JPS6029237B2 - 多層構造薄膜機能素子 - Google Patents
多層構造薄膜機能素子Info
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- JPS6029237B2 JPS6029237B2 JP50091913A JP9191375A JPS6029237B2 JP S6029237 B2 JPS6029237 B2 JP S6029237B2 JP 50091913 A JP50091913 A JP 50091913A JP 9191375 A JP9191375 A JP 9191375A JP S6029237 B2 JPS6029237 B2 JP S6029237B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C2211/00—Indexing scheme relating to digital stores characterized by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C2211/56—Indexing scheme relating to G11C11/56 and sub-groups for features not covered by these groups
- G11C2211/561—Multilevel memory cell aspects
- G11C2211/5614—Multilevel memory cell comprising negative resistance, quantum tunneling or resonance tunneling elements
Landscapes
- Non-Volatile Memory (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は金属−絶縁物−金属(以下、MIM構造と略称
)からなる多層構造薄膜機能素子(薄膜ダイオード)な
らびにその製造方法に関する。
)からなる多層構造薄膜機能素子(薄膜ダイオード)な
らびにその製造方法に関する。
一般に2つの金属電極の間に厚さがおよそ100〜40
00△の絶縁物を挟んだような構造は、MIMサンドイ
ッチ構造と呼ばれている。このようなMIMサンドイッ
チ構造は、両電極間に数Vの電圧を印加しても初めは絶
縁物のため高低抗状態を示し、電流はほとんど流れない
が、該MIMサンドイッチを10‐2Ton以下の真空
度を保った真空装置内に入れ、両電極間に直流電圧をO
Vから10V位迄およそ5V/S以下の掃引速度で徐々
に印加し再びOV迄減ずるというような操作を何回も繰
返していると、それまで絶縁性であったものが突然電流
が流れるようになり、以後電圧を下げたりあるいは休止
後再印放してもはじめの電流の小さし、状態には戻らな
い。このような導電性の遷移をフオーミングという。フ
オーミングされたMIMサンドイッチ構造は第1図に示
すように2.5V〜3Vに最大電流値を有する電圧制御
形負性抵抗特性が出現し、またこの特性に付随してメモ
リ現象、スイッチング現象、電子放射、ェレクトロルミ
ネッセンスなどの諸現象も出現する。これらの現象の基
になるMIMサンドイッチ構造の導電性遷移の発生機構
に関しては種々推測されている。しかしいずれも定説と
される迄には至っていない。このような特性を示すMI
Mサンドイッチ構造は一般に電極物質として山,Au,
Ta,Tiなどが、また絶縁物として山203,SiO
,Ti○,Ta205の酸化物、CaF,LiF,Zn
S,CdSなどの化合物、化合物半導体などが用いられ
、素子の作製法として、電極物質は真空黍着法で、絶縁
物は陽極酸化法、熱酸化法、スパッタリング法により形
成されている。
00△の絶縁物を挟んだような構造は、MIMサンドイ
ッチ構造と呼ばれている。このようなMIMサンドイッ
チ構造は、両電極間に数Vの電圧を印加しても初めは絶
縁物のため高低抗状態を示し、電流はほとんど流れない
が、該MIMサンドイッチを10‐2Ton以下の真空
度を保った真空装置内に入れ、両電極間に直流電圧をO
Vから10V位迄およそ5V/S以下の掃引速度で徐々
に印加し再びOV迄減ずるというような操作を何回も繰
返していると、それまで絶縁性であったものが突然電流
が流れるようになり、以後電圧を下げたりあるいは休止
後再印放してもはじめの電流の小さし、状態には戻らな
い。このような導電性の遷移をフオーミングという。フ
オーミングされたMIMサンドイッチ構造は第1図に示
すように2.5V〜3Vに最大電流値を有する電圧制御
形負性抵抗特性が出現し、またこの特性に付随してメモ
リ現象、スイッチング現象、電子放射、ェレクトロルミ
ネッセンスなどの諸現象も出現する。これらの現象の基
になるMIMサンドイッチ構造の導電性遷移の発生機構
に関しては種々推測されている。しかしいずれも定説と
される迄には至っていない。このような特性を示すMI
Mサンドイッチ構造は一般に電極物質として山,Au,
Ta,Tiなどが、また絶縁物として山203,SiO
,Ti○,Ta205の酸化物、CaF,LiF,Zn
S,CdSなどの化合物、化合物半導体などが用いられ
、素子の作製法として、電極物質は真空黍着法で、絶縁
物は陽極酸化法、熱酸化法、スパッタリング法により形
成されている。
MIMサンドイッチ構造、たとえばAI−AI2,03
一Au,Ti‐Tj○−Au Ta−Ta205一Au
などは上述のように興味ある現象を示す反面、先に述べ
たように真空中でのフオーミングという前処理が必要で
あること、絶縁物の厚さが300A以上になるとフオー
ミングされる迄平均200〜300回程度の電圧掃引を
必要としたり、あるいは場合によってフオーミングされ
ないということも起きる。
一Au,Ti‐Tj○−Au Ta−Ta205一Au
などは上述のように興味ある現象を示す反面、先に述べ
たように真空中でのフオーミングという前処理が必要で
あること、絶縁物の厚さが300A以上になるとフオー
ミングされる迄平均200〜300回程度の電圧掃引を
必要としたり、あるいは場合によってフオーミングされ
ないということも起きる。
またフオーミングされても定常状態に到達する迄さらに
倍近い竜圧掃引が必要であること、定常状態になっても
その後の電流−電圧特性は変動が大きいこと、大部分の
MIMサンドイッチ構造はフオーミングされた場合でも
一旦大気中に曝らすと先記の特性は消滅してしまうこと
、さらにフオーミングに伴ってMIMサンドイッチは一
種の誘電破壊のような局所破壊を起こし、内部に小さな
ボィドが発生すること、などの欠点を有している。この
ため薄膜機能素子としての多くの性能を備えているにも
かかわらず実用化が遅れているのが実状である。本発明
の第1の目的は従来のMIMサンドイッチ構造と異つた
タイプの導電現象を示し、かつ上述した欠点を解消した
素子を提供することにあり、また第2の目的は、上述の
ような特性を示す薄膜機能素子を作成するための手段を
提供することにある。
倍近い竜圧掃引が必要であること、定常状態になっても
その後の電流−電圧特性は変動が大きいこと、大部分の
MIMサンドイッチ構造はフオーミングされた場合でも
一旦大気中に曝らすと先記の特性は消滅してしまうこと
、さらにフオーミングに伴ってMIMサンドイッチは一
種の誘電破壊のような局所破壊を起こし、内部に小さな
ボィドが発生すること、などの欠点を有している。この
ため薄膜機能素子としての多くの性能を備えているにも
かかわらず実用化が遅れているのが実状である。本発明
の第1の目的は従来のMIMサンドイッチ構造と異つた
タイプの導電現象を示し、かつ上述した欠点を解消した
素子を提供することにあり、また第2の目的は、上述の
ような特性を示す薄膜機能素子を作成するための手段を
提供することにある。
本発明の第3の目的は前記素子の特性を応用したメモリ
素子、スイッチング素子、2値あるいは3値的論理素子
を提供することにある。即ちY−Y203−M(M:A
u,Ag,Nj,Cu,Pt等の金属電極)薄膜サンド
イッチは102Torr以下の真空中において両電極間
に1ぴ〜107V/肌程度の極めて高い電界を印加する
ことによりフオーミングされ、安定な電圧制御形負‘性
抵抗特性ならびにそれに付随してメモリ現象、スイッチ
ング現象、ェレクトロルミネッセンス、電子放射などの
諸現象が見し、出され、また雰囲気を大気中とした場合
にも前記電圧制御形賃性抵抗特性などがそのまま出現す
ること、更に下部電極のY表面にY203膜を形成した
のち特定範囲の条件で空気中または酸素を含むガス中で
熱処理を行い、さらに上部金属電極を形成したのち前述
と同機な方法により真空中でフオーミング処理を行うと
、第2図に示すような従釆観測された1一V特性とは異
質の、2つのピークを持った電圧制御形負・性抵抗特性
が出願することを見し、出した。このときの第1電流ピ
ークは2.5〜3Vの領域で現われ、また第2電流ピー
クは5〜6Vの領域で現われる。この2つの電流ピーク
は非常に安定に出現し、霜圧掃引毎の変動は土3%以内
であった。さりこ前述の2つの電流ピークは雰囲気を真
空中から空気中へ変えた場合においても消滅することは
なかった。一方、前述のような2つのピークを有する負
性特性は、真空中の熱処理ではまった〈観測されず、こ
の場合従来試料で観測されたと同じ負性特性のみであっ
た。したがって、本発明においては、空気中の熱処理が
極めて重要であるといえる。しかし先述の2つの電流ピ
ークを持った電圧制御形員性抵抗の発生機構に関しては
現時点で明らかでなく、現象的に確認されているにすぎ
ない。本発明の目的を達成するための熱処理条件は、加
熱温度と時間に強く依存することが判明し、種々検討の
結果、温度範囲100〜400o○、加熱時間、5分〜
50時間の範囲が適当であった。上記加熱条件において
、低温領域で処理を行なう場合、長時間を必要とし、ま
た高温領域で処理を行なう場合程短時間で良い。他の応
用としてMIMサンドイッチ構造は、電圧制御形負性抵
抗特性を得たのち、該負性抵抗領域を与える電圧あるい
はそれ以上の電圧を印加し、急激に電圧を遮断すること
で高抵抗のメモリ状態を得ることができる。
素子、スイッチング素子、2値あるいは3値的論理素子
を提供することにある。即ちY−Y203−M(M:A
u,Ag,Nj,Cu,Pt等の金属電極)薄膜サンド
イッチは102Torr以下の真空中において両電極間
に1ぴ〜107V/肌程度の極めて高い電界を印加する
ことによりフオーミングされ、安定な電圧制御形負‘性
抵抗特性ならびにそれに付随してメモリ現象、スイッチ
ング現象、ェレクトロルミネッセンス、電子放射などの
諸現象が見し、出され、また雰囲気を大気中とした場合
にも前記電圧制御形賃性抵抗特性などがそのまま出現す
ること、更に下部電極のY表面にY203膜を形成した
のち特定範囲の条件で空気中または酸素を含むガス中で
熱処理を行い、さらに上部金属電極を形成したのち前述
と同機な方法により真空中でフオーミング処理を行うと
、第2図に示すような従釆観測された1一V特性とは異
質の、2つのピークを持った電圧制御形負・性抵抗特性
が出願することを見し、出した。このときの第1電流ピ
ークは2.5〜3Vの領域で現われ、また第2電流ピー
クは5〜6Vの領域で現われる。この2つの電流ピーク
は非常に安定に出現し、霜圧掃引毎の変動は土3%以内
であった。さりこ前述の2つの電流ピークは雰囲気を真
空中から空気中へ変えた場合においても消滅することは
なかった。一方、前述のような2つのピークを有する負
性特性は、真空中の熱処理ではまった〈観測されず、こ
の場合従来試料で観測されたと同じ負性特性のみであっ
た。したがって、本発明においては、空気中の熱処理が
極めて重要であるといえる。しかし先述の2つの電流ピ
ークを持った電圧制御形員性抵抗の発生機構に関しては
現時点で明らかでなく、現象的に確認されているにすぎ
ない。本発明の目的を達成するための熱処理条件は、加
熱温度と時間に強く依存することが判明し、種々検討の
結果、温度範囲100〜400o○、加熱時間、5分〜
50時間の範囲が適当であった。上記加熱条件において
、低温領域で処理を行なう場合、長時間を必要とし、ま
た高温領域で処理を行なう場合程短時間で良い。他の応
用としてMIMサンドイッチ構造は、電圧制御形負性抵
抗特性を得たのち、該負性抵抗領域を与える電圧あるい
はそれ以上の電圧を印加し、急激に電圧を遮断すること
で高抵抗のメモリ状態を得ることができる。
該素子に再び電圧を加えると、初めは高抵抗状態を保っ
ているが、閥値電圧を超えると直ちに元の低抗状態に回
復する。この導電特性の遷移速度はおよそ100ns程
度であり、上記特性を利用することによりメモリ素子あ
るいはスイッチング素子を作製することができる。本発
明のY−Y203−Mサンドイッチ素子は前述のような
記憶特性やスイッチング特性を有している。メモリ特性
の場合2つの電流ピークのうち第1電流ピークのみがメ
モリ特性に関与する。一方、2つの電流ピークを持った
電圧制御形負性抵抗特性の存在は信号の増幅に応用でき
るほか、第3図に示すように本発明素子4(薄膜ダーィ
オ−ド)に抵抗3を直列に接続して負荷直線が第3図a
のように5,6,7,8,9,のようなダイオードの特
性と5点で交わるようにすると5,7,9は安定な点で
あるから図bの回路はこれだけで3値的な素子になり、
増幅能力を持ち、かつ関値論理を行なえる論理素子に適
用させることができる。以下本発明を実施例によって詳
細に説明する。
ているが、閥値電圧を超えると直ちに元の低抗状態に回
復する。この導電特性の遷移速度はおよそ100ns程
度であり、上記特性を利用することによりメモリ素子あ
るいはスイッチング素子を作製することができる。本発
明のY−Y203−Mサンドイッチ素子は前述のような
記憶特性やスイッチング特性を有している。メモリ特性
の場合2つの電流ピークのうち第1電流ピークのみがメ
モリ特性に関与する。一方、2つの電流ピークを持った
電圧制御形負性抵抗特性の存在は信号の増幅に応用でき
るほか、第3図に示すように本発明素子4(薄膜ダーィ
オ−ド)に抵抗3を直列に接続して負荷直線が第3図a
のように5,6,7,8,9,のようなダイオードの特
性と5点で交わるようにすると5,7,9は安定な点で
あるから図bの回路はこれだけで3値的な素子になり、
増幅能力を持ち、かつ関値論理を行なえる論理素子に適
用させることができる。以下本発明を実施例によって詳
細に説明する。
実施例 1第4図に示すようにガラス基板(ほかにサフ
ァイア、ガーネット、等酸化物絶縁性基板あるいはェポ
キシ、テフロン、ポリィミド等有機物絶縁性基板であっ
ても何んら差支えない)11に10‐6Torr以下の
真空度において第1層Y12を紬帯状に厚さ3000A
に蒸着したのち、6.4%アンモニウムベンタボレイト
、57.1%エチレングリコールの水溶液を用いて定電
流化成法により電流密度0.16mA/c流で陽極酸化
し、第1層Y12の表面に厚さ400Aの第2層Y20
3膜13を形成させる。
ァイア、ガーネット、等酸化物絶縁性基板あるいはェポ
キシ、テフロン、ポリィミド等有機物絶縁性基板であっ
ても何んら差支えない)11に10‐6Torr以下の
真空度において第1層Y12を紬帯状に厚さ3000A
に蒸着したのち、6.4%アンモニウムベンタボレイト
、57.1%エチレングリコールの水溶液を用いて定電
流化成法により電流密度0.16mA/c流で陽極酸化
し、第1層Y12の表面に厚さ400Aの第2層Y20
3膜13を形成させる。
ついでAu14を約1000Aの厚さに真空蒸着し薄膜
サンドイッチを作製した。この試料を1げびorrの真
空中に入れ、Au14を正極として三角波状の電圧を0
.5V/secの掃引速度で徐々に印加すると、初め高
抵抗状態で電流はほとんど流れないが、引きつづきの電
圧婦引によって5〜飢付近の電圧値で電流ピークが現わ
れ電圧制御形負性抵抗特性を有する素子とすることがで
きる。このように一旦真空中でフオーミングしたのち、
雰囲気を大気圧中に変えてそのまま電圧婦引を続けたと
ころ、先に観測された電圧制御形負性抵抗特性はそのま
ま継続して現われ、しかも安定であった。実施例 2 ガラス基板11に10‐6Tom以下の真空度において
、第1層Y12を細帯状に厚さ約3000Aに蒸着した
のち、6.4%アンモニウモベンタボレィト、57.1
%エチレングリコールの水溶液を用いて定電流化成法に
より電流密度0.18hA/めで陽極酸化し、第1層Y
12の表面に厚さ400Aの第2層Y203膜13を形
成させる。
サンドイッチを作製した。この試料を1げびorrの真
空中に入れ、Au14を正極として三角波状の電圧を0
.5V/secの掃引速度で徐々に印加すると、初め高
抵抗状態で電流はほとんど流れないが、引きつづきの電
圧婦引によって5〜飢付近の電圧値で電流ピークが現わ
れ電圧制御形負性抵抗特性を有する素子とすることがで
きる。このように一旦真空中でフオーミングしたのち、
雰囲気を大気圧中に変えてそのまま電圧婦引を続けたと
ころ、先に観測された電圧制御形負性抵抗特性はそのま
ま継続して現われ、しかも安定であった。実施例 2 ガラス基板11に10‐6Tom以下の真空度において
、第1層Y12を細帯状に厚さ約3000Aに蒸着した
のち、6.4%アンモニウモベンタボレィト、57.1
%エチレングリコールの水溶液を用いて定電流化成法に
より電流密度0.18hA/めで陽極酸化し、第1層Y
12の表面に厚さ400Aの第2層Y203膜13を形
成させる。
次に前記試料を空気中において200qoで60分熱処
理を行なった。この際酸化膜20A程度のY203層の
増加が認められた。熱処理を終了した試料を再び真空蒸
着装層内に入れ、10‐6Ton以下の真空中でAu1
4を約1000Aの厚さに蒸着し薄膜サンドイッチを作
製した。この試料を10‐2Tonの真空中に入れAu
14を正極として三角波状の電圧を0.5V/secの
橋引速度で徐々に印加するとフオーミングされ第2図に
示すような二つの電流ピークを持った電圧制御形負性抵
抗特性を出現させることができる。次いで雰囲気を真空
中より大気中に変えても先の電圧制御形負性抵抗特性は
そのまま継続してあらわれ、前記機能を容易に具備させ
ることができる。なお前述したごと〈、安定した特性を
得るための熱処理は、温度と時間を選ぶ必要があり、お
およその目安として100qoの場合少くとも10時間
以上、15『0の場合2時間以上、200qoの場合3
雌ご以上400ooの場合5分程度が望ましい。またY
203の形成法についてここでは陽極酸化法のみについ
て述べたが、たとえば02十CF4混合ガスによるプラ
ズマ酸化法、あるいはスパッタ法、ウェット酸素中にお
ける熱酸化法によっても全く同じ特性を得ることができ
る。さらに前記のような特性を有するY−Y203一M
において、Y203の膜厚は100A以下になると、バ
ルク内の電子の平均自由行程とほぼ同程度となり、導電
特性はトンネル特性を示し、先述の負・性特性は観測さ
れなくなる。
理を行なった。この際酸化膜20A程度のY203層の
増加が認められた。熱処理を終了した試料を再び真空蒸
着装層内に入れ、10‐6Ton以下の真空中でAu1
4を約1000Aの厚さに蒸着し薄膜サンドイッチを作
製した。この試料を10‐2Tonの真空中に入れAu
14を正極として三角波状の電圧を0.5V/secの
橋引速度で徐々に印加するとフオーミングされ第2図に
示すような二つの電流ピークを持った電圧制御形負性抵
抗特性を出現させることができる。次いで雰囲気を真空
中より大気中に変えても先の電圧制御形負性抵抗特性は
そのまま継続してあらわれ、前記機能を容易に具備させ
ることができる。なお前述したごと〈、安定した特性を
得るための熱処理は、温度と時間を選ぶ必要があり、お
およその目安として100qoの場合少くとも10時間
以上、15『0の場合2時間以上、200qoの場合3
雌ご以上400ooの場合5分程度が望ましい。またY
203の形成法についてここでは陽極酸化法のみについ
て述べたが、たとえば02十CF4混合ガスによるプラ
ズマ酸化法、あるいはスパッタ法、ウェット酸素中にお
ける熱酸化法によっても全く同じ特性を得ることができ
る。さらに前記のような特性を有するY−Y203一M
において、Y203の膜厚は100A以下になると、バ
ルク内の電子の平均自由行程とほぼ同程度となり、導電
特性はトンネル特性を示し、先述の負・性特性は観測さ
れなくなる。
またY203がおよそ4000△以上になると、電気的
なフオーミングは困難となる。また上部電極は導電性金
属ならば良い。なかでもAu,Ag,Cu,Ni,Pt
,AIが良い。以上述べたごと〈、本発明は、従来のM
IMサンドイッチの1−V特性と全く異質の2つの電流
ピークを持った電圧制御形賃性抵抗特性を得ることが出
来、しかもそのような特性は大気中においても安定に得
ることができるうえ、新しい3値的論理機能や記憶機能
を持たせることができるなど、多くの特徴を具備した薄
膜機能素子を提供することが可能になった。
なフオーミングは困難となる。また上部電極は導電性金
属ならば良い。なかでもAu,Ag,Cu,Ni,Pt
,AIが良い。以上述べたごと〈、本発明は、従来のM
IMサンドイッチの1−V特性と全く異質の2つの電流
ピークを持った電圧制御形賃性抵抗特性を得ることが出
来、しかもそのような特性は大気中においても安定に得
ることができるうえ、新しい3値的論理機能や記憶機能
を持たせることができるなど、多くの特徴を具備した薄
膜機能素子を提供することが可能になった。
第1図は多層構造薄膜機能素子の電流−電圧特性曲線を
示したもので、縦軸は電流を機軸は電圧を表わしている
。 第2図は本発明による多層構造薄膜機能素子の電流−電
圧特性曲線を示す。第3図は本発明の多層構造薄膜機能
素子の電圧制御形員性抵抗特性を利用した負荷特性曲線
で3値的論理素子の基本動作概念を示したものである。
第4図は多層構造薄膜機能素子の断面図を示す。劣/岬
多2図 第6図 多ム図
示したもので、縦軸は電流を機軸は電圧を表わしている
。 第2図は本発明による多層構造薄膜機能素子の電流−電
圧特性曲線を示す。第3図は本発明の多層構造薄膜機能
素子の電圧制御形員性抵抗特性を利用した負荷特性曲線
で3値的論理素子の基本動作概念を示したものである。
第4図は多層構造薄膜機能素子の断面図を示す。劣/岬
多2図 第6図 多ム図
Claims (1)
- 1 2枚の薄膜金属電極の間に、厚さ100〜4000
Åの薄い絶縁物を挾んだ薄膜多層構造素子において、前
記一方の薄膜金属電極をY金属薄膜で絶縁層をY_2O
_3で構成したことを特徴とする多層構造薄膜機能素子
。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP50091913A JPS6029237B2 (ja) | 1975-07-30 | 1975-07-30 | 多層構造薄膜機能素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP50091913A JPS6029237B2 (ja) | 1975-07-30 | 1975-07-30 | 多層構造薄膜機能素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5216195A JPS5216195A (en) | 1977-02-07 |
JPS6029237B2 true JPS6029237B2 (ja) | 1985-07-09 |
Family
ID=14039810
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP50091913A Expired JPS6029237B2 (ja) | 1975-07-30 | 1975-07-30 | 多層構造薄膜機能素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6029237B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS57122477A (en) * | 1981-01-22 | 1982-07-30 | Suwa Seikosha Kk | Liquid crystal display device |
JPS6262333A (ja) * | 1985-09-13 | 1987-03-19 | Nec Corp | 薄膜二端子素子型アクテイブマトリツクス液晶表示装置の製造方法 |
-
1975
- 1975-07-30 JP JP50091913A patent/JPS6029237B2/ja not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS5216195A (en) | 1977-02-07 |
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