン、タングステン、エルビウム、白金、アルミニウム、ニッケル、銀及び金などが挙げられる。
The metal atoms contained in the second
合金を形成し易い金属原子を第2導電部20に用いた場合には、例えば、第2導電部20に含まれる金属原子が、第2半導体層32に含まれるシリコンと結合し、シリサイドを含む金属部16を形成することができる。例えば、モノシリサイドは、ダイシリサイドに比べて第2半導体層32における拡散性が高い。ダイシリサイドの導電率は、同じ金属原子を含むモノシリサイドの導電率よりも高い。
When metal atoms that easily form an alloy are used for the second
例えば、合金を形成し易い金属原子を第2導電部20に用いた場合において、記憶層15を高抵抗状態から低抵抗状態にする際に、第1導電部10と第2導電部20との間に電圧を印加するとともに、記憶層15及び第2導電部20の少なくとも一方の温度を、金属原子がモノシリサイド化し易い第1温度に設定する。これにより、例えば、第2半導体層32に拡散し易いモノシリサイドを含む金属部16が形成され、金属部16の長さD1を変化させ易くすることができる。すなわち、金属部16の長さD1の制御性を高めることができる。
For example, when a metal atom that easily forms an alloy is used for the second
また、記憶層15を低抵抗状態にした後、記憶層15及び第2導電部20の少なくとも一方の温度を、金属原子がダイシリサイド化し易い第2温度に設定することにより、金属部16をダイシリサイド化させる。これにより、モノシリサイドを含む場合に比べて、金属部16の長さD1が、変化し難くなる。すなわち、記憶層15の記憶保持時間を適切に保つことができる。
In addition, after the
一般的に、第2温度は、第1温度よりも高い。第1温度及び第2温度の設定は、例えば、記憶層15及び第2導電部20の少なくとも一方の温度を調節する温度調節部を、不揮発性記憶装置110に設けることによって実現することができる。温度調節部には、例えば、ヒータなどを用いることができる。
In general, the second temperature is higher than the first temperature. The first temperature and the second temperature can be set, for example, by providing the
このように、合金を形成し易い金属原子を第2導電部20に用いることにより、例えば、金属部16をシリサイド化させることが可能となり、不揮発性記憶装置110の設計や動作の自由度を高めることができる。このように、第2導電部20においては、合金を形成し易い金属原子を用いることが、より好適である。
As described above, by using metal atoms that easily form an alloy for the second
図5は、第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的断面図である。
図5に表したように、不揮発性記憶装置111は、制御部40を備える。制御部40は、第1導電部10及び第2導電部20と電気的に接続されている。制御部40は、第1導電部10と第2導電部20との間に電圧を印加することにより、記憶層15の低抵抗状態と高抵抗状態との切り替え、及び、記憶層15の状態の読み出しを行う。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of another nonvolatile memory device according to the first embodiment.
As illustrated in FIG. 5, the
制御部40は、記憶層15を高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させる場合、第1導電部10と第2導電部20との間に、順方向の書き込み電圧を印加する。書き込み電圧では、第1導電部10と第2導電部20との間の電位差を、例えば、5Vに設定する。
The
制御部40は、記憶層15を低抵抗状態から高抵抗状態に遷移させる場合、第1導電部10と第2導電部20との間に、逆方向のリセット電圧を印加する。リセット電圧では、第1導電部10と第2導電部20との間の電位差を、例えば、5Vに設定する。
The
制御部40は、記憶層15の状態を読み出す場合、第1導電部10と第2導電部20との間に、書き込み電圧よりも小さい順方向の電圧である読み出し電圧を印加する。
制御部40は、(2)式で表される第2条件を満たす読み出し電圧を印加する。
(2)式には、
読み出し電圧Vread(V)、
ボルツマン定数kB(JK−1)、
絶対温度TA(K)、
単位素電荷q(C)、
第2半導体層32に含まれる電子の濃度Nn(cm−3)、及び、
第2半導体層32に含まれる正孔の濃度Np(cm−3)、
が示される。
ボルツマン定数kBは、例えば、約1.38×10−23(JK−1)である。
When reading the state of the
The
(2)
Read voltage V read (V),
Boltzmann constant k B (JK −1 ),
Absolute temperature T A (K),
Unit elementary charge q (C),
The concentration N n (cm −3 ) of electrons contained in the
The concentration N p (cm −3 ) of holes contained in the
Is shown.
The Boltzmann constant k B is, for example, about 1.38 × 10 −23 (JK −1 ).
(2)式において、電子の濃度Nnは、(3)式で求めることができる。
(3)式には、
第2半導体層32に含まれるドナーの濃度ND(cm−3)、及び、
真性キャリア濃度ni(cm−3)、
が示される。
In the equation (2), the electron concentration N n can be obtained by the equation (3).
(3)
The concentration N D (cm −3 ) of the donor contained in the
Intrinsic carrier concentration n i (cm −3 ),
Is shown.
(2)式において、正孔の濃度Npは、(4)式で求めることができる。
(4)式には、
第2半導体層32に含まれるアクセプタの濃度NA(cm−3)が示される。
(2) In the equation, the concentration N p of the hole can be obtained by (4).
(4)
The acceptor concentration N A (cm −3 ) contained in the
(3)式及び(4)式において、真性キャリア濃度niは、(5)式で求めることができる。
(5)式には、
第2半導体層32の伝導帯の有効状態密度NC(cm−3・eV)、
第2半導体層32の価電子帯の有効状態密度NV(cm−3・eV)、及び、
第2半導体層32のバンドギャップEgap(eV)、
が示される。
In (3) and (4), the intrinsic carrier concentration n i can be determined by equation (5).
(5)
Effective state density N C (cm −3 · eV) of the conduction band of the
Effective state density N V (cm −3 · eV) of the valence band of the
Band gap E gap (eV) of the
Is shown.
(5)式において、伝導帯の有効状態密度NCは、(6)式で求めることができる。
(6)式には、
電子の有効質量me(kg)、及び、
プランク定数h(Js)、
が示される。
In the equation (5), the effective state density N C of the conduction band can be obtained by the equation (6).
(6)
Effective mass m e (kg) of electrons, and
Planck's constant h (Js),
Is shown.
(5)式において、価電子帯の有効状態密度NVは、(7)式で求めることができる。
(7)式には、
正孔の有効質量mh(kg)が示される。
In (5), the effective density of states N V of the valence band, can be calculated by equation (7).
(7)
The effective mass m h (kg) of holes is indicated.
図6は、第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図6の横軸は、第2半導体層32のバンドギャップEgapであり、縦軸は、読み出し電圧Vreadである。
図6は、(2)式〜(7)式を用いて算出したバンドギャップEgapと読み出し電圧Vreadとの関係の一例を表す。
図6において、特性CT11は、第1導電部10にTiNを用い、ショットキー・バリア高さφBを、0.67eVとした例を表す。
特性CT12は、第1導電部10にPtSiを用い、ショットキー・バリア高さφBを、0.9eVとした例を表す。
特性CT13は、第1導電部10にErSi2を用い、ショットキー・バリア高さφBを、0.1eVとした例を表す。
FIG. 6 is a graph illustrating characteristics of another nonvolatile memory device according to the first embodiment.
The horizontal axis in FIG. 6 is the band gap E gap of the
FIG. 6 shows an example of the relationship between the band gap E gap and the read voltage V read calculated using the equations (2) to (7).
In FIG. 6, the characteristic CT11 represents an example in which TiN is used for the first
Characteristic CT12 represents using PtSi the first
Characteristic CT13 represents the used ErSi 2 to the first
図6に表したように、例えば、バンドギャップEgapが、約1.1eVであるシリコン(Si)を第2半導体層32に用いる。この場合、特性CT11における読み出し電圧Vreadは、約0.8eVと求められる。例えば、バンドギャップEgapが、約3.25eVであるシリコンカーバイド(SiC)を第2半導体層32に用いる。この場合、特性CT11における読み出し電圧Vreadは、約2.85eVと求められる。例えば、バンドギャップEgapが、約3.4eVである窒化ガリウム(GaN)を第2半導体層32に用いる。この場合、特性CT11における読み出し電圧Vreadは、約3eVと求められる。
As shown in FIG. 6, for example, silicon (Si) having a band gap E gap of about 1.1 eV is used for the
図7は、第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図7は、第1導電部10と第2導電部20との間の電圧と電流との関係の実験の一例を表す。
図7の横軸は、第1導電部10と第2導電部20との間に印加する電圧(V)であり、縦軸は、第1導電部10と第2導電部20との間に流れる電流(μA)である。
実験においては、第1導電部10と第2導電部20との間に印加する電圧を変化させ、流れる電流を求める。
実験においては、図6の特性CT11と同じ条件を用いる。記憶層15には、シリコンを用いる。Z軸方向に対して直交する面の形状は、20nm×20nmの長方形とする。記憶層15の厚さは、500nmとする。第2半導体層32の厚さは、100nmとする。金属部16の幅(Z軸方向に対して直交する方向の長さ)は、2nmとする。
FIG. 7 is a graph illustrating characteristics of another nonvolatile memory device according to the first embodiment.
FIG. 7 shows an example of an experiment of the relationship between the voltage and current between the first
The horizontal axis in FIG. 7 is the voltage (V) applied between the first
In the experiment, the voltage applied between the first
In the experiment, the same conditions as the characteristic CT11 of FIG. 6 are used. Silicon is used for the
実験においては、金属部16の長さD1を変化させる。
図7において、特性CT21は、金属部16の長さD1を70nmとした例であり、特性CT22は、長さD1を80nmとした例であり、特性CT23は、長さD1を90nmとした例であり、特性CT24は、長さD1を100nmとした例である。すなわち、特性CT24においては、金属部16が、第2半導体層32を貫通する。この例において、長さD2は、70nm以下である。実験においては、長さD2以上の範囲で長さD1を変化させている。
In the experiment, the length D1 of the
In FIG. 7, the characteristic CT21 is an example in which the length D1 of the
図7に表したように、金属部16の長さD1を変化させると、抵抗値が変化し、流れる電流も変化する。図6で求めた特性CT11の読み出し電圧Vreadである0.8eVで比較すると、特性CT21の電流は、1×10−9μAであり、特性CT24の電流は、1×10−6μAである。すなわち、特性CT21を高抵抗状態の電流Ireset、特性CT24を低抵抗状態の電流Isetとしたとき、IsetとIresetとの電流比Iset/Iresetは、1×103以上である。
As shown in FIG. 7, when the length D1 of the
このように、(2)式で表される第2条件を満たす読み出し電圧Vreadを印加することにより、適切な電流比Iset/Iresetを得ることができる。例えば、1×103以上の電流比Iset/Iresetを得ることができる。これにより、例えば、電流の検出によって、高抵抗状態と低抵抗状態とを適切に識別することができる。 As described above, by applying the read voltage V read that satisfies the second condition represented by the expression (2), an appropriate current ratio I set / I reset can be obtained. For example, a current ratio I set / I reset of 1 × 10 3 or more can be obtained. Thereby, for example, the high resistance state and the low resistance state can be appropriately identified by detecting the current.
図8(a)〜図8(c)は、第1の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的断面図である。
図8(a)に表したように、制御部40は、第1導電部10と第2導電部20との間に、順方向の第1書き込み電圧Vset1を印加することにより、金属部16の長さD1を第1長さd11にする。第1長さd11は、長さD2以上で、第2半導体層32の厚さより短い。
FIG. 8A to FIG. 8C are schematic cross-sectional views illustrating the configuration of another nonvolatile memory device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 8A, the
図8(b)に表したように、制御部40は、第1導電部10と第2導電部20との間に、順方向の第2書き込み電圧Vset2を印加することにより、金属部16の長さD1を第2長さd12にする。第2長さd12は、第1長さd11より長く、第2半導体層32の厚さより短い。
As illustrated in FIG. 8B, the
図8(c)に表したように、制御部40は、第1導電部10と第2導電部20との間に、順方向の第3書き込み電圧Vset3を印加することにより、金属部16の長さD1を第3長さd13にする。第3長さd13は、第2長さd12より長い。
As shown in FIG. 8C, the
また、制御部40は、第1導電部10と第2導電部20との間に、逆方向のリセット電圧を印加することにより、金属部16の長さD1を長さD2より短くする。
In addition, the
図7に表したように、長さD2以上の範囲で長さD1を変化させることにより、電圧−電流特性が変化する。この例において、制御部40は、電圧の印加により、長さD2以上の第1長さd11〜第3長さd13及び長さD2より短い4つの状態に金属部16の長さD1を変化させる。これにより、不揮発性記憶装置111において、2ビットの情報を記憶することができる。不揮発性記憶装置111が記憶する情報は、1ビットまたは2ビットに限ることなく、3ビット以上でもよい。このように、不揮発性記憶装置111では、第1導電部10と第2導電部20との間に印加する電圧を制御することによって、マルチビットの不揮発性記憶装置を実現することができる。
As shown in FIG. 7, the voltage-current characteristic is changed by changing the length D1 in the range of the length D2 or more. In this example, the
(第2の実施形態)
本実施形態に係る不揮発性記憶装置は、クロスポイント型の構成を有する。
図9は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図10は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的回路図である。
図9に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置120は、基板50を備える。基板50には、例えば、シリコン基板、半導体基板、無機物を含む基板、または、ポリマーを含む基板などが用いられる。半導体基板には、例えば、シリコン−オン−インシュレータ(SOI)基板などが用いられる。無機物を含む基板には、例えば、ガラスなどが用いられる。
(Second Embodiment)
The nonvolatile memory device according to this embodiment has a cross-point configuration.
FIG. 9 is a schematic perspective view illustrating the configuration of the nonvolatile memory device according to the second embodiment.
FIG. 10 is a schematic circuit diagram illustrating the configuration of the nonvolatile memory device according to the second embodiment.
As shown in FIG. 9, the
ここで、基板50の主面50aに対して並行な平面をX−Y平面とする。X−Y平面内の1つの方向をX軸方向とする。X−Y平面内においてX軸方向に対して垂直な方向をY軸方向とする。X軸方向とY軸方向とに対して垂直な方向をZ軸方向とする。
Here, a plane parallel to the
図9に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置120においては、基板50の主面50aの上に、第1方向に並ぶ複数の第1配線(ワード線WLi−1、WLi、WLi+1)と、第1方向に対して交差する第2方向に並ぶ複数の第2配線(ビット線BLj−1、BLj、BLj+1)とが、設けられる。複数の第1配線(ワード線WLi−1、WLi、WLi+1)は、例えば、第1方向に対して非平行な方向に延びるライン状である。複数の第2配線(ビット線BLj−1、BLj、BLj+1)は、例えば、第2方向に対して非平行な方向に延びるライン状である。この例において、複数の第1配線(ワード線WLi−1、WLi、WLi+1)は、Y軸方向に並び、X軸方向に延びる。複数の第2配線(ビット線BLj−1、BLj、BLj+1)は、X軸方向に並び、Y軸方向に延びる。第2配線(ビット線BLj−1、BLj、BLj+1)は、第1配線(ワード線WLi−1、WLi、WLi+1)に対向する。
As illustrated in FIG. 9, in the
上記では、第1配線の延在方向が第2配線の延在方向に対して直交するが、第1配線の延在方向が第2配線の延在方向と交差(非平行)すれば良い。 In the above, the extending direction of the first wiring is orthogonal to the extending direction of the second wiring, but the extending direction of the first wiring only needs to intersect (non-parallel) with the extending direction of the second wiring.
上記において、添え字i及び添え字jは任意である。すなわち、第1配線の数及び第2配線の数は、任意である。
本具体例では、第1配線がワード線となり、第2配線がビット線となる。ただし、第1配線がビット線で、第2配線がワード線でも良い。以下では、第1配線がワード線であり、第2配線がビット線であるとして説明する。
In the above, the subscript i and the subscript j are arbitrary. That is, the number of first wirings and the number of second wirings are arbitrary.
In this specific example, the first wiring is a word line and the second wiring is a bit line. However, the first wiring may be a bit line and the second wiring may be a word line. In the following description, it is assumed that the first wiring is a word line and the second wiring is a bit line.
図9及び図10に表したように、第1配線と第2配線との間に複数のメモリセル12が設けられる。複数のメモリセル12のそれぞれが、ワード線WLi−1、WLi、WLi+1と、ビット線BLj−1、BLj、BLj+1と、のそれぞれが互いに対向する交差部CPに配置される。
As shown in FIGS. 9 and 10, a plurality of
図10に表したように、制御部40は、ワード線ドライバ41とビット線ドライバ42とを含む。ワード線ドライバ41は、デコーダ機能を有する。ビット線ドライバ42は、デコーダ機能及び読み出し機能を有する。ワード線WLi−1、WLi、WLi+1の一端は、選択スイッチであるMOSトランジスタRSWを介して、ワード線ドライバ41に接続される。ビット線BLj−1、BLj、BLj+1の一端は、選択スイッチであるMOSトランジスタCSWを介して、ビット線ドライバ42に接続される。
As shown in FIG. 10, the
MOSトランジスタRSWのゲートには、ワード線(ロウ)を選択するための選択信号Ri−1、Ri、Ri+1が入力され、MOSトランジスタCSWのゲートには、ビット線(カラム)を選択するための選択信号Ci−1、Ci、Ci+1が入力される。 Selection signals R i−1 , R i , and R i + 1 for selecting a word line (row) are input to the gate of the MOS transistor RSW, and a bit line (column) is selected to the gate of the MOS transistor CSW. Selection signals C i−1 , C i , and C i + 1 are input.
図10に表したように、メモリセル12は、電圧または電流によって抵抗値を変化させる抵抗変化素子12aと、意図せぬ電流経路の発生を抑える整流素子12bと、を含む。
As illustrated in FIG. 10, the
図11は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図11に表したように、ワード線WLiとビット線BLjとの間には、メモリセル12が設けられる。なお、ワード線WLiとビット線BLjとの上下の配置の関係は任意である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a part of the nonvolatile memory device according to the second embodiment.
As shown in FIG. 11, the
図11に表したように、メモリセル12は、第1導電部10と、第2導電部20と、第1導電部10と第2導電部20との間に設けられた記憶層15と、を含む。第1導電部10、第2導電部20及び記憶層15には、第1の実施形態に関して説明した構成が適用できる。この例においては、メモリセル12に含まれる第1導電部10が、基板50の上に設けられる。図11に表したメモリセル12においては、ワード線WLiの上に第1導電部10が設けられ、第1導電部10の上に記憶層15が設けられ、記憶層15の上に第2導電部20が設けられ、第2導電部20の上にビット線BLiが設けられる。これとは反対に、ワード線WLiの上に第2導電部20を設け、第2導電部20の上に記憶層15を設け、記憶層15の上に第1導電部10を設け、第1導電部10の上にビット線BLiを設けてもよい。
As illustrated in FIG. 11, the
なお、第1導電部10及び第2導電部20の少なくともいずれかとして、メモリセル12に隣接する、例えば、ワード線WLi及びビット線BLjの少なくともいずれかを用いても良い。
For example, at least one of the word line WL i and the bit line BL j adjacent to the
不揮発性記憶装置120の構成においても、第1導電部10と、金属原子を含む第2導電部20と、第1半導体層31と第2半導体層32とを含む記憶層15と、を用いることによって、高記憶密度化を実現することができる。不揮発性記憶装置の構成は、クロスポイント型に限ることなく、例えば、プローブメモリ型などでもよい。基板50の上に設ける第1導電部10、第2導電部20及び記憶層15の構成は、上記に限らない。
Also in the configuration of the
実施形態によれば、高記憶密度の不揮発性記憶装置が提供される。 According to the embodiment, a high storage density nonvolatile memory device is provided.
本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。本願明細書において、「上に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて設けられる状態も含む。「積層される」状態は、互いに接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる状態も含む。「対向する」状態は、直接的に面する状態の他に、間に別の要素が挿入されて面する状態も含む。 In the present specification, “vertical” and “parallel” include not only strictly vertical and strictly parallel, but also include, for example, variations in the manufacturing process, and may be substantially vertical and substantially parallel. . In the specification of the application, the state of “provided on” includes not only the state of being provided in direct contact but also the state of being provided with another element inserted therebetween. The “stacked” state includes not only the state of being stacked in contact with each other but also the state of being stacked with another element inserted therebetween. The state of “facing” includes not only the state of facing directly but also the state of facing with another element inserted therebetween.
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、不揮発性記憶装置に含まれる第1導電部、第2導電部、記憶層、第1半導体層、第2半導体層、金属部及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, regarding a specific configuration of each element such as a first conductive unit, a second conductive unit, a storage layer, a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, a metal unit, and a control unit included in the nonvolatile memory device, It is included in the scope of the present invention as long as a person skilled in the art can carry out the present invention by appropriately selecting from the known ranges and obtain the same effect.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.
その他、本発明の実施の形態として上述した不揮発性記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての不揮発性記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。 In addition, all nonvolatile memory devices that can be implemented by those skilled in the art based on the nonvolatile memory device described above as an embodiment of the present invention are also included in the present invention as long as they include the gist of the present invention. Belongs to the range.
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。 In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…第1導電部、 12…メモリセル、 12a…抵抗変化素子、 12b…整流素子、 15…記憶層、 15a…第1面、 15b…第2面、 16…金属部、16a…端部、 20…第2導電部、 31…第1半導体層、 32…第2半導体層、 40…制御部、 41…ワード線ドライバ、 42…ビット線ドライバ、 50…基板、 50a…主面、 110、111、120…不揮発性記憶装置、 CSW…トランジスタ、 RSW…トランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (11)
リチウム、クロム、鉄、銅、インジウム、テルル、カルシウム、ナトリウム、銀、コバルト、金、チタン、タングステン、エルビウム、白金、アルミニウム及びニッケルの少なくともいずれかの金属原子、または前記少なくともいずれかの金属原子を含む合金を含む第2導電部と、
前記第1導電部と前記第2導電部との間に設けられ、前記第1導電部に接触した第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2導電部との間に設けられ、前記第1半導体層に接触するとともに前記第2導電部に接触した第2導電型の第2半導体層と、
を含み、前記第1導電部と前記第2導電部とを介して印加される電圧及び供給される電流の少なくともいずれかにより、抵抗が低い第1状態と前記第1状態よりも抵抗が高い第2状態との間で可逆的に遷移可能な記憶層と、
を備えた不揮発性記憶装置。 A first conductive part;
Lithium, chromium, iron, copper, indium, tellurium, calcium, sodium, silver, cobalt, gold, titanium, tungsten, erbium, platinum, aluminum and nickel, or at least one of the above metal atoms A second conductive part comprising an alloy comprising;
A first conductive type first semiconductor layer provided between the first conductive part and the second conductive part and in contact with the first conductive part ;
A second conductive type second semiconductor layer provided between the first semiconductor layer and the second conductive part, in contact with the first semiconductor layer and in contact with the second conductive part ;
A first state having a low resistance and a resistance having a higher resistance than the first state by at least one of a voltage applied through the first conductive part and the second conductive part and a supplied current. A storage layer capable of reversibly transitioning between two states;
A non-volatile storage device.
リチウム、クロム、鉄、銅、インジウム、テルル、カルシウム、ナトリウム、銀、コバルト、金、チタン、タングステン、エルビウム、白金、アルミニウム及びニッケルの少なくともいずれかの金属原子、または前記少なくともいずれかの金属原子を含む合金を含む第2導電部と、
前記第1導電部と前記第2導電部との間に設けられた第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2導電部との間に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
を含み、前記第1導電部と前記第2導電部とを介して印加される電圧及び供給される電流の少なくともいずれかにより、抵抗が低い第1状態と前記第1状態よりも抵抗が高い第2状態との間で可逆的に遷移可能な記憶層と、
を備え、
前記記憶層は、前記第1導電部と向かい合う第1面と、前記第2導電部と向かい合う第2面と、前記金属原子を含み前記第2面から前記第1面に向かって少なくとも前記第2半導体層中を延びる金属部と、を有し、
前記金属部は、前記第1導電部と前記第2導電部とを介して印加される電圧及び供給される電流の少なくともいずれかにより、前記第1導電部と前記第2導電部との積層方向に沿う長さを変化させ、
前記記憶層は、前記金属部の前記長さによって前記第1状態と前記第2状態との間で遷移する不揮発性記憶装置。 A first conductive part;
Lithium, chromium, iron, copper, indium, tellurium, calcium, sodium, silver, cobalt, gold, titanium, tungsten, erbium, platinum, aluminum and nickel, or at least one of the above metal atoms A second conductive part comprising an alloy comprising;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided between the first conductive part and the second conductive part;
A second conductivity type second semiconductor layer provided between the first semiconductor layer and the second conductive portion;
A first state having a low resistance and a resistance having a higher resistance than the first state by at least one of a voltage applied through the first conductive part and the second conductive part and a supplied current. A storage layer capable of reversibly transitioning between two states;
With
The storage layer includes a first surface facing the first conductive portion, a second surface facing the second conductive portion, and at least the second surface including the metal atoms from the second surface toward the first surface . A metal portion extending in the semiconductor layer ,
The metal part has a stacking direction of the first conductive part and the second conductive part according to at least one of a voltage applied through the first conductive part and the second conductive part and a supplied current. Change the length along
The storage layer, nonvolatile memory device you transition between the second state and the first state by the length of the metal portion.
リチウム、クロム、鉄、銅、インジウム、テルル、カルシウム、ナトリウム、銀、コバルト、金、チタン、タングステン、エルビウム、白金、アルミニウム及びニッケルの少なくともいずれかの金属原子、または前記少なくともいずれかの金属原子を含む合金を含む第2導電部と、
前記第1導電部と前記第2導電部との間に設けられた第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2導電部との間に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
を含み、前記第1導電部と前記第2導電部とを介して印加される電圧及び供給される電流の少なくともいずれかにより、抵抗が低い第1状態と前記第1状態よりも抵抗が高い第2状態との間で可逆的に遷移可能な記憶層と、
を備え、
前記記憶層は、前記第1導電部と向かい合う第1面と、前記第2導電部と向かい合う第2面と、前記金属原子を含み前記第2面から前記第1面に向かって延びる金属部と、を有し、
前記金属部は、前記第1導電部と前記第2導電部とを介して印加される電圧及び供給される電流の少なくともいずれかにより、前記第1導電部と前記第2導電部との積層方向に沿う長さを変化させ、
前記記憶層は、前記金属部の前記長さによって前記第1状態と前記第2状態との間で遷移し、
前記第1半導体層と前記金属部との間の距離をΔd(cm)とし、
前記第2半導体層の誘電率をεsem(Fcm−1)とし、
前記金属部のフェルミ準位を基準にした前記第2半導体層の伝導バンドのショットキー・バリア高さをφB(eV)とし、
単位素電荷をq(C)とし、
前記第2半導体層の不純物濃度をNx(cm−3)とするとき、
前記記憶層は、
で表される第1条件を満たすときに前記第1状態となり、前記第1条件を満たさないときに前記第2状態となる不揮発性記憶装置。 A first conductive part;
Lithium, chromium, iron, copper, indium, tellurium, calcium, sodium, silver, cobalt, gold, titanium, tungsten, erbium, platinum, aluminum and nickel, or at least one of the above metal atoms A second conductive part comprising an alloy comprising;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided between the first conductive part and the second conductive part;
A second conductivity type second semiconductor layer provided between the first semiconductor layer and the second conductive portion;
A first state having a low resistance and a resistance having a higher resistance than the first state by at least one of a voltage applied through the first conductive part and the second conductive part and a supplied current. A storage layer capable of reversibly transitioning between two states;
With
The storage layer includes a first surface facing the first conductive portion, a second surface facing the second conductive portion, and a metal portion including the metal atoms and extending from the second surface toward the first surface. Have
The metal part has a stacking direction of the first conductive part and the second conductive part according to at least one of a voltage applied through the first conductive part and the second conductive part and a supplied current. Change the length along
The storage layer transitions between the first state and the second state according to the length of the metal part,
The distance between the first semiconductor layer and the metal part is Δd (cm),
The dielectric constant of the second semiconductor layer is ε sem (Fcm −1 ),
The Schottky barrier height of the conduction band of the second semiconductor layer based on the Fermi level of the metal part is φ B (eV),
Let unit elementary charge be q (C),
When the impurity concentration of the second semiconductor layer is N x (cm −3 ),
The storage layer is
In represented by first becomes the first state when conditions are satisfied, that Do and the second state when not satisfying the first condition non-volatile storage.
リチウム、クロム、鉄、銅、インジウム、テルル、カルシウム、ナトリウム、銀、コバルト、金、チタン、タングステン、エルビウム、白金、アルミニウム及びニッケルの少なくともいずれかの金属原子、または前記少なくともいずれかの金属原子を含む合金を含む第2導電部と、
前記第1導電部と前記第2導電部との間に設けられた第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2導電部との間に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
を含み、前記第1導電部と前記第2導電部とを介して印加される電圧及び供給される電流の少なくともいずれかにより、抵抗が低い第1状態と前記第1状態よりも抵抗が高い第2状態との間で可逆的に遷移可能な記憶層と、
前記記憶層の状態を読み出すための読み出し電圧を前記第1導電部と前記第2導電部との間に印加する制御部と、
を備え、
前記読み出し電圧をVread(V)とし、
ボルツマン定数をkB(JK−1)とし、
絶対温度をTA(K)とし、
単位素電荷をq(C)とし、
前記第2半導体層に含まれる電子の濃度をNn(cm−3)とし、
前記第2半導体層に含まれる正孔の濃度をNp(cm−3)とするとき、
前記読み出し電圧Vreadは、
で表される第2条件を満たす不揮発性記憶装置。 A first conductive part;
Lithium, chromium, iron, copper, indium, tellurium, calcium, sodium, silver, cobalt, gold, titanium, tungsten, erbium, platinum, aluminum and nickel, or at least one of the above metal atoms A second conductive part comprising an alloy comprising;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided between the first conductive part and the second conductive part;
A second conductivity type second semiconductor layer provided between the first semiconductor layer and the second conductive portion;
A first state having a low resistance and a resistance having a higher resistance than the first state by at least one of a voltage applied through the first conductive part and the second conductive part and a supplied current. A storage layer capable of reversibly transitioning between two states;
A control unit that applies a read voltage for reading the state of the storage layer between the first conductive unit and the second conductive unit ;
With
The read voltage is V read (V),
Let Boltzmann's constant be k B (JK -1 )
Let absolute temperature be T A (K),
Let unit elementary charge be q (C),
The concentration of electrons contained in the second semiconductor layer is N n (cm −3 ),
When the concentration of holes contained in the second semiconductor layer is N p (cm −3 ),
The read voltage V read is
In non-volatile memory device that meets a second condition represented.
前記少なくともいずれかの金属原子または前記合金は、前記マトリクス材料中に含まれ、
前記金属原子の凝集エネルギーまたは前記合金の凝集エネルギーは、前記マトリクス材料の凝集エネルギーよりも低い請求項1〜5のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。 The second conductive part further includes a conductive matrix material,
The at least one metal atom or the alloy is included in the matrix material;
6. The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein a cohesive energy of the metal atoms or a cohesive energy of the alloy is lower than a cohesive energy of the matrix material.
前記第2半導体層に含まれる不純物の濃度は、1×1019cm−3以上1×1022cm−3以下である請求項1〜8のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。 The concentration of impurities contained in the first semiconductor layer is 1 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less,
The non-volatile memory device according to claim 1, wherein a concentration of impurities contained in the second semiconductor layer is 1 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less.
前記第1導電部は、前記基板の上に設けられる請求項1〜9のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。 A substrate including at least one of a silicon substrate, a semiconductor substrate, a substrate including an inorganic substance, or a substrate including a polymer;
The non-volatile memory device according to claim 1, wherein the first conductive portion is provided on the substrate.
前記第1方向に対して交差する第2方向に並ぶ複数の第2配線と、
前記第1導電部と前記第2導電部と前記記憶層とを含み、前記複数の第1配線と前記複数の第2配線とのそれぞれの交差部に設けられた複数のメモリセルと、
をさらに備えた請求項1〜10のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置。 A plurality of first wires arranged in a first direction;
A plurality of second wirings arranged in a second direction intersecting the first direction;
A plurality of memory cells including the first conductive portion, the second conductive portion, and the memory layer, and provided at intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings;
The nonvolatile memory device according to claim 1, further comprising:
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