(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、消費電力の抑制、及びメモリの大容量化を可能とする半導体素子及び半導体装置を提供することである。【解決手段】上記課題を解決するために、実施形態の半導体素子は少なくとも一つ以上の凸部を有する第１電極と、前記凸部に対向する凹部を有する第２電極と、酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値が前記第１電極を構成する元素よりも大きい元素により構成され、前記凸部と前記凹部との間に設けられた可変抵抗膜と、を有する。  上記課題を解決するために、実施形態の半導体装置は、垂直方向に延び、凸部を有する第１電極と、前記第１電極と交差するように水平方向に設けられ、前記凸部に対向する凹部を有する第２電極と、酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値が前記第１電極を構成する元素よりも大きい元素により構成され、前記第１電極の外周部に設けられた可変抵抗膜と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つ以上の凸部を有する第１電極と、
前記凸部に対向する凹部を有する第２電極と、
酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値が前記第１電極を構成する元素よりも大きい元素により構成され、前記凸部と前記凹部との間に設けられた可変抵抗膜と、
を有する半導体素子。
【請求項２】
前記第１電極はＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｃｅ、Ｉｒ、Ｐｄ及びＡｇの少なくともいずれか一つの元素を含み、前記可変抵抗膜はＴｉ、Ｓｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ及びＦｅの少なくともいずれか一つの元素を含む酸化物を主成分とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第２電極と前記可変抵抗膜との間に絶縁体が設けられ、前記絶縁体を構成する元素の酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値は、前記可変抵抗膜を構成する元素の酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値よりも大きい請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
異なる曲率を有する前記凸部が複数設けられた請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記可変抵抗膜内において、前記可変抵抗膜より大きい酸素濃度を有する高酸素濃度可変抵抗膜をさらに有する請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記可変抵抗膜の酸素濃度が、前記第２電極から前記第１電極へ向かうにつれて大きくなる請求項１乃至５のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記第１電極と前記可変抵抗膜との間に絶縁膜をさらに有する請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体素子。
【請求項８】
垂直方向に延び、凸部を有する第１電極と、
前記第１電極と交差するように水平方向に設けられ、前記凸部に対向する凹部を有する第２電極と、
酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値が前記第１電極を構成する元素よりも大きい元素により構成され、前記第１電極の外周部に設けられた可変抵抗膜と、
を有する半導体装置。
【請求項９】
前記第１電極はＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｃｅ、Ｉｒ、Ｐｄ及びＡｇからなる群から選択された少なくともいずれか一つの元素を含み、前記可変抵抗膜はＴｉ、Ｓｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ及びＦｅからなる群から選択された少なくともいずれか一つの元素を含む酸化物を主成分とする請求項８に記載された半導体装置。
【請求項１０】
前記第２電極と前記可変抵抗膜との間に絶縁体が設けられ、前記絶縁体を構成する元素の酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値は、前記可変抵抗膜を構成する元素の酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値よりも大きい請求項８または９に記載された半導体装置。
【請求項１１】
異なる曲率を有する前記凸部が複数設けられた請求項８乃至１０のいずれか一に記載された半導体装置。
【請求項１２】
前記可変抵抗膜内において、前記可変抵抗膜より大きい酸素濃度を有する高酸素濃度可変抵抗膜をさらに有する請求項８乃至１１のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記可変抵抗膜の酸素濃度が、前記第２電極から前記第１電極へ向かうにつれて大きくなる請求項８乃至１２のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第１電極と前記第２電極の間のみに前記可変抵抗膜が設けられる請求項８乃至１３のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記第２電極を複数有し、前記第２電極間に電極間絶縁膜がさらに設けられ、前記可変抵抗膜が前記第２電極と前記電極間絶縁膜との間にも設けられた前記請求項８乃至１４のいずれか一に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体素子及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、抵抗変化型メモリセルアレイの一つとして、水平方向に延びる複数の水平電極と垂直方向に延びる複数の垂直電極がクロスポイントに配置され、水平電極と垂直電極の間に可変抵抗膜が挟まれた構造が挙げられる。
【０００３】
上述した構造における問題点の例として、データ読み出し時やデータ書込み時などに、非選択セルを流れるリーク電流が無視できず、高集積化するほど消費電力が増大するといったことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１４６６３２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、消費電力の抑制、及びメモリの大容量化を可能とする半導体素子及び半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、実施形態の半導体素子は少なくとも一つ以上の凸部を有する第１電極と、前記凸部に対向する凹部を有する第２電極と、酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値が前記第１電極を構成する元素よりも大きい元素により構成され、前記凸部と前記凹部との間に設けられた可変抵抗膜と、を有する。
【０００７】
上記課題を解決するために、実施形態の半導体装置は、垂直方向に延び、凸部を有する第１電極と、前記第１電極と交差するように水平方向に設けられ、前記凸部に対向する凹部を有する第２電極と、酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値が前記第１電極を構成する元素よりも大きい元素により構成され、前記第１電極の外周部に設けられた可変抵抗膜と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体素子１ａの構造を示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係る半導体素子１ａの動作を示す拡大断面図。
【図３】第２の実施形態に係る半導体素子１ｂの構造を示す断面図。
【図４】第３の実施形態に係る半導体素子１ｃの構造を示す断面図。
【図５】第４の実施形態に係る半導体素子１ｄの構造を示す断面図。
【図６】第４の実施形態の変形例に係る半導体素子１ｅの構造を示す断面図。
【図７】第５の実施形態に係る半導体装置２ａの構造を示す鳥瞰図。
【図８】（ａ）第５の実施形態に係る半導体装置２ａの構造を示す平面図。（ｂ）図８（ａ）のＡ−Ａ’線における断面を示す断面図。
【図９】（ａ）リセット状態における第５の実施形態に係る半導体装置２ａの構造を示す平面図。（ｂ）リセット状態における図９（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面を示す断面図。
【図１０】（ａ）第６の実施形態に係る半導体装置２ｂの構造を示す平面図。（ｂ）図１０（ａ）のＣ−Ｃ’線における断面を示す断面図。
【図１１】（ａ）リセット状態における第６の実施形態に係る半導体装置２ｂの構造を示す平面図。（ｂ）リセット状態における図１１（ａ）のＤ−Ｄ’線における断面を示す断面図。
【図１２】（ａ）第７の実施形態に係る半導体装置２ｃの構造を示す平面図。（ｂ）図１２（ａ）のＥ−Ｅ’線における断面を示す断面図。
【図１３】（ａ）第８の実施形態に係る半導体装置２ｄの構造を示す平面図。（ｂ）図１３（ａ）のＦ−Ｆ’線における断面を示す断面図。
【図１４】（ａ）第９の実施形態に係る半導体装置２ｅの構造を示す平面図。（ｂ）図１４（ａ）のＧ−Ｇ’線における断面を示す断面図。
【図１５】第１０の実施形態に係る半導体装置２ｆの構造を示す鳥瞰図。
【図１６】（ａ）第１０の実施形態に係る半導体装置２ｆの構造を示す平面図。（ｂ）図１５（ａ）のＨ−Ｈ’線における断面を示す断面図。
【図１７】第１０の実施形態の変形例に係る半導体装置２ｇの断面を示す断面図。
【図１８】第１の実施形態の変形例に係る半導体素子１ｆの構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する符号を付す。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。なお、本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１０】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体素子１ａの構造について図１を参照しながら説明する。図１は第１の実施形態に係る半導体素子１ａの構造を示す断面図を示している。
【００１１】
半導体素子１ａは第１電極１０、可変抵抗膜１１、第２電極１２、及び素子分離絶縁膜１３を有する。
【００１２】
図１に示すように、凸部１２０を有する第１電極１０は素子分離絶縁膜１３に挟まれている。そして、第１電極１０上には可変抵抗膜１１が設けられ、可変抵抗膜１１上には凸部１２０に対向する凹部１２１を有する第２電極１２が設けられている。また、可変抵抗膜１１は金属酸化物により構成される。
【００１３】
ここで、可変抵抗膜１１を構成する金属元素の、酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギー（以後、「標準反応ギブズエネルギー」と称す）の絶対値を｜ΔＧ１｜、第１電極１０を構成する金属元素の標準反応ギブズエネルギーの絶対値を｜ΔＧ２｜とする。本実施形態の半導体素子１ａの場合、｜ΔＧ１｜が｜ΔＧ２｜よりも大きくなるように、可変抵抗膜１１と第１電極１０の材料が選択される。すなわち、第１電極１０と可変抵抗膜１１は｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の関係を有する。半導体素子１ａは以上のような構造を有する。
【００１４】
第１電極１０と可変抵抗膜１１が、｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の関係を有するために、抵抗変化膜１１を構成する金属元素には、例えば、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）及び鉄（Ｆｅ）等が用いられる。一方、第１電極１０を構成する金属元素には、アルミニウム（Ａｌ）、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、レニウム（Ｒｅ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、セリウム（Ｃｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）及び銀（Ａｇ）等のから、｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の標準反応ギブズエネルギーの関係を有するように選択される。また、第１電極１０または可変抵抗膜１１が、上述した元素以外の元素を含む多元系材料を有する場合においても、構成元素の１つを比較した際に、｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の標準反応ギブズエネルギーの関係を有していればよい。
【００１５】
次に、半導体素子１ａの動作について図２を用いて説明する。図２は第１の実施形態に係る半導体素子１ａの動作を示す拡大断面図を示している。
【００１６】
まず、第１電極１０を陽極、第２電極１２を陰極として、第１電極１０と第２電極１２の間に電界を印加すると、可変抵抗膜１１にも電界が加わる。可変抵抗膜１１に印加された電界により、図２（ａ）に示すように可変抵抗膜１１中の酸素がイオン化し、第１電極１０側へ酸素欠損部を介して拡散する。拡散した可変抵抗膜１１中の酸素イオン（Ｏ２−）は、第１電極１０近傍における可変抵抗膜１１の酸素欠損部を充填し、酸素イオンが有する電子は陽極へ流れる。
【００１７】
第１電極１０近傍における可変抵抗膜１１の酸素欠損部への酸素充填が繰り返されることにより、まず、図２（ｂ）に示すように、凸部１２０近傍における可変抵抗膜１１に高抵抗層３０が優先的に形成される。高抵抗層３０は、酸素充填により可変抵抗膜１１がストイキオメトリック組成となって形成される層であるため、高抵抗を有する。そして、電界を可変抵抗膜１１へ電界を印加し続けることにより、図２（ｃ）に示すように、高抵抗層３０は第１電極１０近傍における可変抵抗膜１１全域に形成される。このように、高抵抗層３０が第１電極１０近傍における可変抵抗膜１１全域に形成された、半導体素子１ａの高抵抗状態をリセット状態と呼ぶ。
【００１８】
一方、第１電極１０を陰極、第２電極１２を陽極として、第１電極１０と第２電極１２の間に電界を印加した場合、高抵抗層３０に電界が印加され、高抵抗層３０中の酸素がイオン化する。高抵抗層３０中の酸素イオンは、陽極である第２電極１２へ拡散する。その際、前述したように凸部１２０には優先的に高抵抗層３０が形成され、凸部１２０付近の高抵抗層３０は厚くなっているため、電界集中し難く、凸部１２０以外における高抵抗層３０中の酸素が優先的にイオン化する。その結果、図２（ｄ）に示すように、凸部１２０近傍以外の高抵抗層３０が優先的に消失し、最終的に図２（ａ）に示すような状態となり半導体装置１ａは低抵抗状態となる。このような、半導体素子１ａの低抵抗状態をセット状態と呼ぶ。
【００１９】
その後は、第１電極１０と第２電極１２の極性を変えることにより、凸部１２０における高抵抗層３０の形成または消失が生じ、上述したような半導体素子１ａのリセット状態（半導体装置１ａのＯｆｆ状態）とセット状態（半導体装置１ａのＯｎ状態）を交互に繰り返される。すなわち、半導体素子１ａは図２（ｃ）の状態（リセット状態）と図２（ａ）の状態（セット状態）とを交互に繰り返して使用される。
【００２０】
半導体素子１ａの効果について説明する。凸部１２０を有する第１電極１０上に可変抵抗膜１１を設け、凸部１２０に対向する凹部１２１を有する第２電極１２を可変抵抗膜１１上に設けることにより、第１電極１０と第２電極１２に電界を印加させた際、可変抵抗膜１１内では凸部１２０に電界が集中する。その結果、凸部１２０における可変抵抗膜１１は、凸部１２０に対向していない可変抵抗膜１１よりも高抵抗層３０が形成されやすい。半導体素子１ａは高抵抗層１３が形成しやすいポイント（凸部１２０近傍）を有しているため、凸部１２０を有していない第１電極１０を有する半導体素子１ａの印加電圧よりも小さい印加電圧で動作が可能となる。すなわち、半導体素子１ａの動作電流は、凸部１２０を有していない半導体素子よりも小さくなる。
【００２１】
また、第１電極１０と可変抵抗膜１１が、｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の関係を有することにより、上述したようなリセット状態とセット状態とを切り替える動作が可能となる。
【００２２】
ここで、第１の実施形態に係る半導体素子１ａの変形例について、図１８を用いて説明する。図１８は、第１の実施形態の変形例に係る半導体素子１ｆの構造を示す断面図を示している。
【００２３】
半導体素子１ｆが半導体素子１ａと異なる点は、第１電極１０と可変抵抗膜１１との間に絶縁膜１５が設けられている点である。それ以外の構造及び動作については、半導体素子１ｆと半導体素子１ａは同様であるので省略する。
【００２４】
半導体素子１ｆは、半導体素子１ａと同様に凸部１２０を有しているために印加電圧の低減が可能となる。また、第１電極１０の表面に予め絶縁膜１５が設けられているため、セット状態における動作電流を抑制できるという効果をさらに有する。
【００２５】
［第２の実施形態］
以下に、図３を用いて第２の実施形態に係る半導体素子１ｂについて説明する。なお、第２の実施形態について、第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。図３は、第２の実施形態に係る半導体素子１ｂの構造を示す断面図を示している。
【００２６】
第２の実施形態に係る半導体素子１ｂが、第１の実施形態に係る半導体素子１ａと異なる点は、第２電極１２と可変抵抗膜１１との間に絶縁膜１５が設けられている点である。ここで、絶縁膜１５を構成する元素の、酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値を｜ΔＧ３｜とすると、｜ΔＧ３｜は可変抵抗膜１１の標準反応ギブズエネルギー・｜ΔＧ１｜よりも大きくなるように設けられている。それ以外の構成については、第１の実施形態と第２の実施形態は同様であるので省略する。また、半導体素子１ｂの動作についても半導体素子１ａと同様であるため省略する。
【００２７】
半導体素子１ｂの効果について説明する。なお、半導体素子１ｂは、半導体素子１ａと同様の効果も有するが、以下では半導体素子１ｂがさらに有する効果について説明する。絶縁膜１５は、絶縁膜１５のバンドギャップが抵抗変化膜１１のバンドギャップよりも大きく、かつ絶縁膜１５の比誘電率の低くなる絶縁材料が用いられる。この場合、第１電極１０が陽極となるように電界を印加して高抵抗層３０を形成し、半導体素子１ｂをリセット状態にした後、第１電極１０が陰極となるように電界を印加して高抵抗層３０を消失させ、半導体素子１ｂをセット状態にする際、陽極となる第２電極１２近傍に高抵抗層３０が形成されるのを抑制することが可能となる。すなわち、セット直後の誤リセットを抑制することが可能となる。
【００２８】
また、半導体素子１ｂをワードラインとビットラインに接続し、半導体装置として使用する際、複数の半導体素子１ｂ間の電位差による電流の逆流を抑制することが可能となる。従って、ワードラインとビットラインに接続できる半導体素子１ｂの数を増加させることが可能となり、半導体装置の大容量化が可能となる。
【００２９】
さらにまた、複数の半導体素子１ｂをワードラインとビットラインに接続してなる半導体装置を作製する際、上述した効果を得るためにＳｉダイオード等の整流素子を別に設けて半導体装置に接続させる必要がない。よって、整流素子作製工程を削減できるため、半導体装置の製造コストの低減が可能となる。
【００３０】
［第３の実施形態］
以下に、図４を用いて第３の実施形態に係る半導体素子１ｃについて説明する。なお、第３の実施形態について、第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。図４は、第３の実施形態に係る半導体素子１ｃの構造を示す断面図を示している。
【００３１】
第３の実施形態に係る半導体素子１ｃが、第１の実施形態に係る半導体素子１ａと異なる点は、互いに曲率が異なる第１凸部１２２と第２凸部１２４、及び互いに曲率が異なる第１凹部１２３と第２凹部１２５を有する点である。なお、第１凸部１２２と第２凸部１２４は8第１電極１０に設けられ、第１凹部１２３と第２凹部１２５は第２電極１２に設けられる。それ以外の構成については、第１の実施形態と第３の実施形態は同様であるので省略する。また、半導体素子１ｃの動作についても半導体素子１ａと同様であるため省略する。
【００３２】
半導体素子１ｃの効果について説明する。なお、半導体素子１ｃは、半導体素子１ａと同様の効果も有するが、以下では半導体素子１ｃがさらに有する効果について説明する。半導体素子１ｃは、互いに異なる曲率を有する第１凸部１２２と第２凸部１２４、及び第１凹部１２３と第２凹部１２５を有することにより、３水準以上のメモリ素子抵抗を実現することが出来る。詳細には、第１電極１０及び第２電極１２に電圧を印加した際、可変抵抗膜１１内に形成される高抵抗層３０の形成速度が、異なる曲率を有しているために、第１凸部１２２と第２凸部１２４とで異なる。よって、前述したように半導体素子１ｃは３水準以上のメモリ素子抵抗を実現できるため、多値動作が可能となる。
【００３３】
［第４の実施形態］
以下に、図５を用いて第４の実施形態に係る半導体素子１ｄについて説明する。なお、第４の実施形態について、第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。図５は、第４の実施形態に係る半導体素子１ｄの構造を示す断面図を示している。
【００３４】
第４の実施形態に係る半導体素子１ｄが、第１の実施形態に係る半導体素子１ａと異なる点は、可変抵抗膜１１内において、部分的に高酸素濃度可変抵抗膜３１を有している点である。なお、高酸素濃度可変抵抗膜３１は可変抵抗膜１１内のどこに形成されていても実施は可能であるが、本実施形態では凸部１２０に対向していない可変抵抗膜１１内に高酸素濃度可変抵抗膜３１が形成されている場合について説明する。それ以外の構成については、第１の実施形態と第４の実施形態は同様であるので省略する。また、半導体素子１ｄの動作についても半導体素子１ａと同様であるため省略する。
【００３５】
半導体素子１ｄの効果について説明する。なお、半導体素子１ｄは、半導体素子１ａと同様の効果も有するが、以下では半導体素子１ｄがさらに有する効果について説明する。半導体素子をリセット状態にする際、第１電極１０に接する可変抵抗膜１１の全面に高抵抗層３０を確実に形成するために、長時間または高電圧バイアスを第１電極１０に印加する必要がある。第１電極１０に長時間または高電圧バイアスを印加すると、半導体素子のメモリ動作速度の低下や高集積化を妨げる可能性が生じる。一方で、高抵抗層３０の形成が不十分である場合、半導体素子のリセット状態においてリーク電流が生じ、半導体素子の高集積化に伴い消費電力が増大するという問題が生じる。
【００３６】
半導体素子１ｄにおける可変抵抗膜１１内には、酸化されやすい高酸素濃度可変抵抗膜３１が設けられているため、高酸素濃度可変抵抗膜３１はリセット状態にする際、高抵抗層３０に変化しやすい。前述したように、第１電極１０に正バイアスを印加した際、第１電極１０の凸部１２０近傍には電界が集中し、高抵抗層３０の形成が促進される。さらに、凸部１２０以外の可変抵抗膜１１内には酸化されやすい（すなわち、高抵抗層３０が形成されやすい）高酸素濃度可変抵抗膜３１が設けられているため、半導体素子１ｄはリセット状態にしやすい。従って、半導体素子１ｄは動作電圧を低下させ、消費電力を低下させることが可能となる。また、半導体素子１ｄの第１電極１０表面は高抵抗層３０を形成しやすいため、リセット状態におけるリーク電流の抑制も可能となる。
【００３７】
ここで、図６を用いて第４の実施形態の変形例に係る半導体装置１ｅについて説明する。なお、本変形例について、第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。図６は、第４の実施形態の変形例に係る半導体素子１ｅの構造を示す断面図を示している。
【００３８】
半導体素子１ｅが、半導体素子１ｄと異なる点は、第１電極１０の表面全体に高酸素濃度可変抵抗膜３１が形成されている点である。それ以外の構造については、同様であるので省略する。
【００３９】
半導体素子１ｅにおいても、可変抵抗膜１１内に高酸素濃度可変抵抗膜３１が形成されているため、半導体素子１ｅをリセット状態にする際、確実に高抵抗層３０を形成できるという効果を有する。なお、図６において、凸部１２０に対向する可変抵抗膜１１内の高酸素濃度可変抵抗膜３１は、凸部１２０に対向する場所以外よりも厚く形成されている。その場合、最初は半導体素子１ｅをセット状態にする動作から開始することとなる。
【００４０】
さらにまた、半導体素子１ｄと同様に、半導体素子１ｅは、第１電極１０表面は高抵抗層３０を形成しやすいため、リセット状態におけるリーク電流の抑制も可能となる効果も有する。
【００４１】
なお、本実施形態の説明では、高酸素濃度可変抵抗膜３１を可変抵抗膜１１内に設けた場合を説明したが、可変抵抗膜１１内の酸素濃度に勾配を付けても同様の効果を得ることが可能である。その場合、例えば、第２電極１２から第１電極１０に向かうにつれて、可変抵抗膜１１の酸素濃度が濃くなるようにした方が、第１電極１０近傍の可変抵抗膜１１に高抵抗層３０を形成する点で望ましい。
【００４２】
［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る半導体装置２ａの構造について図７及び図８を参照しながら説明する。図７は第５の実施形態に係る半導体装置２ａの構造を示す鳥瞰図、図８（ａ）は第５の実施形態に係る半導体装置２ａの構造を示す平面図、及び図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’線における断面を示す断面図である。
【００４３】
図７に示すように、半導体装置２ａは水平方向に交互に延びる複数の第２電極１２と電極間絶縁膜１４（図示せず）に対して、複数の第１電極１０が垂直方向に延びる三次元構造を有している。第１電極１０の側面は凸部１２０を有しており、第２電極１２の側面には凸部１２０に対向する凹部１２１が設けられる。
【００４４】
そして、図８の（ａ）または図８の（ｂ）に示すように、第１電極１０の側面には可変抵抗膜１１が設けられている。すなわち、半導体装置２ａは第１電極１０の垂直方向に、第１の実施形態に係る半導体素子１ａが複数形成された構造を有する。なお、第１電極１０と第２電極１２はそれぞれワード線とビット線に接続され、半導体装置２ａは動作する。
【００４５】
ここで、可変抵抗膜１１を構成する金属元素における、標準反応ギブズエネルギーの絶対値を｜ΔＧ１｜、第１電極１０を構成する金属元素の標準反応ギブズエネルギーの絶対値を｜ΔＧ２｜とする。本実施形態の半導体装置２ａの場合、｜ΔＧ１｜が｜ΔＧ２｜よりも大きくなるように、可変抵抗膜１１と第１電極１０の材料が選択される。すなわち、第１電極１０と可変抵抗膜１１は｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の関係を有する。半導体装置２ａは以上のような構造を有する。
【００４６】
第１電極１０と可変抵抗膜１１が、｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の関係を有するために、抵抗変化膜１１を構成する金属元素には、例えば、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）及び鉄（Ｆｅ）等が用いられる。一方、第１電極１０を構成する金属元素には、アルミニウム（Ａｌ）、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、レニウム（Ｒｅ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、セリウム（Ｃｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）及び銀（Ａｇ）等のから、｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の標準反応ギブズエネルギーの関係を有するように選択される。また、第１電極１０または可変抵抗膜１１が、上述した元素以外の元素を含む多元系材料を有する場合においても、構成元素の１つを比較した際に、｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の標準反応ギブズエネルギーの関係を有していればよい。
【００４７】
次に、半導体装置２ａの動作について図８と図９を用いて説明する。図９（ａ）はリセット状態における第５の実施形態に係る半導体装置２ａの構造を示す平面図、及び図９（ｂ）はリセット状態における図９（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面を示す断面図を示す拡大断面図を示している。
【００４８】
まず、第１電極１０を陽極、第２電極１２を陰極として、第１電極１０と第２電極１２の間に電界を印加すると、可変抵抗膜１１にも電界が加わる。可変抵抗膜１１に印加された電界により、可変抵抗膜１１中の酸素がイオン化し、第１電極１０側へ酸素欠損部を介して拡散する。拡散した可変抵抗膜１１中の酸素イオン（Ｏ２−）は、第１電極１０近傍における可変抵抗膜１１の酸素欠損部を充填し、酸素イオンが有する電子は陽極へ流れる。
【００４９】
第１電極１０近傍における可変抵抗膜１１の酸素欠損部への酸素充填が繰り返されることにより、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第１電極１０に接する可変抵抗膜１１に高抵抗層３０が形成される。高抵抗層３０は、酸素充填により可変抵抗膜１１がストイキオメトリック組成となって形成される層であるため、高抵抗を有する。その際、凸部１２０には電界が集中するため、凸部１２０以外の第１電極１２０表面よりも高抵抗層３０が優先的に形成される。電界を可変抵抗膜１１へ電界を印加し続けることにより、最終的に、高抵抗層３０は第１電極１０近傍における可変抵抗膜１１全域に形成される。このように、半導体装置２ａはリセット状態になる。
【００５０】
一方、第１電極１０を陰極、第２電極１２を陽極として、第１電極１０と第２電極１２の間に電界を印加した場合、高抵抗層３０に電界が印加され、高抵抗層３０中の酸素がイオン化する。高抵抗層３０中の酸素イオンは、陽極である第２電極１２へ拡散する。その際、第１電極１０の外周面積（可変抵抗膜１１と第１電極１０との接触面積）は、第２電極１２の内周面積（可変抵抗膜１１と第２電極１２との接触面積）よりも小さいため、第１電極１０に電界集中が生じやすく、第１電極１０表面で高抵抗層３０中の酸素が優先的にイオン化する。その結果、凸部１２０近傍の高抵抗層３０が優先的に消失し、最終的に図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、高抵抗層３０は完全に消失し、半導体装置１ａは低抵抗状態となる。このような、半導体装置２ａはセット状態になる。
【００５１】
その後は、第１電極１０と第２電極１２の極性を変えることにより、高抵抗層３０の形成または消失が生じ、上述したような半導体装置２ａのリセット状態とセット状態を交互に繰り返される。なお、図９において、リセット状態では全ての第２電極１２に対向する第１電極１０の表面に高抵抗層３０が形成しているように図示した。しかし、第２電極１２はそれぞれ独立して電圧が印加できる構造としているため、全ての第２電極１２に対向する第１電極１０表面に高抵抗層３０を形成しなくとも本発明は実施可能である。
【００５２】
半導体装置２ａの効果について説明する。凸部１２０を有する第１電極１０の側面に可変抵抗膜１１を設け、凸部１２０に対向する凹部１２１を有する第２電極１２を可変抵抗膜１１と接するように設けることにより、第１電極１０と第２電極１２に電界を印加させた際、可変抵抗膜１１内では凸部１２０に電界が集中する。その結果、凸部１２０における可変抵抗膜１１は、凸部１２０に対向していない可変抵抗膜１１よりも高抵抗層３０が形成されやすい。半導体装置２ａは高抵抗層１３が形成しやすいポイント（凸部１２０近傍）を有しているため、凸部１２０を有していない第１電極１０を有する半導体装置２ａの印加電圧よりも小さい印加電圧で動作が可能となる。すなわち、半導体装置２ａの動作電流は、凸部１２０を有していない半導体装置よりも小さくなる。
【００５３】
また、第１電極１０と可変抵抗膜１１が、｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の関係を有することにより、上述したようなリセット状態とセット状態とを切り替える動作が可能となる。
【００５４】
［第６の実施形態］
第６の実施形態に係る半導体装置２ｂの構造について図１０を参照しながら説明する。図１０（ａ）は第６の実施形態に係る半導体装置２ｂの構造を示す平面図、及び図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＣ−Ｃ’線における断面を示す断面図である。
【００５５】
第６の実施形態に係る半導体装置２ｂが、第５の実施形態に係る半導体装置２ａと異なる点は、図１０（ａ）に示すように、垂直方向に延びる第１電極１０及び可変抵抗膜１１の断面が同心円状に形成されている点である。それ以外の構成については、第５の実施形態と第６の実施形態は同様であるので省略する。
【００５６】
次に、半導体装置２ｂの動作について図１１を用いて説明する。図１１（ａ）はリセット状態における第６の実施形態に係る半導体装置２ｂの構造を示す平面図、及び図１１（ｂ）はリセット状態における図１１（ａ）のＤ−Ｄ’線における断面を示す断面図である。
【００５７】
半導体装置２ｂの動作についても、半導体装置２ａの動作と同様に、第１電極１０を陽極、第２電極１２を陰極として、第１電極１０と第２電極１２の間に電界を印加すると、可変抵抗膜１１にも電界が加わる。その結果、図１１に示すように、第１電極１０近傍における可変抵抗膜１１内には高抵抗層３０が形成され、半導体装置２ｂはリセット状態となる。
【００５８】
一方、第１電極１０を陰極、第２電極１２を陽極として、第１電極１０と第２電極１２の間に電界を印加した場合、高抵抗層３０に電界が印加され、高抵抗層３０が消失する。すなわち、半導体装置２ｂは図１０に示した状態となり、セット状態となる。
【００５９】
その後は、第１電極１０と第２電極１２の極性を変えることにより、半導体装置２ｂはリセット状態とセット状態とを交互に繰り返して使用される。
【００６０】
半導体装置２ｂの効果について説明する。半導体装置２ｂについても、半導体装置１ａと同様に、第１電極１０の外周面積（可変抵抗膜１１と第１電極１０との接触面積）は、第２電極１２の内周面積（可変抵抗膜１１と第２電極１２との接触面積）よりも小さいため、第１電極１０に電界集中が生じやすく、第１電極１０表面で高抵抗層３０中の酸素が優先的にイオン化する。高抵抗層３０の形成または消去が容易であるため、半導体装置２ｂにおいても消費電力を抑制することが可能となる。
【００６１】
また、垂直方向に延びる第１電極１０の断面形状を同心円状にすると、第１電極１０の断面形状が矩形の場合よりも、抵抗変化膜１１に接する第１電極１０の面積を減らすことができる。すなわち、高抵抗層３０を形成する面積を実質的に減少させることができるため、半導体装置１ｂの消費電力の低減、及び確実にリセット状態とすることが可能となる。
【００６２】
さらにまた、半導体装置２ａの場合と同様に、第１電極１０と可変抵抗膜１１が、｜ΔＧ２｜＜｜ΔＧ１｜の関係を有することにより、上述したようなリセット状態とセット状態とを切り替える動作が可能となる。
【００６３】
［第７の実施形態］
第７の実施形態に係る半導体装置２ｃの構造について図１２を参照しながら説明する。図１２（ａ）は第７の実施形態に係る半導体装置２ｃの構造を示す平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＥ−Ｅ’線における断面を示す断面図である。
【００６４】
第７の実施形態に係る半導体装置２ｃが、第６の実施形態に係る半導体装置２ｂと異なる点は、図１２に示すように、第２電極１２と可変抵抗膜１１との間に絶縁膜１５が設けられている点である。ここで、絶縁膜１５を構成する元素の、酸化物を生成する標準反応ギブズエネルギーの絶対値を｜ΔＧ３｜とすると、｜ΔＧ３｜は可変抵抗膜１１の標準反応ギブズエネルギー・｜ΔＧ１｜よりも大きくなるように設けられている。なお、本実施形態では第１電極１０に対向する第２電極１２と可変抵抗膜１１との間に絶縁膜１５が設けられているように示したが、絶縁膜１５は第１電極１０と、第２電極１２及び電極間絶縁膜１４との間の全面に形成されていても実施は可能である。
【００６５】
上記以外の構成については、第６の実施形態と第７の実施形態は同様であるので省略する。また、半導体装置２ｃの動作についても半導体素子２ｂと同様であるため省略する。
【００６６】
半導体装置２ｃの効果について説明する。なお、半導体装置２ｃは、半導体装置２ｂと同様の効果も有するが、以下では半導体装置２ｃがさらに有する効果について説明する。絶縁膜１５は、絶縁膜１５のバンドギャップが抵抗変化膜１１のバンドギャップよりも大きく、かつ絶縁膜１５の比誘電率の低くなる絶縁材料が用いられる。この場合、第１電極１０が陽極となるように電界を印加して高抵抗層３０を形成し、半導体装置２ｃをリセット状態にした後、第１電極１０が陰極となるように電界を印加して高抵抗層３０を消失させ、半導体装置２ｃをセット状態にする際、陽極となる第２電極１２近傍に高抵抗層３０が形成されるのを抑制することが可能となる。すなわち、セット直後の誤リセットを抑制することが可能となる。
【００６７】
また、図１２に示すような、複数の半導体素子３間の電位差による電流の逆流を抑制することが可能となる。従って、半導体装置２ｃ内における半導体素子３の数を増加させることが可能となり、半導体装置２ｃの大容量化が可能となる。
【００６８】
さらにまた、半導体装置２ｃを作製する際、上述した効果を得るためにＳｉダイオード等の整流素子を別に設けて半導体装置２ｃに接続させる必要がない。よって、整流素子作製工程を削減できるため、半導体装置２ｃの製造コストの低減が可能となる。
【００６９】
［第８の実施形態］
第８の実施形態に係る半導体装置２ｄの構造について図１３を参照しながら説明する。図１３（ａ）は第８の実施形態に係る半導体装置２ｄの構造を示す平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＦ−Ｆ’線における断面を示す断面図である。
【００７０】
以下に、図１３を用いて第８の実施形態に係る半導体装置２ｄについて説明する。なお、第８の実施形態について、第６の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。図１３（ａ）は第８の実施形態に係る半導体装置２ｄの構造を示す平面図、及び図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＦ−Ｆ’線における断面を示す断面図である。
【００７１】
第８の実施形態に係る半導体装置２ｄが、第６の実施形態に係る半導体装置２ａと異なる点は、第１電極１０が互いに曲率が異なる第１凸部１２２と第２凸部１２４を有する点である。それ以外の構成については、第６の実施形態と第８の実施形態は同様であるので省略する。また、半導体装置２ｄの動作についても半導体装置２ａと同様であるため省略する。
【００７２】
半導体装置２ｄの効果について説明する。なお、半導体装置２ｄは、半導体装置２ａと同様の効果も有するが、以下では半導体装置２ｄがさらに有する効果について説明する。半導体装置２ｄは、互いに異なる曲率を有する第１凸部１２２と第２凸部１２４を有することにより、３水準以上のメモリ素子抵抗を実現することが出来る。詳細には、第１電極１０及び第２電極１２に電圧を印加した際、可変抵抗膜１１内に形成される高抵抗層３０の形成速度が、異なる曲率を有しているために、第１凸部１２２と第２凸部１２４とで異なる。よって、前述したように半導体装置２ｄは３水準以上のメモリ素子抵抗を実現できるため、多値動作が可能となる。
【００７３】
［第９の実施形態］
以下に、図１４を用いて第９の実施形態に係る半導体装置２ｅについて説明する。なお、第９の実施形態について、第６の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。図１４（ａ）は第９の実施形態に係る半導体装置２ｅの構造を示す平面図、及び図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＧ−Ｇ’線における断面を示す断面図である。
【００７４】
第９の実施形態に係る半導体装置２ｅが、第６の実施形態に係る半導体装置２ａと異なる点は、第２電極１２に対向する可変抵抗膜１１内において、部分的に高酸素濃度可変抵抗膜３１を有している点である。それ以外の構成については、第６の実施形態と第９の実施形態は同様であるので省略する。また、半導体装置２ｅの動作についても半導体装置２ａと同様であるため省略する。
【００７５】
半導体装置２ｅの効果について説明する。なお、半導体装置２ｅは、半導体装置２ａと同様の効果も有するが、以下では半導体装置２ｅがさらに有する効果について説明する。例えば、半導体装置をリセット状態にする際、第２電極１２に対向し、かつ第１電極１０に接する可変抵抗膜１１の全面に高抵抗層３０を確実に形成するために、長時間または高電圧バイアスを第１電極１０に印加する必要がある。第１電極１０に長時間または高電圧バイアスを印加すると、半導体装置のメモリ動作速度の低下を招く可能性が生じる。一方で、高抵抗層３０の形成が不十分である場合、半導体装置のリセット状態においてリーク電流が生じ、半導体装置の消費電力が増大するという問題が生じる。
【００７６】
半導体装置２ｅにおける可変抵抗膜１１内には、酸化されやすい高酸素濃度可変抵抗膜３１が設けられているため、高酸素濃度可変抵抗膜３１はリセット状態にする際、高抵抗層３０に変化しやすい。すなわち、半導体装置２ｅはリセット状態にしやすい。従って、半導体装置２ｅは動作電圧すなわち動作電力を抑制することが可能となる。また、高抵抗層３０を形成しやすくなるため、リセット状態におけるリーク電流の抑制も可能となる。
【００７７】
なお、本実施形態の説明では、高酸素濃度可変抵抗膜３１を可変抵抗膜１１内に設けた場合を説明したが、可変抵抗膜１１内の酸素濃度に勾配を付けても同様の効果を得ることが可能である。その場合、例えば、第２電極１２から第１電極１０に向かうにつれて、可変抵抗膜１１の酸素濃度が濃くなるようにした方が、第１電極１０近傍の可変抵抗膜１１に高抵抗層３０を形成する点で望ましい。
【００７８】
［第１０の実施形態］
以下に、図１５及び図１６を用いて第１０の実施形態に係る半導体装置２ｆについて説明する。なお、第１０の実施形態について、第６の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。図１５は第１０の実施形態に係る半導体装置２ｆの構造を示す鳥瞰図、図１６（ａ）は第１０の実施形態に係る半導体装置２ｆの構造を示す平面図、及び図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＨ−Ｈ’線における断面を示す断面図である。
【００７９】
図１５に示すように、半導体装置２ｆは水平方向に交互に延びる複数の第２電極１２と電極間絶縁膜１４（図示せず）に対して、複数の第１電極１０が垂直方向に延びる三次元構造を有している。
【００８０】
そして、図１６（ａ）または図１６（ｂ）に示すように、水平方向における第１電極１０の断面形状は同心円状となっている。第１電極１０の側面には、部分的に可変抵抗膜１１が設けられており、垂直方向において可変抵抗膜１１は電極間絶縁膜１４に挟まれて設けられている。すなわち、半導体装置２ｆにおける可変抵抗膜１１は、第１電極１０と第２電極１２の間のみに設けられている。なお、第１電極１０と第２電極１２はそれぞれワード線とビット線に接続され、半導体装置２ｆは動作する。それ以外の構造については、半導体装置２ｆと半導体装置２ａは同様であるので、説明を省略する。なお、半導体装置２ｆの動作についても、半導体装置２ａと同様であるので省略する。
【００８１】
半導体装置２ｆの効果について説明する。なお、半導体装置２ｆは、半導体装置２ａと同様の効果も有するが、以下では半導体装置２ｆがさらに有する効果について説明する。上述したように、半導体装置２ｆにおける可変抵抗膜１１は、第１電極１０と第２電極１２の間のみに設けられている。そのため、リセット状態にし、第１電極１０と可変抵抗膜１１との間に高抵抗層３０を形成すると、第１電極１０と第２電極１２との間全体に高抵抗層３０が形成されることとなる。よって、リセット状態における半導体装置２ｆのリーク電流を抑制することができ、リセット不良に起因する誤動作を防ぐことが可能となる。
【００８２】
ここで、図１７を用いて第１０の実施形態の変形例に係る半導体装置１ｇについて説明する。なお、本変形例について、第１０の実施形態に係る半導体装置２ｆと同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。図１７は、第１０の実施形態の変形例に係る半導体装置２ｇの断面を示す断面図である。
【００８３】
半導体装置２ｇが、半導体装置２ｆと異なる点は、図１７に示すように、第１電極１０と第２電極１２との間だけでなく、電極間絶縁膜１４と第２電極１２との間まで可変抵抗膜１１が設けられている点である。それ以外の構造については、同様であるので省略する。
【００８４】
半導体装置２ｇにおいても、リセット状態における半導体装置２ｆのリーク電流を抑制することが可能であり、リセット不良に起因する誤動作を防ぐことが可能となる。
【００８５】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この実施形態は、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。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００８６】
１ａ，１ｂ…半導体素子、２ａ、２ｂ…半導体装置、１０…第１電極、１１…可変抵抗膜、１２…第２電極、１３…素子分離絶縁膜、１４…電極間絶縁膜、１５…絶縁膜、３０…高抵抗層、３１…高酸素濃度可変抵抗膜、４０…素子分離用シリコン窒化膜、１２０…凸部、１２１…凹部、１２２…第１凸部、１２３…第１凹部、１２４…第２凸部、１２５…第２凹部、１３０…凹凸形状界面、１３１…凹部底部、１３２…凸部頂上部
【図１】
2015005622.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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