JP2011198909A - Resistance-change type nonvolatile memory device - Google Patents
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Abstract
【課題】初期ブレイク工程におけるブレイク時の電流の増大を回避する事ができる抵抗変化型不揮発性記憶素子を提供する。
【解決手段】抵抗変化型不揮発性記憶素子10Aは、第1電極17と、基板上に形成された層間絶縁層12と、層間絶縁層12の内部に形成された柱状の第2電極13と、第1電極17と第2電極13との間に介在され、両電極間に与えられる極性の異な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14とを備え、抵抗変化層14は、MOxで表される組成を有する第1の酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域16aと、NOyで表される組成を有する第2の酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第2の領域15aとを有し、第2の領域15aの酸素不足率は第1の領域16aの酸素不足率より小さく、第2の領域15aと第2電極13とは接しており、第2の領域15aは第2電極13の電極面よりも面積が大きく形成されている。
【選択図】図2A variable resistance nonvolatile memory element capable of avoiding an increase in current during a break in an initial break process is provided.
A variable resistance nonvolatile memory element includes a first electrode, an interlayer insulating layer formed on a substrate, a columnar second electrode formed inside the interlayer insulating layer, A resistance change layer which is interposed between the first electrode 17 and the second electrode 13 and whose resistance value reversibly changes based on electrical signals having different polarities given between the electrodes. 14 is a first region 16a containing a first oxygen-deficient transition metal oxide having a composition represented by MO x , and a second oxygen-deficient transition metal having a composition represented by NO y A second region 15a containing an oxide, the oxygen deficiency rate of the second region 15a is smaller than the oxygen deficiency rate of the first region 16a, and the second region 15a and the second electrode 13 are in contact with each other. The area of the second region 15 a is larger than the electrode surface of the second electrode 13. It is formed.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、与えられる電気的信号に応じて抵抗値が変化する抵抗変化型不揮発性記憶素子に関し、特に極性の異なる電気的信号に基づいて可逆的に抵抗値が変化するバイポーラ動作型の抵抗変化型不揮発性記憶素子に関する。 The present invention relates to a variable resistance nonvolatile memory element in which a resistance value changes according to an applied electrical signal, and more specifically, a bipolar operation type resistance change in which a resistance value reversibly changes based on electrical signals having different polarities. The present invention relates to a type nonvolatile memory element.
近年、デジタル技術の進展に伴って、携帯情報機器や情報家電等の電子機器がより一層高機能化している。これらの電子機器の高機能化に伴い、使用される半導体素子の微細化及び高速化が急速に進んでいる。その中でも、フラッシュメモリに代表されるような大容量の不揮発性メモリの用途が急速に拡大している。更に、このフラッシュメモリに置き換わる次世代の新型不揮発性メモリとして、いわゆる抵抗変化型の不揮発性記憶素子を備えた不揮発性記憶装置の研究開発が進んでいる。ここで、抵抗変化型の不揮発性記憶素子とは、電気的信号によって抵抗値が可逆的に変化する性質を有し、この抵抗値に対応した情報を不揮発的に記憶することが可能な素子のことをいう。 In recent years, with the advancement of digital technology, electronic devices such as portable information devices and information home appliances have become more sophisticated. As these electronic devices have higher functions, the semiconductor elements used have been rapidly miniaturized and increased in speed. Among them, the use of a large-capacity nonvolatile memory represented by a flash memory is rapidly expanding. Furthermore, research and development of a nonvolatile memory device having a so-called variable resistance nonvolatile memory element is progressing as a next-generation new nonvolatile memory that replaces the flash memory. Here, the variable resistance nonvolatile memory element has a property that a resistance value reversibly changes by an electrical signal, and is an element capable of storing information corresponding to the resistance value in a nonvolatile manner. That means.
特許文献1に開示されているように、抵抗変化型の不揮発性記憶素子は一対の電極間に抵抗変化材料で構成される抵抗変化層を挟んでなる構造を有しており、その電気的特性の違いに基づいてバイポーラ動作型及びユニポーラ動作型の2つに大別される。
As disclosed in
バイポーラ動作型の不揮発性記憶素子(以下、「バイポーラ動作型素子」という)は、高抵抗状態と低抵抗状態との間で抵抗状態を変化させるために互いに異なる極性の電圧を用いるタイプの素子である。これに対し、ユニポーラ動作型の不揮発性記憶素子(以下、「ユニポーラ動作型素子」という)は、同じく抵抗状態を変化させるために極性が同一の電圧を用いるタイプの素子であり、抵抗変化材料として例えば酸化ニッケル(NiOx)または酸化チタン(TiOx)のような単一の遷移金属の酸化物等を用いるものである。 A bipolar operation type nonvolatile memory element (hereinafter referred to as a “bipolar operation element”) is a type of element that uses voltages of different polarities in order to change the resistance state between a high resistance state and a low resistance state. is there. On the other hand, unipolar operation type nonvolatile memory elements (hereinafter referred to as “unipolar operation type elements”) are elements of the same type that use voltages of the same polarity in order to change the resistance state. For example, a single transition metal oxide such as nickel oxide (NiO x ) or titanium oxide (TiO x ) is used.
上記の2種類の不揮発性記憶素子のうち、ユニポーラ動作型素子には、以下のような問題がある。NiOxなどの遷移金属酸化物を用いたユニポーラ動作型素子の場合、非特許文献1に開示されているように、100ns程度の短い電気的パルスにより抵抗変化材料を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させることができる。しかしながら、低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるためには、μsオーダーの長パルスが必要になるため、動作の高速化を図ることが困難となる。
Of the two types of nonvolatile memory elements described above, the unipolar operation type element has the following problems. In the case of a unipolar operation type element using a transition metal oxide such as NiO x, as disclosed in Non-Patent
また、ユニポーラ動作型素子には、抵抗変化層を上下の電極で挟んだ構造を形成した直後は、抵抗状態の変化が起こりにくいという問題もある。一般に、抵抗変化型の不揮発性記憶素子の動作においては、定常的な抵抗変化に至るまでに、絶縁体の絶縁破壊に似た初期ブレイク工程が必要になる。この初期ブレイク工程では、定常的な抵抗変化に要する電圧よりも高い電圧を素子に対して印加することになり、このことが低電圧動作の妨げとなっている。ユニポーラ動作型素子の場合、この初期ブレイク工程に要する電圧が高くなるというデメリットがある。 In addition, the unipolar element has a problem that the resistance state hardly changes immediately after the structure in which the variable resistance layer is sandwiched between the upper and lower electrodes is formed. In general, in the operation of a resistance change type nonvolatile memory element, an initial break process similar to dielectric breakdown of an insulator is required before steady resistance change is reached. In this initial break process, a voltage higher than the voltage required for steady resistance change is applied to the element, which hinders low voltage operation. In the case of the unipolar operation type element, there is a demerit that the voltage required for the initial break process becomes high.
これに対し、特許文献2に開示されているように、高抵抗層(高酸素濃度層)及び低抵抗層(低酸素濃度層)の積層構造で構成される抵抗変化層を有するバイポーラ動作型素子の場合、低電圧で安定した高速駆動を実現することができる。しかも、高抵抗層の膜厚が5nm程度と薄いため、ユニポーラ動作型素子の場合と比べて初期ブレイク工程に要する電圧が低くても足りるというメリットがある。
On the other hand, as disclosed in
上述したように、初期ブレイク工程は低電圧動作の妨げとなっている。特に、抵抗変化型の不揮発性記憶素子にダイオードまたはトランジスタなどの負荷素子が接続された状態で初期ブレイク工程を実施する場合には、ブレイク時の電流が大きいと負荷素子でのIRドロップによって不揮発性記憶素子への実効印加電圧が低下し、その結果初期ブレイクが起こらなくなってしまう場合がある。そのため、確実に初期ブレイクを起こすためには、負荷素子でのIRドロップを補償する分だけ印加電圧を上げる必要がある。 As described above, the initial break process hinders low voltage operation. In particular, when the initial break process is performed in a state where a load element such as a diode or a transistor is connected to the variable resistance nonvolatile memory element, if the current at the time of the break is large, the nonvolatile element is nonvolatile due to IR drop at the load element. In some cases, the effective applied voltage to the memory element is lowered, and as a result, the initial break does not occur. Therefore, in order to surely cause an initial break, it is necessary to increase the applied voltage by an amount that compensates for the IR drop in the load element.
ユニポーラ動作型素子においては、抵抗変化層が10nm以上の比較的厚い高酸素濃度の金属酸化物から構成されているため、素子単体でのブレイク電圧そのものは高いものの、ブレイク時の電流が非常に小さいので、負荷素子によるIRドロップ分の電圧上昇はほとんど生じない。 In a unipolar element, the resistance change layer is made of a relatively thick metal oxide having a high oxygen concentration of 10 nm or more. Therefore, although the breakdown voltage itself of the element is high, the current during the break is very small. As a result, the voltage drop by the IR drop due to the load element hardly occurs.
他方、上述したような高抵抗層と低抵抗層との積層構造で構成される抵抗変化層を有するバイポーラ動作型素子の場合では、高抵抗層の膜厚が薄いため、素子単体でのブレイク電圧そのものは低いものの、ブレイク時の電流が大きいため、負荷素子によるIRドロップ分の電圧上昇が問題となり得る。 On the other hand, in the case of a bipolar operation type element having a resistance change layer composed of a laminated structure of a high resistance layer and a low resistance layer as described above, the high resistance layer is thin, so the break voltage of the element alone Although the voltage itself is low, since the current at the time of break is large, a voltage increase due to the IR drop by the load element can be a problem.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができる抵抗変化型不揮発性記憶素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a main object thereof is to provide a variable resistance nonvolatile memory element that can solve the above-described problems.
本発明者等は、上述したようなバイポーラ動作型素子におけるブレイク時の電流の増大を回避すべく鋭意検討を重ねた。そして、ブレイク時の電流の大きさが、高抵抗層(高酸素濃度層)と電極とが接する面積に比例し、当該面積を小さくすることがブレイク時の電流の増大を回避ために有効であるという知見を得た。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。 The inventors of the present invention have made extensive studies in order to avoid an increase in current during a break in the bipolar operation type element as described above. The magnitude of the current at the time of the break is proportional to the area where the high resistance layer (high oxygen concentration layer) and the electrode are in contact, and reducing the area is effective for avoiding an increase in the current at the time of the break. I got the knowledge. The present invention has been made based on this finding.
上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の抵抗変化型不揮発性記憶素子は、第1電極と、基板上に形成された層間絶縁層と、前記層間絶縁層の内部に形成された柱状の第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在され、前記第1電極及び前記第2電極間に与えられる極性の異な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、第1の遷移金属をM、第2の遷移金属をNとした時、MOxで表される組成を有する第1の酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域と、NOyで表される組成を有する第2の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、ストイキオメトリの状態である前記第2の遷移金属Nの酸化物に対する前記NOyの酸素不足率が、ストイキオメトリの状態である前記第1の遷移金属Mの酸化物に対する前記MOyの酸素不足率より小さく、前記第2の領域と前記第2電極とは接しており、前記第2の領域は前記第2電極の電極面よりも面積が大きく形成されている。 In order to solve the above-described problem, a variable resistance nonvolatile memory element according to one embodiment of the present invention is formed in a first electrode, an interlayer insulating layer formed over a substrate, and the interlayer insulating layer. A columnar second electrode and a reversible resistance based on electrical signals having different polarities provided between the first electrode and the second electrode, and interposed between the first electrode and the second electrode. A variable resistance layer having a variable value, wherein the variable resistance layer has a first oxygen deficiency having a composition represented by MO x where M is the first transition metal and N is the second transition metal. A first region containing a transition metal oxide of a type and a second region containing a second oxygen-deficient transition metal oxide having a composition represented by NO y , and a stoichiometric state in a lack of oxygen index of the NO y the oxide of the second transition metal N is, stoichiometric Less than the oxygen deficiency rate of the MO y with respect to the a cytometry state oxides of first transition metal M, wherein is in contact with the second region and the second electrode, the second region is the first The area is larger than the electrode surface of the two electrodes.
このように構成することにより、高抵抗層となる第2の領域と第2電極との接触面積を小さくすることが可能になるため、初期ブレイク工程におけるブレイク時の電流の増大を回避することが可能になる。 With this configuration, the contact area between the second region serving as the high resistance layer and the second electrode can be reduced, so that an increase in current during the break in the initial break process can be avoided. It becomes possible.
また、前記第1の遷移金属をMと第2の遷移金属をNは同じ遷移金属を用いてもよい。 Further, the same transition metal may be used as M for the first transition metal and N for the second transition metal.
この態様において、前記抵抗変化層に電気的に接続された負荷素子をさらに備えていてもよい。この負荷素子が、トランジスタであってもよく、半導体層または絶縁体層と前記半導体層または絶縁体層を挟む金属電極層との積層構造よりなるダイオードであってもよい。 In this aspect, a load element electrically connected to the resistance change layer may be further provided. The load element may be a transistor, or a diode having a stacked structure of a semiconductor layer or insulator layer and a metal electrode layer sandwiching the semiconductor layer or insulator layer.
また、この態様において、前記第1電極が、前記抵抗変化層側に位置する前記金属電極層として機能し、前記半導体層または絶縁体層と前記第1電極との接触面積が前記第2の領域と前記第2電極との接触面積より大きくなるように構成されていてもよい。 In this aspect, the first electrode functions as the metal electrode layer positioned on the resistance change layer side, and a contact area between the semiconductor layer or the insulator layer and the first electrode is the second region. And the contact area between the second electrode and the second electrode.
また、この態様において、前記ダイオードは、前記層間絶縁層の内部に形成されていてもよい。 In this aspect, the diode may be formed inside the interlayer insulating layer.
また、この態様において、前記抵抗変化層側に位置する前記金属電極層及び前記半導体層または絶縁体層が、前記層間絶縁層に形成されたホール内に形成されていてもよい。 In this aspect, the metal electrode layer and the semiconductor layer or the insulator layer located on the resistance change layer side may be formed in a hole formed in the interlayer insulating layer.
また、この態様において、前記第1電極及び前記抵抗変化層は、前記第1電極に電気的信号を供給する配線と一体的に形成されていてもよい。この場合に、前記ダイオードが、前記第2電極と当該第2電極に電気的信号を供給する配線との間に形成されていてもよい。 In this aspect, the first electrode and the variable resistance layer may be formed integrally with a wiring that supplies an electrical signal to the first electrode. In this case, the diode may be formed between the second electrode and a wiring that supplies an electrical signal to the second electrode.
また、この態様において、前記抵抗変化層が、TaOx(但し、0.8≦x≦1.9)で表される組成を有する第1の酸素不足型のタンタル酸化物を含む第1の領域と、TaOy(但し、2.1≦y<2.5)で表される組成を有する第2の酸素不足型のタンタル酸化物を含む第2の領域とを有していてもよい。これ以外にも、前記抵抗変化層が、HfOx(但し、0.9≦x≦1.6)で表される組成を有する第1の酸素不足型のハフニウム酸化物を含む第1の領域と、HfOy(但し、1.8<y<2.0)で表される組成を有する第2の酸素不足型のハフニウム酸化物を含む第2の領域とを有していてもよく、また、前記抵抗変化層が、ZrOx(但し、0.9≦x≦1.4)で表される組成を有する第1の酸素不足型のジルコニウム酸化物を含む第1の領域と、ZrOy(但し、1.9<y<2.0)で表される組成を有する第2の酸素不足型のジルコニウム酸化物を含む第2の領域とを有していてもよい。 In this embodiment, the variable resistance layer includes a first region containing a first oxygen-deficient tantalum oxide having a composition represented by TaO x (where 0.8 ≦ x ≦ 1.9). And a second region containing a second oxygen-deficient tantalum oxide having a composition represented by TaO y (where 2.1 ≦ y <2.5). In addition, the variable resistance layer includes a first region containing a first oxygen-deficient hafnium oxide having a composition represented by HfO x (where 0.9 ≦ x ≦ 1.6). And a second region containing a second oxygen-deficient hafnium oxide having a composition represented by HfO y (where 1.8 <y <2.0), and The variable resistance layer includes a first region containing a first oxygen-deficient zirconium oxide having a composition represented by ZrO x (where 0.9 ≦ x ≦ 1.4), and ZrO y (where And a second region containing a second oxygen-deficient zirconium oxide having a composition represented by 1.9 <y <2.0).
さらに前記抵抗変化層は、TaOx(但し、0.8≦x≦1.9)で表される組成を有する酸素不足型のタンタル酸化物を含む前記第1の領域と、HfOy(但し、1.8<y<2.0)で表される組成を有する酸素不足型のハフニウム酸化物を含む前記第2の領域とを有していてもよい。 Furthermore, the variable resistance layer includes the first region containing an oxygen-deficient tantalum oxide having a composition represented by TaO x (where 0.8 ≦ x ≦ 1.9), and HfO y (where And the second region including an oxygen-deficient hafnium oxide having a composition represented by 1.8 <y <2.0).
また、この態様において、前記第1電極に電気的信号を供給する上部配線と、前記第2電極に電気的信号を供給する下部配線と、をさらに備え、前記第2電極は前記下部配線と電気的に接続するためのコンタクトプラグであることが好ましい。ここで、このコンタクトプラグが銅、銀、パラジウム、イリジウム、白金、金のいずれかで構成され、前記第2の領域がタンタル、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、またはチタンの酸化物を含んでいてもよく、前記コンタクトプラグがタングステン、レニウム、ルテニウム、銅、銀、パラジウム、イリジウム、白金、金のいずれかで構成され、前記第2の領域がニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、またはチタンの酸化物を含んでいてもよい。 In this aspect, the semiconductor device further includes an upper wiring that supplies an electrical signal to the first electrode, and a lower wiring that supplies an electrical signal to the second electrode, and the second electrode is electrically connected to the lower wiring. It is preferable that the contact plug be used for connection. Here, the contact plug may be made of any one of copper, silver, palladium, iridium, platinum, and gold, and the second region may contain an oxide of tantalum, niobium, zirconium, hafnium, or titanium. The contact plug is made of tungsten, rhenium, ruthenium, copper, silver, palladium, iridium, platinum, or gold, and the second region contains an oxide of niobium, zirconium, hafnium, or titanium. Also good.
また、この態様において、前記第1の領域はタンタルまたはハフニウムの酸化物を含んでいてもよい。 In this embodiment, the first region may contain an oxide of tantalum or hafnium.
さらに、この態様において、前記第1電極及び前記抵抗変化層は、前記第1電極に電気的信号を供給する配線と一体的に形成されていてもよい。 Furthermore, in this aspect, the first electrode and the resistance change layer may be formed integrally with a wiring that supplies an electrical signal to the first electrode.
本発明に係る抵抗変化型不揮発性記憶素子によれば、初期ブレイク工程におけるブレイク時の電流の増大を回避することができる。 According to the variable resistance nonvolatile memory element according to the present invention, it is possible to avoid an increase in current during the break in the initial break process.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、各図面において同じ要素は同じ符号を付しており、説明を省略する場合がある。また、各図面では、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示しており、その形状及び寸法等については正確ではない場合がある。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same element is attached | subjected the same code | symbol in each drawing, and description may be abbreviate | omitted. Moreover, in each drawing, in order to make it easy to understand, each component is typically shown, and the shape, dimension, etc. may not be accurate.
(実施の形態1)
実施の形態1の抵抗変化型不揮発性記憶素子(以下、単に「不揮発性記憶素子」という)は、互いに直交(交差)するように配置されたビット線、ワード線との交点の位置に、MOSトランジスタ及び抵抗変化型不揮発性記憶素子(抵抗変化素子)が直列に接続され、1つのトランジスタと1つの抵抗変化素子で不揮発性記憶部とした、いわゆる1T1R型の不揮発性記憶装置に備えられる抵抗変化素子である。まず、この1T1R型の不揮発性記憶装置の構成について説明する。
(Embodiment 1)
The variable resistance nonvolatile memory element according to the first embodiment (hereinafter simply referred to as “nonvolatile memory element”) has a MOS at the intersection of a bit line and a word line arranged so as to be orthogonal to each other. Resistance change provided in a so-called 1T1R nonvolatile memory device in which a transistor and a resistance variable nonvolatile memory element (resistance variable element) are connected in series to form a nonvolatile memory unit with one transistor and one resistance variable element. It is an element. First, the configuration of the 1T1R type nonvolatile memory device will be described.
[不揮発性記憶装置の構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子を備える1T1R型の不揮発性記憶装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、不揮発性記憶装置100は、半導体基板上に、メモリ本体部101を備えており、このメモリ本体部101は、メモリアレイ102と、行選択回路/ドライバ103と、列選択回路104と、情報の書き込みを行うための書き込み回路105と、選択ビット線に流れる電流量を検出し、データ「1」または「0」の判定を行うセンスアンプ106と、端子DQを介して入出力データの入出力処理を行うデータ入出力回路107とを具備している。
[Configuration of non-volatile storage device]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a 1T1R type nonvolatile memory device including the nonvolatile memory element according to
また、不揮発性記憶装置100は、セルプレート電源(VCP電源)108と、外部から入力されるアドレス信号を受け取るアドレス入力回路109と、外部から入力されるコントロール信号に基づいて、メモリ本体部101の動作を制御する制御回路110とをさらに備えている。
The
メモリアレイ102は、半導体基板の上に形成された、互いに交差するように配列された複数のワード線WL0,WL1,WL2,…およびビット線BL0,BL1,BL2,…と、これらのワード線WL0,WL1,WL2,…およびビット線BL0,BL1,BL2,…の交点に対応してそれぞれ設けられた複数のトランジスタT11,T12,T13,T21,T22,T23,T31,T32,T33,…(以下、「トランジスタT11,T12,…」と表す)と、トランジスタT11,T12,…と1対1に設けられた複数のメモリセルM111,M112,M113,M121,M122,M123,M131,M132,M133(以下、「メモリセルM111,M112,…」と表す)とを備えている。ここで、メモリセルM111,M112,…は、後述する実施の形態1に係る不揮発性記憶素子に相当する。
The
また、メモリアレイ102は、ワード線WL0,WL1,WL2,…に平行して配列されている複数のプレート線PL0,PL1,PL2,…を備えている。なお、複数のプレート線は、ビット線に平行して配列された構成としてもよい。
The
トランジスタT11,T12,T13,…のドレインはビット線BL0に、トランジスタT21,T22,T23,…のドレインはビット線BL1に、トランジスタT31,T32,T33,…のドレインはビット線BL2に、それぞれ接続されている。 The drains of the transistors T11, T12, T13,... Are connected to the bit line BL0, the drains of the transistors T21, T22, T23, ... are connected to the bit line BL1, and the drains of the transistors T31, T32, T33,. Has been.
また、トランジスタT11,T21,T31,…のゲートはワード線WL0に、トランジスタT12,T22,T32,…のゲートはワード線WL1に、トランジスタT13,T23,T33,…のゲートはワード線WL2に、それぞれ接続されている。 In addition, the gates of the transistors T11, T21, T31,... Are on the word line WL0, the gates of the transistors T12, T22, T32, ... are on the word line WL1, and the gates of the transistors T13, T23, T33,. Each is connected.
さらに、トランジスタT11,T12,…のソースはそれぞれ、メモリセルM111,M112,…と接続されている。 Further, the sources of the transistors T11, T12,... Are connected to the memory cells M111, M112,.
また、メモリセルM111,M121,M131,…はプレート線PL0に、メモリセルM112,M122,M132,…はプレート線PL1に、メモリセルM113,M123,M133,…はプレート線PL2に、それぞれ接続されている。 The memory cells M111, M121, M131,... Are connected to the plate line PL0, the memory cells M112, M122, M132,... Are connected to the plate line PL1, and the memory cells M113, M123, M133,. ing.
図1では、複数のプレート線は共通の電源VCPに接続された構成となっているが、各プレート線が、個別の選択回路とドライバを有する構成としてもよい。 In FIG. 1, a plurality of plate lines are connected to a common power supply VCP, but each plate line may have an individual selection circuit and a driver.
アドレス入力回路109は、外部回路(図示せず)からアドレス信号を受け取り、このアドレス信号に基づいて行アドレス信号を行選択回路/ドライバ103へ出力するとともに、列アドレス信号を列選択回路104へ出力する。ここで、アドレス信号は、複数のメモリセルM111,M112,…のうちの選択される特定のメモリセルのアドレスを示す信号である。また、行アドレス信号は、アドレス信号に示されたアドレスのうちの行のアドレスを示す信号であり、列アドレス信号は、アドレス信号に示されたアドレスのうちの列のアドレスを示す信号である。
The
制御回路110は、情報の書き込みサイクルにおいては、データ入出力回路107に入力された入力データDinに応じて、書き込み用電圧の印加を指示する書き込み信号を書き込み回路105へ出力する。他方、情報の読み出しサイクルにおいて、制御回路110は、読み出し用電圧の印加を指示する読み出し信号を列選択回路104へ出力する。
In the information write cycle, the
行選択回路/ドライバ103は、アドレス入力回路109から出力された行アドレス信号を受け取り、この行アドレス信号に応じて、複数のワード線WL0,WL1,WL2,…のうちの何れかを選択し、その選択されたワード線に対して、所定の電圧を印加して選択されたワード線に接続されるトランジスタをオンする。
The row selection circuit /
また、列選択回路104は、アドレス入力回路109から出力された列アドレス信号を受け取り、この列アドレス信号に応じて、複数のビット線BL0,BL1,BL2,…のうちの何れかを選択し、その選択されたビット線と対応するプレート線との間に、書き込み用電圧または読み出し用電圧を印加する。
The
書き込み回路105は、制御回路110から出力された書き込み信号を受け取った場合、列選択回路104に対して選択されたビット線に対して書き込み用電圧の印加を指示する信号を出力する。
When the
また、センスアンプ106は、情報の読み出しサイクルにおいて、読み出し対象となる選択ビット線に流れる電流量を検出し、データ「1」または「0」と判定する。その結果得られた出力データDOは、データ入出力回路107を介して、外部回路へ出力される。
Further, the
上記のように動作することにより、不揮発性記憶装置100は、後述する不揮発性記憶素子に対する読み書きを実現する。
By operating as described above, the
[不揮発性記憶素子の構成]
図2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の一例を示す断面図である。図2に示すように、本実施の形態の不揮発性記憶素子10Aは、上部配線20(例えばアルミニウム(Al)配線)と下部配線11(例えば同じくAl配線)との間に形成される。この不揮発性記憶素子10Aは、コンタクトプラグ19を介して上部配線20と接続された第1電極17(例えば窒化タンタル(TaN)で構成)と、下部配線11と接続された第2電極13と、これらの両電極間に挟まれた抵抗変化層14とを備えている。ここでのコンタクトプラグ19は、上部配線20と第1電極17とを電気的に接続するためのコンタクトプラグとして機能するものである。また、第2電極13も同様に下部配線11と電気的に接続するためのコンタクトプラグとして機能する。以上については、実施の形態2以降で述べるコンタクトプラグや第2電極についても同様である。
[Configuration of Nonvolatile Memory Element]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the nonvolatile memory element according to
抵抗変化層14は、第1の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される遷移金属酸化物層16a及び第2の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される遷移金属酸化物層15aの積層構造で構成されている。ここで、第1の遷移金属をM、第2の遷移金属をNとし、上側に位置する第1の酸素不足型の遷移金属酸化物層16aの遷移金属酸化物の組成をMOx、下側に位置する第2の酸素不足型の遷移金属酸化物層15aの遷移金属酸化物の組成をNOyとした場合、ストイキオメトリの状態である前記第2の遷移金属Nの酸化物に対する前記NOyの酸素不足率が、ストイキオメトリの状態である前記第1の遷移金属Mの酸化物に対する前記MOxの酸素不足率より小さい。例えば、第1の遷移金属がタンタル、第2の遷移金属がハフニウムの場合、ストイキオメトリの状態であるタンタル酸化物はTa2O5、ストイキオメトリの状態であるハフニウム酸化物はHfO2となる。第1の酸素不足型の遷移金属酸化物をTaOx(x=1.9)、第2の酸素不足型の遷移金属酸化物をHfOy(y=1.9)とすると、第1の酸素不足型の遷移金属酸化物(TaOx)の酸素不足率は24%(=1−1.9/2.5)、第2の酸素不足型の遷移金属酸化物(HfOy)の酸素不足率は5%(=1−1.9/2.0)となり、第2の酸素不足型の遷移金属酸化物(HfOy)の酸素不足率は第1の酸素不足型の遷移金属酸化物(TaOx)の酸素不足率より小さい。このように、第2の酸素不足型の遷移金属酸化物層15aの酸素不足率を第1の酸素不足型の遷移金属酸化物層16aの酸素不足率よりも小さくすることにより、第2電極13との界面において酸化/還元による抵抗変化現象を発現しやすくすることができる。そのため、低電圧駆動が可能な記憶素子を実現することができる。
The
以下では、高酸素濃度層である第2の酸素不足型の遷移金属酸化物層15aを高抵抗層と呼び、低酸素濃度層である第1の酸素不足型の遷移金属酸化物層16aを低抵抗層と呼ぶ。本実施の形態では、高抵抗層15a及び低抵抗層16aは何れもタンタル(Ta)酸化物で構成されており、低抵抗層16aの組成をTaOxとし、高抵抗層15aの組成をTaOyとした場合に、xが0.8以上1.9以下となり、且つyが2.1以上2.5未満となるように調整される。x及びyがこの範囲にある場合に安定した抵抗変化動作を実現することができる。
Hereinafter, the second oxygen-deficient transition
第2電極13は、コンタクトプラグ13a及び貴金属電極13bの積層構造で構成された柱状の電極であり、基板(図示せず)上の第1の層間絶縁層(SiO2層)12に形成されたコンタクトホール21内に設けられている。なお、本発明の明細書においては、「柱状の電極」は、電極層を堆積した後にドラエッチングにて形成したものや、コンタクトホール内に埋め込みで形成したものの双方を含む。ここで、コンタクトプラグ13aは、例えばタングステン(W)等で構成されており、また、貴金属電極13bは例えばイリジウム(Ir)や白金(Pt)等で構成されている。コンタクトプラグ13aの上に、貴金属電極13bを形成している理由は、後述するように、抵抗変化層14としてタンタル酸化物を用いた場合には、タングステンで構成された電極との界面では抵抗変化現象が発現しにくく、イリジウムや白金等で構成された電極との界面では抵抗変化現象が良好であることからである(以下に述べる図29、図30の説明を参照)。
The
この第2電極13が備える貴金属電極13bの上に、その電極面を覆うようにして高抵抗層15aが形成されている。すなわち、高抵抗層15aの外形は貴金属電極13bの外形よりも大きく形成されている。そして、その高抵抗層15aの上に低抵抗層16a、第1電極17及びタングステンで構成されたコンタクトプラグ19が形成されている。これらの高抵抗層15a、低抵抗層16a、第1電極17及びコンタクトプラグ19は、第2の層間絶縁層(SiO2層)18に覆われて設けられている。
A
なお、上述したように、本実施の形態において、第1電極17は、例えば窒化タンタル(TaN)で構成され、第2電極13を構成する貴金属電極13bはイリジウム(Ir)や白金(Pt)等で構成されている。ここで、イリジウムの標準電極電位(standard electrode potential)V2は1.16eVであり、窒化タンタルの標準電極電位V1は0.48eVである。一般に標準電極電位は酸化されやすさの一つの指標として用いられ、この値が大きければ酸化されにくく、小さければ酸化されやすいことを意味する。電極と抵抗変化層との標準電極電位の差が大きいほど抵抗変化が起こりやすく、その差が小さくなるにつれて抵抗変化が起こりにくいことから、酸化されやすさが抵抗変化現象のメカニズムに大きな役割を果たしていると推測される。タンタルの標準電極電位Vtは−0.6eVであるため、Vt<V2の関係を満たすことから、イリジウムで構成される貴金属電極13bと高抵抗層15aとの界面で酸化還元反応が起こり、抵抗変化現象が発現する。また、V2>V1の関係を満たすことから、この酸化還元反応は、窒化タンタルで構成される第1電極17と低抵抗層16aとの界面よりも、イリジウムで構成される貴金属電極13bと高抵抗層15aとの界面に優先的に発現する。そのため、抵抗変化現象が発現する界面を一方の界面に固定することができ、他方の界面で抵抗変化現象が起こることに伴う誤動作を防止することができる。
As described above, in the present embodiment, the
上述したように、第2電極13は第1の層間絶縁層12のコンタクトホール21内に形成された柱状の電極であるため、高抵抗層15aと第2電極13とが接する面積を従来の構造(第2電極の面積は抵抗変化層の面積と同じ)と比べて小さくすることができる。そのため、初期ブレイク工程におけるブレイク時の電流の増大を回避することができる。また、高抵抗層15aの全領域ではなく、高抵抗層15aにおける第2電極13上の領域にのみ導通領域が形成されることになるため、低消費電力化を実現することができる。特に、トランジスタなど負荷抵抗が接続された状態で、初期ブレイク工程を行う場合には、ブレイク時の電流による電圧上昇を抑制できるため有効である。
As described above, since the
さらに、製造工程において抵抗変化層14の側部はエッチングダメージを受けることがあるため、これにより素子特性が劣化するおそれがあるが、本実施の形態の場合、上述したとおり、高抵抗層15aにおける第2電極13上の領域にのみ導通領域が形成されることになり、抵抗変化層14の側部には導通領域が形成されないので、エッチングダメージによる影響を受けず、高歩留まり及び安定した動作を実現することができる。
Furthermore, since the side portion of the
[不揮発性記憶素子の製造方法]
次に、上述したように構成される不揮発性記憶素子10Aの製造方法について説明する。
[Method of Manufacturing Nonvolatile Memory Element]
Next, a method for manufacturing the
図3乃至図5は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子10Aの製造工程を示す断面図である。まず、図3(a)に示すように、シリコン基板等である基板S上に所望のマスクを用いて下部配線11(ここではAl配線)を形成し、その下部配線11を含む基板Sの全面に150乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第1の層間絶縁層12を形成する。
3 to 5 are cross-sectional views showing manufacturing steps of the
次に、図3(b)に示すように、例えばドライエッチング法によって、第1の層間絶縁層12を貫通して下部配線11と接続する直径が50乃至100nm程度のコンタクトホール21を形成する。その後、図3(c)に示すように、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法によってタングステン層13aを堆積する。これにより、第1の層間絶縁層12のコンタクトホール21内に、タングステン層13aが埋め込み形成される。また、タングステン層の下層(図示せず)に密着層やバリア層を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 3B, a
そして、図3(d)に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によって、第1の層間絶縁層12が露出するまでタングステン層13aを除去することにより平坦化処理を行う。
Then, as shown in FIG. 3D, planarization is performed by removing the
その後、図4(a)に示すように、エッチバックにより第1の層間絶縁層12のコンタクトホール21内のコンタクトプラグ13aをその厚みが50nm程度になるように除去する。次に、図4(b)に示すように、当該コンタクトホール21内に貴金属層13b(ここではイリジウム層)を埋め込み堆積する。これにより、コンタクトプラグ13a上に貴金属電極13bが形成されることになる。そして、図4(c)に示すように、エッチバックによって、第1の層間絶縁層12が露出するまで貴金属層13bを除去することにより平坦化処理を行うと共にコンタクトプラグ13a内に貴金属電極13bを形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4A, the
次に、図5(a)に示すように、タンタルターゲットをアルゴンガス及び酸素ガス中でスパッタリングする所謂反応性スパッタリング法によって、貴金属電極13b及び第1の層間絶縁層12上に高抵抗層15a(ここではタンタル酸化物(TaOy)、2.1≦y<2.5)を形成する。さらに、酸素反応性スパッタリング法によって、その高抵抗層15aの上に低抵抗層16a(ここではタンタル酸化物(TaOx)、0.8≦x≦1.9)を形成し、さらにその低抵抗層16aの上に、第1電極17(ここでは窒化タンタル層)を反応性スパッタリング法により形成する。このとき、高抵抗層15aの厚みは1〜8nm、低抵抗層16aの厚みは10〜100nm、第1電極17の厚みは20〜100nmである。
Next, as shown in FIG. 5A, a
次に、図5(b)に示すように、ドライエッチング法による一括エッチにより、高抵抗層15a、低抵抗層16a及び第1電極17の積層構造を、貴金属電極13b及び第1の層間絶縁層12上に形成する。ここで、この積層構造は、貴金属電極13bの表面(電極面)を覆うようにして形成される。すなわち、高抵抗層15aの外形は貴金属電極13bの外形よりも大きくなるように形成され、かつ貴金属電極13bの表面(電極面)をすべて覆うように形成される。
Next, as shown in FIG. 5B, the laminated structure of the
そして、図5(c)に示すように、高抵抗層15a、低抵抗層16a及び第1電極17の積層構造を覆うように300乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第2の層間絶縁層18を形成し、さらにドライエッチング法によって、第2の層間絶縁層18を貫通して第1電極17と接続する直径が50乃至100nm程度のコンタクトホール22を形成する。その後、CVD法によって、当該コンタクトホール22内にタングステン層(コンタクトプラグを構成)19を埋め込み堆積し、さらにCMPによって、第2の層間絶縁層18が露出するまでタングステン層19を除去することにより平坦化処理を行う。
Then, as shown in FIG. 5C, a second interlayer insulation which is a silicon oxide film having a thickness of about 300 to 500 nm so as to cover the laminated structure of the
最後に、図5(d)に示すように、コンタクトプラグ19を含む第2の層間絶縁層18上に所望のマスクを用いてAl配線である上部配線20を形成する。
Finally, as shown in FIG. 5D, an
以上のように、本実施の形態では、簡易なプロセスで良好な不揮発性記憶素子を得ることができる。 As described above, in this embodiment, a favorable nonvolatile memory element can be obtained with a simple process.
[不揮発性記憶素子の変形例]
以下、本実施の形態の不揮発性記憶素子の変形例について説明する。なお、以下の変形例の不揮発性記憶素子のうち変形例3を除いたものは、上記の不揮発性記憶素子10Aと異なり、第2電極がタングステンで構成されるコンタクトプラグ13aのみで構成されており、貴金属電極を備えていない。そして、この構成の変更に伴い、抵抗変化層14の材料が不揮発性記憶素子10Aとは異なっている。
[Variation of non-volatile memory element]
Hereinafter, modifications of the nonvolatile memory element of this embodiment will be described. Note that the non-volatile memory element of the following modified example excluding the modified example 3 is composed of only the
[変形例1]
図6は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子の変形例1の構成を示す断面図である。この変形例1の不揮発性記憶素子10Bは、図6に示すように、タングステンで構成されるコンタクトプラグ13aの上に、高抵抗層15b及び低抵抗層16bの積層構造で構成される抵抗変化層14が設けられている。変形例1においては、このタングステンコンタクトプラグ13aが第2電極として機能する。
[Modification 1]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of Modification Example 1 of the nonvolatile memory element according to
高抵抗層15b及び低抵抗層16bは何れもハフニウム(Hf)酸化物で構成されており、低抵抗層16bの組成をHfOxとし、高抵抗層15bの組成をHfOyとした場合に、xが0.9以上1.6以下であって、yが1.8より大きく2.0未満となるように調整される。x及びyがこの範囲にある場合に安定した抵抗変化動作を実現することができる。
Both the
なお、本変形例1のように、抵抗変化層14の高抵抗層15bにハフニウム酸化物を用いた場合には、タングステンで構成された電極との界面で抵抗変化を発現するため、図2で述べた実施形態のごとくタンタル酸化物で高抵抗層を形成した場合のように、コンタクトプラグ13aの上にイリジウム等の貴金属電極13bを形成する必要はない(後述する図29の説明を参照)。このことは、以下で述べる他の実施形態や変形例においても同様である。
In the case of using hafnium oxide for the
なお、変形例1の不揮発性記憶素子10Bのその他の構成については、本実施の形態の不揮発性記憶素子10Aの場合と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
Since the other configuration of the
このように、変形例1の不揮発性記憶素子10Bの場合、第2電極がタングステンコンタクトプラグ13aのみで構成されており、難エッチング材料である貴金属を備えていない。そのため、製造が容易となり、しかも微細加工が可能になるというメリットがある。なお、本変形例1において第2電極がタングステンコンタクトプラグ13aのみで構成されていても動作可能である理由については、下記の[抵抗変化層及び電極の材料]の欄にて説明する。
As described above, in the
図7及び図8は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子の変形例1の製造工程を示す断面図である。不揮発性記憶素子10Aを製造する場合と同様、まず、図7(a)に示すように、基板S上に下部配線11(ここではAl配線等)を形成し、その下部配線11を含む基板Sの全面に150乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第1の層間絶縁層12を形成する。次に、図7(b)に示すように、第1の層間絶縁層12を貫通して下部配線11と接続する直径が50乃至100nm程度のコンタクトホール21を形成し、さらに、図7(c)に示すように、CVD法によってタングステン層13aを埋め込み堆積する。そして、図7(d)に示すように、CMPによって、第1の層間絶縁層12が露出するまでタングステン層13aを除去することにより平坦化処理を行う。また、タングステン層の下層(図示せず)に密着層やバリア層を形成してもよい。
7 and 8 are cross-sectional views showing manufacturing steps of Modification Example 1 of the nonvolatile memory element according to
次に、図8(a)に示すように、反応性スパッタリング法によって、コンタクトプラグ13a及び第1の層間絶縁層12上にハフニウム酸化物(HfOy、1.8<y<2.0)で構成される高抵抗層15bを形成し、さらに、酸素反応性スパッタリング法によって、その高抵抗層15bの上にハフニウム酸化物(HfOx、0.9≦x≦1.6)で構成される低抵抗層16bを形成する。そして、低抵抗層16bの上に、窒化タンタル層(第1電極)17を反応性スパッタリング法により形成する。このとき、高抵抗層15bの厚みは5nm程度、低抵抗層16bの厚みは30nm程度、第1電極17の厚みは50nm程度である。
Next, as shown in FIG. 8A, hafnium oxide (HfO y , 1.8 <y <2.0) is formed on the
次に、図8(b)に示すように、ドライエッチング法によって、コンタクトプラグ13aの表面(電極面)を覆うようにして、高抵抗層15b、低抵抗層16b及び第1電極17の積層構造をコンタクトプラグ13a及び第1の層間絶縁層12上に形成する。すなわち、高抵抗層15bの外形はコンタクトプラグ13aの外形よりも大きくなるように形成され、かつコンタクトプラグ13bの表面(電極面)をすべて覆うように形成される。
Next, as shown in FIG. 8B, a laminated structure of the
そして、図8(c)に示すように、高抵抗層15b、低抵抗層16b及び第1電極17の積層構造を覆うように300乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第2の層間絶縁層18を形成した後、この第2の層間絶縁層18を貫通して第1電極17と接続する直径が50乃至100nm程度のコンタクトホール22を形成する。そして、当該コンタクトホール22内にタングステン層19を埋め込み堆積した後、第2の層間絶縁層18が露出するまでタングステン層19を除去することにより平坦化処理を行い、コンタクトプラグ19を形成する。最後に、図8(d)に示すように、コンタクトプラグ19を含む第2の層間絶縁層18上に所望のマスクを用いてAl配線である上部配線20を形成する。
Then, as shown in FIG. 8C, the second interlayer insulating film is a silicon oxide film having a thickness of about 300 to 500 nm so as to cover the laminated structure of the
以上のように、この変形例1の不揮発性記憶素子10Bは、難エッチング材料である貴金属を含まないため、より容易に製造することが可能になる。
As described above, the
なお、本変形例1においては、高抵抗層15b及び低抵抗層16bがハフニウム(Hf)酸化物で構成されているが、それ以外の材料でもよく、例えばジルコニウム(Zr)酸化物で構成されていてもよい。その場合、低抵抗層の組成をHfOxと表し、高抵抗層の組成をZrOyと表すと、xが0.9以上1.6以下であって、yが1.9より大きく2.0未満となるように調整される。x及びyがこの範囲にある場合に安定した抵抗変化動作を実現することができる。
In the first modification, the
[変形例2]
図9は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子の変形例2の構成を示す断面図である。図9に示すように、この変形例2の不揮発性記憶素子10Cは、変形例1の不揮発性記憶素子10Bと同様に、タングステンで構成されるコンタクトプラグ13aの上に抵抗変化層14が設けられている。しかしながら、この抵抗変化層14の構成が変形例1の場合と異なっている。
[Modification 2]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of Modification Example 2 of the nonvolatile memory element according to
変形例2の不揮発性記憶素子10Cが備える抵抗変化層14は、ハフニウム酸化物で構成される高抵抗層15bと、タンタル酸化物で構成される低抵抗層16aとの積層構造からなっている。ここで、低抵抗層16aの組成をTaOxとし、高抵抗層15bの組成をHfOyとした場合に、xが0.8以上1.9以下であって、yが1.8より大きく2.0未満となるように調整される。この場合、HfOyの酸素不足率は、TaOxの酸素不足率より小さく、x及びyが上述した範囲にある場合に安定した抵抗変化動作を実現することができる。
The
なお、変形例2の不揮発性記憶素子10Cのその他の構成については、変形例1の不揮発性記憶素子10Bの場合と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
Since the other configuration of the
このように、変形例2の不揮発性記憶素子10Cも、変形例1の場合と同様に、第2電極がコンタクトプラグ13aのみで構成されており、難エッチング材料である貴金属を備えていないため、製造が容易で且つ微細加工が可能になるというメリットがある。
As described above, in the
なお、変形例2の構成に代えて、高抵抗層と低抵抗層を構成する遷移金属を逆にしてもよい。すなわち、抵抗変化層14は、タンタル酸化物で構成される高抵抗層15bと、ハフニウム酸化物で構成される低抵抗層16aとの積層構造としてもかまわない。ここで、低抵抗層16aの組成をHfOxとし、高抵抗層15bの組成をTaOyとした場合に、xが0.9以上1.6以下であって、yが2.1以上2.5未満となるように調整され、x及びyがこの範囲にある場合に安定した抵抗変化動作を実現することができる。
Instead of the configuration of the second modification, the transition metals constituting the high resistance layer and the low resistance layer may be reversed. That is, the
[変形例3乃至5]
本実施の形態における変形例3乃至5の不揮発性記憶素子は、第1電極及び抵抗変化層が上部配線と一体的に形成された素子である。このように第1電極及び抵抗変化層と上部配線とが一体的に形成された場合、当該抵抗変化層を複数の第2電極と接続することによって、複数の導通領域を容易に形成することができる。なお、これらの変形例3乃至5の不揮発性記憶素子は、上述した不揮発性記憶素子10A乃至10Cにそれぞれ対応した構成となっている。
[
The nonvolatile memory elements of
図10は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子の変形例3の構成を示す断面図である。図10(a)に示すように、変形例3の不揮発性記憶素子10Dは、高抵抗層15a及び低抵抗層16aの積層構造で構成される抵抗変化層14と、第1電極17と、上部配線20とが一体的に形成されている。図10(b)には、このような変形例3の不揮発性記憶素子10Dをマトリクス状に複数備えるメモリアレイの断面図が示されている。このメモリアレイに備えられた複数の不揮発性記憶素子10Dは互いに独自の導通領域を、各コンタクトプラグ13bの面内の高抵抗層15aの領域内に形成することになるため、個別に動作することが可能である。このように、第1電極17及び抵抗変化層14と上部配線20とを一体的に形成することによって、記憶素子の高集積化を図ることができる。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of Modification Example 3 of the nonvolatile memory element according to
図11は、本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶素子の変形例4及び5の構成を示す断面図であり、(a)は変形例4の構成を、(b)は変形例5の構成をそれぞれ示している。図11(a)に示すように、変形例4の不揮発性記憶素子10Eは、高抵抗層15b及び低抵抗層16bの積層構造(ハフニウム酸化物の積層)で構成される抵抗変化層14と、第1電極17と、上部配線20とが一体的に形成され、図11(b)に示すように、変形例5の不揮発性記憶素子10Fは、高抵抗層15b及び低抵抗層16aの積層構造(ハフニウム酸化物とタンタル酸化物の積層)で構成される抵抗変化層14と、第1電極17と、上部配線20とが一体的に形成されている。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of Modifications 4 and 5 of the nonvolatile memory element according to
変形例3の場合と同様に、これらの変形例4及び5を複数備えるメモリアレイの場合も、各不揮発性記憶素子10E及び10Fを個別に動作させることができるため、高集積化を図ることができる。
Similarly to the case of the
[抵抗変化層及び電極の材料]
次に、本実施の形態における高抵抗層及び第2電極にはどのような材料が適しているのかについて検討する。
[Material of variable resistance layer and electrode]
Next, what materials are suitable for the high resistance layer and the second electrode in the present embodiment will be examined.
本発明者等は、酸素不足型タンタル酸化物を下部電極(第1電極)及び上部電極(第2電極)で挟んで形成された第1サンプル素子と、酸素不足型ハフニウム酸化物を同じく挟んで形成された第2サンプル素子とを作製した。ここで、第1電極の材料はW(タングステン)に固定し、第2電極の材料を表1及び表2に示す複数種類の材料に変化させた。表1は第1サンプル素子の構成を、表2は第2サンプル素子の構成をそれぞれ示している。なお、第1電極の材料をWに固定したのは、Wが比較的酸化されにくく、安定した材料であり、しかも加工が比較的容易であることによる。 The inventors of the present invention sandwiched an oxygen-deficient hafnium oxide in the same manner as a first sample element formed by sandwiching an oxygen-deficient tantalum oxide between a lower electrode (first electrode) and an upper electrode (second electrode). The formed second sample element was produced. Here, the material of the first electrode was fixed to W (tungsten), and the material of the second electrode was changed to a plurality of types of materials shown in Tables 1 and 2. Table 1 shows the configuration of the first sample element, and Table 2 shows the configuration of the second sample element. The reason why the material of the first electrode is fixed to W is that W is relatively resistant to oxidation, is a stable material, and is relatively easy to process.
本発明者等は、上記の第1及び第2サンプル素子の抵抗変化の様子を調べた。表1に示す第1サンプル素子における抵抗変化の測定では、試料においては多少の差異があるものの、高抵抗化させるときの電圧パルスを+1.8乃至+2.5V、100nsとし、低抵抗化させるときの電圧パルスを−1.3V乃至−1.6V、100nsとした。表2に示す第2サンプル素子の場合では、高抵抗化させるときの電圧パルスを+1.6乃至+1.9V、100nsとし、低抵抗化させるときの電圧パルスを−1.1V乃至−1.3V、100nsとした。なお、上記電圧は、各サンプル素子の抵抗変化層の低抵抗層側の電極電位を基準(0V)としたときに、各サンプル素子の抵抗変化層の高抵抗層側の電極に印加する電圧を示す。 The inventors examined the state of resistance change of the first and second sample elements. In the measurement of the resistance change in the first sample element shown in Table 1, although there are some differences in the sample, the voltage pulse for increasing the resistance is +1.8 to +2.5 V, 100 ns, and the resistance is decreased. The voltage pulse of −1.3V to −1.6V was set to 100 ns. In the case of the second sample element shown in Table 2, the voltage pulse when the resistance is increased is +1.6 to +1.9 V and 100 ns, and the voltage pulse when the resistance is decreased is −1.1 V to −1.3 V. 100 ns. The voltage is the voltage applied to the electrode on the high resistance layer side of the resistance change layer of each sample element when the electrode potential on the low resistance layer side of the resistance change layer of each sample element is taken as a reference (0 V). Show.
以下、上記の測定結果について整理する。図29は、酸素不足型遷移金属酸化物を構成する遷移金属の標準電極電位と電極材料の標準電極電位との差異と、酸素不足型金属酸化物の抵抗変化との相関を示すグラフである。この図29のグラフは、酸素不足型遷移金属酸化物を構成する遷移金属の標準電極電位(ET)と電極材料の標準電極電位(EE)との差異に対して、酸素不足型遷移金属酸化物HfOyまたはTaOyの抵抗変化の様子を示すグラフ(縦軸は抵抗値、横軸は電圧パルスの印加回数をそれぞれ示す)を配置して得られたものである。この図29のグラフを参照すると、EE及びETの差異と酸素不足型金属酸化物の抵抗変化との間には良好な相関関係があることを確認することができる。すなわち、抵抗変化層を構成する遷移金属であるTa、Hfよりも標準電極電位が大きい材料で電極を構成した場合には抵抗変化が起こっており、反対に小さい材料で電極を構成した場合には抵抗変化が起こりにくくなっていることが分かる。そして、遷移金属の標準電極電位と電極材料の標準電極電位との差異が大きいほど抵抗変化が起こりやすく、反対に小さいほど抵抗変化が起こりにくくなっている(EE−ET≦0を満足する電極材料を用いた素子は抵抗変化現象を示していない)ことが分かる。 The above measurement results will be summarized below. FIG. 29 is a graph showing the correlation between the difference between the standard electrode potential of the transition metal constituting the oxygen-deficient transition metal oxide and the standard electrode potential of the electrode material, and the resistance change of the oxygen-deficient metal oxide. The graph of Figure 29, with respect to the difference between the standard electrode potential of the standard electrode potential of the transition metal constituting the oxygen-deficient transition metal oxide and (E T) electrode material (E E), oxygen deficient transition metal It is obtained by arranging a graph showing the state of resistance change of the oxide HfO y or TaO y (the vertical axis indicates the resistance value, and the horizontal axis indicates the number of application of the voltage pulse). Referring to the graph of FIG. 29, it can be confirmed that there is a good correlation between the resistance change in the difference and the oxygen-deficient metal oxide E E and E T. That is, when the electrode is made of a material whose standard electrode potential is larger than that of Ta and Hf which are transition metals constituting the resistance change layer, the resistance change occurs. On the other hand, when the electrode is made of a small material, It can be seen that resistance change is less likely to occur. As the difference between the standard electrode potential of the transition metal and the standard electrode potential of the electrode material is larger, the resistance change is more likely to occur, and on the contrary, the resistance change is less likely to occur (E E −E T ≦ 0 is satisfied). It can be seen that the element using the electrode material does not show a resistance change phenomenon.
このことは、上述した抵抗変化のメカニズムの推論と符合する。すなわち、上述したように、抵抗変化層に含まれる遷移金属が酸化されやすい場合に抵抗変化が起こりやすいと考えられるため、電極材料と比べて酸化されやすい(標準電極電位が小さい)遷移金属を含む酸化物層を抵抗変化層の電極側界面に用いることにより、安定した抵抗変化動作を実現することが可能になるといえる。 This agrees with the reasoning of the mechanism of resistance change described above. That is, as described above, since the resistance change is likely to occur when the transition metal contained in the variable resistance layer is easily oxidized, the transition metal includes a transition metal that is easily oxidized (small standard electrode potential) compared to the electrode material. It can be said that stable resistance change operation can be realized by using the oxide layer at the electrode side interface of the resistance change layer.
ところで、図29のグラフを参照すると、EE−ETの値が1eV程度以上大きくなれば、安定した抵抗変化動作が得られることが分かる。そこで、本実施の形態の場合、EE−ET≧1eVを満足する材料を用いて高抵抗層及び第2電極を構成することが望ましいといえる。図30乃至図32は、本実施の形態における高抵抗層及び第2電極の適切な材料の組合せを説明するためのグラフである。図30に示すように、丸で囲まれているタンタル(Ta)よりも標準電極電位が1eV以上大きい材料としては、四角で囲まれている金(Au)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、銅(Cu)及びルテニウム(Ru)を挙げることができる。また、図には示していないが、窒化タンタル(TaN)の標準電極電位は0.48eVであり、タンタルよりも1eV以上、標準電極電位が高い。したがって、図2に示す本実施の形態の不揮発性記憶素子10A及び図9に示す変形例2の不揮発性記憶素子10C等のように、高抵抗層をタンタルの酸化物で構成した場合では、第2電極の材料としてAu、Pt、Ir、Pd、Ag、Cu、TaN又はRuを採用することが望ましい。
By the way, referring to the graph of FIG. 29, it can be seen that a stable resistance changing operation can be obtained if the value of E E -E T is increased by about 1 eV or more. Therefore, in the case of the present embodiment, it can be said that it is desirable to configure the high resistance layer and the second electrode by using a material that satisfies E E− E T ≧ 1 eV. 30 to 32 are graphs for explaining a combination of appropriate materials for the high resistance layer and the second electrode in the present embodiment. As shown in FIG. 30, as a material having a
同様に高抵抗層をハフニウム酸化物で構成した場合では、第2電極の材料として上記に加えて、レニウム(Re)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、又は鉄(Fe)を採用することができる。 Similarly, in the case where the high resistance layer is composed of hafnium oxide, in addition to the above as the material of the second electrode, rhenium (Re), tungsten (W), molybdenum (Mo), nickel (Ni), or iron (Fe ) Can be adopted.
また、図31に示すように、丸で囲まれている銅(Cu)よりも標準電極電位が1eV以上小さい材料としては、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)を挙げることができる。したがって、第2電極をCuで構成した場合では、高抵抗層となる金属酸化物を構成する金属材料としてTa、Nb、Zr、Hf、Ti又はAlを採用することが望ましい。言い換えると、高抵抗層となる金属酸化物を構成する金属材料としてTa、Nb、Zr、Hf、Ti又はAlを採用した場合は、これらの材料よりも1eV以上、標準電極電位が高い材料で第2電極を構成すればよく、第2電極材料としては、Cu、Ag、Pd、Ir、Pt、Auのいずれか、またはそれらの合金を用いる事ができる。 As shown in FIG. 31, tantalum (Ta), niobium (Nb), zirconium (Zr), hafnium (Hf) are materials whose standard electrode potential is 1 eV or more smaller than that of copper (Cu) surrounded by a circle. ), Titanium (Ti), and aluminum (Al). Therefore, when the second electrode is made of Cu, it is desirable to use Ta, Nb, Zr, Hf, Ti, or Al as the metal material constituting the metal oxide that becomes the high resistance layer. In other words, when Ta, Nb, Zr, Hf, Ti, or Al is used as the metal material constituting the metal oxide that becomes the high resistance layer, the first electrode is made of a material having a standard electrode potential higher than that of these materials by 1 eV or more. Two electrodes may be configured, and as the second electrode material, any one of Cu, Ag, Pd, Ir, Pt, Au, or an alloy thereof can be used.
さらに、図32に示すように、丸で囲まれているタングステン(W)よりも標準電極電位が1eV以上小さい材料としては、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)を挙げることができる。したがって、図6に示す変形例3の不揮発性記憶素子10B等のように、第2電極をWで構成されるコンタクトプラグのみで構成した場合では、高抵抗層となる金属酸化物を構成する金属材料としてNb、Zr、Hf、Ti又はAlを採用することが望ましい。
Furthermore, as shown in FIG. 32, materials whose standard electrode potential is 1 eV or more smaller than that of tungsten (W) surrounded by circles are niobium (Nb), zirconium (Zr), hafnium (Hf), titanium (Ti And aluminum (Al). Therefore, in the case where the second electrode is composed only of a contact plug composed of W, such as the
言い換えると、高抵抗層となる金属酸化物を構成する金属材料としてNb、Zr、Hf、Ti又はAlを採用した場合は、これらの材料よりも1eV以上、標準電極電位が高い材料で第2電極を構成すればよく、第2電極材料として、W、Re、TaN、Ru、Cu、Ag、Pd、Ir、Pt、Auのいずれか、またはそれらの合金を用いる事ができる。 In other words, when Nb, Zr, Hf, Ti, or Al is used as the metal material constituting the metal oxide to be the high resistance layer, the second electrode is made of a material having a standard electrode potential of 1 eV or higher than these materials. Any of W, Re, TaN, Ru, Cu, Ag, Pd, Ir, Pt, Au, or an alloy thereof can be used as the second electrode material.
(実施の形態2)
実施の形態2の抵抗変化型不揮発性記憶素子は、互いに直交(交差)するように配置されたワード線とビット線との交点(立体交差点)に不揮発性記憶部を介在させた、いわゆるクロスポイント型の不揮発性記憶装置に備えられる素子である。まず、このクロスポイント型の不揮発性記憶装置の構成について説明する。
(Embodiment 2)
The variable resistance nonvolatile memory element according to the second embodiment is a so-called cross point in which a nonvolatile memory part is interposed at an intersection (three-dimensional intersection) between a word line and a bit line arranged so as to be orthogonal (cross) each other. Element provided in a nonvolatile memory device of the type. First, the configuration of the cross-point type nonvolatile memory device will be described.
[不揮発性記憶装置の構成]
図12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13は、図12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。
[Configuration of non-volatile storage device]
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of the nonvolatile memory device according to
図12に示すように、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置200は、半導体基板上にメモリ本体部201を備えており、このメモリ本体部201は、メモリアレイ202と、行選択回路/ドライバ203と、列選択回路/ドライバ204と、情報の書き込みを行うための書き込み回路205と、選択ビット線に流れる電流量を検出し、データ「1」または「0」の判別を行うセンスアンプ206と、端子DQを介して入出力データの入出力処理を行うデータ入出力回路207とを具備している。
As shown in FIG. 12, the
また、不揮発性記憶装置200は、外部から入力されるアドレス信号を受け取るアドレス入力回路208と、外部から入力されるコントロール信号に基づいて、メモリ本体部201の動作を制御する制御回路209とをさらに備えている。
The
メモリアレイ202は、図12及び図13に示すように、半導体基板上に互い平行に形成された複数のワード線WL0,WL1,WL2,…と、これらのワード線WL0,WL1,WL2,…の上方にその半導体基板の主面に平行な面内において互いに平行に、しかも複数のワード線WL0,WL1,WL2,…に立体交差するように形成された複数のビット線BL0,BL1,BL2,…とを備えている。
As shown in FIGS. 12 and 13, the
また、これらのワード線WL0,WL1,WL2,…及びビット線BL0,BL1,BL2,…の交点に対応してマトリクス状に設けられた複数のメモリセルM211,M212,M213,M221,M222,M223,M231,M232,M123,…(以下、「メモリセルM211,M212,…」と表す)が設けられている。 Further, a plurality of memory cells M211, M212, M213, M221, M222, M223 provided in a matrix corresponding to the intersections of these word lines WL0, WL1, WL2,... And bit lines BL0, BL1, BL2,. , M231, M232, M123,... (Hereinafter referred to as “memory cells M211, M212,...”) Are provided.
なお、図12におけるメモリセルM211,M212,…は、図2において符号30Aで示されている。このメモリセル(不揮発性記憶素子)30Aの構成の詳細については後述する。
12, memory cells M211, M212,... Are denoted by
アドレス入力回路208は、外部回路(図示せず)からアドレス信号を受け取り、このアドレス信号に基づいて行アドレス信号を行選択回路/ドライバ203へ出力するとともに、列アドレス信号を列選択回路/ドライバ204へ出力する。ここで、アドレス信号は、複数のメモリセルM211,M212,…のうちの選択される特定のメモリセルのアドレスを示す信号である。また、行アドレス信号はアドレス信号に示されたアドレスのうちの行のアドレスを示す信号であり、列アドレス信号は同じく列のアドレスを示す信号である。
The
制御回路209は、情報の書き込みサイクルにおいて、データ入出力回路207に入力された入力データDinに応じて、書き込み用電圧の印加を指示する書き込み信号を書き込み回路205へ出力する。他方、情報の読み出しサイクルにおいて、制御回路209は、読み出し動作を指示する読み出し信号を列選択回路/ドライバ204へ出力する。
In the information write cycle, the
行選択回路/ドライバ203は、アドレス入力回路208から出力された行アドレス信号を受け取り、この行アドレス信号に応じて、複数のワード線WL0,WL1,WL2,…のうちの何れかを選択し、その選択されたワード線に対して、所定の電圧を印加する。
The row selection circuit /
また、列選択回路/ドライバ204は、アドレス入力回路208から出力された列アドレス信号を受け取り、この列アドレス信号に応じて、複数のビット線BL0,BL1,BL2,…のうちの何れかを選択し、その選択されたビット線に対して、書き込み用電圧または読み出し用電圧を印加する。
Further, the column selection circuit /
書き込み回路205は、制御回路209から出力された書き込み信号を受け取った場合、行選択回路/ドライバ203に対して選択されたワード線に対する電圧の印加を指示する信号を出力するとともに、列選択回路/ドライバ204に対して選択されたビット線に対して書き込み用電圧の印加を指示する信号を出力する。
When the
また、センスアンプ206は、情報の読み出しサイクルにおいて、読み出し対象となる選択ビット線に流れる電流量を検出し、データ「1」または「0」の判別を行う。その結果得られた出力データDOは、データ入出力回路207を介して、外部回路へ出力される。
Further, the
上記のように動作することにより、不揮発性記憶装置200は、後述する不揮発性記憶素子に対する読み書きを実現する。
By operating as described above, the
なお、図12及び図13に示す本実施の形態に係る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も可能である。このように構成された多層化メモリアレイを設けることによって、超大容量不揮発性記憶装置を実現することが可能となる。 Note that it is also possible to realize a nonvolatile memory device having a multilayer structure by stacking the memory arrays in the nonvolatile memory device according to the present embodiment shown in FIGS. 12 and 13 three-dimensionally. By providing the multi-layered memory array configured as described above, it is possible to realize an ultra-large capacity nonvolatile memory device.
[不揮発性記憶素子の構成]
図14は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶素子の構成の一例を示す断面図である。なお、図14には、図13のB部における構成が示されている。図14に示すように、実施の形態2の不揮発性記憶素子30Aは、上部配線42(図13におけるワード線WL1に相当する、ここではAl配線等で構成)と下部配線31(図13におけるビット線BL1に相当する、ここでは同じくAl配線等で構成)との間に形成される。この不揮発性記憶素子30Aは、第1電極37(ここでは窒化タンタル(TaN)等で構成)と、第2電極33と、これらの両電極間に挟まれた抵抗変化層34とを備えている。
[Configuration of Nonvolatile Memory Element]
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the nonvolatile memory element according to
抵抗変化層34は、実施の形態1の場合と同様に、第2の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される高抵抗層35a及び第1の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される低抵抗層36aの積層構造で構成される。第1の遷移金属をM、第2の遷移金属をNとすると、低抵抗層36aの遷移金属酸化物の組成はMOxで表され、高抵抗層35aの遷移金属酸化物の組成はNOyで表される。この時、ストイキオメトリの状態である前記第2の遷移金属Nの酸化物に対する前記NOyの酸素不足率が、ストイキオメトリの状態である前記第1の遷移金属Mの酸化物に対する前記MOxの酸素不足率より小さくする。本実施の形態では、高抵抗層35a及び低抵抗層36aは何れもタンタル(Ta)酸化物で構成されており、低抵抗層36aの組成をTaOxとし、高抵抗層35aの組成をTaOyとした場合に、xが0.8以上1.9以下となり、且つyが2.1以上2.5未満となるように調整される。
As in the case of the first embodiment, the
第1電極37の上には、障壁層38(ここでは窒化シリコン(SiNz)等で構成)が形成されており、その障壁層38の上には、第3電極39(ここではTaN等で構成)が形成されている。この第3電極39は、コンタクトプラグ41を介して上部配線42と接続されている。ここで、障壁層38における第1電極37及び第3電極39との界面はショットキー障壁として機能する。障壁層38として窒化シリコン(SiNz)を用いた場合、この窒化シリコン(SiNz)は窒素組成zに応じてzの値が小さい場合は半導体的な、大きい場合は絶縁体的な振る舞いをする。半導体的な特性を有する場合、絶縁体的な特性を有する場合と比較してより大きな電流が得られる。例えば、SiNzのzの範囲が0<z≦0.85の場合では、10000A/cm2以上の電流密度を得ることができる。なお、第1電極37及び第3電極39は、窒化シリコン(SiNz)に対し、界面がショットキー障壁として機能する材料であればよい。例えば、抵抗変化層34が抵抗変化する際に流れる電流が発生する熱に対しても安定なTaN以外に、体心立法格子(bcc)構造を有するα−タングステン(W)あるいは窒化チタン(TiN)も用いることができる。これらの高融点金属やその窒化物を電極に用いることにより、大電流を流す場合でも安定的な動作が可能である。また、第1電極37及び第3電極39は、同じ材料である必要はなく、異なる材料であってもよい。
A barrier layer 38 (here, composed of silicon nitride (SiN z ) or the like) is formed on the
本実施の形態では、上述したとおり障壁層38が半導体層で構成されているため、第1電極37と、障壁層38と、第3電極39との積層構造がMSM(金属/半導体/金属)ダイオードとして機能する。なお、本発明はこれに限定されるわけではなく、障壁層38が絶縁体層で構成されており、第1電極37と、障壁層38と、第3電極39との積層構造がMIM(金属/絶縁体/金属)ダイオードとして機能するようにしてもよい。この場合の絶縁体としては、SiO2、Si3N4、Ta2O5等を用いることができる。
In the present embodiment, since the
第2電極33は、コンタクトプラグ33a及び貴金属電極33bの積層構造で構成された柱状の電極であり、基板(図示せず)上の第1の層間絶縁層(SiO2層)32に形成されたコンタクトホール46内に設けられている。本実施の形態2においては、実施の形態1の場合と同様、ここではコンタクトプラグ33aはタングステン(W)で、貴金属電極33bはイリジウム(Ir)や白金(Pt)でそれぞれ構成されている。
The
この第2電極33が備える貴金属電極33bの上に、その電極面を覆うようにして高抵抗層35aが形成されている。すなわち、高抵抗層35aの外形は貴金属電極33bの外形よりも大きく形成されている。そして、その高抵抗層35aの上に低抵抗層36a、第1電極37、障壁層38、第3電極39及びタングステンで構成されたコンタクトプラグ41が形成されており、これらは第2の層間絶縁層(SiO2層)40に覆われて設けられている。
On the
上述したように、第2電極33が第1の層間絶縁層32のコンタクトホール46内に形成された柱状の電極であり、この第2電極33の電極面を覆うようにして高抵抗層15aが形成される構成となっている。そのため、障壁層38と第1電極37との接触面積が、高抵抗層35aと第2電極33との接触面積よりも大きくなる。このような構成により、ダイオード側の電極面積が大きくなるため大電流化を実現することができ、高い駆動力を得ることができる。しかも、障壁層38と第1電極37との接触面積より接触面積が小さい高抵抗層35aと第2電極33との界面において電流密度を上げることができるため、当該界面において抵抗状態が変化しやすくなる。そのため、抵抗変化層34の抵抗状態を確実に変化させることが可能になる。
As described above, the
その他にも、実施の形態1の場合と同様に、ブレイク時の電流の増大を回避したり、エッチングダメージによる影響を受けずに高歩留まり及び安定した動作を実現する等の効果が得られる。 In addition, as in the case of the first embodiment, it is possible to obtain an effect such as avoiding an increase in current during a break and realizing a high yield and a stable operation without being affected by etching damage.
[不揮発性記憶素子の製造方法]
次に、上述したように構成される不揮発性記憶素子30Aの製造方法について説明する。
[Method of Manufacturing Nonvolatile Memory Element]
Next, a method for manufacturing the
図15乃至図17は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶素子30Aの製造工程を示す断面図である。実施の形態1の不揮発性記憶素子10Aを製造する場合と同様、まず、図15(a)に示すように、基板S上にAl配線である下部配線31を形成し、その下部配線31を含む基板Sの全面に150乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第1の層間絶縁層32を形成する。次に、図15(b)に示すように、第1の層間絶縁層32を貫通して下部配線31と接続する直径が50乃至100nm程度のコンタクトホール46を形成し、さらに、図15(c)に示すように、CVD法によってタングステン層33aを埋め込み堆積する。そして、図15(d)に示すように、CMPによって、第1の層間絶縁層32が露出するまでタングステン層33aを除去することにより平坦化処理を行う。
15 to 17 are cross-sectional views showing manufacturing steps of the
その後、図16(a)に示すように、エッチバックにより第1の層間絶縁層32のコンタクトホール46内のタングステン層(コンタクトプラグを構成)33aをその厚みが50nm程度になるように除去する。次に、図16(b)に示すように、当該コンタクトホール46内にイリジウム層を埋め込み堆積して貴金属電極33bを形成し、図16(c)に示すように、エッチバックによって、第1の層間絶縁層32が露出するまで貴金属電極33bを除去することにより平坦化処理を行う。
Thereafter, as shown in FIG. 16A, the tungsten layer (composing a contact plug) 33a in the
次に、図17(a)に示すように、反応性スパッタリング法によって、貴金属電極33b及び第1の層間絶縁層32上にタンタル酸化物(TaOy)で構成される高抵抗層35aを形成し、さらに、酸素反応性スパッタリング法によって、その高抵抗層35aの上にタンタル酸化物(TaOx)で構成される低抵抗層36aを形成する。そして、低抵抗層36aの上に、窒化タンタル層(第1電極)37、窒化シリコン層(障壁層)38、窒化タンタル層(第3電極)39を反応性スパッタリング法によりこの順に形成する。このとき、高抵抗層35aの厚みは5nm程度、低抵抗層36aの厚みは30nm程度、第1電極37の厚みは20nm程度、障壁層38の厚みは10nm程度、第3電極39の厚みは20nm程度である。
Next, as shown in FIG. 17A, a
次に、図17(b)に示すように、ドライエッチング法によって、貴金属電極33bの表面(電極面)を覆うようにして、高抵抗層35a、低抵抗層36a、第1電極37、障壁層38及び第3電極39の積層構造を貴金属電極33b及び第1の層間絶縁層32上に形成する。すなわち、高抵抗層35aの外形は貴金属電極33bの外形よりも大きくなるように形成される。
Next, as shown in FIG. 17B, a
そして、図17(c)に示すように、高抵抗層35a、低抵抗層36a、第1電極37、障壁層38及び第3電極39の積層構造を覆うように300乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第2の層間絶縁層40を形成した後、この第2の層間絶縁層40を貫通して第3電極39と接続する直径が50乃至100nm程度のコンタクトホール47を形成する。そして、当該コンタクトホール47内にタングステン層41を埋め込み堆積した後、第2の層間絶縁層40が露出するまでタングステン層41を除去することにより平坦化処理を行う。
Then, as shown in FIG. 17C, silicon having a thickness of about 300 to 500 nm so as to cover the laminated structure of the
最後に、図17(d)に示すように、コンタクトプラグ41を含む第2の層間絶縁層40上に所望のマスクを用いてAl配線である上部配線42を形成する。
Finally, as shown in FIG. 17D, an
以上のように、本実施の形態では、簡易なプロセスで良好な不揮発性記憶素子を得ることができる。 As described above, in this embodiment, a favorable nonvolatile memory element can be obtained with a simple process.
[不揮発性記憶素子の変形例]
以下、本実施の形態の不揮発性記憶素子の変形例について説明する。なお、以下の変形例の不揮発性記憶素子のうち変形例8及び11を除いたものは、上記の不揮発性記憶素子30Aと異なり、第2電極がタングステンで構成されるコンタクトプラグ33aのみで構成されており、貴金属電極層を備えていない。そして、この構成の変更に伴い、抵抗変化層34の材料が不揮発性記憶素子30Aとは異なっている。
[Variation of non-volatile memory element]
Hereinafter, modifications of the nonvolatile memory element of this embodiment will be described. Note that the non-volatile memory elements of the following modified examples excluding the modified examples 8 and 11 are composed of only the
[変形例6]
図18は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶素子の変形例6の構成を示す断面図である。この変形例6の不揮発性記憶素子30Bは、図18に示すように、タングステンで構成されたコンタクトプラグ33aの上に、高抵抗層35b及び低抵抗層36bの積層構造で構成される抵抗変化層34が設けられている。変形例6では、このコンタクトプラグ33aが第2電極として機能する。
[Modification 6]
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a configuration of Modification 6 of the nonvolatile memory element according to
高抵抗層35b及び低抵抗層36bは何れもハフニウム(Hf)酸化物で構成されており、低抵抗層36bの組成をHfOxとし、高抵抗層35bの組成をHfOyとした場合に、xが0.9以上1.6以下であって、yが1.8より大きく2.0未満となるように調整される。
Both the
なお、変形例6の不揮発性記憶素子30Bのその他の構成については、本実施の形態の不揮発性記憶素子30Aの場合と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
The other configuration of the
このように、変形例6の不揮発性記憶素子30Bの場合、第2電極がコンタクトプラグ33aのみで構成されており、難エッチング材料である貴金属を備えていないため、製造が容易となり、しかも微細加工が可能になるというメリットがある。
Thus, in the case of the
[変形例7]
図19は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶素子の変形例7の構成を示す断面図である。図19に示すように、この変形例7の不揮発性記憶素子30Cは、変形例6の不揮発性記憶素子30Bと同様に、タングステンで構成されたコンタクトプラグ33aの上に抵抗変化層14が設けられている。しかしながら、この抵抗変化層34の構成が変形例6の場合と異なっている。
[Modification 7]
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a configuration of Modification Example 7 of the nonvolatile memory element according to
変形例7の不揮発性記憶素子30Cが備える抵抗変化層34は、ハフニウム酸化物で構成される高抵抗層35bと、タンタル酸化物で構成される低抵抗層36aとの積層構造からなっている。ここで、低抵抗層36aの組成をTaOxとし、高抵抗層35bの組成をHfOyとした場合に、xが0.8以上1.9以下であって、yが1.8より大きく2.0未満となるように調整される。
The
なお、変形例7の不揮発性記憶素子30Cのその他の構成については、変形例6の不揮発性記憶素子30Bの場合と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
Since the other configuration of the
このように、変形例7の不揮発性記憶素子30Cも、変形例6の場合と同様に、第2電極がコンタクトプラグ33aのみで構成されており、難エッチング材料である貴金属を備えていないため、製造が容易で且つ微細加工が可能になるというメリットがある。
As described above, in the
[変形例8乃至10]
本実施の形態における変形例8乃至10の不揮発性記憶素子は、実施の形態1における変形例3乃至5の場合と同様に、第1電極及び抵抗変化層が上部配線と一体的に形成された素子である。なお、これらの変形例8乃至10の不揮発性記憶素子は、上述した不揮発性記憶素子30A乃至30Cにそれぞれ対応した構成となっている。
[Modifications 8 to 10]
In the nonvolatile memory elements of Modifications 8 to 10 in the present embodiment, the first electrode and the resistance change layer are formed integrally with the upper wiring, as in
図20は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶素子の変形例8乃至10の構成を示す断面図であり、(a)乃至(c)は変形例8乃至10の構成をそれぞれ示している。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a configuration of modified examples 8 to 10 of the nonvolatile memory element according to
図20(a)に示すように、変形例8の不揮発性記憶素子30Dは、タンタル酸化物で構成される高抵抗層35a及び低抵抗層36aの積層構造で構成される抵抗変化層34と、第1電極37と、上部配線42とが一体的に形成されている。
As shown in FIG. 20A, the nonvolatile memory element 30D of Modification 8 includes a
柱状の第2電極33と下部配線31との間には、窒化タンタルで構成される第4電極43、障壁層44、及び窒化タンタルで構成される第5電極45の積層構造が配設されている。変形例8の場合、この積層構造がMSMダイオードとして機能する。なお、タングステン(W)で構成されるコンタクトプラグ33a及びイリジウム(Ir)で構成される貴金属電極33bの積層構造で構成された柱状の第2電極33、および、窒化タンタル(TaN)で構成される第4電極43、窒化珪素(SiNx)で構成される障壁層44、及び窒化タンタルで構成される第5電極45の積層構造は、これらを積層後にドライエッチングで加工したものである。
Between the columnar
なお、下部配線31は第1の層間絶縁層32a内に、第4電極43、障壁層44、第5電極45及び第2電極33は第2の層間絶縁層32b内にそれぞれ形成される。
The
図20(b)に示すように、変形例9の不揮発性記憶素子30Eは、ハフニウム酸化物で構成される高抵抗層35b及び低抵抗層36bの積層構造で構成される抵抗変化層34と、第1電極37と、上部配線42とが一体的に形成されている。また、図20(c)に示すように、変形例10の不揮発性記憶素子30Fは、ハフニウム酸化物で構成される高抵抗層35b及びタンタル酸化物で構成される低抵抗層36aの積層構造で構成される抵抗変化層34と、第1電極37と、上部配線42とが一体的に形成されている。これらの変形例9及び10においても、変形例8の場合と同様、柱状の第2電極33aと下部配線31との間には、第4電極43、障壁層44、及び第5電極45の積層構造が配設されており、この積層構造がMSMダイオードとして機能する。
As shown in FIG. 20B, the nonvolatile memory element 30E of Modification 9 includes a
なお、これらの変形例8乃至10の不揮発性記憶素子30D乃至30Fにおいても、上述した場合と同様に、障壁層44を絶縁体層で構成することによって、MIMダイオードとして機能させるようにしてもよい。
Note that, in the nonvolatile memory elements 30D to 30F of the modified examples 8 to 10 as well, the
実施の形態1の変形例3乃至5の場合と同様に、本実施の形態の変形例8乃至10の不揮発性記憶素子30D乃至30Fを複数備えるメモリアレイの場合も、各不揮発性記憶素子30D乃至30Fを個別に動作させることができるため、高集積化を図ることができる。 Similarly to the third to fifth modifications of the first embodiment, each of the nonvolatile memory elements 30D to 30D is also provided in the memory array including a plurality of nonvolatile memory elements 30D to 30F of the eighth to tenth modifications of the present embodiment. Since 30F can be operated individually, high integration can be achieved.
次に、上記の変形例9の不揮発性記憶素子30Eの製造方法について説明する。図21は、本発明の実施の形態2の変形例9に係る不揮発性記憶素子30Eの製造工程を示す断面図である。まず、図21(a)に示すように、基板S上にAl配線である下部配線31を形成し、その下部配線31を含む基板Sの全面に150乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第1の層間絶縁層32aを形成する。ここで、CMPにより平坦化処理を行う。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory element 30E of Modification 9 will be described. FIG. 21 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the nonvolatile memory element 30E according to Modification 9 of
次に、図21(b)に示すように、窒化タンタル層(第4電極)43、窒化シリコン層(障壁層)44、窒化タンタル層(第5電極)45を反応性スパッタリング法によりこの順に形成し、さらにその上にCVD法によりタングステン層(第2電極)33aを形成する。このとき、第4電極43の厚みは20nm程度、障壁層44の厚みは10nm程度、第5電極45の厚みは20nm程度、第2電極33aの厚みは50nm程度である。
Next, as shown in FIG. 21B, a tantalum nitride layer (fourth electrode) 43, a silicon nitride layer (barrier layer) 44, and a tantalum nitride layer (fifth electrode) 45 are formed in this order by reactive sputtering. Further, a tungsten layer (second electrode) 33a is formed thereon by CVD. At this time, the thickness of the
次に、図21(c)に示すように、ドライエッチング法によって、第4電極43、障壁層44、第5電極45及び第2電極33aの積層構造で構成される柱状の構造を下部配線31上に形成する。
Next, as shown in FIG. 21C, a columnar structure composed of a stacked structure of the
そして、図21(d)に示すように、第4電極43、障壁層44、第5電極45及び第2電極33aの積層構造を覆うように300乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第2の層間絶縁層32bを形成し、その後、第2電極33aが露出するまで第2の層間絶縁層32bを除去することにより平坦化処理を行う。
Then, as shown in FIG. 21D, a silicon oxide film having a thickness of about 300 to 500 nm is formed so as to cover the laminated structure of the
次に、図21(e)に示すように、反応性スパッタリング法によって、第2電極33aの表面(電極面)を覆うようにしてハフニウム酸化物(HfOy)で構成される高抵抗層35bを形成し、さらに、酸素反応性スパッタリング法によって、その高抵抗層35bの上にハフニウム酸化物(HfOx)で構成される低抵抗層36bを形成する。そして、低抵抗層36bの上に、窒化タンタル層(第1電極)37及びAl配線(上部配線)42を反応性スパッタリング法によりこの順に形成する。このとき、高抵抗層35bの厚みは5nm程度、低抵抗層36bの厚みは30nm程度、第1電極37の厚みは50nm程度である。その後、ドライエッチング法によって、高抵抗層35b、低抵抗層36b、第1電極37及び上部配線42をライン状に加工することにより、変形例9の不揮発性記憶素子10Eを得る。
Next, as shown in FIG. 21E, a
[変形例11乃至13]
本実施の形態における変形例11乃至13の不揮発性記憶素子は、上記の変形例8乃至10の不揮発性記憶素子30D乃至30Fにそれぞれ対応した構成となっているが、第2電極が層間絶縁層のコンタクトホール内に形成される点が変形例8乃至10とは異なっている。
[
The nonvolatile memory elements of
図22は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶素子の変形例11乃至13の構成を示す断面図であり、(a)乃至(c)は変形例11乃至変形例13の構成をそれぞれ示している。
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a configuration of Modification Examples 11 to 13 of the nonvolatile memory element according to
図22(a)に示すように、変形例11の不揮発性記憶素子30Gが備える第2電極33は、コンタクトプラグ33a(ここではタングステンで構成)と貴金属電極33b(ここではイリジウム等で構成)との積層構造で構成されている。この第2電極33のうちのコンタクトプラグ33aは、第2の層間絶縁層32bを貫通して第5電極45と接続するように形成されたコンタクトホール46内に埋め込み形成されている。そして、この貴金属電極33bの上に、図20(a)に示す変形例8の場合と同様に、タンタル酸化物(TaOy)で構成される高抵抗層35a及びタンタル酸化物(TaOx)で構成される低抵抗層36aの積層構造で構成される抵抗変化層34と、第1電極37と、上部配線42とが一体的に形成されている。
As shown in FIG. 22A, the
また、図22(b)及び(c)に示すように、変形例12の不揮発性記憶素子30H及び変形例13の不揮発性記憶素子30Iは、タングステンで構成された第2電極(コンタクトプラグ)33aを備えており、このコンタクトプラグ33aは、第2の層間絶縁層32bを貫通して第5電極45と接続するように形成されたコンタクトホール46内に埋め込み形成されている。そして、このコンタクトプラグ33aの上に、図20(b)及び(c)のそれぞれに示す変形例9及び10の場合と同様に、ハフニウム酸化物で構成される高抵抗層35bとハフニウム酸化物で構成される低抵抗層36bまたはタンタル酸化物で構成される36aの積層構造で構成される抵抗変化層34と、第1電極37と、上部配線42とが一体的に形成されている。
Further, as shown in FIGS. 22B and 22C, the
このように、変形例11乃至13の不揮発性記憶素子30G乃至30Iは、コンタクトプラグ33aの下部にダイオードが形成された構成となっている。上記の変形例8乃至10の場合と同様に、これらの変形例11乃至13の不揮発性記憶素子30G乃至30Iを複数備えたメモリアレイの場合も、各不揮発性記憶素子30G乃至30Iを個別に動作させることができるため、高集積化を図ることができる。
As described above, the
(実施の形態3)
実施の形態3は、実施の形態2の場合と同様に、クロスポイント型の不揮発性記憶装置に備えられる素子である。実施の形態2の場合と異なるのは、層間絶縁層に形成されたコンタクトホール内にダイオードが配置されることである。
(Embodiment 3)
The third embodiment is an element provided in a cross-point type nonvolatile memory device, as in the second embodiment. The difference from the second embodiment is that a diode is arranged in a contact hole formed in the interlayer insulating layer.
[不揮発性記憶素子の構成]
図23は、本発明の実施の形態3に係る不揮発性記憶素子の構成の一例を示す断面図である。図23に示すように、不揮発性記憶素子50Aは、Al配線である上部配線63と同じくAl配線である下部配線51との間に形成される。この不揮発性記憶素子50Aは、コンタクトプラグ62を介して上部配線63と接続された窒化タンタル(TaN)で構成される第1電極60と、第2電極56と、これらの両電極間に挟まれた抵抗変化層57とを備えている。このうち、第2電極56は第1の層間絶縁層53内に設けられ、抵抗変化層57、第1電極60及びコンタクトプラグ62は第2の層間絶縁層61内に設けられている。
[Configuration of Nonvolatile Memory Element]
FIG. 23 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the nonvolatile memory element according to
抵抗変化層57は、実施の形態1の場合と同様に、第2の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される高抵抗層58a及び第1の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される低抵抗層59aの積層構造で構成される。第1の遷移金属をM、第2の遷移金属をNとすると、低抵抗層59aの遷移金属酸化物の組成はMOxで表され、高抵抗層58aの遷移金属酸化物の組成はNOyで表される。この時、ストイキオメトリの状態である前記第2の遷移金属Nの酸化物に対する前記NOyの酸素不足率が、ストイキオメトリの状態である前記第1の遷移金属Mの酸化物に対する前記MOxの酸素不足率より小さくする。本実施の形態では、高抵抗層58a及び低抵抗層59aは何れもタンタル(Ta)酸化物で構成されており、低抵抗層59aの組成をTaOxとし、高抵抗層58aの組成をTaOyとした場合に、xが0.8以上1.9以下となり、且つyが2.1以上2.5未満となるように調整される。
As in the case of the first embodiment, the
下部配線51上には窒化タンタルで構成される第4電極52が形成され、これらの下部配線51及び第4電極52を覆うようにして第1の層間絶縁層53が設けられている。この第1の層間絶縁層53には、第4電極52に接続するコンタクトホール64が形成されており、当該コンタクトホール64内には、障壁層54(ここでは窒化シリコン(SiNz)で構成)と、第5電極55(ここでは窒化チタン(TiN)で構成)と、コンタクトプラグ56a(ここではタングステン(W)で構成)及び貴金属電極56b(ここではイリジウム(Ir)等で構成)の積層構造で構成される第2電極56とが設けられている。より詳しく説明すると、障壁層54及び第5電極55の積層構造が、第1の層間絶縁層53に形成されたコンタクトホール64の底部及び側壁に形成されており、この積層構造が形成されたコンタクトホール64の内部に、コンタクトプラグ56aが設けられている。そして、これらの障壁層54、第5電極55及びコンタクトプラグ56aの上に、貴金属電極56bが配設されている。ここで、障壁層54の底部は第4電極52と接している。また、貴金属電極56bは高抵抗層58aと接しており、貴金属電極13bの電極面は高抵抗層58aに覆われている。本実施の形態では、第4電極52における障壁層54と接している領域と、障壁層54と、第5電極55との積層構造がMSMダイオードとして機能する。
A
このように、本実施の形態の場合、第1の層間絶縁層53に形成されたコンタクトホール64内に障壁層54及び第5電極55を埋め込むことができるため、素子の微細化を図ることができる。
As described above, in the case of the present embodiment, since the
[不揮発性記憶素子の変形例]
以下、本実施の形態の不揮発性記憶素子の変形例について説明する。なお、以下の変形例の不揮発性記憶素子のうち変形例16を除いたものは、上記の不揮発性記憶素子50Aと異なり、第2電極がタングステン等で構成されるコンタクトプラグ56aのみで構成されており、貴金属電極を備えていない。そして、この構成の変更に伴い、抵抗変化層57の材料が不揮発性記憶素子50Aとは異なっている。
[Variation of non-volatile memory element]
Hereinafter, modifications of the nonvolatile memory element of this embodiment will be described. Note that the non-volatile memory element of the following modified example excluding the modified example 16 is composed of only the
[変形例14]
図24は、本発明の実施の形態3に係る不揮発性記憶素子の変形例14の構成を示す断面図である。この変形例14の不揮発性記憶素子50Bは、図24に示すように、タングステンで構成されたコンタクトプラグ56aの上に、高抵抗層58b及び低抵抗層59bの積層構造で構成される抵抗変化層57が設けられている。変形例14の場合、このコンタクトプラグ56aが第2電極として機能する。
[Modification 14]
FIG. 24 is a cross-sectional view showing a configuration of
高抵抗層58b及び低抵抗層59bは何れもハフニウム(Hf)酸化物で構成されており、低抵抗層59bの組成をHfOxとし、高抵抗層58bの組成をHfOyとした場合に、xが0.9以上1.6以下であって、yが1.8より大きく2.0未満となるように調整される。
Both the
なお、変形例14の不揮発性記憶素子50Bのその他の構成については、本実施の形態の不揮発性記憶素子50Aの場合と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
Since the other configuration of the
このように、変形例14の不揮発性記憶素子50Bの場合、第2電極がコンタクトプラグ56aのみで構成されており、難エッチング材料である貴金属を備えていないため、製造が容易となり、しかも微細加工が可能になるというメリットがある。
Thus, in the case of the
次に、この変形例14の不揮発性記憶素子50Bの製造方法について説明する。図25及び図26は、本発明の実施の形態3の変形例14に係る不揮発性記憶素子50Bの製造工程を示す断面図である。まず、図25(a)に示すように、基板S上に下部配線51(ここではAlで構成)及び第4電極(ここでは窒化タンタル層で構成)52を形成し、それらの下部配線31及び第4電極52を含む基板Sの全面に150乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第1の層間絶縁層53を形成する。
Next, a method for manufacturing the
次に、図25(b)に示すように、第1の層間絶縁層53を貫通して第4電極52と接続する直径が50乃至100nm程度のコンタクトホール64を形成する。そして、図25(c)に示すように、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法により15nm程度(5乃至25nmの範囲内)の厚みの半導体膜である窒化シリコン層(障壁層)54(SiNzと表した場合に0<z≦0.85)を堆積し、さらに10nm程度の厚みの窒化チタン層(第5電極)55を堆積する。その後、これらの障壁層54及び第5電極55が形成されたコンタクトホール64内に、CVD法によってタングステン層56aを埋め込み堆積する。次に、図25(d)に示すように、CMPによって、第1の層間絶縁層53が露出するまでタングステン層56a、第5電極55及び障壁層54を除去することにより平坦化処理を行う。
Next, as shown in FIG. 25B, a
次に、図26(a)に示すように、反応性スパッタリング法によって、障壁層54、第5電極55及びコンタクトプラグ56aを覆うようにして第1の層間絶縁層53上にハフニウム酸化物(HfOy、1.8<y<2.0)で構成された高抵抗層58bを形成し、さらに、酸素反応性スパッタリング法によって、その高抵抗層58bの上にハフニウム酸化物(HfOx、0.9≦x≦1.6)で構成された低抵抗層59bを形成する。さらに、低抵抗層59bの上に、第1電極(ここでは窒化タンタル層で構成)60を反応性スパッタリング法により形成する。このとき、高抵抗層58bの厚みは5nm程度、低抵抗層59bの厚みは30nm程度、第1電極37の厚みは50nm程度である。
Next, as shown in FIG. 26A, a hafnium oxide (HfO) is formed on the first
次に、図26(b)に示すように、ドライエッチング法によって、障壁層54、第5電極55及びコンタクトプラグ56aを覆うようにして、高抵抗層58b、低抵抗層59b及び第1電極60の積層構造を第1の層間絶縁層53上に形成する。すなわち、高抵抗層58bの外形は、障壁層54、第5電極55及びコンタクトプラグ56aの外形よりも大きくなるように形成される。
Next, as shown in FIG. 26B, the
そして、図26(c)に示すように、高抵抗層58b、低抵抗層59b及び第1電極60の積層構造を覆うように300乃至500nm程度の厚みのシリコン酸化膜である第2の層間絶縁層61を形成した後、この第2の層間絶縁層61を貫通して第1電極60と接続する直径が50乃至100nm程度のコンタクトホール65を形成する。そして、当該コンタクトホール65内にタングステン層62を埋め込み堆積した後、第2の層間絶縁層61が露出するまでタングステン層62を除去することにより平坦化処理を行う。
Then, as shown in FIG. 26C, the second interlayer insulation which is a silicon oxide film having a thickness of about 300 to 500 nm so as to cover the laminated structure of the
最後に、図26(d)に示すように、コンタクトプラグ62を含む第2の層間絶縁層61上に所望のマスクを用いてAl配線である上部配線63を形成する。
Finally, as shown in FIG. 26D, an
以上のように、本実施の形態では、簡易なプロセスで良好な不揮発性記憶素子を得ることができる。 As described above, in this embodiment, a favorable nonvolatile memory element can be obtained with a simple process.
[変形例15]
図27は、本発明の実施の形態3に係る不揮発性記憶素子の変形例15の構成を示す断面図である。図27に示すように、この変形例15の不揮発性記憶素子50Cは、変形例14の不揮発性記憶素子50Bと同様に、タングステンで構成されたコンタクトプラグ56aの上に抵抗変化層57が設けられている。しかしながら、この抵抗変化層57の構成が変形例14の場合と異なっている。
[Modification 15]
FIG. 27 is a cross-sectional view showing a configuration of Modification 15 of the nonvolatile memory element according to
変形例15の不揮発性記憶素子50Cが備える抵抗変化層57は、ハフニウム酸化物で構成される高抵抗層58bと、タンタル酸化物で構成される低抵抗層59aとの積層構造からなっている。ここで、低抵抗層59aの組成をTaOxとし、高抵抗層58bの組成をHfOyとした場合に、xが0.8以上1.9以下であって、yが1.8より大きく2.0未満となるように調整される。
The
なお、変形例15の不揮発性記憶素子50Cのその他の構成については、変形例14の不揮発性記憶素子50Bの場合と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
Note that the other configuration of the
このように、変形例15の不揮発性記憶素子50Cも、変形例14の場合と同様に、第2電極がコンタクトプラグ56aのみで構成されており、難エッチング材料である貴金属を備えていないため、製造が容易で且つ微細加工が可能になるというメリットがある。
As described above, in the
[変形例16乃至18]
本実施の形態における変形例16乃至18の不揮発性記憶素子は、実施の形態1における変形例3乃至5の場合と同様に、第1電極及び抵抗変化層が上部配線と一体的に形成された素子である。なお、これらの変形例16乃至18の不揮発性記憶素子は、上述した不揮発性記憶素子50A乃至50Cにそれぞれ対応した構成となっている。
[Modifications 16 to 18]
In the nonvolatile memory elements of Modifications 16 to 18 in the present embodiment, the first electrode and the resistance change layer are formed integrally with the upper wiring, as in
図28は、本発明の実施の形態3に係る不揮発性記憶素子の変形例16乃至18の構成を示す断面図であり、(a)乃至(c)は変形例16乃至変形例18の構成をそれぞれ示している。
FIG. 28 is a cross-sectional view showing a configuration of Modification Examples 16 to 18 of the nonvolatile memory element according to
図28(a)に示すように、変形例16の不揮発性記憶素子50Dにおいては、高抵抗層58a及び低抵抗層59aの積層構造(タンタル酸化物の積層)で構成された抵抗変化層57と、第1電極60と、上部配線63とが一体的に形成されている。また、図28(b)に示すように、変形例17の不揮発性記憶素子50Eにおいては、高抵抗層58b及び低抵抗層59bの積層構造(ハフニウム酸化物の積層)で構成された抵抗変化層57と、第1電極60と、上部配線63とが一体的に形成される。また、図28(c)に示すように、変形例18の不揮発性記憶素子50Fにおいては、高抵抗層58b及び低抵抗層59aの積層構造(高抵抗層としてのハフニウム酸化物と低抵抗層としてのタンタル酸化物の積層)で構成された抵抗変化層57と、第1電極60と、上部配線63とが一体的に形成されている。
As shown in FIG. 28A, in the
実施の形態1の変形例3乃至5の場合と同様に、本実施の形態の変形例16乃至18の不揮発性記憶素子50D乃至50Fを複数備えるメモリアレイの場合も、各不揮発性記憶素子50D乃至50Fを個別に動作させることができるため、高集積化を図ることができる。
Similarly to the
(その他の実施の形態)
上記の各実施の形態においては、上部配線及び下部配線の材料としてAlを用いているが、その代わりにタングステン(W)、白金(Pt)または銅(Cu)等を用いてもよい。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, Al is used as a material for the upper wiring and the lower wiring, but tungsten (W), platinum (Pt), copper (Cu), or the like may be used instead.
また、上述した実施の形態において、抵抗変化層には、抵抗変化を発現する金属酸化物が、主たる抵抗変化材料として含まれていればよい。したがって、抵抗変化層に当該金属酸化物以外の微量の他元素が含まれていても構わない。例えば、抵抗値の微調整等のために、抵抗変化層に他元素を少量、意図的に含めることもできる。抵抗変化層に窒素を添加すれば、抵抗変化層の抵抗値が上がり、抵抗変化の反応性を改善できる。また、スパッタリングにて抵抗変化層を形成した際に、残留ガスや真空容器壁からのガス放出などにより、意図しない微量の元素が抵抗変化層に混入することがある。このように、微量の元素が抵抗変化層に混入した場合も本発明の範囲に含まれることは当然である。 In the above-described embodiment, the resistance change layer only needs to contain a metal oxide that exhibits resistance change as the main resistance change material. Therefore, a trace amount of other elements other than the metal oxide may be included in the resistance change layer. For example, a small amount of other elements can be intentionally included in the resistance change layer for fine adjustment of the resistance value. If nitrogen is added to the resistance change layer, the resistance value of the resistance change layer increases and the reactivity of resistance change can be improved. In addition, when the variable resistance layer is formed by sputtering, an unintended trace element may be mixed into the variable resistance layer due to residual gas or outgassing from the vacuum vessel wall. Thus, it is a matter of course that the case where a trace amount of elements is mixed in the resistance change layer is also included in the scope of the present invention.
また、上記の各実施の形態を適宜組み合わせることにより、各種の変形例が可能であることは言うまでもない。 It goes without saying that various modifications are possible by appropriately combining the above-described embodiments.
本発明の抵抗変化型不揮発性素子は、パーソナルコンピュータまたは携帯型電話機などの種々の電子機器に用いられる不揮発性記憶素子などとして有用である。 The variable resistance nonvolatile element of the present invention is useful as a nonvolatile memory element used in various electronic devices such as a personal computer or a mobile phone.
10A〜10F,30A〜30I,50A〜50F 不揮発性記憶素子
11,31,51 下部配線
12,32,32a,53 第1の層間絶縁層
13,33,56 第2電極
13a,33a,56a コンタクトプラグ
13b,33b,56b 貴金属電極
14,34,57 抵抗変化層
15a,15b,35a,35b,58a,58b 高抵抗層(遷移金属酸化物層)
16a,16a,36a,36b,59a,59b 低抵抗層(遷移金属酸化物層)
17,37,60 第1電極
18,32b,40,61 第2の層間絶縁層
19,41,62 コンタクトプラグ
20,42,63 上部配線
38,44,54 障壁層
39 第3電極
43,52 第4電極
45,55 第5電極
100 不揮発性記憶装置
101 メモリ本体部
102 メモリアレイ
103 行選択回路/ドライバ
104 列選択回路
105 書き込み回路
106 センスアンプ
107 データ入出力回路
108 セルプレート電源(VCP電源)
109 アドレス入力回路
110 制御回路
M111,M112 メモリセル
BL0,BL1 ビット線
WL0,WL1 ワード線
PL0,PL1 プレート線
T11,T12 トランジスタ
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
M211,M212 メモリセル
10A to 10F, 30A to 30I, 50A to 50F
16a, 16a, 36a, 36b, 59a, 59b Low resistance layer (transition metal oxide layer)
17, 37, 60
DESCRIPTION OF
Claims (19)
基板上に形成された層間絶縁層と、
前記層間絶縁層の内部に形成された柱状の第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に介在され、前記第1電極及び前記第2電極間に与えられる極性の異な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、第1の遷移金属をM、第2の遷移金属をNとする時、
MOxで表される組成を有する第1の酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域と、NOyで表される組成を有する第2の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、
ストイキオメトリの状態である前記第2の遷移金属Nの酸化物に対する前記NOyの酸素不足率が、ストイキオメトリの状態である前記第1の遷移金属Mの酸化物に対する前記MOxの酸素不足率より小さく、
前記第2の領域と前記第2電極とは接しており、前記第2の領域は前記第2電極の電極面よりも面積が大きく形成されている、抵抗変化型不揮発性記憶素子。 A first electrode;
An interlayer insulating layer formed on the substrate;
A columnar second electrode formed inside the interlayer insulating layer;
A resistance change layer interposed between the first electrode and the second electrode and having a resistance value reversibly changed based on electrical signals having different polarities applied between the first electrode and the second electrode; With
The variable resistance layer has a first transition metal M and a second transition metal N,
A first region containing a first oxygen-deficient transition metal oxide having a composition represented by MO x and a second oxygen-deficient transition metal oxide having a composition represented by NO y A second region,
The oxygen-deficient rate of the NO y with respect to the oxide of the second transition metal N that is in the stoichiometric state indicates that the oxygen of the MO x with respect to the oxide of the first transition metal M that is in the stoichiometric state Smaller than the deficiency rate,
The variable resistance nonvolatile memory element, wherein the second region and the second electrode are in contact with each other, and the second region has a larger area than the electrode surface of the second electrode.
前記第2電極に電気的信号を供給する下部配線と、
をさらに備え、
前記第2電極は前記下部配線と電気的に接続するためのコンタクトプラグである、請求項1乃至5の何れかに記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子。 An upper wiring for supplying an electrical signal to the first electrode;
A lower wiring for supplying an electrical signal to the second electrode;
Further comprising
The variable resistance nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the second electrode is a contact plug for electrically connecting to the lower wiring.
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| JP2010062322A JP2011198909A (en) | 2010-03-18 | 2010-03-18 | Resistance-change type nonvolatile memory device |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2010-03-18 JP JP2010062322A patent/JP2011198909A/en active Pending
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