JP2012227275A - Resistive nonvolatile memory cell, and resistive nonvolatile memory device - Google Patents
Resistive nonvolatile memory cell, and resistive nonvolatile memory device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012227275A JP2012227275A JP2011092272A JP2011092272A JP2012227275A JP 2012227275 A JP2012227275 A JP 2012227275A JP 2011092272 A JP2011092272 A JP 2011092272A JP 2011092272 A JP2011092272 A JP 2011092272A JP 2012227275 A JP2012227275 A JP 2012227275A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- resistance
- variable resistance
- current control
- nonvolatile memory
- plug
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
【課題】電流制御素子が破壊されにくい、抵抗変化型不揮発性メモリセルおよび抵抗変化型不揮発性記憶装置を提供する。
【解決手段】極性の異なる電気的信号を印加することにより抵抗値の異なる複数の抵抗状態の間を可逆的に遷移する抵抗変化素子103と、抵抗変化素子103に直列に接続し、所定の印加電圧の範囲において印加電圧の絶対値が大きくなるにしたがい電圧電流曲線の傾きが大きくなる非線形の電圧電流特性を有する電流制御素子104と、層間絶縁層108、109、110を貫通するホールの内部に形成され、抵抗変化素子103もしくは電流制御素子104の少なくとも一方に接触し、かつ、負荷抵抗部131A、131B、131Cを有する、プラグ105,106,107と、を備える。
【選択図】図1A variable resistance nonvolatile memory cell and a variable resistance nonvolatile memory device in which a current control element is not easily destroyed.
A resistance change element that reversibly transitions between a plurality of resistance states having different resistance values by applying electrical signals having different polarities, and a predetermined application that is connected in series to the resistance change element. In the voltage range, as the absolute value of the applied voltage increases, the slope of the voltage-current curve increases, and the current control element 104 having nonlinear voltage-current characteristics and the inside of the hole penetrating the interlayer insulating layers 108, 109, 110 And plugs 105, 106, 107 that are formed and are in contact with at least one of the resistance change element 103 or the current control element 104 and have load resistance portions 131A, 131B, 131C.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、抵抗変化型不揮発性メモリセルおよび抵抗変化型不揮発性記憶装置に関する。より詳しくは、抵抗変化素子と電流制御素子とを備える抵抗変化型不揮発性メモリセルおよび抵抗変化型不揮発性記憶装置に関する。 The present invention relates to a variable resistance nonvolatile memory cell and a variable resistance nonvolatile memory device. More specifically, the present invention relates to a variable resistance nonvolatile memory cell including a variable resistance element and a current control element, and a variable resistance nonvolatile memory device.
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不揮発性記憶装置として、いわゆる抵抗変化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、この抵抗値と情報とを対応づけることで、情報を不揮発的に記憶することが可能な素子をいう。この抵抗変化素子をアレイ状に配置する形態の不揮発性記憶装置が提案され、大規模化、高集積化、高速化が期待されている。 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. Further, as a next-generation nonvolatile memory device that replaces the flash memory, research and development of a nonvolatile memory device including a so-called variable resistance element is progressing. Here, the resistance change element is an element that has a property that the resistance value reversibly changes by an electrical signal and can store information in a nonvolatile manner by associating the resistance value with information. Say. A nonvolatile memory device in which the variable resistance elements are arranged in an array has been proposed, and large-scale, high integration, and high speed are expected.
特許文献1に開示されているように、典型的には、抵抗変化素子は一対の電極間に抵抗変化材料からな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型及びユニポーラ型の2つに大別される。 As disclosed in Patent Document 1, typically, a resistance change element has a structure in which a resistance change layer made of a resistance change material is sandwiched between a pair of electrodes, and a difference in electrical characteristics between the resistance change elements. Based on the above, it is roughly divided into a bipolar type and a unipolar type.
バイポーラ型の抵抗変化素子は、高抵抗状態と低抵抗状態を含む複数の抵抗状態の間を遷移させるために、互いに異なる極性の電圧(あるいは所定の電圧とパルス幅とで特定される電気的信号)を用いるタイプの素子である。これに対し、ユニポーラ型の抵抗変化素子は、複数の抵抗状態の間を遷移させるために、同じ極性の電圧(あるいは所定の電圧とパルス幅とで特定される電気的信号)を用いるタイプの素子である。ユニポーラ型の抵抗変化素子は、典型的には、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て構成される。 A bipolar resistance change element is an electrical signal specified by voltages of different polarities (or predetermined voltages and pulse widths) in order to transition between a plurality of resistance states including a high resistance state and a low resistance state. ). On the other hand, a unipolar variable resistance element is a type of element that uses a voltage of the same polarity (or an electrical signal specified by a predetermined voltage and a pulse width) in order to transition between a plurality of resistance states. It is. A unipolar variable resistance element is typically configured using a single transition metal oxide such as nickel oxide (NiO x ) or titanium oxide (TiO x ) as a variable resistance material.
上記の2種類の抵抗変化素子のうち、ユニポーラ型の抵抗変化素子には、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型の抵抗変化素子の場合、特許文献2に開示されているように、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、パルス幅がマイクロ秒オーダーという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 variable resistance elements described above, the unipolar variable resistance elements have the following problems. In the case of a unipolar variable resistance element using a transition metal oxide such as NiO x, as disclosed in Patent Document 2, the variable resistance material is changed from a high resistance state to a low resistance state by a short electric pulse. be able to. However, in order to change from the low resistance state to the high resistance state, a long pulse with a pulse width of the order of microseconds is required, and it is difficult to increase the operation speed.
また、抵抗変化素子は、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、抵抗値が高く、電流パスもなく、抵抗変化動作(定常的な抵抗変化)させるための電圧を印加しても、抵抗値が変化しない。抵抗変化素子の動作においては、定常的な抵抗変化を起こす電流パスを形成するために、絶縁体の絶縁破壊に似た初期ブレイク(initial breakdown)工程が必要になる。ユニポーラ型の抵抗変化素子においては、初期ブレイク工程において、抵抗変化動作に用いられる電圧よりも高い電圧(5V以上10V以下)を素子に対して印加する必要があるというデメリットがある。 The resistance change element has a high resistance value immediately after forming a structure in which the resistance change layer is sandwiched between the upper and lower electrodes, and there is no current path, and a voltage for resistance change operation (steady resistance change) is applied. However, the resistance value does not change. In the operation of the variable resistance element, an initial breakdown process similar to a dielectric breakdown of an insulator is required to form a current path that causes a steady resistance change. The unipolar variable resistance element has a demerit that it is necessary to apply a voltage (5 V or more and 10 V or less) higher than the voltage used for the resistance change operation to the element in the initial break process.
これに対し、特許文献3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た抵抗変化層を有するバイポーラ型の抵抗変化素子の場合、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、高抵抗層の膜厚は5nm程度と小さく、ユニポーラ型の抵抗変化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 Patent Document 3, a bipolar resistor having a resistance change layer composed of a stacked structure of a high resistance layer (high oxygen concentration layer) and a low resistance layer (low oxygen concentration layer). In the case of a change element, stable high-speed driving can be realized at a low voltage. In addition, the thickness of the high resistance layer is as small as about 5 nm, and there is an advantage that the voltage required for the initial break process is lower than that in the case of the unipolar variable resistance element.
これらの抵抗変化素子をアレイ状に配置した不揮発性記憶装置では、一般的に、抵抗変化素子に対して直列に、トランジスタや整流素子などの電流制御素子が接続される。この構成により、迂回電流による書き込みディスターブおよび隣接するメモリセル間のクロストークなどが防止され、確実なメモリ動作が実現される。 In a nonvolatile memory device in which these variable resistance elements are arranged in an array, generally, a current control element such as a transistor or a rectifying element is connected in series with the variable resistance element. With this configuration, a write disturb due to a bypass current and crosstalk between adjacent memory cells are prevented, and a reliable memory operation is realized.
特許文献4は、両端に絶対値が一定値を越える電圧が印加されると、電圧極性に応じて双方向に電流が流れ、印加電圧の絶対値が前記一定値以下の場合に所定の微小電流より大きい電流が流れないスイッチング特性を有する2端子素子を開示する。 In Patent Document 4, when a voltage whose absolute value exceeds a certain value is applied to both ends, a current flows in both directions according to the voltage polarity, and a predetermined minute current is applied when the absolute value of the applied voltage is equal to or less than the certain value. Disclosed is a two-terminal device having switching characteristics that do not allow a larger current to flow.
特許文献5は、金属/半導体/金属の背中合わせ構造の双方向ショットキーダイオードを開示する。 Patent Document 5 discloses a bidirectional Schottky diode having a metal / semiconductor / metal back-to-back structure.
バイポーラ型の抵抗変化素子と電流制御素子とを直列に接続して不揮発性メモリセルを構成すると、初期ブレイク時に電流制御素子が破壊されやすいという問題があった。 When a nonvolatile memory cell is configured by connecting a bipolar variable resistance element and a current control element in series, there is a problem that the current control element is easily destroyed at the initial break.
本発明は、上記問題を解決するものであり、電流制御素子が破壊されにくい、抵抗変化型不揮発性メモリセルおよび抵抗変化型不揮発性記憶装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems, and an object thereof is to provide a variable resistance nonvolatile memory cell and a variable resistance nonvolatile memory device in which a current control element is not easily destroyed.
印加電圧が低い間は抵抗値が高く、印加電圧が高くなるにつれて急激に抵抗値が減少する、双方向型(バイポーラ型)の電流制御素子(以下、「双方向電流制御素子」とも呼ぶ)が知られている。双方向電流制御素子としては、例えば、MIMダイオード(Metal−Insulator−Metal;金属−絶縁体−金属)、MSMダイオード(Metal−Semiconductor−Metal;金属−半導体−金属)や、バリスタが知られている。 There is a bidirectional (bipolar) current control element (hereinafter also referred to as “bidirectional current control element”) in which the resistance value is high while the applied voltage is low and the resistance value decreases rapidly as the applied voltage increases. Are known. As a bidirectional current control element, for example, an MIM diode (Metal-Insulator-Metal; metal-insulator-metal), an MSM diode (Metal-Semiconductor-Metal; metal-semiconductor-metal), and a varistor are known. .
双方向電流制御素子を電流制御素子として抵抗変化素子に直列に接続してメモリセルを構成すると、双方向性の整流特性(電圧の極性によらず、メモリセルへの印加電圧の絶対値が低い場合にはほとんど電流が流れず、印加電圧が高い場合には十分な電流が流れる特性)を持つ、バイポーラ動作を行う不揮発性記憶装置を実現することができる。 When a memory cell is configured by connecting a bidirectional current control element as a current control element in series to a resistance change element, bidirectional rectification characteristics (the absolute value of the voltage applied to the memory cell is low regardless of the polarity of the voltage) In such a case, it is possible to realize a non-volatile memory device that performs a bipolar operation with a characteristic that almost no current flows and a sufficient current flows when the applied voltage is high.
図19は、一般的な双方向電流制御素子の電圧電流特性を示す図である。以下、図19を参照しつつ、双方向電流制御素子の特性と、求められる性能について説明する。 FIG. 19 is a diagram illustrating voltage-current characteristics of a general bidirectional current control element. Hereinafter, the characteristics of the bidirectional current control element and the required performance will be described with reference to FIG.
双方向電流制御素子は、非線形の電圧電流特性を示し、例えば、電極材料や電極間にはさむ材料を最適化することにより電圧電流特性を原点0に対して実質的に対称なものとすることができる。すなわち、印加電圧が正の領域での印加電圧と電流との関係と、印加電圧が負の領域での印加電圧と電流との変化とが、原点0に対して実質的に点対称となるような双方向電流制御素子を実現できる。 The bidirectional current control element exhibits non-linear voltage-current characteristics. For example, the voltage-current characteristics may be substantially symmetric with respect to the origin 0 by optimizing the electrode material and the material sandwiched between the electrodes. it can. That is, the relationship between the applied voltage and current when the applied voltage is positive and the change between the applied voltage and current when the applied voltage is negative are substantially point-symmetric with respect to the origin 0. A bidirectional current control element can be realized.
双方向電流制御素子では、印加電圧が第1電圧(図19における範囲Aの下限電圧)以下でありかつ第2電圧(図19における範囲Bの上限電圧)以上である範囲(つまり、図19における範囲C:メモリセルへの印加電圧の絶対値が低い場合)では電気抵抗が非常に高く、第1電圧を超えるか、又は、第2電圧を下回ると、電気抵抗が急激に低下する。即ち、双方向電流制御素子は、印加電圧が第2電圧以上でありかつ第1電圧以下である場合にはほとんど電流を流さず、印加電圧が第1電圧を超えるか第2電圧未満になると大電流を流すことができるという、非線形の電圧電流特性(双方向性の整流特性)を有している。 In the bidirectional current control element, the applied voltage is not more than the first voltage (the lower limit voltage of the range A in FIG. 19) and not less than the second voltage (the upper limit voltage of the range B in FIG. 19) (that is, in FIG. 19). In the range C (when the absolute value of the voltage applied to the memory cell is low), the electric resistance is very high, and when the voltage exceeds the first voltage or falls below the second voltage, the electric resistance rapidly decreases. That is, the bidirectional current control element hardly flows current when the applied voltage is equal to or higher than the second voltage and equal to or lower than the first voltage, and becomes large when the applied voltage exceeds the first voltage or becomes lower than the second voltage. It has a non-linear voltage-current characteristic (bidirectional rectification characteristic) that allows current to flow.
よって、双方向電流制御素子を抵抗変化素子に直列に接続してメモリセルを構成することで、バイポーラ動作を行う高速なクロスポイント型の不揮発性記憶装置を実現することができる。 Therefore, by configuring the memory cell by connecting the bidirectional current control element in series with the variable resistance element, a high-speed cross-point type nonvolatile memory device that performs a bipolar operation can be realized.
しかしながら、本発明者らは、双方向電流制御素子を抵抗変化素子に直列に接続した抵抗変化型不揮発性メモリセルおよび抵抗変化型不揮発性記憶装置では、抵抗変化素子の初期ブレイク工程において、双方向電流制御素子が破壊されやすいことを発見した。 However, in the variable resistance nonvolatile memory cell and the variable resistance nonvolatile memory device in which the bidirectional current control element is connected in series with the variable resistance element, the present inventors have determined that in the initial break process of the variable resistance element, the bidirectional It was discovered that the current control element is easily destroyed.
初期ブレイク工程では、高抵抗層中に電流パス(以下、フィラメントともいう)を形成するため、抵抗変化素子に印加する駆動電圧または駆動電流と比べて、より大きな電圧または電流を抵抗変化素子に印加する。初期ブレイク後は高抵抗層中に電流パスが形成されることで導通され、急激に抵抗が下がる。 In the initial breaking process, a current path (hereinafter also referred to as a filament) is formed in the high resistance layer, so that a voltage or current larger than the drive voltage or drive current applied to the resistance change element is applied to the resistance change element. To do. After the initial break, a current path is formed in the high-resistance layer, thereby conducting, and the resistance rapidly decreases.
抵抗変化素子と電流制御素子が直列に接続されたクロスポイント構造では、初期ブレイク時に、抵抗変化素子の抵抗値が急激に低下し、抵抗変化素子へ印加されていた電圧が電流制御素子へ分圧される。初期ブレイク時に電流制御素子へ分圧される電圧が、電流制御素子の定格電圧(破壊電圧)を超えると、電流制御素子が破壊されるリスクが高まる。 In a cross-point structure in which a resistance change element and a current control element are connected in series, the resistance value of the resistance change element suddenly drops during the initial break, and the voltage applied to the resistance change element is divided into current control elements. Is done. When the voltage divided to the current control element at the time of the initial break exceeds the rated voltage (breakdown voltage) of the current control element, the risk that the current control element is destroyed increases.
図20は、単体の抵抗変化素子、単体の電流制限素子(双方向電流制御素子を指す、以下同様)、1個の抵抗変化素子と1個の電流制限素子とを直列に接続した回路、の電流電圧特性を示す図である。 FIG. 20 is a circuit diagram of a single variable resistance element, a single current limiting element (referred to as a bidirectional current control element, hereinafter the same), one resistance variable element and one current limiting element connected in series. It is a figure which shows a current-voltage characteristic.
図20の実験条件は以下の通りである。単体の抵抗変化素子として、下部電極(TaN、膜厚30nm、大きさ0.5μm×0.5μm)と上部電極(材料Ir、膜厚50nm、大きさ0.5μm×0.5μm)とで、抵抗変化層(材料TaOx、x=1.5、膜厚45nm、大きさ0.5μm×0.5μmの低抵抗層と、その上に形成された材料TaOy、y=2.5、膜厚5nm、大きさ0.5μm×0.5μmの高抵抗層と、で構成される積層構造)を挟んだ構成を用いた。単体の電流制御素子として、下部電極(材料TaN、膜厚30nm、大きさ0.5μm×0.5μm)と上部電極(材料TaN、膜厚50nm、大きさ0.5μm×0.5μm)とで、半導体層(材料SiNz、z=0.3、膜厚20nm、大きさ0.5μm×0.5μm)を挟んだ構成を用いた。また、1個の抵抗変化素子と1個の電流制限素子とを直列に接続した回路としては、それぞれ上記した単体の抵抗変化素子および単体の電流制御素子と同様に構成した素子を、W系プラグ(直径260nmφのホール内にTi(膜厚12nm)とTiN(膜厚10nm)の積層バリア層を形成後、Wを充填して形成)で接続したものを用いた。以上3種類の素子および回路に対し、所定のステップで印加電圧を徐々に増加させ、電流値を測定した。 The experimental conditions in FIG. 20 are as follows. As a single resistance change element, a lower electrode (TaN, film thickness 30 nm, size 0.5 μm × 0.5 μm) and an upper electrode (material Ir, film thickness 50 nm, size 0.5 μm × 0.5 μm), Resistance change layer (material TaO x , x = 1.5, film thickness 45 nm, size 0.5 μm × 0.5 μm low resistance layer, material TaO y formed thereon, y = 2.5, film A structure sandwiching a high-resistance layer having a thickness of 5 nm and a size of 0.5 μm × 0.5 μm was used. As a single current control element, a lower electrode (material TaN, film thickness 30 nm, size 0.5 μm × 0.5 μm) and an upper electrode (material TaN, film thickness 50 nm, size 0.5 μm × 0.5 μm) A structure in which a semiconductor layer (material SiN z , z = 0.3, film thickness 20 nm, size 0.5 μm × 0.5 μm) is sandwiched is used. In addition, as a circuit in which one variable resistance element and one current limiting element are connected in series, an element configured in the same manner as the single variable resistance element and the single current control element described above is used as a W-type plug. (Connected with W after forming a laminated barrier layer of Ti (film thickness 12 nm) and TiN (film thickness 10 nm) in a hole having a diameter of 260 nmφ). With respect to the above three types of elements and circuits, the applied voltage was gradually increased in a predetermined step, and the current value was measured.
図20に示すように、抵抗変化素子単体の初期ブレイクが生じた時点で抵抗変化素子に印加されていた電圧は1.66V、電流は100μAであった。電流制御素子単体の破壊(絶縁不良)が生じた時点で電流制御素子に印加されていた電圧は3.25V、電流は204μAであった。抵抗変化素子と電流制御素子とを直列に接続した回路では、回路全体に印加される電圧が4.65V、回路を流れる電流が88μAに達した時点で、抵抗変化素子の初期ブレイクが発生し、同時に電流制御素子の破壊(絶縁不良)が生じた。抵抗変化素子のブレイクと同時に抵抗変化素子の抵抗が急激に低下し、電流制御素子へ分配される電圧が急上昇し、電流制御素子が破壊されたものと考えられる。 As shown in FIG. 20, the voltage applied to the resistance change element when the initial break of the resistance change element alone occurred was 1.66 V, and the current was 100 μA. The voltage applied to the current control element at the time of breakdown (insulation failure) of the current control element alone was 3.25 V, and the current was 204 μA. In a circuit in which a resistance change element and a current control element are connected in series, when the voltage applied to the entire circuit reaches 4.65 V and the current flowing through the circuit reaches 88 μA, an initial break of the resistance change element occurs. At the same time, the current control element was broken (insulation failure). It is thought that the resistance of the variable resistance element suddenly decreases simultaneously with the break of the variable resistance element, the voltage distributed to the current control element increases rapidly, and the current control element is destroyed.
初期ブレイク時に電流制御素子が不良となると、クロスポイントメモリ装置においては、非選択メモリセルに流れる漏れ電流を制御できなくなる。 If the current control element becomes defective during the initial break, the leakage current flowing through the unselected memory cells cannot be controlled in the cross-point memory device.
また、抵抗変化素子に対してデータを書き込み、あるいは読み出す場合に、選択されたメモリセルについては図19の範囲AまたはB(双方向ダイオードのON状態)を使用すると同時に、選択されていないメモリセルについては範囲C(双方向ダイオードのOFF状態)を利用して漏れ電流(OFF電流)を抑制する必要がある。漏れ電流を十分に抑制できないと、選択されたメモリセルに対するデータの書き込みあるいは読み出しが正常に行えなくなってしまう。 In addition, when data is written to or read from the variable resistance element, the selected memory cell uses the range A or B (bidirectional diode ON state) in FIG. 19 and at the same time is not selected. For the above, it is necessary to suppress the leakage current (OFF current) using the range C (OFF state of the bidirectional diode). If the leakage current cannot be sufficiently suppressed, data cannot be normally written to or read from the selected memory cell.
このような発見をもとに、本発明者らは、抵抗変化素子あるいは電流制御素子に接触するプラグの内部に負荷抵抗部を形成すると、双方向電流制御素子が破壊されにくくなることを見出した。 Based on such findings, the present inventors have found that when the load resistance portion is formed inside the plug that contacts the variable resistance element or the current control element, the bidirectional current control element is not easily destroyed. .
すなわち上記課題を解決するために、本発明の抵抗変化型不揮発性メモリセルは、極性の異なる電気的信号を印加することにより抵抗値の異なる複数の抵抗状態の間を可逆的に遷移する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子に直列に接続し、所定の印加電圧の範囲において印加電圧の絶対値が大きくなるにしたがい電圧電流曲線の傾きが大きくなる非線形の電圧電流特性を有する電流制御素子と、層間絶縁層を貫通するホールの内部に形成され、前記抵抗変化素子もしくは前記電流制御素子の少なくとも一方に接触し、かつ、負荷抵抗部を有する、プラグと、を備え、前記負荷抵抗部が、タンタルシリコン酸化物(Ta−SiO2)、タングステン酸化物(WOx)、ニオブ酸化物(NbOx)、タンタル酸化物(TaOx)で構成された群より選ばれた少なくとも1つの材料で構成されている。 That is, in order to solve the above-described problem, the variable resistance nonvolatile memory cell of the present invention has a resistance change that reversibly transitions between a plurality of resistance states having different resistance values by applying electrical signals having different polarities. A current control element having a non-linear voltage-current characteristic that is connected in series to the element and the variable resistance element, and the slope of the voltage-current curve increases as the absolute value of the applied voltage increases within a predetermined applied voltage range; A plug formed in a hole penetrating the interlayer insulating layer, in contact with at least one of the variable resistance element or the current control element and having a load resistance portion, wherein the load resistance portion is tantalum. silicon oxide (Ta-SiO 2), tungsten oxide (WO x), is composed of niobium oxide (NbO x), tantalum oxide (TaO x) It is composed of at least one material selected from the group.
上記構成では、初期ブレイク工程において、電流制御素子が破壊されにくくなる。負荷抵抗部がホールの内部に形成されるため、負荷抵抗部の形状およびこれにより定まる抵抗値を容易に制御できる。 With the above configuration, the current control element is not easily destroyed in the initial break process. Since the load resistance portion is formed inside the hole, the shape of the load resistance portion and the resistance value determined thereby can be easily controlled.
また、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルにおいて、前記抵抗変化素子及び前記電流制御素子はそれぞれ電極を備え、前記プラグは少なくとも前記抵抗変化素子及び前記電流制御素子のうちいずれかの電極に接触しており、前記電極は前記プラグとの接続部分の全周において前記接続部分よりも外側へと広がるように構成されていてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory cell, the variable resistance element and the current control element each include an electrode, and the plug is in contact with at least one of the variable resistance element and the current control element. And the said electrode may be comprised so that it may spread outside the said connection part in the perimeter of the connection part with the said plug.
上記構成では、素子よりも負荷抵抗部の面積(電流の流れる方向と垂直な方向に切った断面の面積)を小さくできるので、前記抵抗変化素子または前記電流制御素子と一体に負荷抵抗部を形成する場合と比較して、負荷抵抗部の抵抗をより大きくできる。 In the above configuration, since the area of the load resistance section (area of a cross section cut in a direction perpendicular to the direction of current flow) can be made smaller than the element, the load resistance section is formed integrally with the variable resistance element or the current control element. Compared with the case where it carries out, the resistance of a load resistance part can be made larger.
また、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルにおいて、前記電極と前記負荷抵抗部とがオーミック接合により接続されていてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory cell, the electrode and the load resistance portion may be connected by an ohmic junction.
上記構成では、負荷抵抗部により実現される抵抗値をより容易に所望の値へと設定できる。 In the above configuration, the resistance value realized by the load resistance unit can be set to a desired value more easily.
また、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルにおいて、前記プラグの抵抗値が、170Ω以上5kΩ以下の範囲にあってもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory cell, the plug may have a resistance value in a range of 170Ω to 5 kΩ.
上記構成では、初期ブレイク工程において、電流制御素子がさらに破壊されにくくなる。 With the above configuration, the current control element is further hardly destroyed in the initial break process.
また、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルにおいて、前記抵抗変化素子と前記電流制御素子とはビアを介さない一体構造をなすように形成され、前記プラグは前記抵抗変化素子および前記電流制御素子で構成される一体構造の上端面に接続していてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory cell, the variable resistance element and the current control element are formed so as to form an integrated structure without vias, and the plug is configured by the variable resistance element and the current control element. It may be connected to the upper end surface of the integrated structure.
また、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルにおいて、前記抵抗変化素子と前記電流制御素子とはビアを介さない一体構造をなすように形成され、前記プラグは前記抵抗変化素子および前記電流制御素子で構成される一体構造の下端面に接続していてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory cell, the variable resistance element and the current control element are formed so as to form an integrated structure without vias, and the plug is configured by the variable resistance element and the current control element. It may be connected to the lower end surface of the integrated structure.
また、本発明の抵抗変化型不揮発性記憶装置は、第1配線と、第2配線と、上記の抵抗変化型不揮発性メモリセルとを備え、前記層間絶縁層と前記抵抗変化素子と前記電流制御素子と前記プラグとは前記第1配線と前記第2配線との間に形成されている。 The variable resistance nonvolatile memory device of the present invention includes a first wiring, a second wiring, and the variable resistance nonvolatile memory cell, and includes the interlayer insulating layer, the variable resistance element, and the current control. The element and the plug are formed between the first wiring and the second wiring.
上記抵抗変化型不揮発性記憶装置において、前記第1配線は同一平面内に互い平行に複数形成され、前記第2配線は前記平面の上方に前記平面に平行な面内において互いに平行に且つ前記複数の第1配線に立体交差するように形成され、前記複数の第1配線と前記複数の第2配線との立体交差点のそれぞれに対応して前記第1配線と前記第2配線とを電気的に接続するように前記抵抗変化型不揮発性メモリセルが形成されていてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory device, a plurality of the first wirings are formed in parallel to each other in the same plane, and the second wirings are parallel to each other in a plane parallel to the plane above the plane. The first wiring and the second wiring are electrically connected to each of the three-dimensional intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings. The variable resistance nonvolatile memory cell may be formed so as to be connected.
また、本発明の抵抗変化型不揮発性メモリセルは、極性の異なる電気的信号を印加することにより抵抗値の異なる複数の抵抗状態の間を可逆的に遷移する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子に直列に接続し、所定の印加電圧の範囲において印加電圧の絶対値が大きくなるにしたがい電圧電流曲線の傾きが大きくなる非線形の電圧電流特性を有する電流制御素子と、層間絶縁層を貫通するホールの内部に形成され、前記抵抗変化素子もしくは前記電流制御素子の少なくとも一方に接触し、かつ、負荷抵抗部を有するプラグと、を備え、前記プラグの抵抗値が、170Ω以上である。 The variable resistance nonvolatile memory cell of the present invention includes a variable resistance element that reversibly transitions between a plurality of resistance states having different resistance values by applying electrical signals having different polarities, and the variable resistance element A current control element having a non-linear voltage-current characteristic in which the slope of the voltage-current curve increases as the absolute value of the applied voltage increases within a predetermined applied voltage range, and a hole penetrating the interlayer insulating layer And a plug having a load resistance portion in contact with at least one of the variable resistance element or the current control element, and a resistance value of the plug being 170Ω or more.
また、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルにおいて、前記プラグの抵抗値が、2kΩ以上であってもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory cell, the plug may have a resistance value of 2 kΩ or more.
また、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルにおいて、前記抵抗変化素子及び前記電流制御素子はそれぞれ電極を備え、前記プラグは少なくとも前記抵抗変化素子及び前記電流制御素子のうちいずれかの電極に接触しており、前記電極は前記プラグとの接触部分の全周において前記接触部分よりも外側へと広がるように構成されていてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory cell, the variable resistance element and the current control element each include an electrode, and the plug is in contact with at least one of the variable resistance element and the current control element. And the said electrode may be comprised so that it may spread outside the said contact part in the perimeter of the contact part with the said plug.
また、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルにおいて、前記抵抗変化素子と前記電流制御素子とはビアを介さない一体構造をなすように形成され、前記プラグは前記抵抗変化素子および前記電流制御素子で構成される一体構造の上端面に接続していてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory cell, the variable resistance element and the current control element are formed so as to form an integrated structure without vias, and the plug is configured by the variable resistance element and the current control element. It may be connected to the upper end surface of the integrated structure.
また、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルにおいて、前記抵抗変化素子と前記電流制御素子とはビアを介さない一体構造をなすように形成され、前記プラグは前記抵抗変化素子および前記電流制御素子で構成される一体構造の下端面に接続していてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory cell, the variable resistance element and the current control element are formed so as to form an integrated structure without vias, and the plug is configured by the variable resistance element and the current control element. It may be connected to the lower end surface of the integrated structure.
また、本発明の抵抗変化型不揮発性記憶装置は、第1配線と、第2配線と、上記抵抗変化型不揮発性メモリセルとを備え、前記層間絶縁層と前記抵抗変化素子と前記電流制御素子と前記プラグとは前記第1配線と前記第2配線との間に形成されている。 The variable resistance nonvolatile memory device of the present invention includes a first wiring, a second wiring, and the variable resistance nonvolatile memory cell, and includes the interlayer insulating layer, the variable resistance element, and the current control element. And the plug are formed between the first wiring and the second wiring.
また、上記抵抗変化型不揮発性記憶装置において、前記第1配線は同一平面内に互いに平行に複数形成され、前記第2配線は前記平面の上方に前記平面に平行な面内において互いに平行に且つ前記複数の第1配線に立体交差するように形成され、前記複数の第1配線と前記複数の第2配線との立体交差点のそれぞれに対応して前記第1配線と前記第2配線とを電気的に接続するように前記抵抗変化型不揮発性メモリセルが形成されていてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory device, a plurality of the first wirings are formed in parallel to each other in the same plane, and the second wirings are parallel to each other in a plane parallel to the plane above the plane. The first wiring and the second wiring are electrically connected to each of the three-dimensional intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings. The variable resistance nonvolatile memory cells may be formed so as to be connected to each other.
本発明の抵抗変化型不揮発性メモリセルおよび抵抗変化型不揮発性記憶装置によれば、初期ブレイク工程において、電流制御素子が破壊されにくくなるという効果を奏する。 According to the variable resistance nonvolatile memory cell and variable resistance nonvolatile memory device of the present invention, there is an effect that the current control element is hardly destroyed in the initial break process.
以下、本発明の実施形態に係る抵抗変化型不揮発性メモリセルについて、図面を参照しつつ説明する。なお、同一のまたは対応する構成要素には同じ符号を付し、重複する詳細な説明を省略する場合がある。図面においては説明の便宜上、大きさや比率が誇張されている場合がある。 Hereinafter, a variable resistance nonvolatile memory cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol may be attached | subjected to the same or corresponding component, and the overlapping detailed description may be abbreviate | omitted. In the drawings, the size and ratio may be exaggerated for convenience of explanation.
(第1実施形態)
[第1実験例]
第1実験例では、電流制御素子と、これに直列に接続される負荷抵抗の間での電圧の分配と、電流制御素子が破壊される時の電圧および電流を検討した。負荷抵抗は、電流制御素子の直近の基板上に形成し、負荷抵抗を外付けした場合の長配線による遅延やパルス波形の劣化の影響を極力低減した。
(First embodiment)
[First Experimental Example]
In the first experimental example, the voltage distribution between the current control element and the load resistor connected in series with the current control element, and the voltage and current when the current control element is destroyed were examined. The load resistance was formed on the substrate closest to the current control element, and the effects of delay and pulse waveform deterioration due to long wiring when the load resistance was externally attached were reduced as much as possible.
実験方法は以下の通りとした。 The experimental method was as follows.
電流制御素子はその上面方向から見た寸法は0.5μm×0.5μmである。下部電極、上部電極ともに窒化タンタル(TaN)で構成し、膜厚は30nmとした。電流制御層はSiNxで構成し、xの値は0.3、膜厚は15nmとした。TaNはCu配線とも整合性がよいため、TaNで構成された電極について検討した。 The size of the current control element viewed from the upper surface direction is 0.5 μm × 0.5 μm. Both the lower electrode and the upper electrode were made of tantalum nitride (TaN), and the film thickness was 30 nm. The current control layer was made of SiN x , the value of x was 0.3, and the film thickness was 15 nm. Since TaN has good compatibility with Cu wiring, an electrode composed of TaN was examined.
電流制御素子に、配線長を長くしたアルミ配線(幅0.26μm、膜厚約480nm)で構成される負荷抵抗を直列接続し、得られた回路(電流制御素子+アルミ配線)の電圧電流特性を確認した。 A load resistance composed of aluminum wiring (width 0.26 μm, film thickness of about 480 nm) with a long wiring length is connected in series to the current control element, and the voltage-current characteristics of the resulting circuit (current control element + aluminum wiring) It was confirmed.
アルミ配線の抵抗値および配線長は次の7種類である。ケース1:負荷抵抗なし、ケース2:配線長0.6mm、抵抗値:170Ω、ケース3:配線長1.5mm、抵抗値420Ω、ケース4:配線長2.4mm、抵抗値670Ω、ケース5:配線長3.0mm、抵抗値830Ω、ケース6:配線長6.0mm、抵抗値1700Ω、ケース7:配線長15mm、抵抗値4300Ω。 The resistance value and wiring length of the aluminum wiring are the following seven types. Case 1: No load resistance, Case 2: Wiring length 0.6 mm, Resistance value: 170Ω, Case 3: Wiring length 1.5 mm, Resistance value 420Ω, Case 4: Wiring length 2.4 mm, Resistance value 670Ω, Case 5: Wiring length 3.0 mm, resistance value 830Ω, case 6: wiring length 6.0 mm, resistance value 1700Ω, case 7: wiring length 15 mm, resistance value 4300Ω.
図8は、第1実験例における電圧と電流との関係を示す図であって、図8(a)は全体図、図8(b)は図8(a)において破線で囲った部分を拡大した図である。図9は、第1実験例における負荷抵抗と電流制限素子が破壊された時点の回路への印加電圧との関係を示す図である。それぞれのケースでの電流制御素子の破壊電圧および破壊電流を表1に示す。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between voltage and current in the first experimental example, FIG. 8A is an overall view, and FIG. 8B is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in FIG. FIG. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the load resistance and the voltage applied to the circuit when the current limiting element is destroyed in the first experimental example. Table 1 shows the breakdown voltage and breakdown current of the current control element in each case.
図8、図9および表1に示すように、負荷抵抗が電流制御素子の直近に形成されている構成において、負荷抵抗の抵抗値が増加するに従って、破壊電圧(電流制御素子が破壊された時点における回路への印加電圧)は増加している。これは、電流制御素子の直近において電流制御素子に直列に接続されている負荷抵抗部へ電圧が分配されたために、見かけ上、電流制御素子の耐圧性が向上したものと推察される。負荷抵抗が170Ωと低い場合でも、負荷がない場合より高い破壊電圧を示す。図8、図9および表1の結果から、負荷抵抗が少なくとも170Ω以上、4.3kΩ以下の範囲では、電流制御素子の破壊を防止する効果が得られることがわかった。 As shown in FIGS. 8 and 9 and Table 1, in the configuration in which the load resistance is formed in the immediate vicinity of the current control element, as the resistance value of the load resistance increases, the breakdown voltage (when the current control element is destroyed) The voltage applied to the circuit in FIG. This is presumably because the voltage resistance of the current control element was apparently improved because the voltage was distributed to the load resistance portion connected in series with the current control element in the immediate vicinity of the current control element. Even when the load resistance is as low as 170Ω, the breakdown voltage is higher than when there is no load. From the results of FIGS. 8 and 9 and Table 1, it was found that the effect of preventing the current control element from being destroyed can be obtained when the load resistance is at least 170Ω or more and 4.3 kΩ or less.
0.6mmのアルミ配線を配置することで、170Ωの負荷抵抗が得られ、電流制御素子の破壊を抑制することが可能となる。しかしながら、微細化を求められる素子ではこのような大面積の配線パターンをそれぞれの素子へ配置することは困難である。以下、負荷抵抗を配置する面積および抵抗値について検討する。 By disposing the 0.6 mm aluminum wiring, a load resistance of 170Ω can be obtained, and the current control element can be prevented from being destroyed. However, it is difficult to arrange such a large-area wiring pattern in each element in an element that requires miniaturization. Hereinafter, the area and resistance value where the load resistance is arranged will be examined.
500Ωの負荷抵抗を、100mΩcmの比抵抗を有する材料で構成された抵抗層で形成する場合を考える。電流制御素子がその上面方向から見た寸法が0.5μm×0.5μm(面積0.25μm2)の場合、素子と同じ大きさで抵抗層を形成すると、膜厚が250nm程度と大きくなってしまう。上述した膜厚では、フォトリソグラフィーによる形成は困難である。素子とは別の大きさで抵抗層を形成しようとすれば、マスク枚数が増加する等のコスト増加も発生する。 Consider a case in which a load resistance of 500Ω is formed of a resistance layer made of a material having a specific resistance of 100 mΩcm. When the current control element has a size of 0.5 μm × 0.5 μm (area 0.25 μm 2 ) when viewed from the top surface direction, if the resistance layer is formed with the same size as the element, the film thickness becomes as large as about 250 nm. End up. With the above-described film thickness, formation by photolithography is difficult. If the resistance layer is formed in a size different from that of the element, an increase in cost such as an increase in the number of masks occurs.
しかしながら、素子と配線を接続するプラグ、例えば直径が0.24μmの円形(面積0.045μm2)のホール内に形成されるプラグの一部あるいは全部として負荷抵抗を形成する場合、同じ比抵抗膜で形成すると、50nm程度の膜厚で形成できる。また、ホール内に形成する場合には、CVD等で側壁にも抵抗層が形成される。内部に埋めこむ金属(充填層)の断面積が小さくなり、プラグの抵抗値は上昇する。よって、抵抗層の膜厚は15nmから20nmで足りうる。 However, when a load resistance is formed as a part or all of a plug connecting an element and a wiring, for example, a plug formed in a circular hole (area 0.045 μm 2 ) having a diameter of 0.24 μm, the same specific resistance film Can be formed with a film thickness of about 50 nm. Further, when forming in the hole, a resistance layer is also formed on the side wall by CVD or the like. The cross-sectional area of the metal (filling layer) embedded inside becomes smaller, and the resistance value of the plug increases. Therefore, the thickness of the resistance layer may be 15 nm to 20 nm.
また、下部配線と上部配線と素子との間にプラグが複数存在する場合は、複数のプラグに負荷抵抗部を形成することによって、負荷抵抗部の材料としてより低い比抵抗値の材料を用いることや、負荷抵抗部の厚みを薄くすることも可能となる。 In addition, when there are a plurality of plugs between the lower wiring, the upper wiring, and the element, a material having a lower specific resistance value is used as a material of the load resistance portion by forming a load resistance portion in the plurality of plugs. It is also possible to reduce the thickness of the load resistance portion.
[第2実験例]
第2実験例では、抵抗変化素子の初期ブレイク工程において、負荷抵抗が電流制御素子の破壊を抑制する効果を検証した。
[Second Experimental Example]
In the second experimental example, the effect of the load resistance suppressing the destruction of the current control element in the initial break process of the variable resistance element was verified.
実験方法は以下の通りとした。 The experimental method was as follows.
抵抗変化素子はその上面から見た寸法は0.5μm×0.5μmとした。このとき、下部電極は窒化タンタル(TaN)を用いて膜厚30nmとし、上部電極はイリジウム(Ir)を用いて膜厚50nmとした。さらに、抵抗変化層は、低抵抗層としては酸素不足型のタンタル酸化物(TaOxと表記したとき、x=1.5)を用いて膜厚45nmとし、高抵抗層としては同様にタンタル酸化物(TaOyと表記したとき、y=2.5)を用いて膜厚5nm、とした。 The dimension of the variable resistance element viewed from the upper surface was 0.5 μm × 0.5 μm. At this time, the lower electrode was made of tantalum nitride (TaN) to a thickness of 30 nm, and the upper electrode was made of iridium (Ir) to a thickness of 50 nm. Further, the variable resistance layer has a film thickness of 45 nm using oxygen-deficient tantalum oxide (when TaO x is expressed, x = 1.5) as the low resistance layer, and similarly tantalum oxide as the high resistance layer. The film thickness was 5 nm using an object (when expressed as TaO y , y = 2.5).
電流制御素子はその上面から見た寸法は0.5μm×0.5μm、下部電極、上部電極ともに窒化タンタル(TaN)で構成し、電極の膜厚は30nmとした。電流制御層はSiNxで構成し、xの値は0.3、膜厚は15nmとした。 The current control element had a size of 0.5 μm × 0.5 μm when viewed from the upper surface, and both the lower electrode and the upper electrode were made of tantalum nitride (TaN), and the electrode thickness was 30 nm. The current control layer was made of SiN x , the value of x was 0.3, and the film thickness was 15 nm.
それぞれ上記した単体の抵抗変化素子および単体の電流制御素子と同様に構成した素子を、W系プラグ(直径260nmφのホール内にTi(膜厚12nm)とTiN(膜厚10nm)の積層バリア層を形成後、Wを充填して形成)で接続したものを用いた。 Each of the elements configured in the same manner as the single variable resistance element and the single current control element described above is a W-type plug (a laminated barrier layer of Ti (film thickness 12 nm) and TiN (film thickness 10 nm) in a hole having a diameter of 260 nmφ). After formation, the one connected by filling W was used.
電流制御素子に、配線長を長くしたアルミ配線(幅0.26μm、膜厚480nm)で構成される負荷抵抗を直列接続し、得られた回路の電圧電流特性を確認した。 A load resistance composed of an aluminum wiring (width 0.26 μm, film thickness 480 nm) having a long wiring length was connected in series to the current control element, and the voltage-current characteristics of the obtained circuit were confirmed.
抵抗変化素子(0.5μm×0.5μm)と電流制御素子を積層した構造に、アルミ配線による長配線を形成した負荷を、直列接続した素子を形成し、電圧―電流特性を確認した。 A voltage-current characteristic was confirmed by forming an element in which a load in which a long wiring made of an aluminum wiring was connected to a structure in which a resistance change element (0.5 μm × 0.5 μm) and a current control element were stacked, was connected in series.
アルミ配線の抵抗値および配線長は次の3種類である。ケース1:負荷抵抗なし、ケース2:配線長7.2mm、抵抗値:2kΩ、ケース3:配線長18mm、抵抗値5kΩ。 The resistance value and wiring length of the aluminum wiring are the following three types. Case 1: No load resistance, Case 2: Wiring length 7.2 mm, Resistance value: 2 kΩ, Case 3: Wiring length 18 mm, Resistance value 5 kΩ.
図10は、第2実験例における電圧と電流との関係を示す図である。それぞれのケースにおいて抵抗変化素子の初期ブレイクが生じた時の回路への印加電圧(抵抗変化素子のブレイク時の電圧)および回路を流れる電流(抵抗変化素子の初期ブレイク時の電流)と、電流制御素子の破壊が生じた時の回路への印加電圧(電流制御素子の破壊時の電圧)と回路を流れる電流(電流制御素子の破壊時の電流)とを表2に示す。 FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between voltage and current in the second experimental example. In each case, the voltage applied to the circuit when the initial break of the resistance change element occurs (voltage at the time of the break of the resistance change element), the current flowing through the circuit (current at the initial break of the resistance change element), and current control Table 2 shows the voltage applied to the circuit when the element is broken (voltage when the current control element is broken) and the current flowing through the circuit (current when the current control element is broken).
図10および表2に示すように、ケース2(2kΩ)およびケース3(5kΩ)の両方において、抵抗変化素子の初期ブレイクが生じたことが確認された。初期ブレイクが生じた直後には、電流制御素子の破壊は生じなかった。ケース2(2kΩ)では初期ブレイクが生じた後、電流制御素子の破壊が生じるまでに、さらに0.4Vを印加することが可能であった。電流制御素子の破壊電流(許容電流)は、ケース1(負荷抵抗なし)の88.4μAから907μAと飛躍的に向上した。 As shown in FIG. 10 and Table 2, it was confirmed that an initial break of the resistance change element occurred in both case 2 (2 kΩ) and case 3 (5 kΩ). Immediately after the initial break occurred, the current control element was not broken. In Case 2 (2 kΩ), 0.4 V could be applied after the initial break until the current control element was destroyed. The breakdown current (allowable current) of the current control element dramatically improved from 88.4 μA to 907 μA in case 1 (no load resistance).
ケース3(5kΩ)でも同様の結果が得られ、測定した範囲(回路への印加電圧:〜6V)では電流制御素子の破壊は発生しなかった。 The same result was obtained in case 3 (5 kΩ), and no breakdown of the current control element occurred in the measured range (voltage applied to the circuit: ˜6 V).
以上の結果から、電流制限素子の直近に直列に負荷抵抗を接続することによって、電流制御素子に上述した電圧が負荷抵抗へ分配され、電流制御素子の破壊を抑えることが可能であることがわかった。初期ブレイク電圧(初期ブレイクを生じさせるために抵抗変化素子と電流制御素子とからなるメモリセルに印加しなければならない電圧)は高抵抗層材料及び低抵抗層材料、電極材料、高抵抗層膜厚を調整することにより低減することが可能である。例えば、高抵抗層材料を構成する金属酸化物(主として遷移金属酸化物)の誘電率が低抵抗層材料を構成する金属酸化物(主として遷移金属酸化物)の誘電率より大きい、または、高抵抗層材料を構成する金属酸化物(主として遷移金属酸化物)のバンドギャップが低抵抗層材料を構成する金属酸化物(主として遷移金属酸化物)のバンドギャップより小さい、の条件の少なくとも一方を満足する抵抗層材料で抵抗変化素子を構成すればよい。これは、酸化物層の誘電率と絶縁破壊電界の強度(breakdown strength)との間に、誘電率が大きいほど絶縁破壊電界の強度が小さくなるという相関関係見られるためである。また、酸化物層のバンドギャップと絶縁破壊電界の強度(breakdown strength)との間に、バンドギャップが小さいほど絶縁破壊電界の強度が小さくなるという相関関係が見られるためである。 From the above results, it is understood that by connecting a load resistor in series in the immediate vicinity of the current limiting element, the voltage described above is distributed to the load resistance to the current control element, and it is possible to suppress the breakdown of the current control element. It was. The initial break voltage (the voltage that must be applied to the memory cell composed of the resistance change element and the current control element in order to generate the initial break) is the high resistance layer material, the low resistance layer material, the electrode material, and the high resistance layer thickness. It can be reduced by adjusting. For example, the dielectric constant of the metal oxide (mainly transition metal oxide) constituting the high resistance layer material is larger than the dielectric constant of the metal oxide (mainly transition metal oxide) constituting the low resistance layer material, or high resistance. Satisfy at least one of the conditions that the band gap of the metal oxide (mainly transition metal oxide) constituting the layer material is smaller than the band gap of the metal oxide (mainly transition metal oxide) constituting the low-resistance layer material The variable resistance element may be made of a resistance layer material. This is because there is a correlation between the dielectric constant of the oxide layer and the breakdown strength, that is, the higher the dielectric constant, the smaller the strength of the dielectric breakdown field. Further, there is a correlation between the band gap of the oxide layer and the breakdown strength of the breakdown electric field, that is, the smaller the band gap, the smaller the intensity of the breakdown electric field.
また、高抵抗層に接する電極材料に、白金(Pt)やパラジウム(Pd)を用いると、加熱処理により高抵抗層側に電極材料の微小突起が発生し、初期ブレイク電圧を低減することができる。さらに、高抵抗層の膜厚を薄くすることによっても初期ブレイク電圧を低減することができる。 In addition, when platinum (Pt) or palladium (Pd) is used as the electrode material in contact with the high resistance layer, minute protrusions of the electrode material are generated on the high resistance layer side by the heat treatment, and the initial break voltage can be reduced. . Further, the initial break voltage can be reduced by reducing the thickness of the high resistance layer.
[構成]
図1は、第1実施形態に係る抵抗変化型不揮発性メモリセルの概略構成の一例を示す側方断面図である。以下、素子の構成要素を積層させていく方向を上下方向とし、層は下から上へと積層されていくものとする。
[Constitution]
FIG. 1 is a side sectional view showing an example of a schematic configuration of the variable resistance nonvolatile memory cell according to the first embodiment. Hereinafter, the direction in which the constituent elements of the element are stacked is defined as the vertical direction, and the layers are stacked from bottom to top.
第1実施形態では、抵抗変化型不揮発性メモリセルを構成するビア内に負荷抵抗を形成することにより、初期ブレイクにおける不揮発性メモリセルを構成する電流制御素子の破壊を防止する。 In the first embodiment, the load resistance is formed in the vias constituting the variable resistance nonvolatile memory cell, thereby preventing the current control element constituting the nonvolatile memory cell in the initial break from being destroyed.
図1に例示するように、本実施形態の抵抗変化型不揮発性メモリセル100は、基板(図示せず)上に形成した第1配線101(例えば、アルミニウム(Al)で構成された膜厚300nm以上500nm以下の配線)と、第1配線101を覆うように形成された第1層間絶縁層108(例えば、シリコン酸化物で構成された膜厚300nm以上500nm以下の層)を貫通するホールに内接するように、かつ、第1配線101と直列接続されるように形成された、第1負荷抵抗部131Aを有する第1プラグ105(直径:例えば50nmΦ以上300nmΦ以下)を備えている。第1プラグ105は、第1層間絶縁層108に形成されたホール内に形成されている。 As illustrated in FIG. 1, the variable resistance nonvolatile memory cell 100 according to the present embodiment includes a first wiring 101 (for example, aluminum (Al) having a thickness of 300 nm formed on a substrate (not shown). And a hole penetrating through the first interlayer insulating layer 108 (for example, a layer made of silicon oxide and having a thickness of 300 nm or more and 500 nm or less) formed to cover the first wiring 101. A first plug 105 (diameter: for example, 50 nmΦ or more and 300 nmΦ or less) having a first load resistance portion 131 </ b> A formed so as to be in contact with and in series with the first wiring 101 is provided. The first plug 105 is formed in a hole formed in the first interlayer insulating layer 108.
第1層間絶縁層108上には、第1プラグ105を被覆するように、第1電極111(下部電極、膜厚:例えば5nm以上100nm以下、大きさ:例えば、0.5μm×0.5μm)と、抵抗変化層113(膜厚:例えば20nm以上100nm以下、大きさ:例えば、0.5μm×0.5μm)と、第2電極112(上部電極、膜厚:例えば5nm以上100nm以下、大きさ:例えば、0.5μm×0.5μm)とで構成された抵抗変化素子103が形成されている。抵抗変化素子103を被覆するように第2層間絶縁層109(例えば、シリコン酸化物で構成された膜厚300nm以上500nm以下の層)が形成されている。第2層間絶縁層109を貫通するホールに内接するように、かつ、第2電極112と接触するように形成された、第2負荷抵抗部131Bを有する第2プラグ106(直径:例えば50nmΦ以上300nmΦ以下)が形成されている。なお、大きさとは第1層間絶縁層108の膜厚方向から見た大きさを言う(以下同様)。 A first electrode 111 (lower electrode, film thickness: for example, 5 nm to 100 nm, size: for example, 0.5 μm × 0.5 μm) is formed on the first interlayer insulating layer 108 so as to cover the first plug 105. And the resistance change layer 113 (film thickness: 20 nm to 100 nm, size: 0.5 μm × 0.5 μm, for example) and the second electrode 112 (upper electrode, film thickness: 5 nm to 100 nm, size) : For example, 0.5 μm × 0.5 μm) is formed. A second interlayer insulating layer 109 (for example, a layer made of silicon oxide and having a thickness of 300 nm to 500 nm) is formed so as to cover the variable resistance element 103. A second plug 106 (diameter: 50 nmΦ or more and 300 nmΦ, for example, having a second load resistance portion 131B formed so as to be inscribed in a hole penetrating the second interlayer insulating layer 109 and in contact with the second electrode 112. Is formed). Note that the size refers to the size of the first interlayer insulating layer 108 as viewed from the film thickness direction (the same applies hereinafter).
第2層間絶縁層109上には、第2プラグ106を被覆するように、第3電極121(下部電極、膜厚:例えば5nm以上100nm以下、大きさ:例えば、0.5μm×0.5μm)と、電流制御層123(膜厚:例えば5nm以上30nm以下、大きさ:例えば、0.5μm×0.5μm)と、第4電極122(上部電極、膜厚:例えば5nm以上100nm以下、大きさ:例えば、0.5μm×0.5μm)とで構成された電流制御素子104が形成されている。電流制御素子104を被覆するように第3層間絶縁層110(例えば、シリコン酸化物で構成された膜厚300nm以上500nm以下の層)が形成されている。第3層間絶縁層110を貫通するホールに内接するように、かつ、第4電極122と直列接続されるように形成された、第3負荷抵抗部131Cを有する第3プラグ107(直径:例えば50nmΦ以上300nmΦ以下)が形成されている。 On the second interlayer insulating layer 109, the third electrode 121 (lower electrode, film thickness: for example, 5 nm to 100 nm, size: for example, 0.5 μm × 0.5 μm) so as to cover the second plug 106 Current control layer 123 (film thickness: for example, 5 nm to 30 nm, size: 0.5 μm × 0.5 μm, for example), and fourth electrode 122 (upper electrode, film thickness: for example, 5 nm to 100 nm, size) : For example, 0.5 μm × 0.5 μm) is formed. A third interlayer insulating layer 110 (for example, a layer made of silicon oxide and having a thickness of 300 nm to 500 nm) is formed so as to cover the current control element 104. A third plug 107 (diameter: 50 nmΦ, for example, having a third load resistance portion 131C formed so as to be inscribed in a hole penetrating the third interlayer insulating layer 110 and connected in series with the fourth electrode 122 More than 300 nmΦ) is formed.
第3層間絶縁層110上には、第3プラグ107を被覆して、第2配線102(例えば、Alで構成された膜厚300nm以上500nm以下の配線)が形成されている。 On the third interlayer insulating layer 110, the second wiring 102 (for example, a wiring made of Al and having a thickness of 300 nm to 500 nm) is formed so as to cover the third plug 107.
以上のように、本実施形態の抵抗変化型不揮発性メモリセルは、第1配線101と、第2配線102と、抵抗変化型不揮発性メモリセル100とを備え、層間絶縁層108、109、110と抵抗変化素子103と電流制御素子104とプラグ105、106、107とは、第1配線101と第2配線102との間に形成されている。以上のような、第1配線101と第2配線102との間に、抵抗変化型不揮発性メモリセルと層間絶縁層とプラグとが配置されることについては、以下に述べる第1変形例から第5変形例、および第2実施形態についても同様である。 As described above, the variable resistance nonvolatile memory cell of this embodiment includes the first wiring 101, the second wiring 102, and the variable resistance nonvolatile memory cell 100, and the interlayer insulating layers 108, 109, and 110. The resistance change element 103, the current control element 104, and the plugs 105, 106, and 107 are formed between the first wiring 101 and the second wiring 102. As described above, the variable resistance nonvolatile memory cell, the interlayer insulating layer, and the plug are disposed between the first wiring 101 and the second wiring 102 as described in the first modification described below. The same applies to the fifth modification and the second embodiment.
抵抗変化素子と電流制御素子と負荷抵抗部とが直列に接続されることで、初期ブレイク工程において、電流制御素子が破壊されにくくなる。ホール内にプラグとして負荷抵抗部を形成することで、負荷抵抗部と電極(素子)との接触面積やその形状、それらにより定まる抵抗値を制御しやすくなる。よって、負荷抵抗部の抵抗値を所望の値へと容易に設定できる。 Since the variable resistance element, the current control element, and the load resistance unit are connected in series, the current control element is less likely to be destroyed in the initial break process. By forming the load resistance portion as a plug in the hole, the contact area between the load resistance portion and the electrode (element), its shape, and the resistance value determined by them can be easily controlled. Therefore, the resistance value of the load resistance unit can be easily set to a desired value.
基板には、シリコン単結晶基板または半導体基板を用いることができるが、これらに限定されるわけではない。抵抗変化型不揮発性メモリセル100は比較的低い基板温度で形成することが可能であるため、樹脂材料などの上に抵抗変化型不揮発性メモリセル100(電流制御素子と抵抗変化素子とを1個ずつ含む1D1R素子)を形成することができる。 The substrate can be a silicon single crystal substrate or a semiconductor substrate, but is not limited thereto. Since the variable resistance nonvolatile memory cell 100 can be formed at a relatively low substrate temperature, the variable resistance nonvolatile memory cell 100 (one current control element and one variable resistance element is formed on a resin material or the like. 1D1R element including each of them) can be formed.
図2は、第1実施形態に係る抵抗変化型不揮発性メモリセルにおける電極とプラグの大小関係の一例を示す平面図であって、図2(a)は抵抗変化素子の第2電極と第2プラグの大小関係を示す図、図2(b)は電流制御素子の第4電極と第3プラグの大小関係を示す図である。 FIG. 2 is a plan view showing an example of the size relationship between the electrode and the plug in the variable resistance nonvolatile memory cell according to the first embodiment. FIG. 2A is a diagram illustrating the second electrode and the second electrode of the variable resistance element. FIG. 2B is a diagram showing the magnitude relationship between the plugs, and FIG. 2B is a diagram showing the magnitude relationship between the fourth electrode of the current control element and the third plug.
図2(a)に示す例において、第2電極112は、第2プラグ106(あるいは第2負荷抵抗部131B)との接続部分の全周において、接続部分よりも外側へと広がるように構成されている。すなわち、第2電極112は、第2プラグ106(あるいは第2負荷抵抗部131B)の下端面の全部を覆い、さらにその全周にわたって、外側まで広がっている。換言すれば、第2電極112は、第2プラグ106(あるいは第2負荷抵抗部131B)が形成されているホールの全部を覆うと共に、さらにその全周縁部にわたって、ホールの外側にまで広がっている。 In the example shown in FIG. 2A, the second electrode 112 is configured to spread outward from the connection portion on the entire circumference of the connection portion with the second plug 106 (or the second load resistance portion 131B). ing. That is, the second electrode 112 covers the entire lower end surface of the second plug 106 (or the second load resistance portion 131B), and further extends to the outside over the entire circumference. In other words, the second electrode 112 covers the entire hole in which the second plug 106 (or the second load resistance portion 131B) is formed, and further extends to the outside of the hole over the entire peripheral edge thereof. .
図2(b)に示す例において、第4電極122は、第3プラグ107(あるいは第3負荷抵抗部131C)との接続部分の全周において、接続部分よりも外側へと広がるように構成されている。すなわち、第4電極122は、第3プラグ107(あるいは第3負荷抵抗部131C)の下端面の全部を覆い、さらにその全周にわたって、外側まで広がっている。換言すれば、第4電極122は、第3プラグ107(あるいは第3負荷抵抗部131C)が形成されているホールの全部を覆うと共に、さらにその全周縁部にわたって、ホールの外側にまで広がっている。 In the example shown in FIG. 2B, the fourth electrode 122 is configured to spread outward from the connection portion in the entire periphery of the connection portion with the third plug 107 (or the third load resistance portion 131C). ing. That is, the fourth electrode 122 covers the entire lower end surface of the third plug 107 (or the third load resistance portion 131C), and further spreads outward over the entire circumference. In other words, the fourth electrode 122 covers the entire hole in which the third plug 107 (or the third load resistance portion 131C) is formed, and further extends to the outside of the hole over the entire periphery. .
このように、プラグの面積を電極(あるいは素子)の面積よりも小さくすることで、負荷抵抗部の面積も小さくなり、より容易に負荷抵抗部の抵抗を高くすることができる。 Thus, by making the area of the plug smaller than the area of the electrode (or element), the area of the load resistance portion can be reduced, and the resistance of the load resistance portion can be increased more easily.
抵抗変化層113は、低抵抗層114(以下、第1抵抗変化層、第1遷移金属酸化物層、低酸素濃度層、または高酸素不足度層と称する場合がある)および高抵抗層115(以下、第2抵抗変化層、第2遷移金属酸化物層、高酸素濃度層、または低酸素不足度層と称する場合がある)の2層で構成された積層構造を有する。低抵抗層114と高抵抗層115とは互いに接触しており、低抵抗層114が第1電極111と、高抵抗層115が第2電極112と接触するように配置されている。 The resistance change layer 113 includes a low resistance layer 114 (hereinafter sometimes referred to as a first resistance change layer, a first transition metal oxide layer, a low oxygen concentration layer, or a high oxygen deficiency layer) and a high resistance layer 115 ( Hereinafter, it has a laminated structure composed of two layers (sometimes referred to as a second resistance change layer, a second transition metal oxide layer, a high oxygen concentration layer, or a low oxygen deficiency layer). The low resistance layer 114 and the high resistance layer 115 are in contact with each other, and the low resistance layer 114 is disposed so as to be in contact with the first electrode 111 and the high resistance layer 115 is in contact with the second electrode 112.
抵抗変化層113は、酸素不足型の遷移金属酸化物で構成された低抵抗層と、第1遷移金属酸化物層よりも酸素不足度が低い遷移金属酸化物で構成された高抵抗層とが積層されて構成されている。本実施形態においては、その一例として、低抵抗層114は酸素不足型の第1のタンタル酸化物層で構成され、高抵抗層115は第2のタンタル酸化物層で構成される。低抵抗層114の組成をTaOxとし、高抵抗層115の組成をTaOyとした場合に、0<x<2.5、かつx<yとなるようにxとyは調整される。好ましくは、xが0.8以上1.9以下、且つyが2.1以上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。 The resistance change layer 113 includes a low resistance layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide and a high resistance layer made of a transition metal oxide having a lower degree of oxygen deficiency than the first transition metal oxide layer. It is configured by stacking. In the present embodiment, as an example, the low resistance layer 114 is composed of an oxygen-deficient first tantalum oxide layer, and the high resistance layer 115 is composed of a second tantalum oxide layer. When the composition of the low resistance layer 114 is TaO x and the composition of the high resistance layer 115 is TaO y , x and y are adjusted so that 0 <x <2.5 and x <y. Preferably, adjustment is made so that x is 0.8 or more and 1.9 or less and y is 2.1 or more. When x and y are in this range, a stable resistance changing operation can be realized.
高抵抗層115(第2のタンタル酸化物層)の酸素含有率は、低抵抗層114(第1のタンタル酸化物層)の酸素含有率よりも高くなっている。言い換えると、高抵抗層115の酸素不足度は、低抵抗層114の酸素不足度よりも低い。酸素不足度とは、それぞれの遷移金属において、その化学量論的組成の酸化物を構成する酸素の量に対し、不足している酸素の割合をいう。例えば、遷移金属がタンタルの場合、化学量論的な酸化物の組成は、Ta2O5であるので、TaO2.5と表現できる。TaO2.5の酸素不足度は0%である。これに対して例えば、TaO1.5の組成の酸素不足型のタンタル酸化物の酸素不足度は、酸素不足度=(2.5−1.5)/2.5=40%となる。また、Ta2O5の酸素含有率は、総原子数に占める酸素原子数の比率(O/(Ta+O))であり、71.4atm%となる。したがって、酸素不足型のタンタル酸化物は、酸素含有率は0より大きく、71.4atm%より小さいことになる。 The oxygen content of the high resistance layer 115 (second tantalum oxide layer) is higher than the oxygen content of the low resistance layer 114 (first tantalum oxide layer). In other words, the oxygen deficiency of the high resistance layer 115 is lower than the oxygen deficiency of the low resistance layer 114. The degree of oxygen deficiency refers to the proportion of oxygen that is deficient with respect to the amount of oxygen constituting the oxide of the stoichiometric composition in each transition metal. For example, when the transition metal is tantalum, the stoichiometric oxide composition is Ta 2 O 5 , and thus can be expressed as TaO 2.5 . The degree of oxygen deficiency of TaO 2.5 is 0%. On the other hand, for example, the oxygen deficiency of an oxygen deficient tantalum oxide having a composition of TaO 1.5 is oxygen deficiency = (2.5−1.5) /2.5=40%. The oxygen content of Ta 2 O 5 is the ratio of the number of oxygen atoms to the total number of atoms (O / (Ta + O)), which is 71.4 atm%. Therefore, the oxygen-deficient tantalum oxide has an oxygen content greater than 0 and less than 71.4 atm%.
抵抗変化層113を構成する金属は、タンタル以外の遷移金属を用いてもよい。遷移金属としては、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)等を用いることができる。遷移金属は複数の酸化状態をとることができるため、異なる抵抗状態を酸化還元反応により実現することが可能である。例えば、ハフニウム酸化物を用いる場合、低抵抗層114(第1のハフニウム酸化物層)の組成をHfOxとした場合にxが0.9以上1.6以下であり、且つ、高抵抗層115(第2のハフニウム酸化物層)の組成をHfOyとした場合にyがxの値よりも大である場合に、抵抗変化層113の抵抗値を安定して高速に変化させることが確認できている。この場合、高抵抗層115の膜厚は、3nm以上4nm以下が好ましい。また、ジルコニウム酸化物を用いる場合、低抵抗層114(第1のジルコニウム酸化物層)の組成をZrOxとした場合にxが0.9以上1.4以下であり、且つ、高抵抗層115(第2のジルコニウム酸化物層)の組成をZrOyとした場合にyがxの値よりも大である場合に、抵抗変化層113の抵抗値を安定して高速に変化させることが確認できている。この場合、高抵抗層115の膜厚は、1nm以上5nm以下が好ましい。 The metal constituting the resistance change layer 113 may be a transition metal other than tantalum. As the transition metal, tantalum (Ta), titanium (Ti), hafnium (Hf), zirconium (Zr), niobium (Nb), tungsten (W), or the like can be used. Since transition metals can take a plurality of oxidation states, different resistance states can be realized by oxidation-reduction reactions. For example, when hafnium oxide is used, x is 0.9 to 1.6 when the composition of the low resistance layer 114 (first hafnium oxide layer) is HfO x , and the high resistance layer 115 is used. When the composition of the (second hafnium oxide layer) is HfO y and y is larger than the value of x, it can be confirmed that the resistance value of the resistance change layer 113 is stably changed at high speed. ing. In this case, the thickness of the high resistance layer 115 is preferably 3 nm or more and 4 nm or less. When zirconium oxide is used, x is 0.9 or more and 1.4 or less when the composition of the low resistance layer 114 (first zirconium oxide layer) is ZrO x , and the high resistance layer 115 When the composition of the (second zirconium oxide layer) is ZrO y and y is greater than the value of x, it can be confirmed that the resistance value of the resistance change layer 113 is stably changed at high speed. ing. In this case, the thickness of the high resistance layer 115 is preferably 1 nm or more and 5 nm or less.
なお、低抵抗層114(第1の遷移金属酸化物層)を構成する第1の遷移金属と、高抵抗層115(第2の遷移金属酸化物層)を構成する第2の遷移金属とは、異なる遷移金属を用いてもよい。この場合、高抵抗層115は、低抵抗層114よりも酸素不足度が低い、つまり抵抗が高い方が好ましい。このような構成とすることにより、抵抗変化時に第1電極111及び第2電極112間に印加された電圧は、高抵抗層115に、より多くの電圧が分配され、高抵抗層115中で発生する酸化還元反応をより起こしやすくすることができる。また、第1の遷移金属と第2の遷移金属とが互いに異なる材料を用いる場合、第2の遷移金属の標準電極電位は、第1の遷移金属の標準電極電位より小さい方が好ましい。抵抗変化現象は、抵抗が高い高抵抗層115中に形成された微小なフィラメント(導電パス)中で酸化還元反応が起こってその抵抗値が変化し、発生すると考えられるからである。例えば、低抵抗層114(第1の遷移金属酸化物層)に酸素不足型のタンタル酸化物を用い、高抵抗層115(第2の遷移金属酸化物層)にチタン酸化物(TiO2)を用いることにより、安定した抵抗変化動作が得られる。チタン(標準電極電位=−1.63eV)はタンタル(標準電極電位=−0.6eV)より標準電極電位が低い材料である。標準電極電位は、その値が大きいほど酸化しにくい特性を表す。高抵抗層115に低抵抗層114より標準電極電位が小さい金属の酸化物を配置することにより、高抵抗層115中でより酸化還元反応が発生しやすくなる。 Note that the first transition metal constituting the low resistance layer 114 (first transition metal oxide layer) and the second transition metal constituting the high resistance layer 115 (second transition metal oxide layer) Different transition metals may be used. In this case, it is preferable that the high resistance layer 115 has a lower degree of oxygen deficiency than the low resistance layer 114, that is, has a higher resistance. With such a configuration, a voltage applied between the first electrode 111 and the second electrode 112 at the time of resistance change is more distributed to the high resistance layer 115 and is generated in the high resistance layer 115. The oxidation-reduction reaction can be made easier to occur. In addition, when a material in which the first transition metal and the second transition metal are different from each other is used, the standard electrode potential of the second transition metal is preferably smaller than the standard electrode potential of the first transition metal. This is because the resistance change phenomenon is considered to occur when an oxidation-reduction reaction occurs in a minute filament (conductive path) formed in the high resistance layer 115 having a high resistance, and the resistance value changes. For example, an oxygen-deficient tantalum oxide is used for the low resistance layer 114 (first transition metal oxide layer), and titanium oxide (TiO 2 ) is used for the high resistance layer 115 (second transition metal oxide layer). By using this, a stable resistance changing operation can be obtained. Titanium (standard electrode potential = −1.63 eV) is a material having a lower standard electrode potential than tantalum (standard electrode potential = −0.6 eV). The standard electrode potential represents a characteristic that the greater the value, the less likely it is to oxidize. By disposing a metal oxide having a standard electrode potential smaller than that of the low resistance layer 114 in the high resistance layer 115, a redox reaction is more likely to occur in the high resistance layer 115.
上記の各材料の積層構造の抵抗変化層における抵抗変化現象は、いずれも抵抗が高い高抵抗層115中に形成された微小なフィラメント中で酸化還元反応が起こってその抵抗値が変化し、発生すると考えられる。つまり、高抵抗層115側の第2電極112に、第1電極111を基準にして正の電圧を印加したとき、抵抗変化層113中の酸素イオンが高抵抗層115側に引き寄せられて高抵抗層115中に形成された微小なフィラメント中で酸化反応が発生して微小なフィラメントの抵抗が増大すると考えられる。逆に、高抵抗層115側の第2電極112に、第1電極111を基準にして負の電圧を印加したとき、高抵抗層115中の酸素イオンが低抵抗層114側に押しやられて高抵抗層115中に形成された微小なフィラメント中で還元反応が発生して微小なフィラメントの抵抗が減少すると考えられる。 The resistance change phenomenon in the variable resistance layer of the laminated structure of each material described above is caused by the oxidation-reduction reaction occurring in the minute filament formed in the high resistance layer 115 having high resistance, and the resistance value changes. It is thought that. That is, when a positive voltage is applied to the second electrode 112 on the high resistance layer 115 side with respect to the first electrode 111, the oxygen ions in the resistance change layer 113 are attracted to the high resistance layer 115 side, resulting in a high resistance. It is considered that an oxidation reaction occurs in the microfilament formed in the layer 115 and the resistance of the microfilament increases. On the other hand, when a negative voltage is applied to the second electrode 112 on the high resistance layer 115 side with respect to the first electrode 111, oxygen ions in the high resistance layer 115 are pushed to the low resistance layer 114 side to increase the high voltage. It is considered that the reduction reaction occurs in the microfilament formed in the resistance layer 115 and the resistance of the microfilament decreases.
本実施形態において、例えば、抵抗変化素子103を構成する第1電極111は窒化タンタル(TaN)で構成され、第2電極112はイリジウム(Ir)で構成されうる。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。 In the present embodiment, for example, the first electrode 111 constituting the resistance change element 103 can be made of tantalum nitride (TaN), and the second electrode 112 can be made of iridium (Ir). Here, the standard electrode potential V2 of iridium is 1.16 eV, and the standard electrode potential V1 of tantalum nitride is 0.48 eV.
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。抵抗変化層に含まれる遷移金属元素と電極を構成する材料との間で、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、標準電極電位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。 In general, the standard electrode potential is used as one index of the degree of oxidization, and if this value is large, it means that it is difficult to oxidize, and if it is small, it means that it is easily oxidized. Between the transition metal element contained in the variable resistance layer and the material constituting the electrode, the greater the difference in the standard electrode potential, the more likely the resistance change, and the smaller the standard electrode potential difference, the less likely the resistance change to occur. It is speculated that oxidization plays a major role in the mechanism of resistance change phenomenon.
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た第2電極112と高抵抗層115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、この酸化還元反応が、窒化タンタルで構成された第1電極111と低抵抗層114との界面よりも、イリジウムで構成された第2電極112と高抵抗層115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。なお、高抵抗層115(第2の遷移金属酸化物層)を構成する遷移金属の標準電極電位をVH、第1電極111を構成する金属の標準電極電位をV1、第2電極112を構成する金属の標準電極電位をV2、としたとき、V2>VH、を満たす他の金属を用いてもよい。また、それに加えて、V2>V1、を満たす他の金属を用いてもよい。例えば、第2電極112に白金(Pt)やパラジウム(Pd)等を用い、第1電極111にタングステン(W)等を用いてもかまわない。 Since the standard electrode potential Vt of tantalum is −0.6 eV, the relationship of Vt <V2 is satisfied. Therefore, an oxidation-reduction reaction occurs at the interface between the second electrode 112 made of iridium and the high resistance layer 115, and resistance Change phenomenon appears. Further, since the relationship of V2> V1 is satisfied, this oxidation-reduction reaction is higher than the interface between the first electrode 111 made of tantalum nitride and the low resistance layer 114 and the second electrode 112 made of iridium. It appears preferentially at the interface with the resistance layer 115. For this reason, the interface where the resistance change phenomenon appears can be fixed to one interface, and a malfunction due to the resistance change phenomenon occurring at the other interface can be prevented. Note that the standard electrode potential of the transition metal constituting the high resistance layer 115 (second transition metal oxide layer) is V H , the standard electrode potential of the metal constituting the first electrode 111 is V 1 , and the second electrode 112 is When the standard electrode potential of the constituent metal is V 2 , another metal that satisfies V 2 > V H may be used. In addition, other metals satisfying V 2 > V 1 may be used. For example, platinum (Pt), palladium (Pd), or the like may be used for the second electrode 112, and tungsten (W) or the like may be used for the first electrode 111.
本実施形態では、電流制御素子104として、第3電極121と、第4電極122と、これらの両電極間に挟まれ両電極に接触する電流制御層123とを備える、MSMダイオードが用いられる。MSMダイオードは金属電極間に半導体層をはさんだ構造であり、金属と半導体層はショットキー接触で形成でき、MIMダイオードより高い電流供給能力が期待できる。 In this embodiment, as the current control element 104, an MSM diode including the third electrode 121, the fourth electrode 122, and a current control layer 123 that is sandwiched between these electrodes and in contact with both electrodes is used. The MSM diode has a structure in which a semiconductor layer is sandwiched between metal electrodes. The metal and the semiconductor layer can be formed by a Schottky contact, and a higher current supply capability can be expected than the MIM diode.
第3電極121は、例えば窒化タンタル(TaN)で構成されうる。第4電極122は、例えば窒化タンタル(TaN)で構成されうる。電流制御層123は、例えば窒化シリコン(SiNx)で構成されうる。 The third electrode 121 can be made of, for example, tantalum nitride (TaN). The fourth electrode 122 can be made of, for example, tantalum nitride (TaN). The current control layer 123 can be made of, for example, silicon nitride (SiN x ).
図19は、電流制限素子の電圧電流特性を示す図である。図19に示すように、電流制御素子は、所定の印加電圧の範囲(B〜C〜A)において印加電圧の絶対値が大きくなるにしたがい電圧電流曲線の傾き(ΔI/ΔV)が大きくなる非線形の電圧電流特性を有する。 FIG. 19 is a diagram illustrating voltage-current characteristics of the current limiting element. As shown in FIG. 19, the current control element is nonlinear in which the slope (ΔI / ΔV) of the voltage-current curve increases as the absolute value of the applied voltage increases in a predetermined applied voltage range (B to C to A). The voltage-current characteristic is as follows.
より詳細に説明すると、第3電極121を基準として、第4電極122に正あるいは負のいずれの電圧を印加した場合でも、電圧の絶対値が小さい時には抵抗(第3電極121と第4電極122との間の電気抵抗)は大きくなり、電圧の絶対値が所定の値を超えて大きくなると急激に抵抗が小さくなる。電流制御素子104は、このような非線形な電流電圧特性[オン・オフ特性]を有し、両方向に電流を流すことができる、いわゆる双方向ダイオードである。 More specifically, even when a positive or negative voltage is applied to the fourth electrode 122 with the third electrode 121 as a reference, a resistor (the third electrode 121 and the fourth electrode 122 is used when the absolute value of the voltage is small. The electrical resistance between the first and second electrodes increases, and when the absolute value of the voltage increases beyond a predetermined value, the resistance decreases rapidly. The current control element 104 is a so-called bidirectional diode that has such nonlinear current-voltage characteristics [on / off characteristics] and can flow current in both directions.
電流制御層123の材料として例示したSiNxにおけるxの値は、Si原子1モルに対する窒素原子のモル数であって、いわゆる窒化の程度(組成比)を示す。SiNxの電気伝導特性はxの値によって大きく変化する。具体的には、いわゆる化学量論組成(x=1.33、つまりSi3N4)では絶縁体であるが、これより窒素の比率を小さくしていくと(即ち、xの値を小さくしていくと)SiNxは次第に半導体として振舞うようになる。電流制御層123の材料としては、xの値が0<x≦0.85を満足することが好ましい。このような構成とすることにより、抵抗変化に必要な10000A/cm2以上のオン電流を流すことができる電流制御素子104を得ることができる。 The value of x in SiN x exemplified as the material of the current control layer 123 is the number of moles of nitrogen atoms relative to 1 mole of Si atoms, and indicates the so-called degree of nitriding (composition ratio). The electrical conductivity characteristics of SiN x vary greatly depending on the value of x. Specifically, the so-called stoichiometric composition (x = 1.33, that is, Si 3 N 4 ) is an insulator, but if the nitrogen ratio is made smaller than this (ie, the value of x is reduced). SiN x will gradually behave as a semiconductor. As a material of the current control layer 123, it is preferable that the value of x satisfies 0 <x ≦ 0.85. With such a configuration, it is possible to obtain the current control element 104 capable of flowing an on-current of 10,000 A / cm 2 or more necessary for resistance change.
電流制御素子104は、MSMダイオードに限定されず、MIMダイオードやバリスタが用いられてもよい。ただし、MSMダイオードやMIMダイオードは、バリスタのように結晶粒界等の特性を使用しないので、製造工程中の熱履歴等に左右されにくく、ばらつきの少ない電流制御素子を得ることが期待できる。 The current control element 104 is not limited to an MSM diode, and an MIM diode or a varistor may be used. However, since MSM diodes and MIM diodes do not use characteristics such as crystal grain boundaries like varistors, it can be expected to obtain a current control element that is less affected by thermal history during the manufacturing process and has little variation.
このようにMSMダイオードの電流制御層123にSiNxを利用した場合、電流制御層123に接する第3電極121および第4電極122は、SiNxと良好なショットキー界面が得られる窒化タンタル(TaN)で構成するのが好ましい。 Thus, when SiN x is used for the current control layer 123 of the MSM diode, the third electrode 121 and the fourth electrode 122 in contact with the current control layer 123 are tantalum nitride (TaN) that provides a good Schottky interface with SiN x. ) Is preferable.
第1プラグ105は、第1配線101および第1電極111と接触している。第2プラグ106は、第2電極112および第3電極121と接触している。第3プラグ107は、第4電極122および第2配線102と接触している。 The first plug 105 is in contact with the first wiring 101 and the first electrode 111. The second plug 106 is in contact with the second electrode 112 and the third electrode 121. The third plug 107 is in contact with the fourth electrode 122 and the second wiring 102.
第1配線101と第2配線102との間に形成された第1プラグ105と第2プラグ106と第3プラグ107とは、高抵抗プラグとして機能する。第1負荷抵抗部131Aと第2負荷抵抗部131Bと第3負荷抵抗部131Cとは、層間絶縁層に形成されたホール内に、タンタルシリコン酸化物(Ta−SiO2:比抵抗=約100mΩcm)で構成された膜厚15nm以上20nm以下程度の層として形成されうる。その上に、密着層132(例えば、チタン(Ti)で構成)、バリア層133(例えば、窒化チタン(TiN)で構成)を順に積層する。バリア層133上のホール内を、例えばタングステン(W)で充填して充填層134を形成する。 The first plug 105, the second plug 106, and the third plug 107 formed between the first wiring 101 and the second wiring 102 function as high resistance plugs. The first load resistor 131A, the second load resistor 131B, and the third load resistor 131C are tantalum silicon oxide (Ta—SiO 2 : specific resistance = about 100 mΩcm) in the hole formed in the interlayer insulating layer. Can be formed as a layer having a thickness of 15 nm to 20 nm. On top of that, an adhesion layer 132 (for example, composed of titanium (Ti)) and a barrier layer 133 (for example, composed of titanium nitride (TiN)) are sequentially stacked. The hole on the barrier layer 133 is filled with, for example, tungsten (W) to form the filling layer 134.
なお、充填層134の材料として、タングステンの代わりに、例えば銅を用いてもよい。その場合には、例えばTaやTaNを用いてバリア層133を形成するのが好ましい。 For example, copper may be used as the material of the filling layer 134 instead of tungsten. In that case, it is preferable to form the barrier layer 133 using Ta or TaN, for example.
第1配線101および第2配線102の材料には、例えば、アルミや銅が用いられうる。 As the material of the first wiring 101 and the second wiring 102, for example, aluminum or copper can be used.
第1配線101と第1負荷抵抗部131Aとはオーミック接合により接続されていることが好ましい。第2電極112と第2負荷抵抗部131Bとはオーミック接合により接続されていることが好ましい。第4電極122と第3負荷抵抗部131Cとはオーミック接合により接続されていることが好ましい。 It is preferable that the 1st wiring 101 and the 1st load resistance part 131A are connected by ohmic junction. It is preferable that the 2nd electrode 112 and the 2nd load resistance part 131B are connected by ohmic junction. It is preferable that the 4th electrode 122 and the 3rd load resistance part 131C are connected by ohmic junction.
第1負荷抵抗部131Aと第2負荷抵抗部131Bと第3負荷抵抗部131Cとは、タンタルシリコン酸化物(Ta−SiO2)、タングステン酸化物(WOx)、ニオブ酸化物(NbOx)、タンタル酸化物(TaOx)からなる群より選ばれた少なくとも1つの材料で構成されていてもよい。タンタルシリコン酸化物(Ta−SiO2)、タングステン酸化物(WOx)、ニオブ酸化物(NbOx)、タンタル酸化物(TaOx)を2種類以上組み合わせた材料で構成されていてもよい。 The first load resistor 131A, the second load resistor 131B, and the third load resistor 131C are tantalum silicon oxide (Ta—SiO 2 ), tungsten oxide (WO x ), niobium oxide (NbO x ), It may be made of at least one material selected from the group consisting of tantalum oxide (TaO x ). Tantalum silicon oxide (Ta-SiO 2), tungsten oxide (WO x), niobium oxide (NbO x), tantalum oxide (TaO x) may be a consists of two or more combination of materials.
第1負荷抵抗部131Aと第2負荷抵抗部131Bと第3負荷抵抗部131Cとは、比抵抗が500μΩcm以上100mΩcm以下の材料で構成されていてもよい。通常のプラグに用いられる材料の比抵抗は、チタン(Ti)で約42μΩcm、窒化チタン(TiN)で約22μΩcm、タングステン(W)で約5.65μΩcm、銅(Cu)で約1.67μΩcm、というように低い値を持つ。上記に負荷抵抗部の材料として例示したものの比抵抗は、タンタルシリコン酸化物(Ta−SiOx)や、タングステン酸化物(WOx)、ニオブ酸化物(NbOx)、タンタル酸化物(TaOx)等の酸素欠損型の金属酸化物で約100μΩcm以上とスパッタにより形成する際の酸素流量比を変化させることで、抵抗値を適宜調整することができ、所望の抵抗値を容易に得ることができるため、ホール内で比較的薄い層でもって高い抵抗を実現するのに好適である。 The first load resistor 131A, the second load resistor 131B, and the third load resistor 131C may be made of a material having a specific resistance of 500 μΩcm to 100 mΩcm. The specific resistance of a material used for a normal plug is about 42 μΩcm for titanium (Ti), about 22 μΩcm for titanium nitride (TiN), about 5.65 μΩcm for tungsten (W), and about 1.67 μΩcm for copper (Cu). With a low value. Specific resistances of those exemplified above as the material of the load resistance portion are tantalum silicon oxide (Ta—SiO x ), tungsten oxide (WO x ), niobium oxide (NbO x ), and tantalum oxide (TaO x ). The resistance value can be appropriately adjusted by changing the oxygen flow rate ratio when forming by sputtering with an oxygen deficient metal oxide such as about 100 μΩcm or more, and a desired resistance value can be easily obtained. Therefore, it is suitable for realizing a high resistance with a relatively thin layer in the hole.
第1プラグ105および第2プラグ106および第3プラグ107の抵抗値の合計は、170Ω以上5kΩ以下の範囲にあることが好ましい。該抵抗値の合計は、170Ω以上4300Ω以下の範囲にあることがより好ましい。該抵抗値の合計の下限値は、170Ω、420Ω、670Ω、830Ω、1700Ωのいずれかであってもよい。該抵抗値の合計の上限値は、420Ω、670Ω、830Ω、1700Ω、4300Ωのいずれかであってもよい。 The total resistance value of the first plug 105, the second plug 106, and the third plug 107 is preferably in the range of 170Ω to 5kΩ. The total resistance value is more preferably in the range of 170Ω to 4300Ω. The lower limit of the total resistance value may be any one of 170Ω, 420Ω, 670Ω, 830Ω, and 1700Ω. The upper limit of the total resistance value may be 420Ω, 670Ω, 830Ω, 1700Ω, or 4300Ω.
上述したように、高抵抗層115と低抵抗層114の積層で構成された抵抗変化層113を安定して抵抗変化動作をさせるには、形成後の高抵抗状態から初期ブレイクが必要になる。初期ブレイク時は抵抗変化素子へ印加されていた電圧が電流制御素子へ分圧され、電流制御素子に印加される初期ブレイク時の電圧の分圧が、電流制御素子の定格電圧(破壊電圧)を超えることによって電流制御素子が破壊されてしまう。電流制御素子と直列に高抵抗なプラグを配置することにより、初期ブレイク時に、高抵抗プラグへと電圧分配され、電流制御素子自体に印加される電圧を低減できる。よって、電流制御素子の破壊を未然に防止し、抵抗変化型不揮発性メモリセルについて、初期ブレイク後の安定動作を実現し、特性のばらつきを防止し、信頼性を向上させることができる。 As described above, in order to stably change the resistance of the resistance change layer 113 formed by stacking the high resistance layer 115 and the low resistance layer 114, an initial break is required from the high resistance state after formation. During the initial break, the voltage applied to the variable resistance element is divided into the current control element, and the divided voltage during the initial break applied to the current control element is the rated voltage (breakdown voltage) of the current control element. If it exceeds, the current control element will be destroyed. By arranging the high resistance plug in series with the current control element, the voltage is distributed to the high resistance plug at the time of the initial break, and the voltage applied to the current control element itself can be reduced. Therefore, it is possible to prevent destruction of the current control element, to realize a stable operation after the initial break for the variable resistance nonvolatile memory cell, to prevent variation in characteristics, and to improve reliability.
本実施形態において、抵抗変化層は必ずしも2層構造でなくてもよく、1層構造や3層以上の構造であってもよい。上記の例では、第1プラグ105と第2プラグ106と第3プラグ107のいずれにも負荷抵抗部が設けられていたが、いずれか1つのみに負荷抵抗部が設けられていてもよく、任意の2つの組合せのプラグに負荷抵抗部が設けられていてもよい。第1プラグ105と第2プラグ106と第3プラグ107のうち、1つまたは任意の2つは省略してもよい。第1プラグ105と第2プラグ106と第3プラグ107とは、必ずしも積層構造を有している必要はなく、単一の材料で構成されることで、プラグそのものが負荷抵抗部を構成していてもよい。 In the present embodiment, the resistance change layer does not necessarily have a two-layer structure, and may have a one-layer structure or a structure of three or more layers. In the above example, the load resistance portion is provided in any of the first plug 105, the second plug 106, and the third plug 107, but the load resistance portion may be provided in only one of them, A load resistance portion may be provided in any two combinations of plugs. Of the first plug 105, the second plug 106, and the third plug 107, one or any two may be omitted. The first plug 105, the second plug 106, and the third plug 107 do not necessarily have a laminated structure, and the plug itself constitutes a load resistance unit by being formed of a single material. May be.
図1の例では抵抗変化素子103の上に電流制御素子104が形成されているが、電流制御素子104の上に抵抗変化素子103が形成されていてもよい。第2プラグ106を省略して抵抗変化素子103と電流制御素子104とが直接接触していてもよい。 In the example of FIG. 1, the current control element 104 is formed on the resistance change element 103, but the resistance change element 103 may be formed on the current control element 104. The resistance change element 103 and the current control element 104 may be in direct contact with the second plug 106 omitted.
[製造方法]
次に、上述したように構成される抵抗変化素子103と電流制御素子104で構成された抵抗変化型不揮発性メモリセル100の製造方法の一例について図3から図7の断面図を用いて説明する。なお、以下の製造方法はあくまで一例であり、具体的な材料や層の膜厚、面積などは適宜変更可能である。
[Production method]
Next, an example of a manufacturing method of the variable resistance nonvolatile memory cell 100 including the variable resistance element 103 and the current control element 104 configured as described above will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS. . The following manufacturing method is merely an example, and specific materials, layer thicknesses, areas, and the like can be changed as appropriate.
図3(a)は、基板上に形成された層間絶縁層において第1配線に到達するようにコンタクトホールを形成する工程を示す図、図3(b)は、コンタクトホール内にプラグを形成する工程を示す図である。図4(a)は、プラグを覆うように抵抗変化素子材料層を形成する工程を示す図、図4(b)は、抵抗変化素子材料層をエッチングして抵抗変化素子を形成する工程を示す図である。図5は、抵抗変化素子を覆う層間絶縁層と抵抗変化素子に接続されるプラグとを形成する工程を示す図である。図6(a)は、プラグを覆うように電流制限素子材料層を形成する工程を示す図、図6(b)は、電流制限素子材料層をエッチングして電流制限素子を形成する工程を示す図である。図7は、電流制限素子を覆う層間絶縁層と電流制限素子に接続されるプラグと第2配線とを形成する工程を示す図である。 FIG. 3A is a diagram illustrating a process of forming a contact hole so as to reach the first wiring in the interlayer insulating layer formed on the substrate, and FIG. 3B is a diagram in which a plug is formed in the contact hole. It is a figure which shows a process. FIG. 4A is a diagram illustrating a process of forming a variable resistance element material layer so as to cover the plug, and FIG. 4B illustrates a process of forming the variable resistance element by etching the variable resistance element material layer. FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating a process of forming an interlayer insulating layer covering the variable resistance element and a plug connected to the variable resistance element. FIG. 6A is a diagram showing a process of forming a current limiting element material layer so as to cover the plug, and FIG. 6B shows a process of forming a current limiting element by etching the current limiting element material layer. FIG. FIG. 7 is a diagram illustrating a process of forming an interlayer insulating layer covering the current limiting element, a plug connected to the current limiting element, and a second wiring.
まず、図3(a)に示すように、例えば単結晶シリコン基板(図示せず)の上に基板に接触するように、例えばアルミにより第1配線101を形成する。第1配線101を覆うように、例えばSiO2で構成された膜厚200nmの第1層間絶縁層108を熱酸化法により形成する。さらに、第1層間絶縁層108を貫通して第1配線101に達するようにコンタクトホール130を形成する(図3(a):コンタクトホールを形成するステップ)。 First, as shown in FIG. 3A, the first wiring 101 is formed of, for example, aluminum so as to be in contact with the substrate on a single crystal silicon substrate (not shown). A 200-nm-thick first interlayer insulating layer 108 made of, for example, SiO 2 is formed by a thermal oxidation method so as to cover the first wiring 101. Further, a contact hole 130 is formed so as to penetrate the first interlayer insulating layer 108 and reach the first wiring 101 (FIG. 3A: step of forming a contact hole).
次に、図3(b)に示すように、コンタクトホール130内に、例えば膜厚10nmのタンタルシリコン酸化物層を、タンタルシリコン酸化物ターゲットをアルゴン雰囲気下でスパッタリングすることにより形成する。続いて膜厚10nmのTi層と、膜厚10nmのTiN層とを、CVD法により順次形成する。その後、CVD法により、TiN層がなすホールの内部を、配線の主材料であるタングステン(W)で埋め込む。さらに、CMPによって、第1層間絶縁層108が露出するまでタンタルシリコン酸化物層と、Ti層と、TiN層と、タングステン(W)とを除去することにより、第1負荷抵抗部131Aと、密着層132と、バリア層133と、充填層134とで構成された第1プラグ105を形成する(図3(b):高抵抗プラグを形成するステップ)。 Next, as shown in FIG. 3B, a tantalum silicon oxide layer having a thickness of, for example, 10 nm is formed in the contact hole 130 by sputtering a tantalum silicon oxide target in an argon atmosphere. Subsequently, a Ti layer having a thickness of 10 nm and a TiN layer having a thickness of 10 nm are sequentially formed by a CVD method. Thereafter, the inside of the hole formed by the TiN layer is filled with tungsten (W), which is the main material of the wiring, by CVD. Further, the tantalum silicon oxide layer, the Ti layer, the TiN layer, and tungsten (W) are removed by CMP until the first interlayer insulating layer 108 is exposed, so that the first load resistance portion 131A is adhered. The first plug 105 composed of the layer 132, the barrier layer 133, and the filling layer 134 is formed (FIG. 3B: step of forming a high resistance plug).
次に、図4(a)に示すように、第1プラグ105の上面を覆うように、パターン形成前の第1電極層111’、例えば膜厚50nmのTaN層を、Taターゲットをアルゴンと窒素との混合ガス雰囲気の下でスパッタリングすることにより形成する。続いてパターン形成前の低抵抗層114’、例えば膜厚30nmのTaOx層と、パターン形成前の高抵抗層115’、例えば膜厚5nmのTaOy層とを、タンタルターゲットをアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気の下でスパッタリングする。抵抗変化層(低抵抗層及び高抵抗層)の酸素含有率、ここではTaOx、TaOyにおけるxおよびyの値は、スパッタ条件(アルゴンと酸素とのガス流量比等)を変えることにより変化させうる。その後、パターン形成前の第2電極層112’、例えば膜厚50nmのIr層を、Irターゲットをアルゴンガス雰囲気の下でスパッタリングする。 Next, as shown in FIG. 4A, the first electrode layer 111 ′ before pattern formation, for example, a TaN layer having a film thickness of 50 nm is formed so as to cover the upper surface of the first plug 105, and the Ta target is argon and nitrogen. And sputtering under a mixed gas atmosphere. Subsequently, a low resistance layer 114 ′ before pattern formation, for example, a TaO x layer with a thickness of 30 nm, and a high resistance layer 115 ′ before pattern formation, for example, a TaO y layer with a thickness of 5 nm, a tantalum target with argon and oxygen. Sputtering is performed under a mixed gas atmosphere. The oxygen content of the resistance change layer (low resistance layer and high resistance layer), in this case, the values of x and y in TaO x and TaO y are changed by changing the sputtering conditions (such as the gas flow ratio between argon and oxygen). It can be made. Thereafter, the second electrode layer 112 ′ before pattern formation, for example, an Ir layer having a thickness of 50 nm, is sputtered with an Ir target in an argon gas atmosphere.
次に、図4(b)に示すように、パターン形成前の第1電極層111’、低抵抗層114’、高抵抗層115’、及びパターン形成前の第2電極層112’とをパターンニングすることで、第1電極111と低抵抗層114と高抵抗層115と第2電極112とで構成された抵抗変化素子103が形成される(図4(a)〜図4(b):抵抗変化素子を形成するステップ)。 Next, as shown in FIG. 4B, the first electrode layer 111 ′, the low resistance layer 114 ′, the high resistance layer 115 ′ before pattern formation, and the second electrode layer 112 ′ before pattern formation are patterned. By performing the annealing, the variable resistance element 103 including the first electrode 111, the low resistance layer 114, the high resistance layer 115, and the second electrode 112 is formed (FIGS. 4A to 4B). Forming a variable resistance element).
次に、図5に示すように、第2プラグ106を、第1プラグ105と同様に形成する。すなわち、例えばSiO2で構成された第2層間絶縁層109を熱酸化法により形成する。さらに、第2層間絶縁層109を貫通して第2電極112に達するようにコンタクトホールを形成し、その内部にタンタルシリコン酸化物層とTi層とTiN層とタングステン(W)とをこの順に積層させ、第2層間絶縁層109が露出するまでCMPによって余分な層を除去することで、第2プラグ106を形成する(図5:第2プラグを形成するステップ)。 Next, as shown in FIG. 5, the second plug 106 is formed in the same manner as the first plug 105. That is, the second interlayer insulating layer 109 made of, for example, SiO 2 is formed by a thermal oxidation method. Further, a contact hole is formed so as to penetrate the second interlayer insulating layer 109 and reach the second electrode 112, and a tantalum silicon oxide layer, a Ti layer, a TiN layer, and tungsten (W) are stacked in this order in the inside. The excess plug is removed by CMP until the second interlayer insulating layer 109 is exposed, thereby forming the second plug 106 (FIG. 5: step of forming the second plug).
次に、図6(a)に示すように、第2プラグ106の上面を覆うように、パターン形成前の第3電極層121’、例えば膜厚50nmのTaN層を、Taターゲットをアルゴンと窒素との混合ガス雰囲気の下でスパッタリングすることにより形成する。その後、パターン形成前の電流制御層123’、例えば膜厚10nmのSiNx層を、多結晶シリコンターゲットをアルゴンと窒素との混合ガス雰囲気の下でスパッタリングすることにより形成する。SiNxにおけるxの値は、スパッタ条件(アルゴンと窒素とのガス流量比等)を変えることにより変化させうる。次に、パターン形成前の第4電極層122’、例えば膜厚50nmのTaN層をパターン形成前の第3電極層121’と同様にスパッタリングにより形成する。 Next, as shown in FIG. 6A, the third electrode layer 121 ′ before pattern formation, for example, a TaN layer with a film thickness of 50 nm is formed to cover the upper surface of the second plug 106, and the Ta target is argon and nitrogen. And sputtering under a mixed gas atmosphere. Thereafter, a current control layer 123 ′ before pattern formation, for example, a SiN x layer having a thickness of 10 nm is formed by sputtering a polycrystalline silicon target in a mixed gas atmosphere of argon and nitrogen. The value of x in SiN x can be changed by changing the sputtering conditions (such as the gas flow ratio between argon and nitrogen). Next, a fourth electrode layer 122 ′ before pattern formation, for example, a TaN layer having a thickness of 50 nm, is formed by sputtering in the same manner as the third electrode layer 121 ′ before pattern formation.
次に、図6(b)に示すように、パターン形成前の第3電極層121’とパターン形成前の電流制御層123’とパターン形成前の第4電極層122’とをパターンニングすることで、第3電極121と電流制御層123と第4電極122とで構成された電流制御素子104が形成される(図6(a)〜図6(b):電流制御素子を形成するステップ)。 Next, as shown in FIG. 6B, the third electrode layer 121 ′ before pattern formation, the current control layer 123 ′ before pattern formation, and the fourth electrode layer 122 ′ before pattern formation are patterned. Thus, the current control element 104 composed of the third electrode 121, the current control layer 123, and the fourth electrode 122 is formed (FIGS. 6A to 6B: step of forming the current control element). .
次に、図7に示すように、第3プラグ107を第2プラグ106と同様に形成する。すなわち、例えばSiO2で構成された第3層間絶縁層110を熱酸化法により形成する。さらに、第3層間絶縁層110を貫通して第4電極122に達するようにコンタクトホールを形成し、その内部にタンタルシリコン酸化物層とTi層とTiN層とタングステン(W)とをこの順に積層させ、第3層間絶縁層110が露出するまでCMPによって余分な層を除去することで、第3プラグ107を形成する。その後、例えばアルミにより第2配線102を形成する(第3プラグおよび第2配線を形成するステップ)。 Next, as shown in FIG. 7, the third plug 107 is formed in the same manner as the second plug 106. That is, the third interlayer insulating layer 110 made of, for example, SiO 2 is formed by a thermal oxidation method. Further, a contact hole is formed so as to penetrate the third interlayer insulating layer 110 and reach the fourth electrode 122, and a tantalum silicon oxide layer, a Ti layer, a TiN layer, and tungsten (W) are stacked in this order inside the contact hole. The third plug 107 is formed by removing the excess layer by CMP until the third interlayer insulating layer 110 is exposed. Thereafter, the second wiring 102 is formed of, for example, aluminum (step of forming a third plug and a second wiring).
以上の方法により、抵抗変化型不揮発性メモリセル100が製造されうる。 The variable resistance nonvolatile memory cell 100 can be manufactured by the above method.
[第1変形例]
図11は、第1実施形態の第1変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセルの概略構成の一例を示す側方断面図である。
[First Modification]
FIG. 11 is a side cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a variable resistance nonvolatile memory cell according to a first modification of the first embodiment.
図11に示すように、第1変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセル100Aは、抵抗変化型不揮発性メモリセル100において第1プラグ105と第2プラグ106と第3プラグ107とがそれぞれ第1低抵抗プラグ143と第2低抵抗プラグ148と第4プラグ107Dとで置換されている。 As illustrated in FIG. 11, the variable resistance nonvolatile memory cell 100 </ b> A according to the first modification includes a first plug 105, a second plug 106, and a third plug 107 in the variable resistance nonvolatile memory cell 100. The first low resistance plug 143, the second low resistance plug 148, and the fourth plug 107D are replaced.
第1低抵抗プラグ143は、第1プラグ105から第1負荷抵抗部131Aを省略したもので、密着層132が直接に第1配線101と接触している。第2低抵抗プラグ148は、第2プラグ106から第2負荷抵抗部131Bを省略したもので、密着層132が直接に第2電極112と接触している。第4プラグ107Dは、第3プラグ107から第3負荷抵抗部131Cが省略され、密着層132が直接に第4電極122と接触すると共に、ホールの上端部に形成された第4負荷抵抗部131Dを有する。第4負荷抵抗部131Dは、第2配線102と接触している。 The first low resistance plug 143 is obtained by omitting the first load resistance portion 131 </ b> A from the first plug 105, and the adhesion layer 132 is in direct contact with the first wiring 101. The second low resistance plug 148 is obtained by omitting the second load resistance portion 131B from the second plug 106, and the adhesion layer 132 is in direct contact with the second electrode 112. In the fourth plug 107D, the third load resistance portion 131C is omitted from the third plug 107, the adhesion layer 132 directly contacts the fourth electrode 122, and the fourth load resistance portion 131D formed at the upper end portion of the hole. Have The fourth load resistance portion 131D is in contact with the second wiring 102.
第4負荷抵抗部131Dは、例えば、ホール内に密着層132とバリア層133と充填層134とを形成した後、エッチバックによりホール内にリセスを形成し、該リセスにCVDとCMPとを用いて負荷抵抗材料を充填することで形成されうる。第4負荷抵抗部131Dの材料は、第1負荷抵抗部131Aと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。 For example, after forming the adhesion layer 132, the barrier layer 133, and the filling layer 134 in the hole, the fourth load resistance portion 131D forms a recess in the hole by etch back, and uses CVD and CMP for the recess. And can be formed by filling a load resistance material. Since the material of the fourth load resistance portion 131D can be the same as that of the first load resistance portion 131A, detailed description thereof is omitted.
抵抗変化型不揮発性メモリセル100Aの構成は、以上の点以外は、抵抗変化型不揮発性メモリセル100と同様の構成としうる。 The variable resistance nonvolatile memory cell 100 </ b> A can have the same configuration as the variable resistance nonvolatile memory cell 100 except for the above points.
[第2変形例]
図12は、第1実施形態の第2変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセルの概略構成の一例を示す側方断面図である。
[Second Modification]
FIG. 12 is a side cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a variable resistance nonvolatile memory cell according to a second modification of the first embodiment.
図12に示すように、第2変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセル100Bは、抵抗変化型不揮発性メモリセル100において第1プラグ105と第2プラグ106と第3プラグ107とがそれぞれ第1低抵抗プラグ143と第5プラグ106Eと第3低抵抗プラグ149とで置換されている。 As illustrated in FIG. 12, the variable resistance nonvolatile memory cell 100 </ b> B according to the second modified example includes a first plug 105, a second plug 106, and a third plug 107 in the variable resistance nonvolatile memory cell 100. The first low resistance plug 143, the fifth plug 106E, and the third low resistance plug 149 are replaced.
第1低抵抗プラグ143は、第1変形例と同様であるので説明を省略する。第5プラグ106Eは第2プラグ106から第2負荷抵抗部131Bが省略され、密着層132が直接に第2電極112と接触すると共に、ホールの上端部に形成された第5負荷抵抗部131Eを有する。第5負荷抵抗部131Eは、第3電極121と接触している。第3低抵抗プラグ149は、第3プラグ107から第3負荷抵抗部131Cを省略したもので、密着層132が直接に第4電極122と接触している。 Since the first low-resistance plug 143 is the same as that of the first modification, description thereof is omitted. In the fifth plug 106E, the second load resistor 131B is omitted from the second plug 106, the adhesion layer 132 is in direct contact with the second electrode 112, and the fifth load resistor 131E formed at the upper end of the hole is replaced with the fifth plug 106E. Have. The fifth load resistance portion 131E is in contact with the third electrode 121. The third low resistance plug 149 is obtained by omitting the third load resistance portion 131C from the third plug 107, and the adhesion layer 132 is in direct contact with the fourth electrode 122.
第5負荷抵抗部131Eの製造方法および材料は第4負荷抵抗部131Dと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。 Since the manufacturing method and material of the fifth load resistance portion 131E can be the same as those of the fourth load resistance portion 131D, detailed description thereof is omitted.
抵抗変化型不揮発性メモリセル100Bの構成は、以上の点以外は、抵抗変化型不揮発性メモリセル100と同様の構成としうる。 The variable resistance nonvolatile memory cell 100 </ b> B may have the same configuration as the variable resistance nonvolatile memory cell 100 except for the above points.
第1低抵抗プラグ143が形成されているホールの上端部に第6負荷抵抗部131Fが形成され、これが第1電極111と接触することで、第6プラグ105Fを構成していてもよい(図示省略)。 A sixth load resistor 131F is formed at the upper end of the hole in which the first low-resistance plug 143 is formed, and the sixth load resistor 131F may be in contact with the first electrode 111 to constitute the sixth plug 105F (illustrated). (Omitted).
第1負荷抵抗部131Aと第2負荷抵抗部131Bと第3負荷抵抗部131Cと第4負荷抵抗部131Dと第5負荷抵抗部131Eと第6負荷抵抗部131Fとは、任意に組み合わせられうる。 The first load resistor 131A, the second load resistor 131B, the third load resistor 131C, the fourth load resistor 131D, the fifth load resistor 131E, and the sixth load resistor 131F can be arbitrarily combined.
[第3変形例]
図13は、第1実施形態の第3変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセルの概略構成の一例を示す側方断面図である。
[Third Modification]
FIG. 13 is a side cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a variable resistance nonvolatile memory cell according to a third modification of the first embodiment.
図13に示すように、第3変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセル140は、抵抗変化素子と電流制御素子とをビアを介さない一体構造で一体的に形成したものである。抵抗変化型不揮発性メモリセル140は、図7の構成から、第2プラグ106が省略され、抵抗変化素子103と電流制御素子104とが一体構造147に置換されている。 As shown in FIG. 13, the variable resistance nonvolatile memory cell 140 according to the third modification is formed by integrally forming a variable resistance element and a current control element with an integrated structure without vias. In the variable resistance nonvolatile memory cell 140, the second plug 106 is omitted from the configuration of FIG. 7, and the variable resistance element 103 and the current control element 104 are replaced with an integrated structure 147.
一体構造147は以下のように構成されうる。第1プラグ105の上端面を被覆するように、第1層間絶縁層108上には、第5電極145(下部電極、膜厚:例えば5nm以上100nm以下、大きさ:例えば、0.5μm×0.5μm)、電流制御層123、第6電極144(共通電極、膜厚:例えば5nm以上100nm以下、大きさ:例えば、0.5μm×0.5μm)と、抵抗変化層113、第7電極146(上部電極、膜厚:例えば5nm以上100nm以下、大きさ:例えば、0.5μm×0.5μm)とがこの順に積層される。電流制御層123と抵抗変化層113とは、抵抗変化型不揮発性メモリセル100と同様の構成とすることができるので詳細な説明を省略する。第5電極145と電流制御層123と第6電極144とで電流制御素子が構成される。第6電極144と抵抗変化層113と第7電極146とで抵抗変化素子が構成される。 The unitary structure 147 can be configured as follows. A fifth electrode 145 (lower electrode, film thickness: 5 nm to 100 nm, size: 0.5 μm × 0, for example) is formed on the first interlayer insulating layer 108 so as to cover the upper end surface of the first plug 105. 0.5 μm), current control layer 123, sixth electrode 144 (common electrode, film thickness: for example, 5 nm to 100 nm, size: 0.5 μm × 0.5 μm, for example), resistance change layer 113, seventh electrode 146 (Upper electrode, film thickness: 5 nm to 100 nm, size: 0.5 μm × 0.5 μm, for example) are stacked in this order. Since the current control layer 123 and the resistance change layer 113 can have the same configuration as that of the resistance change nonvolatile memory cell 100, detailed description thereof is omitted. The fifth electrode 145, the current control layer 123, and the sixth electrode 144 constitute a current control element. The sixth electrode 144, the resistance change layer 113, and the seventh electrode 146 constitute a resistance change element.
一体構造147を被覆するように第2層間絶縁層109(例えば、シリコン酸化物で構成された膜厚300nm以上500nm以下の層)が形成されている。第2層間絶縁層109を貫通するホールに内接するように、かつ、第7電極146と接触するように形成された、タングステンを主成分とする第3低抵抗プラグ149(直径:例えば50nmΦ以上300nmΦ以下)が形成されている。さらに第3低抵抗プラグ149を被覆するように、第2層間絶縁層109上に第2配線102が形成されている。 A second interlayer insulating layer 109 (for example, a layer made of silicon oxide and having a thickness of 300 nm to 500 nm) is formed so as to cover the integrated structure 147. A third low-resistance plug 149 (diameter: for example, 50 nmΦ or more and 300 nmΦ, mainly composed of tungsten) formed so as to be inscribed in a hole penetrating the second interlayer insulating layer 109 and in contact with the seventh electrode 146. Is formed). Further, the second wiring 102 is formed on the second interlayer insulating layer 109 so as to cover the third low resistance plug 149.
本変形例において、第1プラグ105は抵抗変化素子および電流制御素子で構成される一体構造147の下端面に接触している。 In the present modification, the first plug 105 is in contact with the lower end surface of the integrated structure 147 composed of a resistance change element and a current control element.
電流制御素子と抵抗変化素子から構成される不揮発性メモリセルを、一体構造として作りこむことにより、電流制御素子の上部電極と抵抗変化素子の下部電極を第6電極144として形成することが可能である。また、素子のマスクおよびプラグ部のマスク枚数を低減でき、製造工程も簡略化が可能となる。また、また、不揮発性メモリセルと直列接続した下層部に高抵抗プラグを形成することで、抵抗変化素子の初期ブレイク時の分圧も可能である。 By forming a nonvolatile memory cell composed of a current control element and a resistance change element as an integral structure, the upper electrode of the current control element and the lower electrode of the resistance change element can be formed as the sixth electrode 144. is there. In addition, the number of masks for elements and the number of masks for plug portions can be reduced, and the manufacturing process can be simplified. Moreover, by forming a high resistance plug in the lower layer portion connected in series with the nonvolatile memory cell, it is possible to divide the voltage at the initial break of the resistance change element.
[第4変形例]
図14は、第1実施形態の第4変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセルの概略構成の一例を示す側方断面図である。
[Fourth Modification]
FIG. 14 is a side cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a variable resistance nonvolatile memory cell according to a fourth modification of the first embodiment.
図14に示すように、第4変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセル141は、第3変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセル140において、第1プラグ105と第3低抵抗プラグ149とが第1低抵抗プラグ143と第3プラグ107とに置換されている。 As illustrated in FIG. 14, the variable resistance nonvolatile memory cell 141 according to the fourth modified example includes a first plug 105 and a third low resistance plug 149 in the variable resistance nonvolatile memory cell 140 according to the third modified example. Are replaced by the first low-resistance plug 143 and the third plug 107.
それぞれの構成要素は上述したものと同様の構成としうるので、詳細な説明を省略する。 Each component can be configured in the same manner as described above, and detailed description thereof is omitted.
本変形例において、第3プラグ107は抵抗変化素子および電流制御素子で構成される一体構造147の上端面に接触している。 In the present modification, the third plug 107 is in contact with the upper end surface of the integrated structure 147 composed of a resistance change element and a current control element.
[第5変形例]
図15は、第1実施形態の第5変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセルの概略構成の一例を示す側方断面図である。
[Fifth Modification]
FIG. 15 is a side cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a variable resistance nonvolatile memory cell according to a fifth modification of the first embodiment.
図15に示すように、第5変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセル142は、第3変形例に係る抵抗変化型不揮発性メモリセル140において、第3低抵抗プラグ149が第3プラグ107に置換されている。 As illustrated in FIG. 15, the variable resistance nonvolatile memory cell 142 according to the fifth modification is the same as the variable resistance nonvolatile memory cell 140 according to the third modification, in which the third low resistance plug 149 is replaced by the third plug 107. Has been replaced.
それぞれの構成要素は上述したものと同様の構成としうるので、詳細な説明を省略する。 Each component can be configured in the same manner as described above, and detailed description thereof is omitted.
本変形例において、第1プラグ105は抵抗変化素子および電流制御素子で構成される一体構造147の下端面に接触し、かつ第3プラグ107は抵抗変化素子および電流制御素子で構成される一体構造147の上端面に接触している。 In this modification, the first plug 105 is in contact with the lower end surface of the integrated structure 147 configured by a resistance change element and a current control element, and the third plug 107 is an integrated structure configured by a resistance change element and a current control element. 147 is in contact with the upper end surface.
(第2実施形態)
第2実施形態の抵抗変化型不揮発性記憶装置は、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である。
(Second Embodiment)
The variable resistance nonvolatile memory device according to the second embodiment is a so-called cross-point nonvolatile memory device in which a nonvolatile memory part is interposed at an intersection (a solid intersection) between a word line and a bit line.
本実施形態の抵抗変化型不揮発性記憶装置は、第1配線と、第2配線と、抵抗変化素子と電流制御素子とで構成される抵抗変化型不揮発性メモリセルとを備え、層間絶縁層は、不揮発性メモリセル、プラグ、第1配線、及び第2配線以外の空間を埋めるように形成されている。 The variable resistance nonvolatile memory device according to the present embodiment includes a variable resistance nonvolatile memory cell including a first wiring, a second wiring, a variable resistance element, and a current control element. The non-volatile memory cell, the plug, the first wiring, and the second wiring are formed so as to be filled.
本実施形態の抵抗変化型不揮発性記憶装置において、第1配線は、基板上にあり、基板の主面に平行な平面上に互い平行に複数形成され、第2配線は該平面の上方に該平面に平行な面内において互いに平行に且つ複数の第1配線に立体交差するように形成され、複数の第1配線と複数の第2配線との立体交差点のそれぞれに対応して第1配線と第2配線とを電気的に接続するように抵抗変化型不揮発性メモリセルが形成されていてもよい。 In the variable resistance nonvolatile memory device of the present embodiment, the first wiring is on the substrate, a plurality of first wirings are formed in parallel to each other on a plane parallel to the main surface of the substrate, and the second wiring is above the plane. A first wiring corresponding to each of the three-dimensional intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings; A variable resistance nonvolatile memory cell may be formed so as to be electrically connected to the second wiring.
本実施形態の抵抗変化型不揮発性記憶装置が備える抵抗変化型不揮発性メモリセルは、第1実施形態またはその変形例の抵抗変化型不揮発性メモリセルを用いることができる。 As the variable resistance nonvolatile memory cell included in the variable resistance nonvolatile memory device according to the present embodiment, the variable resistance nonvolatile memory cell according to the first embodiment or the modification thereof can be used.
[不揮発性記憶装置の構成]
図16は、第2実施形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置の概略構成の一例を示すブロック図である。図17は、図16のA部を拡大した模式的な斜視図である。
[Configuration of non-volatile storage device]
FIG. 16 is a block diagram illustrating an example of a schematic configuration of a variable resistance nonvolatile memory device according to the second embodiment. FIG. 17 is a schematic perspective view in which the portion A of FIG. 16 is enlarged.
図16に示すように、抵抗変化型不揮発性記憶装置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とを備えている。 As shown in FIG. 16, the variable resistance nonvolatile memory device 200 includes a memory main body 201 on a semiconductor substrate. The memory main body 201 includes a memory array 202, a row selection circuit / driver 203, A column selection circuit / driver 204, a write circuit 205 for writing information, a sense amplifier 206 for detecting the amount of current flowing through the selected bit line and discriminating data “1” or “0”; and a terminal DQ And a data input / output circuit 207 for performing input / output processing of the input / output data via the.
また、抵抗変化型不揮発性記憶装置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 variable resistance nonvolatile memory device 200 also includes an address input circuit 208 that receives an address signal input from the outside, and a control circuit 209 that controls the operation of the memory body 201 based on the control signal input from the outside. And further.
メモリアレイ202は、図16及び図17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(本実施形態においては直交)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. 16 and 17, the memory array 202 includes a plurality of word lines WL0, WL1, WL2,... Formed in parallel to each other on a semiconductor substrate, and these word lines WL0, WL1, WL2,. A plurality of bits formed so as to be parallel to each other in a plane parallel to the main surface of the semiconductor substrate and to form a three-dimensional intersection (orthogonal in the present embodiment) with the plurality of word lines WL0, WL1, WL2,. Lines BL0, BL1, BL2,.
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抵抗変化型不揮発性メモリセル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 variable resistance nonvolatile memory cells M211, M212, M213 provided in a matrix corresponding to the intersections of these word lines WL0, WL1, WL2,... And bit lines BL0, BL1, BL2,. M221, M222, M223, M231, M232, M123,... (Hereinafter referred to as “memory cells M211, M212,...”) Are provided.
なお、図16におけるメモリセルM211,M212,…は、図18において符号150で示されている。この抵抗変化型不揮発性メモリセル150の構成の詳細については後述する。 Note that memory cells M211, M212,... In FIG. Details of the configuration of the variable resistance nonvolatile memory cell 150 will be described later.
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 address input circuit 208 receives an address signal from an external circuit (not shown), outputs a row address signal to the row selection circuit / driver 203 based on the address signal, and outputs a column address signal to the column selection circuit / driver 204. Output to. Here, the address signal is a signal indicating the address of a specific memory cell selected from among the plurality of memory cells M211, M212,. The row address signal is a signal indicating a row address among the addresses indicated by the address signal, and the column address signal is also a signal indicating a column address.
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 control circuit 209 outputs a write signal instructing application of a write voltage to the write circuit 205 in accordance with the input data Din input to the data input / output circuit 207. On the other hand, in the information read cycle, the control circuit 209 outputs a read signal for instructing a read operation to the column selection circuit / driver 204.
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 / driver 203 receives the row address signal output from the address input circuit 208, selects one of the plurality of word lines WL0, WL1, WL2,... According to the row address signal, A predetermined voltage is applied to the selected word line.
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 / driver 204 receives the column address signal output from the address input circuit 208, and selects one of the plurality of bit lines BL0, BL1, BL2,... According to the column address signal. Then, a write voltage or a read voltage is applied to the selected bit line.
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 write circuit 205 receives the write signal output from the control circuit 209, the write circuit 205 outputs a signal for instructing the row selection circuit / driver 203 to apply a voltage to the selected word line, and the column selection circuit / A signal instructing the driver 204 to apply a write voltage to the selected bit line is output.
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 sense amplifier 206 detects the amount of current flowing through the selected bit line to be read in the information read cycle, and determines data “1” or “0”. The output data DO obtained as a result is output to an external circuit via the data input / output circuit 207.
上記のように動作することにより、抵抗変化型不揮発性記憶装置200は、後述する不揮発性メモリセルに対する読み書きを実現する。 By operating as described above, the variable resistance nonvolatile memory device 200 realizes reading and writing with respect to a nonvolatile memory cell to be described later.
なお、図16および図17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. 16 and 17 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.
[不揮発性メモリセルの構成]
以下、第2実施形態の不揮発性素子の構成について例示する。
[Configuration of non-volatile memory cell]
Hereinafter, the configuration of the nonvolatile element of the second embodiment will be exemplified.
図18は、本発明の第2実施形態に係る抵抗変化型不揮発性メモリセルの構成の一例を示す断面図である。なお、図18には、図17のB部における構成が示されている。図18に示すように、実施の形態2の抵抗変化型不揮発性メモリセル150は、アルミ配線等で構成された下部配線212(第1配線:図16および図17におけるワード線WL1に相当する)と、同じくアルミ配線等で構成され、下部配線212と直交するように配置された上部配線211(第2配線:図16および図17におけるビット線BL1に相当する)との交差部に、下部配線212及び上部配線211とそれぞれ接続するように形成される。この抵抗変化型不揮発性メモリセル150は、下部配線212上に負荷抵抗部を備えた第1プラグ105が形成され、第1プラグ105と直列に接続された、電流制御素子と抵抗変化素子の一体構造147が形成されている。電流制御素子と抵抗変化素子の一体構造147の第5電極145(下部電極)の上には、電流制御層123(例えば、窒化シリコン(SiNz)で構成)が形成されており、その電流制御層123の上には、第6電極144(共通電極:例えば、窒化タンタル(TaN)で構成)が形成されている。第6電極144は、抵抗変化素子の下部電極としても機能する。第6電極144と第7電極146(上部電極:例えば、イリジウムで構成)と、これらの両電極間に挟まれた抵抗変化層113とを備えている。 FIG. 18 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the variable resistance nonvolatile memory cell according to the second embodiment of the present invention. Note that FIG. 18 shows a configuration in the B part of FIG. As shown in FIG. 18, the variable resistance nonvolatile memory cell 150 according to the second embodiment includes a lower wiring 212 made of aluminum wiring or the like (first wiring: corresponding to the word line WL1 in FIGS. 16 and 17). And the lower wiring at the intersection with the upper wiring 211 (second wiring: corresponding to the bit line BL1 in FIGS. 16 and 17), which is also made of aluminum wiring or the like and arranged to be orthogonal to the lower wiring 212. 212 and the upper wiring 211 are connected to each other. In the variable resistance nonvolatile memory cell 150, a first plug 105 having a load resistance portion is formed on a lower wiring 212, and a current control element and a variable resistance element are connected in series with the first plug 105. A structure 147 is formed. A current control layer 123 (for example, composed of silicon nitride (SiN z )) is formed on the fifth electrode 145 (lower electrode) of the integrated structure 147 of the current control element and the resistance change element. On the layer 123, a sixth electrode 144 (common electrode: composed of, for example, tantalum nitride (TaN)) is formed. The sixth electrode 144 also functions as a lower electrode of the resistance change element. A sixth electrode 144 and a seventh electrode 146 (upper electrode: made of, for example, iridium) and a resistance change layer 113 sandwiched between these electrodes are provided.
抵抗変化層113は、第1実施形態の場合と同様に、酸素不足型の遷移金属酸化物で構成された低抵抗層114と、低抵抗層114よりも酸素不足度が低く抵抗が高い高抵抗層115の積層構造で構成されている。低抵抗層114と高抵抗層115とが同種の遷移金属で構成される場合、低抵抗層114の遷移金属酸化物の組成をMOxとし、高抵抗層115の遷移金属酸化物の組成をMOyとした場合、x<yが成立する。本実施の形態では、高抵抗層115及び低抵抗層114は何れもタンタル(Ta)酸化物で構成されており、低抵抗層114の組成をTaOxとし、高抵抗層115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。電流制御素子と抵抗変化素子の一体構造147上には負荷抵抗部を有する第3プラグ107が直列に配置され、第3プラグ107を介して上部配線211と接続されている。ここで、電流制御層123と第5電極145との界面、および、電流制御層123と第6電極144との界面は、ショットキー障壁として機能する。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、電流制御層123の膜厚を調整すると、10000A/cm2以上の電流密度を得ることができる。なお、第5電極145および第6電極144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113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)等の高融点金属やその窒化物も用いることができる。第5電極145及び第6電極144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。 As in the case of the first embodiment, the resistance change layer 113 includes a low resistance layer 114 made of an oxygen-deficient transition metal oxide, and a high resistance that has a lower oxygen deficiency and a higher resistance than the low resistance layer 114. A layered structure of layers 115 is formed. When the low resistance layer 114 and the high resistance layer 115 are made of the same type of transition metal, the composition of the transition metal oxide of the low resistance layer 114 is MO x and the composition of the transition metal oxide of the high resistance layer 115 is MO. When y is satisfied, x <y is established. In the present embodiment, the high resistance layer 115 and the low resistance layer 114 are both made of tantalum (Ta) oxide, the composition of the low resistance layer 114 is TaO x, and the composition of the high resistance layer 115 is TaO y. In this case, adjustment is made so that x is 0.8 or more and 1.9 or less and y is 2.1 or more and less than 2.5. A third plug 107 having a load resistance portion is arranged in series on the integrated structure 147 of the current control element and the resistance change element, and is connected to the upper wiring 211 via the third plug 107. Here, the interface between the current control layer 123 and the fifth electrode 145 and the interface between the current control layer 123 and the sixth electrode 144 function as a Schottky barrier. Silicon nitride (SiN z ) behaves like a semiconductor when the value of z is small, depending on the nitrogen composition z, and as an insulator when it is large. In the case of having semiconductor characteristics, a larger current can be obtained than in the case of having insulating characteristics. For example, when the z range of SiN z is 0 <z ≦ 0.85, a current density of 10000 A / cm 2 or more can be obtained by adjusting the film thickness of the current control layer 123. Note that the fifth electrode 145 and the sixth electrode 144 may be any material whose interface functions as a Schottky barrier with respect to silicon nitride (SiN z ). For example, α-tungsten (W) or titanium nitride (TiN) having a body-centered cubic (bcc) structure in addition to TaN that is stable against heat generated by a current flowing when the resistance change layer 113 undergoes resistance change. Refractory metals such as these and nitrides thereof can also be used. The fifth electrode 145 and the sixth electrode 144 need not be the same material, and may be different materials.
本実施の形態では、上述したとおり電流制御層123が半導体層で構成されているため、第5電極145と、電流制御層123と、第6電極144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、電流制御層123が絶縁体層で構成されており、第5電極145と、電流制御層123と、第6電極144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 current control layer 123 is formed of a semiconductor layer as described above, the stacked structure of the fifth electrode 145, the current control layer 123, and the sixth electrode 144 has an MSM (metal / semiconductor / It functions as a (metal) diode. Note that the present invention is not limited to this, and the current control layer 123 is formed of an insulator layer, and the stacked structure of the fifth electrode 145, the current control layer 123, and the sixth electrode 144 is MIM. It may function as a (metal / insulator / metal) diode. As the insulator in this case, SiO 2 , Si 3 N 4 , Ta 2 O 5 or the like can be used.
負荷抵抗部を有した第1プラグ105および第3プラグ107は、Ta−SiO2で構成された第1負荷抵抗部131Aおよび第3負荷抵抗部131Cと、Tiで構成された密着層とTiNで構成されたバリア層を形成した後、Wを内部に充填して形成されたものである。 The first plug 105 and the third plug 107 having a load resistance portion are composed of a first load resistance portion 131A and a third load resistance portion 131C made of Ta—SiO 2 , an adhesion layer made of Ti, and TiN. After the formed barrier layer is formed, W is filled therein.
本実施形態に記載した負荷抵抗部を有する負荷抵抗プラグは不揮発性メモリセルの下部と上部の両方に配置したが、下部配線と上部配線との間に形成するビアが全体として負荷抵抗として機能すればよく、負荷抵抗部は上層および下層のどちらか片側のみ形成してもよい。 Although the load resistance plug having the load resistance portion described in this embodiment is arranged at both the lower and upper portions of the nonvolatile memory cell, the via formed between the lower wiring and the upper wiring functions as a load resistance as a whole. The load resistance portion may be formed only on one side of the upper layer and the lower layer.
なお、高抵抗プラグに用いた高抵抗膜として、タンタルシリコン酸化物(Ta−SiO2)を用いたが、その代わりに酸素不足型のタングステン酸化物(WOx)、ニオブ酸化物(NbOx)、あるいはタンタル酸化物(TaOx)等を用いてもよい。 Tantalum silicon oxide (Ta—SiO 2 ) was used as the high resistance film used for the high resistance plug, but oxygen-deficient tungsten oxide (WO x ) and niobium oxide (NbO x ) were used instead. Alternatively, tantalum oxide (TaO x ) or the like may be used.
このようなクロスポイント構造では1ビットの電流制御素子が破壊すると、破壊した電流制御素子だけでなく他のビットが誤動作する。さらに、迂回電流(sneak current)が他ビットへ影響し、破壊ビットが機能しなくなる。また、正常動作を行っている素子への迂回電流による書き込みディスターブも発生する。負荷抵抗部をそれぞれのビットに形成することで、電流制御素子の破壊を未然に防止し、初期ブレイク後の安定動作を実現、ばらつきの防止、信頼性を向上させることができる。特に、ギガビット(Gbit)級大容量メモリの一部のビットの誤動作の確率を極めて低減することができるので、大容量の不揮発性メモリを実現することができる。 In such a cross-point structure, when a 1-bit current control element is destroyed, not only the destroyed current control element but also other bits malfunction. Furthermore, a detour current affects other bits, and the destruction bit does not function. In addition, a write disturb due to a detour current to the element performing normal operation also occurs. By forming the load resistance portion in each bit, it is possible to prevent the current control element from being destroyed, to realize a stable operation after the initial break, to prevent variations, and to improve reliability. In particular, since the probability of malfunction of some bits of a gigabit (Gbit) class large capacity memory can be extremely reduced, a large capacity nonvolatile memory can be realized.
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
抵抗変化型不揮発性メモリセルおよび抵抗変化型不揮発性記憶装置は、初期ブレイク工程において電流制御素子が破壊されにくい、抵抗変化型不揮発性メモリセルおよび抵抗変化型不揮発性記憶装置として有用である。 The variable resistance nonvolatile memory cell and the variable resistance nonvolatile memory device are useful as a variable resistance nonvolatile memory cell and a variable resistance nonvolatile memory device in which the current control element is not easily destroyed in the initial break process.
100 抵抗変化型不揮発性メモリセル
101 第1配線
102 第2配線
103 抵抗変化素子
104 電流制御素子
105 第1プラグ
105F 第6プラグ
106 第2プラグ
106E 第5プラグ
107 第3プラグ
107D 第4プラグ
108 第1層間絶縁層
109 第2層間絶縁層
110 第3層間絶縁層
111 第1電極
111’ パターン形成前の第1電極層
112 第2電極
112’ パターン形成前の第2電極層
113 抵抗変化層
114 低抵抗層
114’ パターン形成前の低抵抗層
115 高抵抗層
115’ パターン形成前の高抵抗層
121 第3電極
121’ パターン形成前の第3電極層
122 第4電極
122’ パターン形成前の第4電極層
123 電流制御層
123’ パターン形成前の電流制御層
130 コンタクトホール
131A 第1負荷抵抗部
131B 第2負荷抵抗部
131C 第3負荷抵抗部
131D 第4負荷抵抗部
131E 第5負荷抵抗部
131F 第6負荷抵抗部
132 密着層
133 バリア層
134 充填層
140 抵抗変化型不揮発性メモリセル
141 抵抗変化型不揮発性メモリセル
142 抵抗変化型不揮発性メモリセル
143 第1低抵抗プラグ
144 第6電極
145 第5電極
146 第7電極
147 一体構造
148 第2低抵抗プラグ
149 第3低抵抗プラグ
150 抵抗変化型不揮発性メモリセル
200 抵抗変化型不揮発性記憶装置
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
211 上部配線
212 下部配線
WL0,WL1,WL2,… ワード線
BL0,BL1,BL2,… ビット線
M211,M212,… メモリセル
100 variable resistance nonvolatile memory cell 101 first wiring 102 second wiring 103 variable resistance element 104 current control element 105 first plug 105F sixth plug 106 second plug 106E fifth plug 107 third plug 107D fourth plug 108 first 1st interlayer insulation layer 109 2nd interlayer insulation layer 110 3rd interlayer insulation layer 111 1st electrode 111 '1st electrode layer before pattern formation 112 2nd electrode 112' 2nd electrode layer before pattern formation 113 Resistance change layer 114 Low Resistance layer 114 ′ Low resistance layer before pattern formation 115 High resistance layer 115 ′ High resistance layer before pattern formation 121 Third electrode 121 ′ Third electrode layer before pattern formation 122 Fourth electrode 122 ′ Fourth before pattern formation Electrode layer 123 Current control layer 123 ′ Current control layer 130 before pattern formation 130 Contact hole 13 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A 1st load resistance part 131B 2nd load resistance part 131C 3rd load resistance part 131D 4th load resistance part 131E 5th load resistance part 131F 6th load resistance part 132 Adhesion layer 133 Barrier layer 134 Filling layer 140 Resistance change non-volatile Volatile memory cell 141 variable resistance nonvolatile memory cell 142 variable resistance nonvolatile memory cell 143 first low resistance plug 144 sixth electrode 145 fifth electrode 146 seventh electrode 147 integrated structure 148 second low resistance plug 149 third low resistance Resistive plug 150 Variable resistance nonvolatile memory cell 200 Variable resistance nonvolatile memory device 201 Memory body 202 Memory array 203 Row selection circuit / driver 204 Column selection circuit / driver 205 Write circuit 206 Sense amplifier 207 Data input / output circuit 208 Address Input circuit 20 DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Control circuit 211 Upper wiring 212 Lower wiring WL0, WL1, WL2, ... Word line BL0, BL1, BL2, ... Bit line M211, M212, ... Memory cell
Claims (14)
前記抵抗変化素子に直列に接続し、所定の印加電圧の範囲において印加電圧の絶対値が大きくなるにしたがい電圧電流曲線の傾きが大きくなる非線形の電圧電流特性を有する電流制御素子と、
層間絶縁層を貫通するホールの内部に形成され、前記抵抗変化素子もしくは前記電流制御素子の少なくとも一方に接触し、かつ、負荷抵抗部を有するプラグと、を備え、
前記負荷抵抗部が、タンタルシリコン酸化物(Ta−SiO2)、タングステン酸化物(WOx)、ニオブ酸化物(NbOx)、タンタル酸化物(TaOx)で構成された群より選ばれた少なくとも1つの材料で構成されている、
抵抗変化型不揮発性メモリセル。 A resistance change element that reversibly transitions between a plurality of resistance states having different resistance values by applying electrical signals having different polarities;
A current control element connected in series to the variable resistance element and having a non-linear voltage-current characteristic in which the slope of the voltage-current curve increases as the absolute value of the applied voltage increases in a predetermined applied voltage range;
A plug formed in a hole penetrating the interlayer insulating layer, in contact with at least one of the variable resistance element or the current control element, and having a load resistance portion;
The load resistance portion is at least selected from the group consisting of tantalum silicon oxide (Ta—SiO 2 ), tungsten oxide (WO x ), niobium oxide (NbO x ), and tantalum oxide (TaO x ). Composed of one material,
Variable resistance nonvolatile memory cell.
前記プラグは少なくとも前記抵抗変化素子及び前記電流制御素子のうちいずれかの電極に接触しており、
前記電極は前記プラグとの接触部分の全周において前記接触部分よりも外側へと広がるように構成されている、請求項1に記載の抵抗変化型不揮発性メモリセル。 The resistance change element and the current control element each include an electrode,
The plug is in contact with at least one of the resistance change element and the current control element;
2. The variable resistance nonvolatile memory cell according to claim 1, wherein the electrode is configured to spread outward from the contact portion in a whole periphery of a contact portion with the plug.
第2配線と、
請求項1乃至5に記載の抵抗変化型不揮発性メモリセルとを備え、
前記層間絶縁層と前記抵抗変化素子と前記電流制御素子と前記プラグとは前記第1配線と前記第2配線との間に形成されている、
抵抗変化型不揮発性記憶装置。 A first wiring;
A second wiring;
A variable resistance nonvolatile memory cell according to claim 1,
The interlayer insulating layer, the resistance change element, the current control element, and the plug are formed between the first wiring and the second wiring;
A variable resistance nonvolatile memory device.
前記第2配線は前記平面の上方に前記平面に平行な面内において互いに平行に且つ前記複数の第1配線に立体交差するように形成され、
前記複数の第1配線と前記複数の第2配線との立体交差点のそれぞれに対応して前記第1配線と前記第2配線とを電気的に接続するように前記抵抗変化型不揮発性メモリセルが形成されている、
請求項6に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 A plurality of the first wires are formed in parallel to each other in the same plane,
The second wiring is formed above the plane so as to intersect the plurality of first wirings in parallel with each other in a plane parallel to the plane,
The variable resistance nonvolatile memory cell is configured to electrically connect the first wiring and the second wiring corresponding to each of the three-dimensional intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings. Formed,
The variable resistance nonvolatile memory device according to claim 6.
前記抵抗変化素子に直列に接続し、所定の印加電圧の範囲において印加電圧の絶対値が大きくなるにしたがい電圧電流曲線の傾きが大きくなる非線形の電圧電流特性を有する電流制御素子と、
層間絶縁層を貫通するホールの内部に形成され、前記抵抗変化素子もしくは前記電流制御素子の少なくとも一方に接触し、かつ、負荷抵抗部を有するプラグと、を備え、
前記プラグの抵抗値が、170Ω以上である、
抵抗変化型不揮発性メモリセル。 A resistance change element that reversibly transitions between a plurality of resistance states having different resistance values by applying electrical signals having different polarities;
A current control element connected in series to the variable resistance element and having a non-linear voltage-current characteristic in which the slope of the voltage-current curve increases as the absolute value of the applied voltage increases in a predetermined applied voltage range;
A plug formed in a hole penetrating the interlayer insulating layer, in contact with at least one of the variable resistance element or the current control element, and having a load resistance portion;
The resistance value of the plug is 170Ω or more,
Variable resistance nonvolatile memory cell.
請求項8に記載の抵抗変化型不揮発性メモリセル。 The resistance value of the plug is 2 kΩ or more,
The variable resistance nonvolatile memory cell according to claim 8.
前記プラグは少なくとも前記抵抗変化素子及び前記電流制御素子のうちいずれかの電極に接触しており、
前記電極は前記プラグとの接触部分の全周において前記接触部分よりも外側へと広がるように構成されている、請求項8または9に記載の抵抗変化型不揮発性メモリセル。 The resistance change element and the current control element each include an electrode,
The plug is in contact with at least one of the resistance change element and the current control element;
10. The variable resistance nonvolatile memory cell according to claim 8, wherein the electrode is configured to spread outward from the contact portion in the entire periphery of the contact portion with the plug. 11.
第2配線と、
請求項8乃至12に記載の抵抗変化型不揮発性メモリセルとを備え、
前記層間絶縁層と前記抵抗変化素子と前記電流制御素子と前記プラグとは前記第1配線と前記第2配線との間に形成されている、
抵抗変化型不揮発性記憶装置。 A first wiring;
A second wiring;
A variable resistance nonvolatile memory cell according to claim 8,
The interlayer insulating layer, the resistance change element, the current control element, and the plug are formed between the first wiring and the second wiring;
A variable resistance nonvolatile memory device.
前記第2配線は前記平面の上方に前記平面に平行な面内において互いに平行に且つ前記複数の第1配線に立体交差するように形成され、
前記複数の第1配線と前記複数の第2配線との立体交差点のそれぞれに対応して前記第1配線と前記第2配線とを電気的に接続するように前記抵抗変化型不揮発性メモリセルが形成されている、
請求項13に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 A plurality of the first wires are formed in parallel to each other in the same plane,
The second wiring is formed above the plane so as to intersect the plurality of first wirings in parallel with each other in a plane parallel to the plane,
The variable resistance nonvolatile memory cell is configured to electrically connect the first wiring and the second wiring corresponding to each of the three-dimensional intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings. Formed,
The variable resistance nonvolatile memory device according to claim 13.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011092272A JP2012227275A (en) | 2011-04-18 | 2011-04-18 | Resistive nonvolatile memory cell, and resistive nonvolatile memory device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011092272A JP2012227275A (en) | 2011-04-18 | 2011-04-18 | Resistive nonvolatile memory cell, and resistive nonvolatile memory device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012227275A true JP2012227275A (en) | 2012-11-15 |
Family
ID=47277129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2011092272A Withdrawn JP2012227275A (en) | 2011-04-18 | 2011-04-18 | Resistive nonvolatile memory cell, and resistive nonvolatile memory device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2012227275A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014207440A (en) * | 2013-03-18 | 2014-10-30 | パナソニック株式会社 | Nonvolatile storage device and method for manufacturing the same |
| US11744164B2 (en) | 2014-09-03 | 2023-08-29 | Kioxia Corporation | Resistive random access memory device and method for manufacturing the same |
-
2011
- 2011-04-18 JP JP2011092272A patent/JP2012227275A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014207440A (en) * | 2013-03-18 | 2014-10-30 | パナソニック株式会社 | Nonvolatile storage device and method for manufacturing the same |
| US11744164B2 (en) | 2014-09-03 | 2023-08-29 | Kioxia Corporation | Resistive random access memory device and method for manufacturing the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5468087B2 (en) | Nonvolatile memory element and nonvolatile memory device | |
| JP4948688B2 (en) | Resistance variable nonvolatile memory element, variable resistance nonvolatile memory device, and method of manufacturing variable resistance nonvolatile memory element | |
| US8565004B2 (en) | Nonvolatile memory device and method for programming the same | |
| CN102782846B (en) | Non-volatile memory element and non-volatile memory device equipped with same | |
| JP5899474B2 (en) | Nonvolatile memory element, nonvolatile memory device, method for manufacturing nonvolatile memory element, and method for manufacturing nonvolatile memory device | |
| US9251898B2 (en) | Method for programming nonvolatile memory element, method for initializing nonvolatile memory element, and nonvolatile memory device | |
| US8675393B2 (en) | Method for driving non-volatile memory element, and non-volatile memory device | |
| US8957399B2 (en) | Nonvolatile memory element and nonvolatile memory device | |
| US8471235B2 (en) | Nonvolatile memory element having a resistance variable layer and manufacturing method thereof | |
| WO2010064446A1 (en) | Nonvolatile memory element and nonvolatile memory device | |
| CN102742011B (en) | Nonvolatile storage element and method for manufacturing same | |
| JP5291269B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory element, nonvolatile semiconductor memory device, and manufacturing method thereof | |
| US8339835B2 (en) | Nonvolatile memory element and semiconductor memory device including nonvolatile memory element | |
| JP5270809B2 (en) | Nonvolatile memory element and nonvolatile memory device | |
| JP5571833B2 (en) | Nonvolatile memory element and method for manufacturing nonvolatile memory element | |
| US8995171B2 (en) | Designing method of non-volatile memory device, manufacturing method of non-volatile memory device, and non-volatile memory device | |
| JP5367198B1 (en) | Variable resistance nonvolatile memory device | |
| JP2012227275A (en) | Resistive nonvolatile memory cell, and resistive nonvolatile memory device | |
| JP2011198909A (en) | Resistance-change type nonvolatile memory device | |
| CN103180948B (en) | The wiring method of non-volatile memory device, Nonvolatile memory devices and non-volatile memory device | |
| JP2014175419A (en) | Current control element, nonvolatile memory element, nonvolatile storage device, and current control element manufacturing method | |
| CN103999218B (en) | Nonvolatile memory element, nonvolatile memory device, method of manufacturing nonvolatile memory element, and method of manufacturing nonvolatile memory device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20140701 |