JPWO2010090002A1 - 不揮発性記憶素子 - Google Patents
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Abstract
Description
[不揮発性記憶素子の構成]
図1は本発明の第1の実施の形態に係る、抵抗変化動作開始前の状態(初期状態)での不揮発性記憶素子の構成例を説明する断面図である。
次に、図1に示した不揮発性記憶素子100の製造方法について、図2の(a)〜(e)を用いて説明する。
次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子100のメモリとしての動作例、すなわち情報の書き込み/読み出しをする場合の動作例を、図面を参照して説明する。
次に、印加した電圧が抵抗変化層に対して与える仕事について説明する。電子の数をn、抵抗変化層に加わる電圧をEとすると、印加電圧により抵抗変化層に与えられる仕事Wは、式3で与えられる。
図5に、金属元素Mの酸化物における、式3で表される反応のエネルギーΔGM,(y−x)から計算したEmの絶対値を示す。金属元素Mの酸化物として、クロム、コバルト、マンガン、バナジウム、セリウム、タングステン、銅、スズ、ニオブ、チタンの酸化物を用いた。表2に、図5で示したEmの絶対値を導出するために用いた酸化物MOx及びMOyの組合せを示す。
次に、酸化還元反応による抵抗変化動作について、抵抗変化動作の挙動を、図6の(a)〜(c)を用いて模式的に説明する。
金属酸化物109を含むように構成される。ここで、第1の金属酸化物108と、第2の金属酸化物109は、それぞれ表2のMOxとMOyで示した酸化物である。
以上、第2の金属酸化物層105と第1の金属酸化物層104が、同種の金属元素の酸化物により構成された抵抗変化層を含む不揮発性記憶素子について説明した。ここで、本実施の形態に示した不揮発性記憶素子は酸化還元反応により抵抗変化動作が実現するものである。したがって、原理上、図6で示した第2の金属酸化物109と第1の金属酸化物108は、異なる金属元素からなる金属酸化物により構成されてもよい。
次に、抵抗変化層が第1の金属元素M1の酸化物と、第2の金属元素M2の酸化物からなる不揮発性記憶素子の初期状態における構成を、図7を用いて説明する。
次に、図7に示した不揮発性記憶素子200の製造方法について、図8の(a)〜(e)を用いて説明する。
次に、不揮発性記憶素子200における抵抗変化層118の、酸化還元反応による抵抗変化動作の挙動を、図9の(a)〜(c)を用いて模式的に説明する。
2 高抵抗層
3 イオン源層
4 上部電極
10 抵抗変化素子
11 半導体基板
12 素子分離層
13 ソース/ドレイン領域
14 ゲート電極
15 プラグ層
16 金属配線層
17 プラグ層
18 MOSトランジスタ
100 不揮発性記憶素子
101 基板
102 酸化物層
103 下部電極層
104 第1の金属酸化物層
105 第2の金属酸化物層
106 上部電極層
107 抵抗変化層
108 第1の金属酸化物
109 第2の金属酸化物
110 反応層
112 基板
113 酸化物層
114 下部電極層
115 第1の金属酸化物層
116 第2の金属酸化物層
117 上部電極層
118 抵抗変化層
119 第1の金属元素M1の酸化物
120 第2の金属元素M2の酸化物
121 反応層
200 不揮発性記憶素子
[不揮発性記憶素子の構成]
図1は本発明の第1の実施の形態に係る、抵抗変化動作開始前の状態(初期状態)での不揮発性記憶素子の構成例を説明する断面図である。
次に、図1に示した不揮発性記憶素子100の製造方法について、図2の(a)〜(e)を用いて説明する。
次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子100のメモリとしての動作例、すなわち情報の書き込み/読み出しをする場合の動作例を、図面を参照して説明する。
次に、印加した電圧が抵抗変化層に対して与える仕事について説明する。電子の数をn、抵抗変化層に加わる電圧をEとすると、印加電圧により抵抗変化層に与えられる仕事Wは、式3で与えられる。
図5に、金属元素Mの酸化物における、式3で表される反応のエネルギーΔGM,(y−x)から計算したEmの絶対値を示す。金属元素Mの酸化物として、クロム、コバルト、マンガン、バナジウム、セリウム、タングステン、銅、スズ、ニオブ、チタンの酸化物を用いた。表2に、図5で示したEmの絶対値を導出するために用いた酸化物MOx及びMOyの組合せを示す。
次に、酸化還元反応による抵抗変化動作について、抵抗変化動作の挙動を、図6の(a)〜(c)を用いて模式的に説明する。
金属酸化物109を含むように構成される。ここで、第1の金属酸化物108と、第2の金属酸化物109は、それぞれ表2のMOxとMOyで示した酸化物である。
以上、第2の金属酸化物層105と第1の金属酸化物層104が、同種の金属元素の酸化物により構成された抵抗変化層を含む不揮発性記憶素子について説明した。ここで、本実施の形態に示した不揮発性記憶素子は酸化還元反応により抵抗変化動作が実現するものである。したがって、原理上、図6で示した第2の金属酸化物109と第1の金属酸化物108は、異なる金属元素からなる金属酸化物により構成されてもよい。
次に、抵抗変化層が第1の金属元素M1の酸化物と、第2の金属元素M2の酸化物からなる不揮発性記憶素子の初期状態における構成を、図7を用いて説明する。
次に、図7に示した不揮発性記憶素子200の製造方法について、図8の(a)〜(e)を用いて説明する。
次に、不揮発性記憶素子200における抵抗変化層118の、酸化還元反応による抵抗変化動作の挙動を、図9の(a)〜(c)を用いて模式的に説明する。
2 高抵抗層
3 イオン源層
4 上部電極
10 抵抗変化素子
11 半導体基板
12 素子分離層
13 ソース/ドレイン領域
14 ゲート電極
15 プラグ層
16 金属配線層
17 プラグ層
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101 基板
102 酸化物層
103 下部電極層
104 第1の金属酸化物層
105 第2の金属酸化物層
106 上部電極層
107 抵抗変化層
108 第1の金属酸化物
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110 反応層
112 基板
113 酸化物層
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115 第1の金属酸化物層
116 第2の金属酸化物層
117 上部電極層
118 抵抗変化層
119 第1の金属元素M1の酸化物
120 第2の金属元素M2の酸化物
121 反応層
200 不揮発性記憶素子
Claims (11)
- 基板と、
前記基板上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された、印加される電気的信号により高抵抗状態と低抵抗状態に変化する抵抗変化層と、
前記抵抗変化層上に形成された上部電極層とを具備する不揮発性記憶素子であり、
前記抵抗変化層は、
第1の抵抗率を有する第1の金属酸化物を含む第1の金属酸化物層と、
前記第1の金属酸化物と同一の金属元素からなる金属酸化物である、第2の抵抗率を有する第2の金属酸化物を含む第2の金属酸化物層の少なくとも2層からなる、多層構造であり、
前記第2の金属酸化物層は、前記上部電極層及び前記下部電極層のうち少なくとも一方と接しており、
前記第1の抵抗率は前記第2の抵抗率よりも小さく、
x、yをx<yを満たす任意の正の数として、前記第1の金属酸化物の組成をMOxとし、前記第2の金属酸化物の組成をMOyとして、
化学反応式が
前記MOxおよび前記MOyの組(MOx、MOy)が、(Cr2O3、CrO3)、(Co3O4、Co2O3)、(Mn3O4、Mn2O3)、(VO2、V2O5)、(Ce2O3、CeO2)、(W3O8、WO3)、(Cu2O、CuO)、(SnO、SnO2)、(NbO2、Nb2O5)、および(Ti2O3、TiO2)からなる群より選択される1組である
不揮発性記憶素子。 - 前記MOxおよび前記MOyの組(MOx、MOy)が、(VO2、V2O5)、(Cr2O3、CrO3)、(SnO、SnO2)、(Co3O4、Co2O3)、(W3O8、WO3)、および(Cu2O、CuO)からなる群より選択される1組である
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記MOxおよび前記MOyの組(MOx、MOy)が、(NbO2、Nb2O5)、(Cr2O3、CrO3)、(Mn3O4、Mn2O3)、(VO2、V2O5)、(Cu2O、CuO)、(SnO、SnO2)、および(Ti2O3、TiO2)からなる群より選択される1組である
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記MOxおよび前記MOyの組(MOx、MOy)が、(W3O8、WO3)、(Cu2O、CuO)、(Ti2O3、TiO2)、および(Co3O4、Co2O3)からなる群より選択される1組である
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記MOxおよび前記MOyの組(MOx、MOy)が、(Cu2O、CuO)、(SnO、SnO2)および(Ti2O3、TiO2)からなる群より選択される1組である
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記MOxおよび前記MOyの組(MOx、MOy)が、(Ce2O3、CeO2)である
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 基板と、
前記基板上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された、印加される電気的信号により高抵抗状態と低抵抗状態に変化する抵抗変化層と、
前記抵抗変化層上に形成された上部電極層とを具備する不揮発性記憶素子であり、
前記抵抗変化層は、
第1の金属元素M1の酸化物を含む第1の金属酸化物層と、
前記第1の金属元素M1とは異なる、第2の金属元素M2の酸化物を含む第2の金属酸化物層の少なくとも2層からなる多層構造であり、
前記第2の金属酸化物層は、前記下部電極層及び前記上部電極層のうち少なくとも一方と接しており、
α、β、γ、δをβ>α、δ>γを満たす任意の正の数とし、酸化度の異なる前記第1の金属元素M1の酸化物の組成をそれぞれM1Oα、M1Oβとし、酸化度の異なる前記第2の金属元素M2酸化物の組成をそれぞれM2Oδ、M2Oγとして、化学反応式が
前記M1Oαおよび前記M1Oβの組(M1Oα、M1Oβ)が、(TaO2、Ta2O5)であり、かつ前記M2Oγおよび前記M2Oδの組(M2Oδ、M2Oγ)が、(SnO、SnO2)、(NbO2、Nb2O5)、(W3O8、WO3)、および(Ti2O3、TiO2)からなる群より選択される1組である
不揮発性記憶素子。 - 前記M2Oγおよび前記M2Oδの組(MOx、MOy)が、(SnO、SnO2)、(W3O8、WO3)、および(Cu2O、CuO)からなる群より選択される1組である
請求項7に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記M2Oγおよび前記M2Oδの組(MOx、MOy)が、(NbO2、Nb2O5)、(SnO、SnO2)、および(Ti2O3、TiO2)からなる群より選択される1組である
請求項7に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記M2Oγおよび前記M2Oδの組(MOx、MOy)が、(W3O8、WO3)および(Ti2O3、TiO2)からなる群より選択される1組である
請求項7に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記M2Oγおよび前記M2Oδの組(MOx、MOy)が、(SnO、SnO2)および(Ti2O3、TiO2)からなる群より選択される1組である
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
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