JP6196623B2 - 抵抗変化メモリ素子 - Google Patents
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Description
(1)抵抗変化絶縁膜と、
前記抵抗変化絶縁膜の第1主面上に配置されるソース電極と、
前記第1主面上に配置されるドレイン電極と、
前記第1主面上に向かい合う前記抵抗変化絶縁膜の第2主面上に配置されるゲート電極とを備える、抵抗変化メモリ素子。
互いに同平面に設けられたソース電極とドレイン電極であるため、同一平面に電極配線をすることができ、配線間の絶縁性は平面的に配線間隔を調整することによって確保できるため、他の半導体素子との混載が容易になる。
(2)前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に、絶縁膜を備える、項目1に記載の抵抗変化メモリ素子。
2つの金属電極の間に絶縁膜を備え、電子がトンネルするたびに接合は充放電を繰り返し、それに伴い接合電圧は、減少または増加により、書込み(「オン動作」ともいう)または消去(「オフ動作」ともいう)する。通過電流によりオフさせる2電極型抵抗変化メモリ素子より、オフ電流を小さくすることができる。
(3)前記ゲート電極の電位を、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の電位より高くして、消去動作を行う、項目1又は2に記載の抵抗変化型メモリ素子。
ゲート電圧から、抵抗変化絶縁膜に電圧をかけて、オフすることで、ソース電極とドレイン電極の間に電流を流すことなく記憶電荷を抽出し、オフ電流を小さくすることができる。
(4)前記抵抗変化絶縁膜の積層方向と直交に前記ソース電極と前記ドレイン電極を配置する、項目項目1〜3の何れかに記載の抵抗変化メモリ素子。
動作電流が抵抗変化絶縁膜の積層面方向に流れるので、酸素欠損が界面にできやすい界面効果を奏し、積層面を貫通して電流が流れる従来の構造に比べ、電流が流れ易く、高速動作することに加え、抵抗変化絶縁膜へのダメージ発生を解消する。
(5)2×1021cm−3以上の酸素欠損(Vo)を有するアルミ酸化膜、又は、遷移金属以外の金属酸化膜を、前記抵抗変化絶縁膜として用いる、項目1〜4の何れか1項に記載の抵抗変化メモリ素子。
(6)前記遷移金属は、Zn、In、Gaである項目5に記載の抵抗変化メモリ素子。
図1は、2電極型抵抗変化メモリ素子の一例を示す断面図である。図1に示される従来の2電極で2電極型抵抗変化メモリ素子10は、下部電極5と抵抗変化絶縁膜8と上部電極7とが順に積層された構造となっており、下部電極5及び上部電極間7に電圧パルスを印加することにより、抵抗変化絶縁膜8の抵抗値を可逆的に変化させることができる。2電極型抵抗変化メモリ素子10は、絶縁膜5と基盤11の上に積層される。
図2は、3電極型抵抗変化メモリ素子の一例を示す断面図である。図2に示される抵抗変化メモリ素子20Aは、トップゲート電界型である。3電極型抵抗変化メモリ素子20Aは、ソース電極17A、ドレイン電極18A、及びゲート電極19Aを備え、ソース電極17A及びドレイン電極18Aと、ゲート電極19Aとは、それらの間に、抵抗変化絶縁膜8を挟持する。ソース電極17A及びドレイン電極18Aとゲート電極19Aとの短絡を防ぐために、それらの間に、アルミナ絶縁膜15Aが設けられる。また、アルミナ絶縁膜16Aはソースとドレイン間を絶縁する。ソース電極17Aの電位を上げると、電子が抵抗変化絶縁膜8にトンネルして充電され、それに伴い抵抗が減少して、オンする。
非特許文献2では、第1原理計算によって、アモルファスアルミナにおける酸素欠損に関係する電子および原子構成が説明されている。第1原理計算は、LDA(Local Density Approximation)内のDFT(Density Functional Theory)及び、平面波基底の擬ポテンシャル手法に基づいている。本発明者らは、非特許文献2の第1原理計算結果から導いたオン・オフ状態における電子状態を熱刺激電流測定によって検証した。その結果、高密度の酸素欠損Oxygen vacancy(Vo)を有するアルミ酸化膜(以下AlOx)のVoにトラップされた電子(以下Vo電子)は、伝導帯から0.17〜0.41eV下のレベルにあることが判った。通常のn型Si半導体のドナー準位は伝導帯から0.029eV下のレベルにあるため、ドナー準位の電子は室温で伝導帯に励起されるのに対し、Vo電子はより深いレベルにあるため伝導帯に励起するにはホットエレクトロン化する必要があり、その活性化エネルギーを電流によってVo電子に与えるには電流密度を大きくする必要があった。なお、本実施形態において、高密度の酸素欠損を生じる抵抗変化絶縁膜は、アルミ酸化膜に限定されず、遷移金属以外の金属酸化膜であってもよい。この点は、「(4)遷移金属以外の金属酸化膜」で後述する。
2÷73×1023 = 2×1021cm−3 (1023:アボガドロ数) (1)
アルミ酸化膜を用いて説明したように、本実施形態に係る抵抗変化絶縁は酸素欠損を有する。しかし、酸素欠損を有するだけでは不十分である。例えばSnの場合は、SnO、SnO2、SnO3等の酸素との結合状態が複数存在するため、酸素欠損が存在しても、注入・抽出した電子とSnとOの結合状態の変化がバランスして、酸素欠損サイト(酸素空孔)の電子の増減が発生しない。本実施形態に係る抵抗変化メモリ素子では、下記の反応1,2によって、酸素空孔(Vo)と電極との間で電子の授受が行われて絶縁状態と導通状態が切り替わる。
空の Vo(Vo2+)に電子が注入されてVo1+ になり、Vo1+が増加すると、伝導バンドが形成されて導通状態になる。
反応2:Vo1+ - e- →Vo2+ Voから電子が抽出されてVo2+なると、伝導バンドが途切れて絶縁状態になる。
つまり、電子の授受が電極とVoの間でのみ行われる状況にすることが好ましく、SnとOの結合状態が変わることは、反応1,2の外乱要因になる。同様なことが価数の変化する遷移金属の場合に起きる。例えば、4価と5価に価数変化するTaでは、TaO2とTa2O5が存在し、注入電子の授受と同時に、Oが電極間を移動する下記の化学反応が起きる。
Ta2O5+2e-(導通状態)⇔2TaO2+2O-(絶縁状態)
7 上部電極
8 抵抗変化絶縁膜
10 2電極型抵抗変化メモリ素子
11 基盤
16A、16B アルミナ絶縁膜
17A、17B ソース電極
18A、18B ドレイン電極
19A、19B ゲート電極
20A、20B 3電極型抵抗変化メモリ素子
30 2電極型抵抗変化メモリ素子の測定用回路
31、41 電源
33、43 電流制限ダイオード
35、45 スイッチ
40 3電極型抵抗変化メモリ素子の測定用回路
Claims (2)
- 抵抗変化絶縁膜と、
前記抵抗変化絶縁膜の第1主面上に配置されるソース電極と、
前記第1主面上に配置されるドレイン電極と、
前記第1主面上に向かい合う前記抵抗変化絶縁膜の第2主面上に配置されるゲート電極とを備え、
2×1021cm−3以上の酸素欠損(Vo)を有するアルミ酸化物を、前記抵抗変化絶縁膜として用いる、抵抗変化メモリ素子。 - 前記ゲート電極の電位を、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の電位より高くして、消去動作を行う、請求項1に記載の抵抗変化型メモリ素子。
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