JPWO2012090404A1 - 不揮発性記憶素子、その製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[不揮発性記憶素子の構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子の構成例を示す断面図である。
次に、以上のように構成される不揮発性記憶素子100の製造方法について説明する。
次に、不揮発性記憶素子100における初期ブレイクダウン電圧を説明する。
図6は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子における固定抵抗値と初期ブレイクダウン電圧の関係を示す図である。ここで、縦軸が初期ブレイクダウン電圧値(V)を示し、横軸が固定抵抗値(Ω)を示している。固定抵抗値とは、固定抵抗層108の有する所定の抵抗値のことである。
次に、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。以下、固定抵抗層108を構成する材料はTiAlNで、その抵抗値は100Ω程度であるとして説明する。また、以下では、抵抗変化層104の膜厚が約50nm(そのうち第2の遷移金属酸化物層107の膜厚は5nm)であり、直径0.5μmのパターンのものであるとして説明する。なお、以降の説明においても、特に断りがない場合、抵抗変化層104のサイズはこのとおりとする。
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。
図11は、本発明の実施の形態1の変形例1に係る不揮発性記憶素子の構成例を示す断面図である。なお、図1と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
図12は、本発明の実施の形態1の変形例2に係る不揮発性記憶素子の構成例を示す断面図である。なお、図1と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
図12に示す不揮発性記憶素子300では、酸化物層102上に第1電極層103と抵抗変化層104と、第2電極層105とがこの順に積層された抵抗変化素子104aを有するとして説明したがそれに限らない。図14に示すように、不揮発性記憶素子300における抵抗変化素子104aが上下反転しても構わない。ここで、図14は、本発明の実施の形態1の変形例3に係る不揮発性記憶素子の別の構成例を示す断面図である。図14に示す不揮発性記憶素子350では、図12に示す不揮発性記憶素子300の抵抗変化素子104aを上下反転した構造の抵抗変化素子304aを備えている。なお、図1及び図12と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
上述した実施の形態1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。本実施の形態では、実施の形態1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について説明する。
図15は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶装置の構成を示すブロック図である。また、図16は、図15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17は、図15に示される不揮発性記憶装置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17では、図16のB部における構成が示されている。
図15および図16に示した不揮発性記憶装置におけるメモリセルアレイを、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。以下、多層化構造の不揮発性記憶装置について説明する。
本実施の形態では、上述した実施の形態1に係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について説明する。
図19は、本発明の実施の形態3に係る不揮発性記憶装置の構成を示すブロック図である。また、図20は、図19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。
次に、本実施の形態の不揮発性記憶装置における抵抗変化層(トランジスタから構成される不揮発性記憶素子)の初期ブレイクダウン電圧特性を測定し、第1電極層103に相当する下部電極516下部に設けられた固定抵抗層の依存性を検討した。
次に、本発明に係る不揮発性記憶素子の設計支援方法の実施の形態について説明する。
101 基板
102 酸化物層
103 第1電極層
104、414、515 抵抗変化層
104a、154a、304a 抵抗変化素子
105 第2電極層
106 第1の遷移金属酸化物層
107 第2の遷移金属酸化物層
108、308 固定抵抗層
400、500 不揮発性記憶装置
401、501 メモリ本体部
402、502 メモリセルアレイ
403、503 行選択回路ドライバ
404、504 列選択回路
405、505 書き込み回路
406、506 センスアンプ
407、507 データ入出力回路
408、509 アドレス入力回路
409、510 制御回路
411 上部配線
412 下部配線
413、514 上部電極
415 内部電極
416 電流制御層
417、516 下部電極
508 セルプレート電源
Claims (14)
- 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電極及び前記第2電極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有する抵抗変化素子と、
所定の抵抗値を有し、前記抵抗変化素子に積層される固定抵抗層と、を備え、
前記抵抗変化層は、酸素不足型の第1の遷移金属酸化物層と、前記第1の遷移金属酸化物層よりも高い酸素含有率をもつ第2の遷移金属酸化物絶縁層と、を有し、
前記所定の抵抗値は、70Ω以上かつ1000Ω以下である
不揮発性記憶素子。 - 前記第1電極は、前記固定抵抗層上に配置され、
前記第1の遷移金属酸化物層は、前記第1電極上に配置され、
前記第2の遷移金属酸化物層は、前記第1の遷移金属酸化物層上に配置され、
前記第2電極は、前記第2の遷移金属酸化物層上に配置され、
前記固定抵抗層は、前記抵抗変化素子と電気的に接続されている
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記固定抵抗層は、前記第2電極上に配置され、
前記第2電極は、前記第2の遷移金属酸化物層上に配置され、
前記第2の遷移金属酸化物層は、前記第1の遷移金属酸化物層上に配置され、
前記第1の遷移金属酸化物層は、前記第1電極上に配置され、
前記固定抵抗層は、前記抵抗変化素子と電気的に接続されている
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記第2電極は、前記固定抵抗層上に配置され、
前記第2の遷移金属酸化物層は、前記第2電極上に配置され、
前記第1の遷移金属酸化物層は、前記第2の遷移金属酸化物層上に配置され、
前記第1電極は、前記第2の遷移金属酸化物層上に配置され、
前記固定抵抗層は、前記抵抗変化素子と電気的に接続されている
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記固定抵抗層は、前記第1電極上に配置され、
前記第1電極は、前記第1の金属酸化物層上に配置され、
前記第1の遷移金属酸化物層は、前記第2の遷移金属酸化物層上に配置され、
前記第2の遷移金属酸化物層は、前記第2電極上に配置され、
前記固定抵抗層は、前記抵抗変化素子と電気的に接続されている
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記第2の電極を構成する材料の標準電極電位は、前記第1の電極を構成する材料及び前記抵抗変化層を構成する遷移金属の標準電極電位のいずれよりも大きい
請求項1〜5のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記抵抗変化層は、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物及びジルコニウム酸化物の内から選ばれる1つの酸素不足型の遷移金属酸化物層で構成されている
請求項1〜5のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記所定の抵抗値は、70Ω以上かつ420Ω以下である
請求項1〜7のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記固定抵抗層は、窒素チタンアルミニウムで構成されている
請求項1〜8のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記固定抵抗層は、タンタル酸化物で構成されている
請求項1〜8のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子。 - 半導体基板上に、70Ω以上かつ1000Ω以下である所定の抵抗値を有する固定抵抗層を形成する工程と、
前記固定抵抗層上に第1電極を形成する工程と、
前記第1電極上に、酸素不足型の第1の遷移金属酸化物と、前記第1の遷移金属酸化物より酸素含有率が高く絶縁物である第2の遷移金属酸化物と、を備える抵抗変化層を形成する工程と、
前記抵抗変化層上に第2電極を形成する工程と、を含む
不揮発性記憶素子の製造方法。 - 半導体基板上に、第1電極を形成する工程と、
前記第1電極上に、酸素不足型の第1の遷移金属酸化物と、前記第1の遷移金属酸化物より酸素含有率が高く絶縁物である第2の遷移金属酸化物と、を備える抵抗変化層を形成する工程と、
前記抵抗変化層上に第2電極を形成する工程と、
前記第2電極上に、70Ω以上かつ1000Ω以下である所定の抵抗値を有する固定抵抗層を形成する工程と、を含む
不揮発性記憶素子の製造方法。 - 請求項1記載の不揮発性記憶素子の製造方法であって、
前記固定抵抗層の所定の抵抗値を決定する設計ステップと、
前記設計ステップで決定された所定の抵抗値に従って前記不揮発性記憶素子を製造する製造ステップとを含み、
前記設計ステップは、
前記固定抵抗層の抵抗値と前記不揮発性記憶素子の初期化電圧との依存関係を算出する算出ステップと、
設計の対象となる不揮発性記憶素子に要求される初期化電圧を受け付ける受け付けステップと、
前記算出ステップで算出された依存関係を参照することで、前記受け付けステップで受け付けた初期化電圧に対応する前記固定抵抗層の所定の抵抗値を特定する特定ステップと、
前記特定ステップで特定された所定の抵抗値を出力する出力ステップとを含む
不揮発性記憶素子の製造方法。 - 前記算出ステップでは、
前記固定抵抗層の前記抵抗値が異なる複数の不揮発性記憶素子を実験的に製造する実験製造ステップと、
前記実験製造ステップで製造された固定抵抗層の抵抗値が異なる複数の不揮発性記憶素子を初期化することで、初期化電圧を計測及び収集する計測ステップと、
前記複数の不揮発性記憶素子について、前記固定抵抗層の各抵抗値と対応する前記初期化電圧とを関係づけることで、前記依存関係を決定する決定ステップとを含む
請求項13に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
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