JP2012079930A - 可変抵抗素子、及び、不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
可変抵抗素子2は、第1電極12aと第2電極14の間に抵抗変化層13、及び、第2電極と接する低抵抗層14を挟持して構成される。低抵抗層14は、抵抗変化層13を構成する金属酸化膜と同一の金属元素の酸化膜であり、且つその抵抗値が前記抵抗変化層よりも低くなるように低抵抗化する処理がされている。低抵抗層14は、例えば、金属酸化膜に不純物をドーピングし、キャリア濃度を増加させることにより形成される。或いは、低抵抗層14は、n型の金属酸化物の場合、金属酸化膜の酸素欠損濃度を抵抗変化層13よりも高濃度にすることにより形成される。
【選択図】 図1
Description
前記列方向に隣接する前記可変抵抗素子間の最短距離をL、前記列方向に隣接する前記可変抵抗素子間を接続する配線の幅をW、前記可変抵抗素子を構成する前記第2電極の径をF、前記低抵抗層の厚さをd、前記可変抵抗素子の抵抗値の最も低い低抵抗状態の抵抗値をRL、前記高抵抗状態の抵抗値をRHとしたとき、
d<{(L/W)(RL/RH)}1/2・F
を満たすことが好ましい。
前記RHの前記RLに対する比が100以上であり、前記d、前記L、前記W、前記Fが、d<(L/W)1/2・F/10を満たすことが好ましい。
図1は本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置(以降、適宜「本発明装置1」と称す)において用いる可変抵抗素子2の素子構造を模式的に示す断面図である。尚、以降に示す図面では、説明の都合上、要部を強調して示すこととし、素子各部の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しない場合がある。
可変抵抗素子2(2a,2b)を備える本発明装置1の例を図8に示す。図8は、本発明装置1の概略の構成を示す回路ブロック図であり、本発明装置1は、夫々、メモリセルアレイ21、制御回路22、電圧発生回路23、ワード線デコーダ24、ビット線デコーダ25を備えてなる。
ρL/Wd>RH
d<ρL/WRH =L/W・(ρd/F2)・F2/dRH
∴d<L/(Wd)・(r/RH)・F2
∴d<{(L/W)(r/RH)}1/2・F
d<{α(L/W)(RL/RH)}1/2・F
d<{(L/W)(RL/RH)}1/2・F
[数5]
d<(L/W)1/2・F/10
2,2a,2b: 本発明に係る可変抵抗素子
2’: 従来例の可変抵抗素子
10: 基板
11: 絶縁膜
12: 第1電極
13: 抵抗変化層
14: 低抵抗層
15: 第2電極
21,21a,21b、131: メモリセルアレイ
22: 制御回路
23: 電圧発生回路
24,106: ワード線デコーダ
25,105: ビット線デコーダ
26,107: ソース線デコーダ
31: 金属配線
32: コンタクトプラグ
101: 上部電極
102: 可変抵抗体
103: 下部電極
BL,BL1〜BLm: ビット線
L: 隣接する可変抵抗素子間の最短間隔
R: 可変抵抗素子
SL,SL1〜SLn: ソース線
T: 選択トランジスタ
WL,WL1〜WLn: ワード線
Claims (16)
- 第1電極と第2電極の間に金属酸化物膜が複数層、積層されてなる可変抵抗素子であって、
前記金属酸化物膜の少なくとも2層は、
前記第1電極側の抵抗変化層、及び、
前記第2電極と前記抵抗変化層との間に挿入される、前記抵抗変化層を構成する金属酸化膜と同一の金属元素の酸化膜であって且つその抵抗値を前記抵抗変化層よりも低抵抗化する処理がされた低抵抗層であることを特徴とする可変抵抗素子。 - 前記低抵抗層は、前記第2電極とオーミック接触していることを特徴とする請求項1に記載の可変抵抗素子。
- 前記抵抗変化層、及び、前記低抵抗層が、共にn型の金属酸化物で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の可変抵抗素子。
- 前記低抵抗層を構成する金属酸化物膜の膜中の酸素欠損濃度が、前記抵抗変化層を構成する金属酸化物膜の膜中の酸素欠損濃度よりも高いことを特徴とする請求項3に記載の可変抵抗素子。
- 前記低抵抗層が、前記抵抗変化層を構成する金属酸化物を構成する元素とは異なる不純物元素を含むことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の可変抵抗素子。
- 前記不純物元素の価数が、前記低抵抗層を構成する金属酸化物を構成する金属元素の価数よりも大きいことを特徴とする請求項5に記載の可変抵抗素子。
- 前記低抵抗層が、Hf,Zr,又はTiの何れかの元素の酸化物であり、前記不純物元素としてNb又はTa元素を含んで構成されていることを特徴とする請求項6に記載の可変抵抗素子。
- 前記抵抗変化層が、Hf,Zr,Ti,Ta,V,Nb,Wの何れかの元素の酸化物、またはチタン酸ストロンチウムで構成されていることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の可変抵抗素子。
- 前記第1電極の仕事関数が4.5eV以上であることを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の可変抵抗素子。
- 前記第1電極が、Ti窒化物、Ti酸窒化物、Ta窒化物、Ta酸窒化物、窒化チタンアルミニウム、又は、W,Ni,Coから選択される金属の何れかを含んで構成されていることを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の可変抵抗素子。
- 前記第2電極が、前記第1電極と同一の材料で構成されていることを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の可変抵抗素子。
- 請求項1〜11の何れか一項に記載の可変抵抗素子を複数、行または列方向のうち少なくとも列方向に配列したメモリセルアレイを備える不揮発性半導体記憶装置。
- 前記メモリセルアレイが、
前記第2電極が列方向に延伸し、列方向に隣接する前記可変抵抗素子同士を相互に接続してなり、
前記低抵抗層が列方向に延伸していることを特徴とする請求項12に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリセルアレイが、
前記第1電極が列方向に延伸し、列方向に隣接する前記可変抵抗素子同士を相互に接続してなり、
前記低抵抗層が列方向に延伸する場合において、
当該列方向に隣接する前記可変抵抗素子間の前記低抵抗層による抵抗が、前記可変抵抗素子の抵抗値の最も高い高抵抗状態の抵抗値よりも高いことを特徴とする請求項12に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記列方向に隣接する前記可変抵抗素子間の最短距離をL、前記列方向に隣接する前記可変抵抗素子間を接続する配線の幅をW、前記可変抵抗素子を構成する前記第2電極の径をF、前記低抵抗層の厚さをd、前記可変抵抗素子の抵抗値の最も低い低抵抗状態の抵抗値をRL、前記高抵抗状態の抵抗値をRHとしたとき、
d<{(L/W)(RL/RH)}1/2・F
を満たすことを特徴とする請求項14に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記RHの前記RLに対する比が100以上であり、前記d、前記L、前記W、前記Fが、
d<(L/W)1/2・F/10
を満たすことを特徴とする請求項15に記載の不揮発性半導体記憶装置。
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