(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチング素子を形成させずに動作可能な、可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子を提供する。【解決手段】不揮発性メモリ素子は、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮまたはＴｉＮのうちいずれか一つである下部電極２１と、下部電極２１上に形成され、下部電極の間にショットキー障壁が形成され、しきいスイッチング特性を有するｐ型酸化物であるＮｉ酸化物またはＣｕ酸化物で形成されたバッファ層２２と、バッファ層２２上にｐ型酸化物であるＮｉ酸化物で形成された可変抵抗物質層２３と、可変抵抗物質層２３上に形成されたオームコンタクトをなす上部電極２４とを備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子において、
下部電極と、
前記下部電極上に形成され、前記下部電極との界面にショットキー障壁を形成するバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、可変抵抗特性を有する可変抵抗物質層と、
前記可変抵抗物質層上に形成された上部電極と、を備えることを特徴とする可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子。
【請求項２】
前記バッファ層及び前記可変抵抗物質層は、ｐ型酸化物で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子。
【請求項３】
前記可変抵抗物質層は、Ｎｉ酸化物で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子。
【請求項４】
前記バッファ層は、しきいスイッチング特性を有するＮｉ酸化物またはＣｕ酸化物で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子。
【請求項５】
前記下部電極と前記バッファ層との間に形成されたショットキー障壁の高さは、０．３〜１ｅＶであることを特徴とする請求項１に記載の可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子。
【請求項６】
前記バッファ層は、Ｃｕ酸化物であり、前記下部電極は、ＴｉＮx、ＣｏまたはＷのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項５に記載の可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子。
【請求項７】
前記バッファ層は、Ｎｉ酸化物であり、前記下部電極は、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮまたはＴｉＮのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項５に記載の可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子。
【請求項８】
前記可変抵抗物質層と前記上部電極との間にオームコンタクトが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子。
【請求項９】
前記上部電極の仕事関数は、前記可変抵抗物質層の仕事関数より大きいことを特徴とする請求項８に記載の可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不揮発性メモリ素子に係り、さらに詳細には、単純な構造でバッファ層及び可変抵抗物質層を利用してストレージノード及びダイオード構造を具現して、安定したスイッチング特性を有しつつ、別途にダイオードまたはトランジスタのようなスイッチング素子を形成させずに動作可能な可変抵抗不揮発性メモリ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な半導体メモリ装置は、回路でもって連結された多くの単位メモリセルを含む代表的な半導体メモリ装置である。ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）の場合、単位メモリセルは、一つのスイッチと一つのキャパシタとで構成されることが一般的である。ＤＲＡＭは、集積度が高く、動作速度が速いという利点がある。しかし、電源がオフとなった後には保存されたデータが全て消失してしまうという短所がある。
【０００３】
不揮発性メモリ素子は、電源がオフとなった後にも保存されたデータが保存されるものであり、代表的な例として、フラッシュメモリが挙げられる。フラッシュメモリは、揮発性メモリとは違って、不揮発性の特性を有するが、集積度が低く、ＤＲＡＭに比べて動作速度が遅いという短所がある。
【０００４】
現在、多くの研究が進められている不揮発性メモリ素子は、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＲＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などがあり、基本的にデータが保存されるストレージノード及びこれを駆動させるためのトランジスタまたはダイオードと結合された状態で使われる。
【０００５】
不揮発性メモリ素子のうちＲＲＡＭは、主に遷移金属酸化物の電圧による抵抗値が変わる特性（可変抵抗特性）を利用したものである。
【０００６】
図１は、一般的な構造の可変抵抗物質を含むストレージノード及びダイオード構造体を含んで形成されたＲＲＡＭ素子の構造を示す図である。一般的に、可変抵抗物質としてＳＴＭＯなどの物質や遷移金属酸化物（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ：ＴＭＯ）など、同じ印加電圧に対して異なる抵抗状態を示す物質が使われる。遷移金属酸化物の例として、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２またはＮｉＯなどがある。
【０００７】
図１を参照すれば、下部電極１１上にｎ−酸化物層１２及びｐ−酸化物層で形成されたダイオード構造体が形成されており、ダイオード構造体上に中間電極１４、バッファ層１５、可変抵抗物質層１６、及び上部電極が形成されている。ここで、バッファ層１５は、選択的なものである。
【０００８】
図１に示すような従来技術によるメモリ素子をクロスポイント型アレイ構造に形成するためには、多くの蒸着工程及びエッチング工程が要求されて複雑な工程となり、全体的なサイズが増大して集積度が低くなるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明では、簡単な構成を有することで高集積化に有利であり、さらに安定した電気的特性を表すために、改善された電極構造を有する不揮発性メモリ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、前記目的を達成するために、可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子において、下部電極と、前記下部電極上に形成され、前記下部電極との界面にショットキー障壁を形成するバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、可変抵抗特性を有する可変抵抗物質層と、前記可変抵抗物質層上に形成された上部電極とを備える可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子を提供する。
【００１１】
本発明において、前記バッファ層及び前記可変抵抗物質層は、ｐ型酸化物で形成されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記可変抵抗物質層は、Ｎｉ酸化物で形成されたことを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記バッファ層は、しきいスイッチング特性を有するＮｉ酸化物またはＣｕ酸化物で形成されたことを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記下部電極と前記バッファ層との間に形成されたショットキー障壁の高さは、０．３〜１ｅＶであることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記バッファ層は、Ｃｕ酸化物であり、前記下部電極は、ＴｉＮx、ＣｏまたはＷのうちいずれか一つであることを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記バッファ層は、Ｎｉ酸化物であり、前記下部電極は、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮまたはＴｉＮのうちいずれか一つであることを特徴とする。
【００１７】
本発明において、前記可変抵抗物質層と前記上部電極との間にオームコンタクトが形成されたことを特徴とする。
【００１８】
本発明において、前記上部電極の仕事関数は、前記可変抵抗物質層の仕事関数より大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、下部電極上に形成されて下部電極との界面にショットキー障壁を形成させることによって、整流作用をするダイオード構造体を形成して、非常に簡単な構造の可変抵抗メモリ素子を提供することが可能である。これにより、クロスポイント型のアレイ構造に容易に形成できて高集積化に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態による可変抵抗物質を利用した不揮発性メモリ素子についてさらに詳細に説明する。ここで、図面に図示された層や領域の厚さは、説明の便宜のために誇張して図示されている。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態による可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子の構造を示す図である。
【００２２】
図２を参照すれば、本発明の実施形態による可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子は、下部電極２１、前記下部電極上に順次に形成されたバッファ層２２、可変抵抗物質層２３、及び上部電極２４を備える構造を有している。
【００２３】
ここで、本発明は、下部電極２１とバッファ層２２との界面にショットキー障壁（ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｂａｒｒｉｅｒ）構造を有するように、下部電極２１及びバッファ層２２の構成物質を制御することを特徴とする。そして、可変抵抗物質層２３と上部電極２４とがオームコンタクトをなすように、可変抵抗物質層２３及び上部電極２４の物質を制御することが望ましい。図３は、本発明の実施形態による可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子の電流が流れる形態を示す図である。
【００２４】
以下、図４及び図５を参照して、本発明の実施形態による可変抵抗物質を利用した不揮発性メモリ素子を構成する各層の物質について詳細に説明する。図４及び図５において、φＭは仕事関数、ＥCは伝導体下端、Ｅiは禁制帯中央、ＥFはフェルミエネルギー、ＥVは価電子帯上端を表す。また、図４では左側領域が上部電極２４を、右側領域が可変抵抗物質層２３をそれぞれ表し、図５では左側領域が下部電極２１を、右側領域がバッファ層２２をそれぞれ表している。
【００２５】
図４は、可変抵抗物質層２３と上部電極２４との間のオームコンタクト構造を示すエネルギーバンド図である。図４に示すように、本発明の実施形態による可変抵抗メモリ素子の可変抵抗物質層２３と上部電極２４とがオームコンタクト構造を示すことが望ましい。これを満足するために、上部電極２４の仕事関数が可変抵抗物質層２３の仕事関数より大きいことが望ましい。本発明において、可変抵抗物質層２３は、Ｎｉ酸化物のようなｐ型可変抵抗物質を使用する。例えば、可変抵抗物質層２３がｐ型酸化物であるＮｉＯｘの場合、ＮｉＯより仕事関数の大きいＰｔ（仕事関数：５．３４ｅＶ）のような貴金属で上部電極２４を形成させることが望ましい。
【００２６】
図５は、下部電極２１とバッファ層２２との間のショットキー障壁構造を示すエネルギーバンド図である。図５を参照すれば、本発明の実施形態による可変抵抗メモリ素子の下部電極２１とバッファ層２２との界面にオームコンタクト構造を示すことが望ましい。下部電極２１とバッファ層２２との界面にオームコンタクト構造を示すために、ショットキー障壁高（ＦＢ）は、０．３〜１ｅＶであり、さらに望ましくは、０．５〜１．０ｅＶである。そして、可変抵抗物質層２３がｐ型酸化物であるので、バッファ層２２もｐ型酸化物であることが望ましい。もし、バッファ層２２がｎ型酸化物である場合、バッファ層２２と可変抵抗物質層２３との間にｐ−ｎジャンクションが形成されうるためである。
【００２７】
［数１］
ＦＢ＝Ｅｇ（バッファ層）＋qχ（バッファ層）−ΦＭ（下部電極）
【００２８】
実際状況で表面欠陥によるＥＦピニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）によって、ショットキー障壁が約１／３に減少することを考慮する。下部電極２１とバッファ層２２との間にショットキー障壁が形成されることにより、バッファ層２２から下部電極２１への電流は、１０７Ａ／ｃｍ２以上流れることができる一方、下部電極２１からバッファ層２２方向には、１０−２Ａ／ｃｍ２より小さな電流が流れる。
【００２９】
そして、可変抵抗物質層２３がｐ型酸化物であるので、バッファ層２２もｐ型酸化物であることが望ましい。もし、バッファ層２２がn型酸化物である場合、バッファ層２２と可変抵抗物質層２３との間にｐ−nジャンクションが形成されうるためである。
【００３０】
バッファ層２２がｐ型酸化物であることが望ましく、バッファ層２２と下部電極２１との間のショットキー障壁高さが０．３〜１ｅＶである材料は、次の通りである。
【００３１】
バッファ層２２としてｐ型酸化物であるＣｕ酸化物を使用する場合、下部電極２１は、ＴｉＮx、ＣｏまたはＷを使用できる。このとき、ショットキー障壁高は、ＴｉＮxを使用した場合に０．６７〜０．９７ｅＶであり、Ｃｏを使用した場合に０．５〜１．１６ｅＶであり、Ｗを使用した場合に０．３７〜１．４７ｅＶであった。ショットキー障壁高が多少範囲を外れる場合があるが、平均値は本発明の条件を満たしている。
【００３２】
バッファ層２２としてｐ型酸化物であるＮｉ酸化物を使用する場合、下部電極２１は、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮまたはＴｉＮを使用できる。このとき、ショットキー障壁高は、Ｔｉを使用した場合に０．５５〜１．４５ｅＶであり、Ｔａを使用した場合に０．６５〜１．２８ｅＶであり、ＴａＮを使用した場合に０．７ｅＶ以上であり、ＴｉＮを使用した場合に０．８ｅＶより小さかった。ここで、Ｎｉ酸化物は、可変抵抗物質層２３に使われるＮｉ酸化物と異なる。可変抵抗物質層２３に使われるＮｉＯｘの場合、製造工程時に、酸素分圧を約５％〜１０％範囲で制御して可変抵抗特性を付与したものである。一方、バッファ層２２に使われるＮｉ酸化物は、工程時に約１０％以上の酸素分圧下で形成して、しきいスイッチング特性を示すように形成したものである。
【００３３】
図６は、本発明の実施形態による可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子において、下部電極２１をＴｉＮで形成し、バッファ層２２をＣｕＯで形成させた場合の印加電圧（Ｖ）に対する電流（Ａ）の大きさを示すグラフである。
【００３４】
図６を参照すれば、ショットキー障壁が０．５ｅＶ及び１ｅＶである場合の電圧−電流関係を示すグラフ間に、０．９７ｅＶショットキー障壁値を有する試片のグラフが位置しており、負電圧を印加した場合にほとんど電流が流れていないが、正電圧を印加した場合に印加電圧によって電流値が変化することを確認することができる。すなわち、ダイオードのような整流作用をすることが分かる。
【００３５】
このように、下部電極２１とバッファ層２２との間に形成されたショットキー障壁によって、ストレージノードである可変抵抗物質層２３の下部に、まるでダイオードが形成されたかのような構造を具現できる。このような構造は、従来の半導体関連工程を利用して形成でき、図１に示す従来技術による可変抵抗メモリ素子に比べて、工程が簡単で単位素子のサイズが減少したことを確認することができる。
【００３６】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。本発明は、単位素子及びクロスポイント構造のアレイ形態で使われうることは明確である。したがって、本発明の具体的な権利範囲は、説明された実施形態によって限定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、不揮発性メモリ素子関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術によるダイオード構造体を含む不揮発性メモリ素子を示す図である。
【図２】本発明の実施形態による可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子を示す図である。
【図３】本発明の実施形態による可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子の電流が流れる形態を示す図である。
【図４】本発明の実施形態による可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子の可変抵抗物質層及び上部電極の界面のオームコンタクト構造のエネルギー準位を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子の下部電極及びバッファ層界面のショットキー障壁のエネルギー準位を示すグラフである。
【図６】本発明による不揮発性メモリ素子の下部電極をＴｉＮで形成させ、バッファ層をＣｕＯで形成し場合、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）グラフを示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１、２１  下部電極
１２  ｎ−酸化物層
１３  ｐ−酸化物層
１４  中間電極
１５、２２  バッファ層
１６、２３  可変抵抗物質層
１７、２４  上部電極
【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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【図６】
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