JPWO2011155210A1 - 不揮発性記憶素子およびそれを備えた不揮発性記憶装置 - 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不揮発性記憶素子の一構成例を示した断面図である。
ここで、抵抗変化層において生じる抵抗変化現象について説明する。遷移金属酸化物を二つの電極で挟んだ構成の抵抗変化層における抵抗変化現象は、下記の式で示されるように、電極層界面近傍の高濃度層(第2の領域107)を構成するタンタル酸化物の酸化還元反応に起因すると推察される。
電極に負の電圧を印加した場合には、電子が注入されることにより還元反応が進行しTaO2が抵抗変化層の電極近傍に存在する状態になる。その結果、低抵抗状態が発現すると考えられる。一方、電極に正の電圧を印加した場合には、酸素イオンの移動により酸化反応が進行しTa2O5が抵抗変化層の電極近傍に存在する状態となる。その結果、高抵抗状態が発現すると推察される。また、上記の抵抗現象を電極と抵抗変化層との界面全面で起こるのではなく、高濃度層中に形成された微細な電気的パス中で発生すると考えられる。
次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子100の製造方法について説明する。
ここで白金を含むイリジウム合金層の形成方法について説明する。白金を含むイリジウム合金層は、イリジウムと白金との同時放電によるDC−スパッタ法により形成される。例えば、形成時の真空度は1.0Pa、印加されるDC−パワーはイリジウムターゲットおよび白金ターゲットの各ターゲットで50〜300W、Ar流量は10sccm、成膜時間は20分とする。図2に、各ターゲットに印加したDCパワーの比に対する白金含有率(atm%)の演算値のグラフを示す。図2に示されるように、イリジウムと白金の組成比は、各ターゲットのパワーを調整することで制御可能である。以上に述べたイリジウム−白金合金による第2電極層105の作製方法は、各ターゲットのパワー比を制御することにより、所望の白金含有率にコントロールすることが可能となる。
次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子100における初期抵抗値と第2電極層105の白金含有率との関係について説明する。図3は、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶素子における第2電極層の白金含有率変化に対する初期抵抗値変化および初期ブレイクダウン電圧変化を示すグラフである。図3においては、第2電極層105の電極サイズを0.5μm角(面積は0.25μm2)としたときの第2電極層105の白金含有率変化に対する初期抵抗値変化および初期ブレイクダウン電圧変化を示す。第2電極層の白金含有率が60atm%の場合は、初期ブレイクダウン電圧は低いが、初期抵抗値も低くしかもばらつきが大きいことが分かる。さらに、第2電極層の白金含有率が0atm%の場合、すなわち第2電極層がイリジウム単体の場合には初期抵抗値が高くかつばらつきも安定しているが、初期ブレイクダウン電圧が3.3V程度と高く、そのばらつきも考慮すると、一般的な電源として用いられ、多くの回路で要求される3.3V以下の電圧を達成していないことが分かる。
次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子100に対して電気的パルスを印加した場合の抵抗変化特性について説明する。
以上の抵抗変化層の抵抗変化特性の結果から判断して、第2電極層105を構成する白金を含むイリジウム合金電極材料における白金含有率は、20atm%以上50atm%以下が好ましい。
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。
図11は、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶素子の他の構成例を示す断面図である。本例の不揮発性記憶素子500が図1に示す例と異なる点は、不揮発性記憶素子が上下反転していることである。すなわち、図11に示す不揮発性記憶素子500は、基板501上に形成された酸化物層502と、その酸化物層502上に形成された第2電極層503と、第2電極層503上に形成された抵抗変化層504と、抵抗変化層504上に形成された第1電極層505とを備えており、抵抗変化層504は、第1電極層505に接し、酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域506と第2電極層505に接し、第1の領域506よりも酸素含有率が高い遷移金属酸化物を含む第2の領域507とを有している。そして、第2電極層503は、白金を含むイリジウム合金(イリジウム―白金合金)で構成されている。
上述した第1の実施の形態に係る不揮発性記憶素子は、種々の形態の不揮発性半導体装置へ適用することが可能である。本実施の形態における不揮発性記憶素子の第1の適用例として、ワード線とビット線との交点(立体交差点)に不揮発性記憶素子(アクティブ層)を介在させた、いわゆるクロスポイント型の不揮発性記憶装置が挙げられる。以下にこの例について説明する。
図12は、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶素子が適用された不揮発性記憶装置の第1の適用例における構成を示すブロック図である。また、図13は、図12に示される不揮発性記憶装置におけるA部の構成(4ビット分の構成)を示す斜視図である。
図14は、図12に示される不揮発性記憶装置の第1の適用例における不揮発性記憶素子の構成を示す断面図である。なお、図14では、図13のB部における構成が示されている。
図12および図13に示した本適用例の不揮発性記憶装置におけるメモリアレイを、3次元に積み重ねることによって、多層化構造の不揮発性記憶装置を実現することができる。
本実施の形態における不揮発性記憶素子の第2の適用例として、1トランジスタ−1不揮発性記憶素子(1T1R構成)の構造を有する不揮発性記憶装置が挙げられる。
図16は、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶素子が適用された不揮発性記憶装置の第2の適用例における構成を示すブロック図である。また、図17は、図16に示される不揮発性記憶装置におけるC部の構成(2ビット分の構成)を示す断面図である。
本適用例における不揮発性記憶装置における抵抗変化層およびトランジスタで構成される不揮発性記憶素子の抵抗変化特性を測定し、第2電極層の白金含有率による依存性を検討した。図18A〜図18Cおよび図19A〜図19Cは、第2の適用例における不揮発性記憶装置の不揮発性記憶素子に流れるセル電流の評価結果を示す正規期待値分布グラフであり、図20は、第2の適用例における不揮発性記憶装置の不揮発性記憶素子における第2電極層の白金含有率変化に対するセル電流変化を示すグラフである。図18A〜図18Cおよび図19A〜図19Cの各グラフは、垂直方向に対する傾きが大きいほどセル電流のばらつきが大きい(良好に動作しない)ことを示し、傾きが小さいほどセル電流のばらつきが小さい(良好に動作する)ことを示している。なお、図18A〜図18Cおよび図19A〜図19Cの例において、トランジスタは1.8V系且つゲート幅が0.44μmであるものを用い、抵抗変化特性を安定化させるために設計回路での初期ブレイクダウン処理後、1.8Vのパルスを印加した。その結果、図18A〜図18Cおよび図19A〜図19Bに示すように、白金含有率が50atm%以下では低抵抗状態での電流値(LR電流値)および高抵抗状態での電流値(HR電流値)の双方とも良好な動作が確認できた。これに対し、図19Cに示すように白金含有率が60atm%の素子では、LR電流値、HR電流値ともばらつきが増加していることが確認された。
101 基板
102 酸化物層
103 第1電極層(第1電極)
104 抵抗変化層
105 第2電極層(第2電極)
106 第1の領域(抵抗変化層)
107 第2の領域(抵抗変化層)
200 不揮発性記憶装置
201 メモリ本体部
202 メモリアレイ
203 行選択回路/ドライバ
204 列選択回路/ドライバ
205 書き込み回路
206 センスアンプ
207 データ入出力回路
208 アドレス入力回路
209 制御回路
210 不揮発性記憶素子
211 上部配線
212 下部配線
213 上部電極
214 抵抗変化層
215 内部電極
216 電流制御層
217 下部電極
218 オーミック抵抗層
219 第2の抵抗変化層
300 不揮発性記憶装置
301 メモリ本体部
302 メモリアレイ
303 行選択回路/ドライバ
304 列選択回路
305 書き込み回路
306 センスアンプ
307 データ入出力回路
308 セルプレート電源
309 アドレス入力回路
310 制御回路
313 不揮発性記憶素子
314 上部電極
315 抵抗変化層
316 下部電極
BL0,BL1,… ビット線
M11,M12,… メモリセル
T11,T12,… トランジスタ
WL0,WL1,… ワード線
500 不揮発性記憶素子
501 基板
502 酸化物層
503 第2電極層
504 抵抗変化層
505 第1電極層
506 第1の領域
507 第2の領域
Claims (7)
- 第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在し、前記第1電極と前記第2電極との間に与えられる電気的信号に基づいて抵抗値が可逆的に変化する抵抗変化層と、を備え、
前記抵抗変化層は、前記第1電極に接し、酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域と、前記第2電極に接し、前記第1の領域よりも酸素不足度が小さい遷移金属酸化物を含む第2の領域とを有し、
前記第2電極が、イリジウムとイリジウムより低いヤング率を有する少なくとも1つの貴金属との合金で構成されており、イリジウムの含有率が50atm%以上である、不揮発性記憶素子。 - 前記合金は、前記抵抗変化層の初期ブレイクダウンに必要な電気的パルスの電圧を小さくすることができ、かつ不揮発性記憶素子の抵抗値のばらつきを低減することができる合金である、請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記第2電極が、イリジウムと白金の合金で構成されており、白金の含有率が20atm%以上50atm%以下であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記第2電極が、イリジウムとパラジウムの合金で構成されており、パラジウムの含有率が20atm%以上50atm%以下であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記抵抗変化層は、抵抗変化層を構成する遷移金属酸化物が酸素濃度の異なる複数層で構成された積層構造であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 半導体基板上に互いに平行に形成された複数の第1の配線と、前記複数の第1の配線の上方に前記半導体基板の主面に平行な面内において互いに平行且つ前記複数の第1の配線に立体交差するように形成された複数の第2の配線と、前記複数の第1の配線と前記複数の第2の配線との立体交差点に対応して設けられた不揮発性記憶素子とを具備するメモリアレイを備え、
前記不揮発性記憶素子のそれぞれは、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在し、前記第1電極と前記第2電極との間で与えられる電気的信号に基づいて可逆的に抵抗値が変化する抵抗変化層とを備え、
前記抵抗変化層は、前記第1電極に接し、酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域と、前記第2電極に接し、前記第1の領域よりも酸素不足度が小さい素不足型の遷移金属酸化物を含む第2の領域とを有し、
前記第2電極が、イリジウムとイリジウムより低いヤング率を有する少なくとも1つの貴金属との合金で構成されており、イリジウムの含有率が50atm%以上である、不揮発性半導体装置。 - 半導体基板上に互いに平行に形成された複数の第1の配線と、前記複数の第1の配線の上方に前記半導体基板の主面に平行な面内において互いに平行且つ前記複数の第1の配線に立体交差するように形成された複数の第2の配線と、前記複数の第1の配線または前記複数の第2の配線のいずれか一方と平行に配列され、互いに平行に形成された複数の第3の配線と、前記第1の配線および前記第2の配線の立体交差点のそれぞれに対応して設けられた複数のトランジスタと、前記トランジスタと1対1に設けられた複数の不揮発性記憶素子とを備え、
前記不揮発性記憶素子のそれぞれは、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在し、前記第1の配線と前記第3の配線との間に与えられ、対応して設けられている前記トランジスタを介して前記第1電極と前記第2電極との間で与えられる電気的信号に基づいて可逆的に抵抗値が変化する抵抗変化層とを備え、
前記不揮発性記憶素子の、前記第1電極および前記第2電極のいずれか一方は、対応する前記トランジスタのソースおよびドレインのいずれか一方と接続され、
前記複数のトランジスタのゲートは、対応する前記第1の配線と接続され、
前記不揮発性記憶素子の、前記第1電極および前記第2電極のいずれか他方は、対応する前記第2の配線および前記第3の配線のいずれか一方と接続され、
前記トランジスタのソースおよびドレインのいずれか他方は、対応する前記第2の配線および前記第3の配線のいずれか他方と接続され、
前記抵抗変化層は、前記第1電極に接し、酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域と、前記第2電極に接し、前記第1の領域よりも酸素不足度が小さい酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第2の領域とを有し、
前記第2電極が、イリジウムとイリジウムより低いヤング率を有する少なくとも1つの貴金属との合金で構成されており、イリジウムの含有率が50atm%以上である、不揮発性半導体装置。
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