(57)【要約】【課題】安定した動作が可能な抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１、２電極と、第１、２層と、金属部とを含む抵抗変化素子が提供される。第１層は、第１、２電極の間に設けられ、第１元素の酸化物を含み、絶縁性である。金属部は、第１層と第１電極との間に設けられ、第１金属を含む。第２層は、第１層と第１電極との間に設けられ、第１電極から第２電極へ向かう第１方向と交差する第２方向において、金属部の少なくとも一部と第２金属を含む。低抵抗状態における第１層中の第１金属を含む領域の第１方向の長さは、高抵抗状態における領域の長さよりも長い。第２金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、第１元素の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーよりも大きい。【選択図】図１
2015185605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、第１元素の酸化物を含む絶縁性の第１層と、
前記第１層と前記第１電極との間に設けられ、第１金属を含む金属部と、
前記第１層と前記第１電極との間に設けられ、前記第１電極から前記第２電極へ向かう第１方向と交差する第２方向において、前記金属部の少なくとも一部と第２金属を含む第２層と、
を備え、
第１状態において、前記第１層中の前記第１金属を含む領域の前記第１方向の長さが、第２状態における前記領域の長さよりも長いか、または、第１状態において、前記第１層中に前記第１金属を含む領域があり、かつ第２状態においては、前記第１層が前記第１金属を含まないものであって、
前記第１状態における前記第１電極と前記第２電極との間の電気的抵抗は、第２状態における前記第１電極と前記第２電極との間の電気的抵抗よりも低く、
前記第２金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、前記第１元素の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーよりも大きい抵抗変化素子。
【請求項２】
前記第１元素は、シリコン、ハフニウム、ニッケル、バナジウム、ジルコニウム、モリブデン、アルミニウム、クロム及びニオブの少なくともいずれか一つを含む請求項１記載の抵抗変化素子。
【請求項３】
前記第１層は、酸化シリコン及び酸窒化シリコンの少なくともいずれか一つを含む請求項１または２記載の抵抗変化素子。
【請求項４】
前記第１金属は、銀、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、及びアルミニウムの少なくともいずれか一つを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の抵抗変化素子。
【請求項５】
前記第２金属は、タングステン、モリブデン、ジルコニウム、クロム及びハフニウムの少なくともいずれか一つを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の抵抗変化素子。
【請求項６】
前記金属部の前記第１方向に沿った長さは、５ｎｍ以下である請求項１〜５のいずれか１つに記載の抵抗変化素子。
【請求項７】
前記第１層と前記第２電極との間に設けられ、前記第１元素の酸化物を含む第３層をさらに備えた請求項１〜６のいずれか１つに記載の抵抗変化素子。
【請求項８】
前記１金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、前記第２金属の酸化物の単位物質量あたりの前記生成自由エネルギーよりも大きい請求項１〜７のいずれか１つに記載の抵抗変化素子。
【請求項９】
前記金属部は、複数の部分を含み、
前記複数の部分のそれぞれは、前記第１方向と交差する方向において、互いに離間した請求項１〜８のいずれか１つに記載の抵抗変化素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の抵抗変化素子と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する制御部と、
を備えた不揮発性記憶装置。
【請求項１１】
複数の第１配線と、
複数の第２配線と、
をさらに備え、
複数の第１配線は、前記複数の第２配線と交差し、
前記抵抗変化素子は複数設けられ、
前記複数の抵抗変化素子のそれぞれは、前記複数の第１配線と前記複数の第２配線との間のそれぞれの位置に配置される請求項１０記載の不揮発性記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、抵抗変化素子の開発が行われている。抵抗変化素子を用いた高速・大容量の不揮発性記憶装置の開発が注目を集めている。このような抵抗変化素子において、安定した動作が望まれている。信頼性などの特性を向上させることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２５３１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、安定した動作が可能な抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１層と、金属部と、第２層とを含む抵抗変化素子が提供される。前記第１層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、第１元素の酸化物を含み、絶縁性である。前記金属部は、前記第１層と前記第１電極との間に設けられ、第１金属を含む。前記第２層は、前記第１層と前記第１電極との間に設けられ、前記第１電極から前記第２電極へ向かう第１方向と交差する第２方向において、前記金属部の少なくとも一部と第２金属を含む。第１状態における前記第１層中の前記第１金属を含む領域の前記第１方向の長さは、第２状態における前記領域の長さよりも長いか、または、第１状態において前記第１層中に前記第１金属を含む領域があり、かつ第２状態においては、前記第１層は前記第１金属を含まない。前記第１状態における前記第１電極と前記第２電極との間の電気的抵抗は、第２状態における前記第１電極と前記第２電極との間の電気的抵抗よりも低い。前記第２金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、前記第１元素の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーよりも大きい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る抵抗変化素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る抵抗変化素子の動作を示す模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、抵抗変化素子の特性を示すグラフ図である。
【図４】第１の実施形態に係る抵抗変化素子を示す模式的断面図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る抵抗変化素子を例示する模式的断面図である。
【０００９】
図１に表したように、実施形態に係る抵抗変化素子１０１は、第１電極１０と、第２電極２０と、第１層３１と、第２層３２と、金属部４０と、を含む。
【００１０】
第１電極１０は、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び銅（Ｃｕ）の少なくともいずれか一つを含むものである。ここでは、第１電極１０には、例えば、タングステン（Ｗ）が用いられている。
【００１１】
第２電極２０には、例えば、多結晶シリコンが用いられる。多結晶シリコンには、例えばリン（Ｐ）が導入される。これにより、例えば、第２電極２０の抵抗率が調整される。第２電極２０には、タングステン（Ｗ）などの金属を用いてもよい。
【００１２】
第２電極２０から第１電極１０へ向かう第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向に対して垂直で、Ｚ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１３】
第１層３１は、第１電極１０と第２電極２０との間に設けられる。第１層３１は、第１元素の酸化物を含む。第１元素は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）及びニオブ（Ｎｂ）の少なくともいずれか一つを含む。第１元素には、例えばＳｉが用いられ、第１層３１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含む。第１層３１は、酸窒化シリコンを含んでもよい。第１層３１は、例えば、絶縁性である。第１層３１の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）は、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。
【００１４】
金属部４０は、第１層３１と第１電極１０との間に設けられる。例えば、金属部４０の一部は、第１層３１と接する。金属部４０は、第１金属を含む。第１金属は、例えば、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）及びアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれか一つを含む。例えば、第１金属には、Ａｇが用いられる。
【００１５】
第２層３２は、第１層３１と第１電極１０との間に設けられる。第２層３２は、Ｚ軸方向（第１方向）と交差する第２方向において、金属部４０の少なくとも一部と並ぶ。図１に表した例では、第２層３２は、金属部４０の複数の部分４０ａどうしの間、及び、複数の部分４０ａと第１電極１０との間に設けられる。第２層３２は、第２金属を含む。第２金属には、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びクロム（Ｃｒ）の少なくともいずれか一つが用いられる。
【００１６】
例えば、第１電極１０と第２電極２０との間にセット電圧を印加する。これにより、例えば、金属部４０に含まれる第１金属がイオン化し、第１層３１中へ拡散し、フィラメントと呼ばれる導電パスが形成される。第１層３１中にフィラメントが形成されることで、抵抗変化素子１０１は、高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する。
【００１７】
第１電極１０と第２電極２０との間にリセット電圧を印加する。リセット電圧の極性は、例えば、セット電圧の極性と逆である。これにより、例えば、第１層３１中のフィラメントに含まれる第１金属がイオン化する。このようにフィラメントが分解されることで、抵抗変化素子１０１は、低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。
【００１８】
第１電極１０と第２電極２０との間に電圧を印加することによって、例えば、フィラメントが延びた状態と、フィラメントが分解された状態と、を切り替えることができる。例えば、第１金属のイオンが、第１層３１中を出入りする。第１電極１０と第２電極２０との間の電気的抵抗が、可逆的に変化する。
【００１９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る抵抗変化素子の動作を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）は、抵抗変化素子１０１の低抵抗状態（第１状態ＳＴ１）を例示している。
図２（ｂ）は、抵抗変化素子１０１の高抵抗状態（第２状態ＳＴ２）を例示している。
【００２０】
図２（ａ）に表したように、低抵抗状態においては、第１層３１中にフィラメント３５が形成される。例えば、フィラメント３５は、第１層３１中において、金属部４０から第２電極２０へ向かう方向に延びた状態である。
【００２１】
フィラメント３５の成長過程においては、第１電極１０と第２電極２０との間にセット電圧が印加される。セット電圧が印加された状態においては、第１電極１０の電位は、第２電極２０の電位よりも高い。これにより、例えば、金属部４０の第１金属がイオン化され、第１層３１に侵入する。また、例えば、第２電極２０を介して電子が第１層３１に供給される。第１層３１において、イオン化された第１金属と、電子と、が結合する。これにより、例えば、フィラメント３５が第１層３１中において成長する。
【００２２】
図２（ｂ）に表したように、高抵抗状態においては、第１層３１中のフィラメント３５は、低抵抗状態に比べて分解された状態である。
【００２３】
フィラメント３５の分解過程においては、第１電極１０と第２電極との間にリセット電圧が印加される。リセット電圧が印加された状態においては、第１電極１０の電位は、第２電極２０の電位よりも低い。例えば、第２電極２０を介してホールが第１層３１に供給される。これにより、例えば、第１層３１中のフィラメント３５の第１金属がイオン化される。イオン化された第１金属は、例えば、金属部４０に回収される。
【００２４】
低抵抗状態における第１層３１中の第１金属を含む領域３５ｒのＺ軸方向に沿った長さは、第１長さＬ１である。高抵抗状態における第１層３１中の第１金属を含む領域３５ｒのＺ軸方向に沿った長さは、第２長さＬ２である。第１長さＬ１は、第２長さＬ２よりも長い。
【００２５】
例えば、高抵抗状態においては、第１層３１中に第１金属を含む領域３５ｒが無くてもよい。この場合、低抵抗状態において第１層３１中に第１金属を含む領域３５ｒがあり、高抵抗状態において第１層３１は第１金属を含まない。このようにして高抵抗状態と低抵抗状態とが切り替わってもよい。
【００２６】
実施形態に係る抵抗変化素子１０１において、第２層３２は、例えば、バリアメタルとなる。金属部４０を薄膜として形成し、その上にバリアメタルを設ける。これにより、例えば、第１金属と第１層３１との密着性が向上し、特性の劣化を抑制することができる。
【００２７】
金属部４０の厚さは、例えば、５ｎｍ以下である。金属部４０は、複数の部分４０ａを含んでもよい。複数の部分４０ａのそれぞれは、例えばＺ軸方向に対して交差する方向において、互いに離間する。すなわち、金属部４０は、島状でもよい。  
金属部４０の複数の部分４０ａの一部が、Ｘ−Ｙ平面内の方向において、互いに接していてもよい。すなわち、金属部４０は、網状でもよい。
【００２８】
実施形態において、第２層３２には、第１層３１と比較的反応しにくい金属を用いる。例えば、第２層３２と第１層３１とが反応すると、第２層３２と第１層３１との間に、第２層３２に含まれる第２金属の酸化物が生成される。第１電極１０と第２電極２０との間に電圧を印加した場合、この第２金属の酸化物を介して電流が流れてしまう場合がある。この電流は、リーク電流として、抵抗変化素子の特性を劣化させる。
【００２９】
実施形態においては、第２金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、第１元素の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーよりも大きい。すなわち、第２層に含まれる第２金属は、第１層３１と反応しにくく、第２金属の酸化物は、生成されにくい。このように、第１層３１との反応性が低い金属をバリアメタルに用いる。例えば、抵抗変化素子の信頼性が向上する。例えば、リーク電流が抑制され、素子の特性が向上する。
【００３０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、抵抗変化素子の特性を例示するグラフ図である。  
図３（ａ）及び図３（ｂ）の横軸は、第１電極１０と第２電極２０との間に印加される電圧Ｖ１（ボルト：Ｖ）を表す。図３（ａ）及び図３（ｂ）の縦軸は、第１電極１０と第２電極２０との間に流れる電流Ｉ１（アンペア：Ａ）を表す。
【００３１】
図３（ａ）は、第１の実施形態に係る抵抗変化素子１０２の特性を例示している。抵抗変化素子１０２は、抵抗変化素子１０１について説明した構成と同様の構成を有する。
【００３２】
この例では、第１元素には、Ｓｉが用いられている。すなわち、第１層３１は、ＳｉＯ２を含む。第１金属には、Ａｇが用いられている。金属部４０の厚さは、１ｎｍ程度である。第２金属には、Ｗが用いられている。第２層３２は、ＷＮを含む。第２層３２の厚さは、１９０ｎｍ程度である。
【００３３】
この場合、第１元素の酸化物（すなわちＳｉＯ２）の生成自由エネルギーは、−８５６ｋＪ／ｍｏｌである。第２金属の酸化物（すなわちＷＯ３）の生成自由エネルギーは、−７６４ｋＪ／ｍｏｌである。このように、第１元素の酸化物の生成自由エネルギーは、第２金属の酸化物の生成エネルギーよりも小さい。例えば、第２金属（Ｗ）と第１層（ＳｉＯ２）との反応は、Ｗ＋ＳｉＯ２＋（１／２）Ｏ２→ＷＯ３の式で表される。このときの自由エネルギーの変化ΔＧは、＋９２ｋＪ／ｍｏｌである。このため、第２金属の酸化物が生成されにい。例えば、リーク電流を抑制することができる。
【００３４】
図３（ａ）に表したように、抵抗変化素子１０２においては、電圧Ｖ１と電流Ｉ１との関係に、例えばヒステリシスが見られる。例えば、低抵抗状態（第１状態ＳＴ１）及び高抵抗状態（第２状態ＳＴ２）の２つの状態に対応して、電気的抵抗が変化していることが分かる。
【００３５】
図３（ｂ）は、参考例の抵抗変化素子１９０の特性を例示している。参考例の抵抗変化素子１９０においては、第２金属には、チタン（Ｔｉ）が用いられている。第２層３２は、ＴｉＮを含む。これ以外については、抵抗変化素子１９０は、抵抗変化素子１０２について説明した構成と同様の構成を有する。
【００３６】
この参考例の場合、第２金属の酸化物（すなわちＴｉＯ２）の生成自由エネルギーは、−８８５ｋＪ／ｍｏｌである。これは、第１元素の酸化物（ＳｉＯ２）の生成自由エネルギー（−８５６ｋＪ／ｍｏｌ）よりも小さい。例えば、第２金属（Ｔｉ）と第１層（ＳｉＯ２）との反応は、Ｔｉ＋ＳｉＯ２→ＴｉＯ２の式で表される。このときの自由エネルギーの変化は、−２９ｋＪ／ｍｏｌである。このため、参考例の抵抗変化素子１９０においては、第２金属は第１層３１と反応しやすい。第２層３２と第１層３１との間に、ＴｉＯ２が生成されやすい。例えば、このＴｉＯ２を介して、第１電極１０と第２電極２０との間にリーク電流が流れる。このため、高抵抗状態と低抵抗状態との切り替えが十分に行われず、素子の特性が劣化する。
【００３７】
図３（ｂ）に表したように、参考例の抵抗変化素子１９０においては、電圧と電流との関係に、ヒステリシスが見られない。
【００３８】
このように、第２層３２に用いられる金属に、第１層３１との反応性が比較的低い金属を用いることで、リーク電流を抑制することができる。これにより、高抵抗状態と低抵抗状態との切り替えを安定して行うことができる。安定した動作が可能な抵抗変化素子を得ることができる。
【００３９】
前述のように、第２金属には、Ｍｏを用いてもよい。例えば、ＭｏＯ３の生成自由エネルギーは、−６６８ｋＪ／ｍｏｌであり、ＳｉＯ２の生成自由エネルギーよりも小さい。
【００４０】
例えば、第１金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーは、第２金属の酸化物の単位物質量あたりの生成自由エネルギーよりも大きい。この例では、第１金属（Ａｇ）の酸化物（Ａｇ２Ｏ）の生成自由エネルギーは、例えば、−１１ｋＪ／ｍｏｌである。第１金属の第１層３１との反応性は低い。これにより、例えば、第１金属の酸化物が形成されにくく、リーク電流を抑制することができる。安定した動作が可能な抵抗変化素子を得ることができる。
【００４１】
図４は、第１の実施形態に係る抵抗変化素子を例示する模式的断面図である。  
図４は、抵抗変化素子１０３を例示している。抵抗変化素子１０３においても、第１電極１０、第２電極２０、第１層３１、第２層３２及び金属部４０などが設けられる。これらについては、抵抗変化素子１０２について説明した構成と同様の構成を適用することができる。
【００４２】
図４に表したように、抵抗変化素子１０３は、第３層３３をさらに含む。第３層３３は、第１層３１と第２電極２０との間に設けられる。
【００４３】
第３層３３は、例えば、第１元素の酸化物を含む。例えば、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンなどの少なくともいずれかを用いることができる。例えば、第３層３３に含まれる物質の少なくともいずれかは、第１層３１に含まれる物質と異なる。
【００４４】
このように、第２電極２０と金属部４０との間に積層体を設ける。これにより、例えば、高抵抗状態と低抵抗状態とのそれぞれにおいて、第１層３１中、又は第３層３３中に形成されるフィラメント（第１金属を含む領域）のＺ軸方向に沿った長さを制御しやすくなる。
【００４５】
第２電極２０と金属部４０との間に設けられる積層体において、積層される層の数は、２以上でもよい。
【００４６】
（第２の実施形態）  
本実施形態は、不揮発性記憶装置に係る。実施形態に係る不揮発性記憶装置は、第１の実施形態に関して説明した抵抗変化素子のいずれか、及び、その変形を含む。例えば、本実施形態に係る不揮発性記憶装置は、例えば、上記のいずれかの抵抗変化素子と、第１電極１０と第２電極２０との間に電圧を印加する制御部５０と、を含む。本実施形態によれば、安定した動作が可能な不揮発性記憶装置が提供できる。
【００４７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式的斜視図である。  
図５（ａ）に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２５０は、複数の第１配線ＷＲ１と、複数の第２配線ＷＲ２と、複数のメモリセルＭＣと、を含む。複数のメモリセルＭＣは、実施形態に係る抵抗変化素子及びその変形を含む。
【００４８】
複数の第１配線ＷＲ１は、複数の第２配線ＷＲ２と、３次元的に交差する。例えば、第１配線ＷＲ１は、Ｘ軸方向に沿って延びる。第２配線ＷＲ２は、Ｙ軸方向に沿って延びる。この例では、Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向に対して直交する。Ｘ軸方向とＹ軸方向とに対して直交する方向をＺ軸方向とする。この例では、第２配線ＷＲ２は、Ｚ軸方向において、第１配線ＷＲ１と離間する。
【００４９】
複数のメモリセルＭＣ（抵抗変化素子）のそれぞれは、複数の第１配線ＷＲ１と複数の第２配線ＷＲ２との間のそれぞれの位置に配置される。
【００５０】
第１配線ＷＲ１及び第２配線ＷＲ２のそれぞれは、制御部５０と電気的に接続される。第１配線ＷＲ１及び第２配線ＷＲ２を介して、メモリセルＭＣに電圧が印加され、上記の動作が行われる。
【００５１】
第１配線ＷＲ１は、例えば、第１〜第３ビット線ＢＬ１〜ＢＬ３を含む。第２配線ＷＲ２は、第１〜第３ワード線ＷＬ１〜ＷＬ３を含む。これらのビット線及びワード線によりメモリセルＭＣの状態が、書き込まれ、読み取られ、または、消去される。
【００５２】
実施形態において、第１配線ＷＲ１と抵抗変化素子との間、及び、第２配線ＷＲ２と抵抗変化素子との間の少なくともいずれかの位置に、整流素子（例えばダイオード）を設けても良い。
【００５３】
図５（ｂ）に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２５１においては、互いに積層された複数の要素メモリ層ＭＡを有する。複数の要素メモリ層ＭＡは、例えばＺ軸方向に沿って積層される。この例では、４つの要素メモリ層ＭＡ、すなわち、第１〜第４要素メモリ層ＭＡ１〜ＭＡ４が設けられている。要素メモリ層ＭＡの数は、任意である。
【００５４】
要素メモリ層ＭＡのそれぞれは、第１配線ＷＲ１と、第２配線ＷＲ２と、メモリセルＭＣと、を含む。
【００５５】
第１要素メモリ層ＭＡ１は、第１層ビット線ＢＬＬ１（ビット線ＢＬ１１、ＢＬ１２及びＢＬ１３を含む）と、第１層ワード線ＷＬＬ１（ワード線ＷＬ１１、ＷＬ１２及びＷＬ１３を含む）と、第１層メモリセルＭＣ１と、を含む。
【００５６】
第２要素メモリ層ＭＡ２は、第２層ビット線ＢＬＬ２（ビット線ＢＬ２１、ＢＬ２２及びＢＬ２３を含む）と、第１層ワード線ＷＬＬ１（ワード線ＷＬ１１、ＷＬ１２及びＷＬ１３を含む）と、第２層メモリセルＭＣ２と、を含む。
【００５７】
第３要素メモリ層ＭＡ２は、第２層ビット線ＢＬＬ２（ビット線ＢＬ２１、ＢＬ２２及びＢＬ２３を含む）と、第２層ワード線ＷＬＬ２（ワード線ＷＬ２１、ＷＬ２２及びＷＬ２３を含む）と、第３層メモリセルＭＣ３と、を含む。
【００５８】
第４要素メモリ層ＭＡ４は、第３層ビット線ＢＬＬ３（ビット線ＢＬ３１、ＢＬ３２及びＢＬ３３を含む）と、第２層ワード線ＷＬＬ２（ワード線ＷＬ２１、ＷＬ２２及びＷＬ２３を含む）と、第４層メモリセルＭＣ４と、を含む。
【００５９】
この例では、Ｚ軸方向に沿って隣接する要素メモリ層ＭＡにおいて、ビット線ＢＬまたはワード線ＷＬが共有される。実施形態はこれに限らない。例えば、Ｚ軸方向に沿って隣接する要素メモリ層ＭＡどうしの間に層間絶縁膜が設けられ、要素メモリ層ＭＡのそれぞれに、ビット線ＢＬ及びワード線ＷＬが設けられても良い。この場合、要素メモリ層ＭＡのそれぞれにおけるビット線ＢＬの延在方向及びワード線ＷＬの延在方向は任意である。
【００６０】
本実施形態によれば、第２層３２に含まれる第２金属に、第１層３１との反応性が比較的低い金属を用いる。これにより、高抵抗状態と低抵抗状態との切り替えを、高い信頼性で実現できる。実施形態によれば、高信頼性の素子を得ることができる。
【００６１】
実施形態によれば、安定した動作が可能な抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置が提供できる。
【００６２】
なお、本願明細書において、「垂直」は、厳密な垂直ではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直であれば良い。
【００６３】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、第１電極、第２電極、第１層、第２層及び金属部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００６４】
その他、本発明の実施の形態として上述した抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての抵抗変化素子及び不揮発性記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００６５】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００６６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６７】
１０…第１電極、  ２０…第２電極、  ３１…第１層、  ３２…第２層、  ３３…第３層、  ３５…フィラメント、  ３５ｒ…領域、  ４０…金属部、  ４０ａ…部分、  ５０…制御部、  １０１〜１０３、１９０…抵抗変化素子、  ２５０…不揮発性記憶装置、  ２５１…不揮発性記憶装置、  ＢＬ、ＢＬ１１〜ＢＬ１３、ＢＬ２１〜ＢＬ２３、ＢＬ３１〜ＢＬ３３…ビット線、  ＢＬ１〜ＢＬ３…第１〜第３ビット線、  ＢＬＬ１〜ＢＬＬ３…第１〜第３層ビット線、  Ｉ１…電流、  Ｌ１…第１長さ、  Ｌ２…第２長さ、  ＭＡ…要素メモリ層、  ＭＡ１〜ＭＡ４…第１〜第４要素メモリ層、  ＭＣ…メモリセル、  ＭＣ１…第１〜第４層メモリセル、  ＳＴ１…第１状態、  ＳＴ２…第２状態、  Ｖ１…電圧、  ＷＬ…ワード線、  ＷＬ１１〜ＷＬ１３、ＷＬ２１〜ＷＬ２３…ワード線、  ＷＬ１〜ＷＬ３…第１〜第３ワード線、  ＷＬＬ１〜ＷＬＬ２…第１〜第２層ワード線、  ＷＲ１…第１配線、  ＷＲ２…第２配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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