JP6813844B2 - Tunnel junction element and non-volatile memory element - Google Patents

Tunnel junction element and non-volatile memory element Download PDF

Info

Publication number
JP6813844B2
JP6813844B2 JP2016193011A JP2016193011A JP6813844B2 JP 6813844 B2 JP6813844 B2 JP 6813844B2 JP 2016193011 A JP2016193011 A JP 2016193011A JP 2016193011 A JP2016193011 A JP 2016193011A JP 6813844 B2 JP6813844 B2 JP 6813844B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tunnel junction
electrode
resistance
oxide
barrier layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016193011A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018056460A (en
Inventor
山田 浩之
浩之 山田
彰仁 澤
彰仁 澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP2016193011A priority Critical patent/JP6813844B2/en
Publication of JP2018056460A publication Critical patent/JP2018056460A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6813844B2 publication Critical patent/JP6813844B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

本発明は、トンネル接合素子及び不揮発性メモリ素子に関し、特に、酸化物強誘電体のバリア層を有する抵抗変化型のものに関する。 The present invention relates to a tunnel junction element and a non-volatile memory element, and more particularly to a resistance change type having a barrier layer of an oxide ferroelectric substance.

近年、酸化物強誘電体を利用した抵抗変化型の不揮発性メモリ素子の研究開発が進められている。 In recent years, research and development of resistance-changing non-volatile memory devices using oxide ferroelectrics have been promoted.

本発明者らは、既に、導電性を有する酸化物強誘電体の厚膜(膜厚100nm)と金属の界面に形成されるショットキー型の障壁高さが強誘電分極に依存することを利用した不揮発性メモリ素子を提案した(特許文献1参照)。 The present inventors have already utilized that the height of the Schottky type barrier formed at the interface between a thick film (thickness 100 nm) of a conductive oxide ferroelectric substance and a metal depends on the ferroelectric polarization. We have proposed a non-volatile memory element (see Patent Document 1).

一方、バリア層に酸化物強誘電体の超薄膜を用いたトンネル接合型素子において、トンネル障壁高さが強誘電分極に依存することを利用した不揮発性メモリ素子が、提案されている(非特許文献1、2参照)。例えば、上部電極にCo、バリア層に膜厚3nmのBaTiO3、下部電極にLa0.67Sr0.33MnO3、基板にNdGaO3単結晶を用いたトンネル接合型素子が報告されている。 On the other hand, in a tunnel junction type device using an ultrathin oxide dielectric material for the barrier layer, a non-volatile memory device utilizing the fact that the tunnel barrier height depends on the ferroelectric polarization has been proposed (non-patent). Refer to Documents 1 and 2). For example, a tunnel junction device using Co for the upper electrode, BaTIO 3 having a film thickness of 3 nm for the barrier layer, La 0.67 Sr 0.33 MnO 3 for the lower electrode, and NdGaO 3 single crystal for the substrate has been reported.

本発明者らは、酸化物強誘電体(BiFeO3)と、下部電極(ペロブスカイト型のマンガン酸化物(CCMO(Ca0.96Ce0.04MnO3)))と、上部電極(金属コバルト)とからなるトンネル接合構造を示した(非特許文献3参照)。 The present inventors have a tunnel composed of an oxide ferroelectric substance (BiFeO 3 ), a lower electrode (perovskite type manganese oxide (CCMO (Ca 0.96 Ce 0.04 MnO 3 ))), and an upper electrode (metal cobalt). The joint structure is shown (see Non-Patent Document 3).

図7に、従来技術のトンネル接合素子10を模式的に図示する。トンネル接合素子10は、基板2と、金属酸化物からなる下部電極3と、酸化物強誘電体のバリア層4と、Co等の金属からなる上部電極50と、上部電極上に積層される配線用等の導電層6とを備える。 FIG. 7 schematically illustrates a tunnel junction element 10 of the prior art. The tunnel junction element 10 includes a substrate 2, a lower electrode 3 made of a metal oxide, a barrier layer 4 made of an oxide ferroelectric substance, an upper electrode 50 made of a metal such as Co, and a wiring laminated on the upper electrode. It is provided with a conductive layer 6 for use and the like.

非特許文献1で報告されている素子では、強誘電の分極と対応した抵抗状態の制御が困難であるため、本発明者らは、一定に制御することが可能なトンネル接合を有する抵抗変化型の不揮発性メモリ素子を開発した(特許文献2参照)。特許文献2では、酸化物強誘電体のバリア層と金属電極との間に、常誘電酸化物であるアルカリ土類金属の酸化物の単原子膜を挿入する構造を提案した。例えば、基板にSrTiO3、下部電極にLa0.6Sr0.4MnO3、バリア層にBaTiO3、単原子膜にBaO膜、上部電極にCo、配線用等の導電層にAuを用いた積層構造が示されている。 In the device reported in Non-Patent Document 1, it is difficult to control the resistance state corresponding to the polarization of the strong dielectric. Therefore, the present inventors have a resistance change type having a tunnel junction that can be controlled constantly. We have developed a non-volatile memory device (see Patent Document 2). Patent Document 2 proposes a structure in which a monatomic film of an oxide of an alkaline earth metal, which is a normal dielectric oxide, is inserted between a barrier layer of an oxide ferroelectric substance and a metal electrode. For example, SrTiO 3 substrate, La 0.6 Sr 0.4 MnO 3 on the lower electrode, BaTiO 3 to the barrier layer, BaO film monoatomic layer, Co in the upper electrode, layered structure using the Au conductive layer such as wiring is shown Has been done.

また、本発明者らは、トンネル接合を有する抵抗変化型の素子において、強誘電体のバリア層をBaTiO3として、その終端表面をTiO2又はBaOに作り分けた構造を提案した(非特許文献4参照)。例えば、下部電極にLSMO(例、La0.6Sr0.4MnO3)又はSrRuO3、バリア層にBaTiO3(終端表面はTiO2又はBaO)、上部電極にCo、配線用等の導電層にAuを用いた積層構造が示されている。 Further, the present inventors have proposed a structure in which a ferroelectric barrier layer is BaTiO 3 and the terminal surface thereof is TiO 2 or BaO in a resistance change type device having a tunnel junction (Non-Patent Documents). 4). For example, LSMO (eg, La 0.6 Sr 0.4 MnO 3 ) or SrRuO 3 is used for the lower electrode, BaTiO 3 (terminal surface is TiO 2 or BaO) for the barrier layer, Co for the upper electrode, and Au for the conductive layer for wiring, etc. The laminated structure that was present is shown.

先行文献調査をしたところ、次の特許文献が公知であった。
特許文献3には、強誘電体の下部電極と上部電極を酸化イリジウム層で構成したキャパシター構造が示されている。なお、特許文献3は、強誘電体のキャパシター構造に、分極電荷を記憶し、記憶された分極電荷の符号と量を、分極反転時に回路を流れる電流の時間積分により検出する不揮発性メモリ素子(FeRAM)に関する技術であり、トンネル接合構造の技術ではない。
As a result of a prior literature search, the following patent documents were known.
Patent Document 3 discloses a capacitor structure in which a lower electrode and an upper electrode of a ferroelectric substance are formed of an iridium oxide layer. Note that Patent Document 3 is a non-volatile memory element that stores polarization charges in a ferroelectric capacitor structure and detects the sign and amount of the stored polarization charges by time integration of the current flowing through the circuit during polarization reversal. It is a technology related to FeRAM), not a technology of tunnel junction structure.

特開2013−008884号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-008884 特開2016−025258号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-0225258 特開2007−194655号公報JP-A-2007-194655

A. Chanthbouala, et al. Nature Nanotech. vol 7, 101-104 (2012).A. Chanthbouala, et al. Nature Nanotech. Vol 7, 101-104 (2012). S. Boyn et al. Appl. Phys. Lett. vol 104, 052909 (2014).S. Boyn et al. Appl. Phys. Lett. Vol 104, 052909 (2014). H. Yamada et al., ACS Nano, vol. 7, 5385-5390 (2013).H. Yamada et al., ACS Nano, vol. 7, 5385-5390 (2013). H.Yamada et al., Advanced Functional Materials, vol 25, 2708-2714 (2015).H. Yamada et al., Advanced Functional Materials, vol 25, 2708-2714 (2015).

従来の、絶縁体または半導体の金属酸化物を金属電極で挟んだ接合で発現する、接合抵抗の可逆かつ不揮発なスイッチング現象を利用した抵抗変化型不揮発性メモリ(ReRAM)は、電場による酸素欠陥または酸素イオンの移動が動作原理となっている。そのため.スイッチングの繰返しにともなう材料の劣化が起こり、スイッチングの繰返し耐性やスイッチング毎の抵抗値のばらつきが問題であった。この問題の解決策として、導電性を有する酸化物強誘電体を用いた抵抗変化型メモリ、すなわち、電子的な効果である強誘電電気分極反転を利用して、素子抵抗(リーク電流)をスイッチングさせることを動作原理とした強誘電抵抗変化型不揮発性メモリが知られていた(特許文献1参照)。 Conventional resistance-variable non-volatile memory (ReRAM) that utilizes the reversible and non-volatile switching phenomenon of junction resistance, which is expressed in a junction in which a metal oxide of an insulator or semiconductor is sandwiched between metal electrodes, is an oxygen defect due to an electric field. The movement of oxygen ions is the operating principle. As a result, the material deteriorates due to repeated switching, and there have been problems with repeated switching resistance and variations in resistance value for each switching. As a solution to this problem, resistance change memory using a conductive oxide ferroelectric substance, that is, ferroelectric electric polarization inversion, which is an electronic effect, is used to switch the element resistance (leakage current). A ferroelectric resistance change type non-volatile memory based on the principle of operation has been known (see Patent Document 1).

しかし、電極材料として白金やコバルトといった金属結合を有する材料を電極として用いた従来技術の強誘電抵抗変化型不揮発性メモリでは、スイッチングを繰返し行うと、電極の金属材料が酸化し、界面のバンド構造が変化してしまうため、実用レベルのスイッチングの繰返し耐性の確保、また繰返しに伴う抵抗値の変動の抑制ができないという問題がある。 However, in the prior art strong dielectric resistance change type non-volatile memory using a material having a metal bond such as platinum or cobalt as the electrode material, when switching is repeated, the metal material of the electrode is oxidized and the band structure of the interface is formed. Therefore, there is a problem that it is not possible to secure a practical level of repeatability of switching and suppress fluctuations in resistance value due to repetition.

従来技術の特許文献1では、文献記載の構造のショットキー型の抵抗変化型不揮発性メモリ素子において、抵抗変化動作の繰返し特性が100万回可能であったことが示されている。また、トンネル接合型の素子である非特許文献2では、400万サイクルという値が示されている。しかし、抵抗スイッチング動作の繰返しに対する耐性としては、100万回や400万回では十分ではないという問題がある。 Patent Document 1 of the prior art shows that the Schottky-type resistance-changing non-volatile memory element having the structure described in the document can repeat the resistance-changing operation 1 million times. Further, Non-Patent Document 2 which is a tunnel junction type element shows a value of 4 million cycles. However, there is a problem that 1 million times or 4 million times is not sufficient as the resistance to the repetition of the resistance switching operation.

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、電圧印加による抵抗スイッチング動作とその繰返しに対する高い耐性を有し、かつスイッチング毎の特性バラつきが小である、酸化物強誘電体薄膜を用いたトンネル接合素子及びこれを用いた抵抗変化型の不揮発性メモリ素子を提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve these problems, and provides an oxide ferroelectric thin film having high resistance to resistance switching operation due to voltage application and its repetition, and having a small variation in characteristics for each switching. It is an object of the present invention to provide a tunnel junction element used and a resistance change type non-volatile memory element using the tunnel junction element.

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
(1) 酸化物強誘電体のバリア層を導電性の金属酸化物の電極で挟んだトンネル接合を有することを特徴とするトンネル接合素子。
(2) 前記電極のうち、基板に近い側の電極を第1の電極とし、基板から遠い側の電極を第2の電極とするとき、前記第2の電極はアモルファス膜であることを特徴とする(1)記載のトンネル接合素子。
(3) 前記第2の電極は、ルテニウム及びイリジウムのうちのいずれか1以上の金属酸化物であることを特徴とする(2)記載のトンネル接合素子。
(4) 前記第2の電極は、酸化ルテニウム及び酸化イリジウムのうちのいずれか1以上の金属酸化物であることを特徴とする、(3)記載のトンネル接合素子。
(5) 前記第1の電極が結晶性薄膜であり、前記第2の電極が酸化ルテニウムのアモルファス膜であることを特徴とする(2)記載のトンネル接合素子。
(6) 前記第1の電極が導電性のペロブスカイト型金属酸化物の結晶性薄膜であることを特徴とする、(2)乃至(5)のいずれか1項記載のトンネル接合素子。
(7) 前記酸化物強誘電体は、ペロブスカイト型構造を有する強誘電体であることを特徴とする(1)乃至(6)のいずれか1項記載のトンネル接合素子。
(8) (1)乃至(7)のいずれか1項記載のトンネル接合素子を備える抵抗変化型の不揮発性メモリ素子。
The present invention has the following features in order to achieve the above object.
(1) A tunnel junction element characterized by having a tunnel junction in which a barrier layer of an oxide ferroelectric substance is sandwiched between conductive metal oxide electrodes.
(2) Among the electrodes, when the electrode closer to the substrate is used as the first electrode and the electrode farther from the substrate is used as the second electrode, the second electrode is characterized by being an amorphous film. The tunnel junction element according to (1).
(3) The tunnel junction element according to (2), wherein the second electrode is a metal oxide of any one or more of ruthenium and iridium.
(4) The tunnel junction device according to (3), wherein the second electrode is a metal oxide of any one or more of ruthenium oxide and iridium oxide.
(5) The tunnel junction device according to (2), wherein the first electrode is a crystalline thin film, and the second electrode is an amorphous film of ruthenium oxide.
(6) The tunnel junction element according to any one of (2) to (5), wherein the first electrode is a crystalline thin film of a conductive perovskite-type metal oxide.
(7) The tunnel junction element according to any one of (1) to (6), wherein the oxide ferroelectric substance is a ferroelectric substance having a perovskite type structure.
(8) A resistance-changing non-volatile memory element including the tunnel junction element according to any one of (1) to (7).

本発明のトンネル接合素子は、電圧印加の繰返しに対する耐性が高く、かつスイッチング毎の抵抗値のバラつきが小さいので、安定な抵抗スイッチング動作を実現できる。 The tunnel junction element of the present invention has high resistance to repeated voltage application and has a small variation in resistance value for each switching, so that stable resistance switching operation can be realized.

本発明のトンネル接合素子では、上部電極にも金属酸化物の電極を用いることにより、トンネル電流の量を強く支配する界面バンド構造の、高度な均一性及び安定性を確保することができたため、安定な抵抗スイッチング動作を実現できる。従来の上部電極に金属電極を用いたトンネル接合素子の場合では、スイッチング動作の繰返しに伴う金属電極の酸化反応の進行によって、意図しない界面バリア層(常誘電性)の生成が上部電極側界面の一部に発生し、接合抵抗も大きく変化することになり、抵抗スイッチング動作は不安定になり、その繰返し耐性も劣化してしまっていた。これに対して、本発明のトンネル接合素子では、従来の金属電極による意図しない界面層の発生がなく、安定な抵抗スイッチング動作が実現できる。このように、本発明のトンネル接合素子は、トンネル接合を構成する構成材料が全て酸化物であるために、スイッチング動作の繰返しに伴う電極の劣化(酸化)等の問題が発生しない。 In the tunnel junction element of the present invention, by using a metal oxide electrode as the upper electrode, it was possible to secure a high degree of uniformity and stability of the interface band structure that strongly controls the amount of tunnel current. Stable resistance switching operation can be realized. In the case of a conventional tunnel junction element in which a metal electrode is used as the upper electrode, an unintended interface barrier layer (normal dielectric) is generated at the interface on the upper electrode side due to the progress of the oxidation reaction of the metal electrode due to repeated switching operations. It occurred in a part, and the junction resistance also changed significantly, the resistance switching operation became unstable, and its repeatability also deteriorated. On the other hand, in the tunnel junction element of the present invention, stable resistance switching operation can be realized without the generation of an unintended interface layer due to the conventional metal electrode. As described above, in the tunnel junction element of the present invention, since all the constituent materials constituting the tunnel junction are oxides, problems such as electrode deterioration (oxidation) due to repeated switching operations do not occur.

本発明のトンネル接合素子を備える不揮発性メモリ素子は、電圧印加による抵抗スイッチング動作とその繰返しに対する高い耐性が優れ、メモリ素子として実用レベルの安定な抵抗スイッチング繰返し特性を実現できる。 The non-volatile memory element provided with the tunnel junction element of the present invention is excellent in resistance switching operation due to voltage application and high resistance to repetition thereof, and can realize stable resistance switching repetition characteristics at a practical level as a memory element.

本発明の実施形態の基本構造を説明する図である。It is a figure explaining the basic structure of embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のトンネル接合素子の特性評価を説明する図である。It is a figure explaining the characteristic evaluation of the tunnel junction element of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のトンネル接合素子の特性評価を説明する図である。It is a figure explaining the characteristic evaluation of the tunnel junction element of 1st Embodiment of this invention. 本発明のトンネル接合素子の特性評価を説明する図である。(a)(b)(c)は、それぞれ実施例1、実施例2、比較例における、スイッチング動作の繰返し耐性についての測定結果を示す図である。It is a figure explaining the characteristic evaluation of the tunnel junction element of this invention. (A), (b), and (c) are diagrams showing the measurement results of the repeatability of the switching operation in Example 1, Example 2, and Comparative Example, respectively. 本発明の第1の実施形態のトンネル接合素子の電流−電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the tunnel junction element of 1st Embodiment of this invention. 本発明のトンネル接合素子のバンド構造及び抵抗スイッチング動作を説明する図である。(a)は第1の実施形態、(b)は比較例の場合である。It is a figure explaining the band structure and resistance switching operation of the tunnel junction element of this invention. (A) is the case of the first embodiment, and (b) is the case of the comparative example. 従来のトンネル接合素子の積層構造を説明する図である。It is a figure explaining the laminated structure of the conventional tunnel junction element.

本発明の実施形態について以下説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.

本発明者は、酸化物強誘電体をバリア層とするトンネル接合素子の技術開発を進める研究過程で、上部電極に着目して、本発明に到った。本発明の実施形態は、酸化物強誘電体のバリア層を導電性の金属酸化物の電極で挟んだトンネル接合を有するものである。 The present inventor has arrived at the present invention by focusing on the upper electrode in the research process of advancing the technological development of a tunnel junction device using an oxide ferroelectric as a barrier layer. An embodiment of the present invention has a tunnel junction in which a barrier layer of an oxide ferroelectric substance is sandwiched between electrodes of a conductive metal oxide.

図1を参照して、本発明の実施形態におけるトンネル接合素子の基本構造を説明する。図1のように、本実施形態のトンネル接合素子1は、基板2と、基板に近い方の第1の電極3(下部電極3とも呼ぶ。)と、酸化物強誘電体のバリア層4と、基板から遠い方の第2の電極5(上部電極5とも呼ぶ。)と、上部電極上に積層される配線用等の導電層6とを備える。バリア層4を挟む第1の電極3と第2の電極5は、超薄膜のトンネルバリア層とトンネル接合を形成する金属酸化物である。 The basic structure of the tunnel junction element according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the tunnel junction element 1 of the present embodiment includes a substrate 2, a first electrode 3 closer to the substrate (also referred to as a lower electrode 3), and a barrier layer 4 of an oxide strong dielectric. A second electrode 5 (also referred to as an upper electrode 5) farther from the substrate and a conductive layer 6 for wiring or the like laminated on the upper electrode are provided. The first electrode 3 and the second electrode 5 that sandwich the barrier layer 4 are metal oxides that form a tunnel junction with the tunnel barrier layer of the ultrathin film.

本実施形態におけるトンネル接合素子の酸化物強誘電体のバリア層は、第1及び第2の電極とトンネル接合しうる層であれば、材料及び膜厚等は、特に制限されない。例えば、ペロブスカイト構造を有する強誘電体が好ましく、BaTiO3、BiFeO3、PZTを挙げることができる。なお、特許文献1の技術で使用されるBi欠損により導電性を持たせたBi1-xFeO3のような強誘電体では、トンネルバリア層を形成できない。トンネル接合素子は、電荷ドープされていない、高い絶縁性を有する強誘電体と電極とで構成される接合である。また、絶縁体である強誘電体バリア層の膜厚は、トンネル接合にトンネル電流を流すことが可能な超薄膜の薄さ(2nm以上5nm以下程度)である。 The material and film thickness of the barrier layer of the oxide ferroelectric substance of the tunnel junction element in the present embodiment are not particularly limited as long as the barrier layer can be tunnel-junctioned with the first and second electrodes. For example, a ferroelectric substance having a perovskite structure is preferable, and BaTIO 3 , BiFeO 3 , and PZT can be mentioned. It should be noted that the tunnel barrier layer cannot be formed by a ferroelectric substance such as Bi 1-x FeO 3 which is made conductive by Bi deficiency used in the technique of Patent Document 1. A tunnel junction element is a junction composed of an electrode and a ferroelectric substance having high insulating properties and is not charge-doped. The film thickness of the ferroelectric barrier layer, which is an insulator, is the thinness of an ultrathin film (about 2 nm or more and 5 nm or less) capable of passing a tunnel current through a tunnel junction.

本実施形態における上部電極(第2の電極)は、酸化物強誘電体のバリア層とトンネル接合を形成する導電性の金属酸化物であれば、特に制限されない。例えば、ルテニウム及びイリジウムのうちのいずれか1以上の金属酸化物が挙げられる。より具体的には、RuO2、IrO2、又はIrO2とRuO2からなる金属酸化物が挙げられる。 The upper electrode (second electrode) in the present embodiment is not particularly limited as long as it is a conductive metal oxide that forms a tunnel junction with the barrier layer of the oxide ferroelectric substance. For example, one or more metal oxides of ruthenium and iridium can be mentioned. More specifically, RuO 2 , IrO 2 , or a metal oxide composed of IrO 2 and RuO 2 can be mentioned.

本実施形態における上部電極(第2の電極)は、結晶膜でもアモルファス膜でもよい。上部電極の膜は、化学的・構造的安定性が高いものが望ましい。上部電極の膜として、例えば、RuO2、IrO2、またはIrO2とRuO2の固溶体の、アモルファス膜が挙げられ、これに限らず、アモルファス膜であっても再現性良く高い伝導性を示すものであればよい。 The upper electrode (second electrode) in the present embodiment may be a crystal film or an amorphous film. It is desirable that the film of the upper electrode has high chemical and structural stability. Examples of the film of the upper electrode include an amorphous film of RuO 2 , IrO 2 , or a solid solution of IrO 2 and RuO 2 , and the film is not limited to this, and even an amorphous film exhibits high reproducibility and high conductivity. It should be.

本実施形態における下部電極(第1の電極)は、酸化物強誘電体のバリア層がその上にエピタキシャル成長することが可能で、酸化物強誘電体とトンネル接合を形成する導電性の金属酸化物であれば、特に制限されない。例えば、下部電極の上の強誘電バリア層に、BaTiO3等のペロブスカイト型のエピタキシャル膜を用いる際には、下部電極(第1の電極)としては、BaTiO3等と同じペロブスカイト型構造をもち、電気抵抗率が室温で10mΩcm未満の金属性酸化物、例えば、La1-xSrxMnO3(0.2<x<0.5)、SrRuO3、LaNiO3、La1-xSrxCoO3(0.3<x<0.5)等のエピタキシャル単結晶薄膜等が望ましい。 In the lower electrode (first electrode) of the present embodiment, a barrier layer of an oxide ferroelectric substance can be epitaxially grown on the lower electrode (first electrode), and a conductive metal oxide forming a tunnel junction with the oxide ferroelectric substance. If so, there is no particular limitation. For example, when a perovskite-type epitaxial film such as BaTIO 3 is used for the ferroelectric barrier layer above the lower electrode, the lower electrode (first electrode) has the same perovskite-type structure as BaTiO 3 or the like. Metallic oxides with an electrical resistance of less than 10 mΩcm at room temperature, such as La 1-x Sr x MnO 3 (0.2 <x <0.5), SrRuO 3 , LaNiO 3 , La 1-x Sr x CoO 3 An epitaxial single crystal thin film or the like such as (0.3 <x <0.5) is desirable.

第1又は第2の電極の電極材料として列挙した材料は、いずれも仕事関数が深い(4.5eV以上)ため、前述した強誘電体バリア層材料とどの組合せでもトンネル接合となる。 Since the materials listed as the electrode materials of the first or second electrodes have a deep work function (4.5 eV or more), any combination with the above-mentioned ferroelectric barrier layer material can be used for tunnel junction.

本実施形態の素子は、従来の強誘電体のバリア層を備えるトンネル接合素子と同様、該素子への、正負のパルス電圧印加により、抵抗値(リーク電流)の大きさを可逆的に変化させることができるものである。本実施形態の素子では、構成材料が全て酸化物であるため、スイッチング動作の繰返しに伴う電極の劣化(酸化)等、従来技術で用いられる金属膜特有の問題が発生しない。このため電圧印加の繰返しに対する耐性が高く、かつスイッチング毎の抵抗値のバラつきが小さいことを特徴とする、安定な抵抗スイッチング動作が実現できる。 The element of the present embodiment reversibly changes the magnitude of the resistance value (leakage current) by applying a positive or negative pulse voltage to the element, like the conventional tunnel junction element provided with a ferroelectric barrier layer. It is something that can be done. In the device of the present embodiment, since the constituent materials are all oxides, problems peculiar to the metal film used in the prior art such as deterioration (oxidation) of the electrodes due to repeated switching operations do not occur. Therefore, a stable resistance switching operation can be realized, which is characterized by high resistance to repeated voltage application and small variation in resistance value for each switching.

(第1の実施形態)
本実施形態を、図1乃至6を参照して以下説明する。本実施形態のトンネル接合素子は、図1のように酸化物強誘電体の超薄膜をバリア層4として用いたトンネル接合構造を有し、バリア層4を挟む2つの電極は、下部電極3がエピタキシャル(単結晶)のペロブスカイト型酸化物薄膜で、上部電極5が結晶性又はアモルファスの導電性酸化物薄膜である。
(First Embodiment)
This embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 to 6. As shown in FIG. 1, the tunnel bonding element of the present embodiment has a tunnel bonding structure in which an ultra-thin film of an oxide ferroelectric substance is used as the barrier layer 4, and the two electrodes sandwiching the barrier layer 4 are formed by the lower electrode 3. It is an epitaxial (single crystal) perovskite type oxide thin film, and the upper electrode 5 is a crystalline or amorphous conductive oxide thin film.

本実施形態の素子は、下部電極3層として、例えば、La1-xSrxMnO3(0.2<x<0.5)のようなペロブスカイト型酸化物のエピタキシャル薄膜を堆積し、その上に、膜厚2〜5nmのBaTiO3のようなペロブスカイト型酸化物のエピタキシャル薄膜を強誘電トンネルバリア層として堆積し、その上に、上部電極層として結晶性又はアモルファスの酸化ルテニウム等の金属酸化物薄膜を堆積したものである。トンネル接合素子は、基板上に形成されるので、1例として、基板2としてSrTiO3、下部電極としてLa0.7Sr0.3MnO3、バリア層4としてBaTiO3、上部電極としてRuO2、上部電極上の配線用等の導電層としてAuの積層順で形成された積層構造を備える。 In the element of the present embodiment, an epitaxial thin film of a perovskite-type oxide such as La 1-x Sr x MnO 3 (0.2 <x <0.5) is deposited as three layers of the lower electrode, and the epitaxial thin film is deposited on the perovskite type oxide. An epitaxial thin film of a perovskite-type oxide such as BaTiO 3 having a thickness of 2 to 5 nm is deposited as a ferroelectric tunnel barrier layer, and a crystalline or amorphous metal oxide such as ruthenium oxide is deposited as an upper electrode layer. It is a deposit of thin films. Tunnel junction device, since it is formed on the substrate, as an example, SrTiO 3 as the substrate 2, La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 as a lower electrode, BaTiO 3 as a barrier layer 4, RuO 2 as an upper electrode, the upper electrode A laminated structure formed in the order of stacking Au is provided as a conductive layer for wiring or the like.

本実施形態の素子の特性を評価するために、実施例1、実施例2、比較例及び実施例3について説明する。 In order to evaluate the characteristics of the element of this embodiment, Example 1, Example 2, Comparative Example and Example 3 will be described.

[実施例1]
ペロブスカイト構造の単結晶基板((001)配向したSrTiO3)を準備した。該基板の上に、導電性を有するペロブスカイト構造の酸化物(La0.7Sr0.3MnO3)の薄膜を、基板温度750℃、酸素圧力1mTorrの作製条件で、パルスレーザー堆積法により30nm厚に堆積した。続いてその上に、基板温度630℃、酸素圧力35mTorrの作製条件で、強誘電バリア層となるBaTiO3(以下、BTOともいう。)を4nm厚に形成した。さらに基板温度を室温まで冷却した後、上部電極となるRuO2のアモルファス薄膜を酸素圧力40mTorrの作製条件で10nm厚に形成し試料を作製した。
次に、作製された試料を微細な素子形状に加工し、抵抗スイッチング動作等のメモリ特性の評価が可能な形態にする。まずフォトリソグラフィーにより、3μm×3μmの大きさのフォトレジストパターンを作製し、アルゴンイオンミリングにより、レジストで覆われていないRuO2薄膜を完全に除去し、トンネル接合の上部電極を微細化する。引き続いてスパッタリング法によりSiO2薄膜を250nm厚に堆積し、その後にフォトレジストをリフトオフにより除去する。これにより、微細に加工されたトンネル接合は、SiO2薄膜に囲まれたような形態となる。次に、トンネル接合の電気的特性及びメモリ特性を評価するために、上部電極と下部電極への配線層を作製する。なお、前記SiO2薄膜は、両者のショートを防ぐための層間絶縁膜である。上部電極と下部電極の配線層は、フォトリソグラフィーにより反転レジストパターンを作製し、Au薄膜を400nm厚に堆積した後、リフトオフして作製する。
[Example 1]
A single crystal substrate having a perovskite structure ((001) oriented SrTiO 3 ) was prepared. A thin film of a conductive perovskite-structured oxide (La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 ) was deposited on the substrate to a thickness of 30 nm by a pulse laser deposition method under the conditions of a substrate temperature of 750 ° C. and an oxygen pressure of 1 mTorr. .. Subsequently, BaTIO 3 (hereinafter, also referred to as BTO) to be a ferroelectric barrier layer was formed to a thickness of 4 nm on the substrate under the production conditions of a substrate temperature of 630 ° C. and an oxygen pressure of 35 mTorr. Further, after cooling the substrate temperature to room temperature, an amorphous thin film of RuO 2 to be an upper electrode was formed to a thickness of 10 nm under the production conditions of an oxygen pressure of 40 mTorr to prepare a sample.
Next, the produced sample is processed into a fine element shape so that the memory characteristics such as resistance switching operation can be evaluated. First, a photoresist pattern having a size of 3 μm × 3 μm is produced by photolithography, and the RuO 2 thin film not covered with the resist is completely removed by argon ion milling, and the upper electrode of the tunnel junction is miniaturized. Subsequently, a SiO 2 thin film is deposited to a thickness of 250 nm by a sputtering method, and then the photoresist is removed by lift-off. As a result, the finely processed tunnel junction becomes a form surrounded by a SiO 2 thin film. Next, in order to evaluate the electrical characteristics and memory characteristics of the tunnel junction, a wiring layer to the upper electrode and the lower electrode is prepared. The SiO 2 thin film is an interlayer insulating film for preventing a short circuit between the two. The wiring layers of the upper electrode and the lower electrode are prepared by preparing an inverted resist pattern by photolithography, depositing an Au thin film to a thickness of 400 nm, and then lifting off.

[実施例2]
実施例2は、上部電極をRuO2の結晶性膜にした以外は、実施例1と同様に作製した。
[Example 2]
Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the upper electrode was made of a crystalline film of RuO 2 .

[比較例]
比較例は、上部電極をCo金属膜で形成した点以外は、実施例1と同様に作製した。
[Comparison example]
A comparative example was produced in the same manner as in Example 1 except that the upper electrode was formed of a Co metal film.

〈トンネル接合の電気的特性及び抵抗変化型メモリ特性の評価〉
微細化された素子の上部・下部電極の間に、配線層を通じてパルス電圧を印加して評価した。具体的には、上部電極に+3V(または+2V)の正の電圧を10μs印加する。このパルス電圧により、トンネル接合におけるBaTiO3の分極の向きは、下向き(下部電極の方向)が安定となる。かつ、強誘電性は不揮発であるので、パルス電圧印加を解除しても分極方向は記憶される。その後、−0.2Vの低電圧を印加し、接合を通過する電流を測定する。測定された電流値の逆数に−0.2Vを乗じた数値を、「分極が下向きの時の接合抵抗」として評価する。次に−3V(または−2V)の負電圧パルスを10μs印加する。これによりBaTiO3の分極は上方向(RuO2の方向)に反転される。パルス電圧印加後、上述と同様に−0.2Vの電圧を印加して電流値を測定し、分極が上向きの時の接合抵抗を評価する。印加パルス電圧が正(分極が下向き)のとき接合抵抗は低くなり、負(分極が上向き)とすると増加するので、それぞれを低抵抗状態(LRS)、高抵抗状態(HRS)と定義する。以上の操作を繰返して抵抗変化型メモリ特性の繰返し耐性を評価した。
<Evaluation of electrical characteristics of tunnel junction and resistance change type memory characteristics>
A pulse voltage was applied between the upper and lower electrodes of the miniaturized element through the wiring layer for evaluation. Specifically, a positive voltage of + 3V (or + 2V) is applied to the upper electrode for 10 μs. Due to this pulse voltage, the direction of polarization of BaTiO 3 in the tunnel junction becomes stable downward (direction of the lower electrode). Moreover, since the ferroelectricity is non-volatile, the polarization direction is memorized even when the pulse voltage application is canceled. Then, a low voltage of −0.2 V is applied and the current passing through the junction is measured. The value obtained by multiplying the reciprocal of the measured current value by -0.2 V is evaluated as "bonding resistance when the polarization is downward". Next, a negative voltage pulse of -3V (or -2V) is applied for 10 μs. As a result, the polarization of BaTiO 3 is reversed in the upward direction (direction of RuO 2 ). After applying the pulse voltage, a voltage of −0.2 V is applied in the same manner as described above, the current value is measured, and the junction resistance when the polarization is upward is evaluated. When the applied pulse voltage is positive (polarization is downward), the junction resistance is low, and when it is negative (polarization is upward), it is increased. Therefore, they are defined as a low resistance state (LRS) and a high resistance state (HRS), respectively. The above operation was repeated to evaluate the repeatability of the resistance change memory characteristics.

図2は、スイッチング動作の繰返し耐性についての測定結果である。図2の横軸は繰返し回数で、縦軸は抵抗値である。(a)は、Vp=±3Vの場合、(b)は、Vp=±2Vの場合の測定結果である。なお、HRSおよびLRSの抵抗値は、それぞれ図の黒塗りおよび白抜きの四角で示されている。
図2(a)に示すように、本実施形態の実施例1の素子では、大きさ±3V、幅10μsのパルス電圧印加による抵抗スイッチング動作を1000万回繰返しても、抵抗値はほぼ一定で、ばらつきは殆ど発生せず、ほぼ一定のスイッチング比(約7、読出し電圧は−0.2V)を維持していることがわかる。
図2(b)に示すように、印加パルスを±2Vに低減した場合、スイッチング比は約3に減少するものの、特性バラつきの小さいスイッチング動作を10億サイクル繰返すことが可能である。
FIG. 2 shows the measurement results of the repeatability of the switching operation. The horizontal axis of FIG. 2 is the number of repetitions, and the vertical axis is the resistance value. (A) is a measurement result when Vp = ± 3V, and (b) is a measurement result when Vp = ± 2V. The resistance values of HRS and LRS are shown by black and white squares in the figure, respectively.
As shown in FIG. 2A, in the element of the first embodiment of the present embodiment, the resistance value is almost constant even if the resistance switching operation by applying a pulse voltage having a size of ± 3 V and a width of 10 μs is repeated 10 million times. It can be seen that almost no variation occurs and the switching ratio (about 7, the read voltage is −0.2 V) is maintained at a substantially constant level.
As shown in FIG. 2B, when the applied pulse is reduced to ± 2V, the switching ratio is reduced to about 3, but the switching operation with small characteristic variation can be repeated for 1 billion cycles.

図3は、抵抗スイッチング動作における、特性(抵抗値)のばらつきについての結果を表示したものである。図3の横軸は抵抗値特性であり、縦軸はCumulative Probability(%)を示す。低抵抗状態(LRS)の場合も、高抵抗状態(HRS)の場合も、分布曲線がほぼ垂直に立った直線状であることから、ばらつきが極めて小であることが分かる。各抵抗状態の抵抗値の分布幅は、初期の数十万サイクル以内においては特に小さく、標準偏差は低抵抗状態において約2%、高抵抗状態において約3%である。 FIG. 3 shows the results of variations in characteristics (resistance values) in the resistance switching operation. The horizontal axis of FIG. 3 is the resistance value characteristic, and the vertical axis is the Cumulative Probability (%). It can be seen that the variation is extremely small in both the low resistance state (LRS) and the high resistance state (HRS) because the distribution curve is a straight line standing substantially vertically. The distribution width of the resistance value in each resistance state is particularly small within the initial hundreds of thousands of cycles, and the standard deviation is about 2% in the low resistance state and about 3% in the high resistance state.

図4(a)(b)(c)は、それぞれ実施例1、実施例2、比較例における、スイッチング動作の繰返し耐性についての測定結果をまとめて図示したものである。比較例において、金属コバルト膜を上部電極に用いたトンネル接合型素子で、同一のパルス電圧印加をおこなった場合、約100サイクルから抵抗値のバラつきが発生することがわかる(図4(c)参照)。 4A, 4B, and 4C are the measurement results of the repeatability of the switching operation in Example 1, Example 2, and Comparative Example, respectively. In the comparative example, it can be seen that when the same pulse voltage is applied to the tunnel junction type element using the metal cobalt film as the upper electrode, the resistance value varies from about 100 cycles (see FIG. 4C). ).

また、従来型のトンネル接合型素子の繰返し耐性に関しては、非特許文献2に記載されている400万サイクルという値が、先行技術の最高値として公表されているが、このときの抵抗値の分布幅は、抵抗値の大きさと同程度であり、特性バラつきが非常に大きい。これに比べると、実施例1及び2のばらつきは極めて小さいことが分かる。 Regarding the repeatability of the conventional tunnel junction type element, the value of 4 million cycles described in Non-Patent Document 2 has been published as the highest value of the prior art, but the distribution of the resistance value at this time. The width is about the same as the magnitude of the resistance value, and the characteristic variation is very large. Compared with this, it can be seen that the variation of Examples 1 and 2 is extremely small.

〈電流−電圧特性〉
図5は、RuO2(多結晶の場合、アモルファスの場合)の上部電極に対して、0V→+3V→−3V→0Vのように電圧掃引して測定した電流−電圧特性である。トンネル接合特有の非線形な電流−電圧特性が観測されている。アモルファスの場合及び多結晶の場合においては、−3Vから電圧を上昇させた時と+3Vから電圧を降下させた時で特性が一致せず、ヒステリシスが観測されている。数Vのパルス電圧で分極方向を書込んで、微小電圧における電流値として読み出される抵抗値が、パルスの極性に依存して変化するというメモリ特性と対応している。
<Current-voltage characteristics>
FIG. 5 shows the current-voltage characteristics measured by sweeping the voltage of the upper electrode of RuO 2 (in the case of polycrystalline and amorphous) in the order of 0V → + 3V → -3V → 0V. Non-linear current-voltage characteristics peculiar to tunnel junctions have been observed. In the case of amorphous and polycrystalline, the characteristics do not match when the voltage is increased from -3V and when the voltage is decreased from + 3V, and hysteresis is observed. It corresponds to the memory characteristic that the polarization direction is written with a pulse voltage of several V and the resistance value read out as the current value at a minute voltage changes depending on the polarity of the pulse.

〈バンド構造による抵抗スイッチング動作説明〉
図6は、バンド構造による抵抗スイッチング動作を説明する図である。(a)は、本実施形態の場合(LSMO/BTO/RuO2の積層構造)のバンド構造であり、(b)は、比較例の場合(LSMO/BTO/Coの積層構造)のバンド構造である。強誘電バリア層を有するトンネル接合で観測される抵抗変化型メモリ特性における、強誘電性と接合抵抗の相関関係は、図6(a)のような界面バンド構造の非対称性により説明される。エピタキシャルのLSMO/BaTiO3界面では、強誘電性が低減することが知られており、その界面層は、常誘電性のバリア層として機能する。その結果、分極電荷を保持する強誘電性のバリア層と、その電荷を遮蔽する上部および下部電極のうち、下部電極側の界面に電位分布の大きな勾配が発生する。強誘電バリア層の分極方向が反転すると、電荷の符号が反転するので、その電位勾配も変化する(図6(a)右参照)。この電位分布の変化によって、電子電気伝導の障壁高さ、すなわち接合抵抗が変化する。このようにして、分極方向に依存した抵抗状態が発現する。比較例のように金属電極を上部電極に用いた場合、スイッチング動作の繰返しに伴う電極の酸化反応の進行によって、意図しない界面バリア層(常誘電性)の生成が、上部電極側界面の一部に発生し得る。その結果、電位分布は図6(b)のように変化すると考えられる。それに伴って電子電気伝導の障壁高さ、接合抵抗も大きく変化するので、抵抗スイッチング動作は不安定になり、その繰返し耐性も劣化する。このような問題は、安定な導電性の金属酸化物を電極に用いれば生じない。
<Explanation of resistance switching operation by band structure>
FIG. 6 is a diagram illustrating a resistance switching operation due to the band structure. (A) is the band structure in the case of the present embodiment (LSMO / BTO / RuO 2 laminated structure), and (b) is the band structure in the case of the comparative example (LSMO / BTO / Co laminated structure). is there. The correlation between ferroelectricity and junction resistance in the resistance-variable memory characteristics observed in a tunnel junction having a ferroelectric barrier layer is explained by the asymmetry of the interface band structure as shown in FIG. 6A. It is known that the ferroelectricity is reduced at the epitaxial LSMO / BaTiO 3 interface, and the interface layer functions as a normal dielectric barrier layer. As a result, a large gradient of the potential distribution is generated at the interface between the ferroelectric barrier layer that retains the polarization charge and the upper and lower electrodes that shield the charge on the lower electrode side. When the polarization direction of the ferroelectric barrier layer is reversed, the sign of the charge is reversed, so that the potential gradient also changes (see the right side of FIG. 6A). This change in the potential distribution changes the height of the barrier for electron conduction, that is, the junction resistance. In this way, a resistance state depending on the polarization direction is developed. When a metal electrode is used as the upper electrode as in the comparative example, the unintended formation of the interface barrier layer (normal dielectric) is caused by the progress of the oxidation reaction of the electrode due to the repetition of the switching operation, which is part of the interface on the upper electrode side. Can occur in. As a result, the potential distribution is considered to change as shown in FIG. 6 (b). Along with this, the height of the barrier of electron and electrical conduction and the junction resistance also change significantly, so that the resistance switching operation becomes unstable and its repeatability also deteriorates. Such a problem does not occur if a stable conductive metal oxide is used for the electrode.

例えば約300℃、40mTorrの条件で堆積したような、多結晶のRuO2膜を上部電極に用いた場合は、金属膜を用いたときのような抵抗値の不安定化は起こらない。しかしながら、多結晶の場合はアモルファスの場合と比べて、抵抗スイッチング比自体が小さく、電流−電圧特性のヒステリシスの大きさも小さい(図4(b)、図5参照)。これは、多結晶膜では、様々な結晶配向性を有する結晶膜やそれらのドメイン境界などが混在しているため、界面状態が一様でなく、異なる電位分布を形成する部分が混在し、抵抗スイッチング比が低減していると考えられる。そこで、結晶性膜であるより、アモルファス膜である方がより好ましい。アモルファス膜のような構造的均一性のある構造であれば、界面バンド構造を一様にして抵抗スイッチング動作をより顕著に発現させる効果を有する。 For example, when a polycrystalline RuO 2 film deposited under the conditions of about 300 ° C. and 40 mTorr is used for the upper electrode, the instability of the resistance value as in the case of using the metal film does not occur. However, in the case of polycrystalline, the resistance switching ratio itself is smaller and the magnitude of hysteresis of the current-voltage characteristic is smaller than in the case of amorphous (see FIGS. 4 (b) and 5). This is because in polycrystalline films, crystal films with various crystal orientations and their domain boundaries are mixed, so the interface state is not uniform, and parts that form different potential distributions are mixed, resulting in resistance. It is considered that the switching ratio is reduced. Therefore, an amorphous film is more preferable than a crystalline film. A structure having structural uniformity such as an amorphous film has the effect of making the interface band structure uniform and more prominently expressing the resistance switching operation.

よって、酸化ルテニウムのような酸化物のアモルファス膜は、構造の均一性・化学的安定性・導電性に優れているため、抵抗変化型の不揮発性メモリ素子の上部電極として最適である。一方、多結晶の酸化物ルテニウム膜では、電圧印加耐性は優れるが、構造の均一性が劣ることから抵抗スイッチング比(電流−電圧特性のヒステリシス)が小さい。 Therefore, an amorphous film of an oxide such as ruthenium oxide is excellent in structural uniformity, chemical stability, and conductivity, and is therefore most suitable as an upper electrode of a resistance-changing non-volatile memory element. On the other hand, the polycrystalline oxide ruthenium film has excellent voltage application resistance, but the resistance switching ratio (hysteresis of current-voltage characteristics) is small due to poor structural uniformity.

[実施例3]
実施例1、2とは異なる材料の積層構造SrRuO3/BaTiO3/アモルファスRuO2を作製して、トンネル接合素子を作製した。本実施例3のトンネル接合素子においても抵抗スイッチング現象を観測した。本実施例においても、上部電極として用いるRuO2は、多結晶よりアモルファスである方が大きな抵抗スイッチングを示した。上部電極は、多結晶よりアモルファスの導電性酸化物の方が、より好ましい。
[Example 3]
A laminated structure SrRuO 3 / BaTIO 3 / amorphous RuO 2 made of materials different from those of Examples 1 and 2 was prepared to prepare a tunnel junction element. The resistance switching phenomenon was also observed in the tunnel junction element of Example 3. Also in this example, RuO 2 used as the upper electrode showed greater resistance switching when it was amorphous than when it was polycrystalline. The upper electrode is more preferably an amorphous conductive oxide than a polycrystalline.

上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。 The examples shown in the above-described embodiments and the like are described for easy understanding of the invention, and are not limited to this embodiment.

本発明のトンネル接合素子は、抵抗変化型の不揮発性メモリ素子として、繰返し耐性等のメモリ特性に優れるので、メモリ装置に広く適用でき、産業上有用である。 Since the tunnel junction element of the present invention is a resistance-changing non-volatile memory element and has excellent memory characteristics such as repeatability, it can be widely applied to a memory device and is industrially useful.

1 本発明のトンネル接合素子
2 基板
3 下部電極(第1の電極)
4 酸化物強誘電体のバリア層
5、50 上部電極(第2の電極)
6 配線用等の導電層
10 従来のトンネル接合素子
h 障壁高さ
1 Tunnel junction element of the present invention 2 Substrate 3 Lower electrode (first electrode)
4 Oxide ferroelectric barrier layer 5, 50 Upper electrode (second electrode)
6 Conductive layer for wiring, etc. 10 Conventional tunnel junction element h Barrier height

Claims (6)

基板側から、導電性の金属酸化物からなる第1の電極と、
前記第1の電極上に形成され、該第1の電極に接する酸化物強誘電体のバリア層と、
前記バリア層上に形成され、該バリア層に接する導電性のルテニウム及びイリジウムのうちのいずれか1以上の金属酸化物のアモルファス膜からなる第2の電極と、を備え、
前記第1の電極、前記バリア層および前記第2の電極の積層体がトンネル接合を有するトンネル接合素子。
From the substrate side, the first electrode made of a conductive metal oxide and
A barrier layer of an oxide ferroelectric substance formed on the first electrode and in contact with the first electrode,
A second electrode formed on the barrier layer and made of an amorphous film of one or more of conductive ruthenium and iridium in contact with the barrier layer is provided.
A tunnel junction element in which a laminate of the first electrode, the barrier layer, and the second electrode has a tunnel junction.
前記第2の電極は、酸化ルテニウム及び酸化イリジウムのうちのいずれか1以上の金属酸化物である、請求項記載のトンネル接合素子。 It said second electrode is any one or more metal oxides of ruthenium oxide and iridium oxide of claim 1, wherein the tunnel junction device. 前記第1の電極が結晶性薄膜であり、前記第2の電極が酸化ルテニウムのアモルファス膜である、請求項記載のトンネル接合素子。 The first is the electrodes a crystalline thin film, wherein the second electrode is an amorphous film of ruthenium oxide, according to claim 1 wherein the tunnel junction device. 前記第1の電極が導電性のペロブスカイト型金属酸化物の結晶性薄膜である、請求項1〜のいずれか1項記載のトンネル接合素子。 The tunnel junction element according to any one of claims 1 to 3 , wherein the first electrode is a crystalline thin film of a conductive perovskite-type metal oxide. 前記酸化物強誘電体は、ペロブスカイト型構造を有する強誘電体である、請求項1〜のいずれか1項記載のトンネル接合素子。 It said oxide ferroelectric is a ferroelectric having a perovskite structure, a tunnel junction device according to any one of claims 1-4. 請求項1〜のいずれか1項記載のトンネル接合素子を備える抵抗変化型の不揮発性メモリ素子。 A resistance-changing non-volatile memory element including the tunnel junction element according to any one of claims 1 to 5 .
JP2016193011A 2016-09-30 2016-09-30 Tunnel junction element and non-volatile memory element Active JP6813844B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016193011A JP6813844B2 (en) 2016-09-30 2016-09-30 Tunnel junction element and non-volatile memory element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016193011A JP6813844B2 (en) 2016-09-30 2016-09-30 Tunnel junction element and non-volatile memory element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018056460A JP2018056460A (en) 2018-04-05
JP6813844B2 true JP6813844B2 (en) 2021-01-13

Family

ID=61837064

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016193011A Active JP6813844B2 (en) 2016-09-30 2016-09-30 Tunnel junction element and non-volatile memory element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6813844B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7145495B2 (en) 2018-10-15 2022-10-03 国立研究開発法人産業技術総合研究所 nonvolatile memory element
KR20210132538A (en) * 2020-04-27 2021-11-04 에스케이하이닉스 주식회사 Ferroelectric device and cross point array apparatus including the same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE1007865A3 (en) * 1993-12-10 1995-11-07 Philips Electronics Nv Tunnel of permanent switch wiring element with different situations.
JP5593935B2 (en) * 2010-08-04 2014-09-24 富士通セミコンダクター株式会社 Ferroelectric capacitor manufacturing method and ferroelectric capacitor
JP6062552B2 (en) * 2014-03-17 2017-01-18 株式会社東芝 Nonvolatile storage device
JP6367035B2 (en) * 2014-07-23 2018-08-01 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Nonvolatile memory device and manufacturing method thereof
JP6479480B2 (en) * 2015-01-07 2019-03-06 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Nonvolatile memory device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018056460A (en) 2018-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9722179B2 (en) Transition metal oxide resistive switching device with doped buffer region
JP4822287B2 (en) Nonvolatile memory device
Panda et al. Perovskite oxides as resistive switching memories: a review
Kubicek et al. Uncovering two competing switching mechanisms for epitaxial and ultrathin strontium titanate-based resistive switching bits
KR100723420B1 (en) Non volatile memory device comprising amorphous alloy metal oxide layer
JP2005328044A (en) Pcmo thin film and forming method thereof
JP2008235427A (en) Variable-resistance element and its manufacturing method and its driving method
RU2468471C1 (en) Method of obtainment of nonvolatile storage element
JP6356486B2 (en) Resistance change memory and method of manufacturing resistance change memory
Liu et al. Reversible transition of filamentary and ferroelectric resistive switching in BaTiO 3/SmNiO 3 heterostructures
JP6813844B2 (en) Tunnel junction element and non-volatile memory element
US7932505B2 (en) Perovskite transition metal oxide nonvolatile memory element
WO2010095296A1 (en) Resistive memory element and use thereof
JP6479480B2 (en) Nonvolatile memory device
CN111081870A (en) Resistive random access memory based on ferroelectric tunnel junction and writing method of resistive random access memory
KR100647332B1 (en) Resistive random access memory enclosing a oxide with variable resistance states
JP6367035B2 (en) Nonvolatile memory device and manufacturing method thereof
JP2009295941A (en) Storage element and method of manufacturing the same
US20130234103A1 (en) Nanoscale switching device with an amorphous switching material
KR101009441B1 (en) Fabrication method of room temperature processed thin film structure multi-layered with metal oxide for high device yield resistive random access memory device
KR20160142424A (en) Multi-layer thin film structure used in ReRAM having cross-point array structure and ReRAM using the multi-layer thin film structure
KR102287188B1 (en) Ferroelectric tunnel junction memory devide showing non-linear characteristics and crosspoint array having the same
KR20100009722A (en) Resistance switching element and method of fabricating the same
Vinuesa et al. Praseodymium Content Influence on the Resistive Switching Effect of HfO 2-Based RRAM Devices
Gonzalez Hernandez Impact of oxygen on the conduction mechanism through hf0. 5zr0. 5o2 for ReRAM memory applications.

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190619

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200311

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200318

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20200417

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200701

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20201202

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20201210

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6813844

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250