(57)【要約】【課題】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】下部電極２０と、下部電極上に形成された第１酸化層２２と、第１酸化層上に形成されて可変抵抗特性を有する第２酸化層２４と、第２酸化層上に形成されたバッファ層２６と、バッファ層上に形成された上部電極２８と、を備える可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子である。【選択図】図２
2007300100.tif 000002
【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た第１酸化層と、
前記第１酸化層上に形成されて可変抵抗特性を有する第２酸化層と、
前記第２酸化層上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ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】
前記第２酸化層は、ｐ型遷移金属酸化物から形成されてい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３】
前記ｐ型遷移金属酸化物は、Ｎｉ酸化物であることを特徴とする請求項２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、ｐ型酸化物から形成されてい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５】
前記ｐ型酸化物は、ＮｉＯ（１＋ｘ）（０＜ｘ＜１）、Ｌｉ、ＮａまたはＬａなどのドーピングされたＮｉＯまたはＣｕ欠乏Ｃｕ酸化物のうち、少なくとも何れか一つの物質を含むことを特徴とする請求項４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】
前記上部電極は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｃｕまたはこれらの合金を含んで形成されてい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７】
前記第１酸化層は、ｎ型酸化物から形成されてい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８】
前記ｎ型酸化物は、Ｒｕ酸化物またはＺｎ酸化物であることを特徴とする請求項７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、二つの酸化層を導入して、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であり、上部電極の下部にｐ型酸化層を導入して、電極構造を改善した可変抵抗物質を使用した不揮発性メモリ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体メモリ素子は、単位面積当りメモリセルの数、すなわち、集積度が高く、かつ高速動作特性を有し、低電力で駆動可能なものが望ましいので、これに関する多くの研究が行われてきた。
【０００３】
一般的な半導体メモリ装置は、回路的に連結された多くのメモリセルを備える。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、一つのスイッチ及び一つのキャパシタから構成されることが一般的である。ＤＲＡＭは、集積度が高く、かつ動作速度が速いという利点がある。しかし、電源が切られた後には、保存されたデータが全て消失されるという短所がある。
【０００４】
不揮発性メモリ素子は、電源が切られた後にも、保存されたデータが維持されうるものであって、代表的にはフラッシュメモリが挙げられる。フラッシュメモリは、揮発性メモリとは異なり、不揮発性の特性を有しているが、ＤＲＡＭに比べて集積度が低く、かつ動作速度が遅いという短所がある。
【０００５】
現在、多くの研究が行われている不揮発性メモリ素子として、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ    Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。
【０００６】
前述の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。
【０００７】
図１Ａは、一般的な構造の可変抵抗物質を利用したＲＲＡＭ素子の構造を示す図である。可変抵抗物質として遷移金属酸化物（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ：ＴＭＯ）を利用したＲＲＡＭ素子の場合、メモリ素子として使用可能なスイッチング特性を有している。
【０００８】
図１Ａに示すように、基板１０上に順次に形成された下部電極１２、酸化層１４及び上部電極１６を備える構造を有している。ここで、下部電極１２及び上部電極１６は、一般的な伝導性物質であって、主に金属から形成され、酸化層１４は、可変抵抗特性を有する遷移金属酸化物から形成される。遷移金属酸化物の具体的な例として、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２またはＮｉＯなどが挙げられる。
【０００９】
現在、フラッシュメモリ素子の場合、構造上、高集積化に困難性があるが、クロスポイント型メモリ素子に関する研究が行われており、抵抗変換物質を使用した新たな構造のクロスポイント型メモリ素子が要求されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、簡単な構成を有し、高集積化に有利であり、さらに安定した電気的特性を持たせるために、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】
【００１１】
本発明では、前記目的を解決するために、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た第１酸化層と、前記第１酸化層上に形成されて可変抵抗特性を有する第２酸化層と、前記第２酸化層上に形成されたバッファ層と、前記バッファ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。
【００１２】
本発明において、前記第２酸化層は、ｐ型遷移金属酸化物から形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記ｐ型遷移金属酸化物は、Ｎｉ酸化物であることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記バッファ層は、ｐ型酸化物から形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記ｐ型酸化物は、ＮｉＯ（１＋ｘ）（０＜ｘ＜１）、Ｌｉ、ＮａまたはＬａなどのドーピングされたＮｉＯまたはＣｕ欠乏Ｃｕ酸化物のうち、少なくとも何れか一つの物質を含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記上部電極は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｃｕまたはこれらの合金を含んで形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明において、前記第１酸化層は、ｎ型酸化物から形成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明において、前記ｎ型酸化物は、具体的には、Ｒｕ酸化物またはＺｎ酸化物であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、非常に簡単な構造及び安定したスイッチング特性を有し、クロスポイント型メモリ素子として使用可能であり、高集積化に有利である。また、上部電極とメモリノードとの間にバッファ層を形成して、経済的かつ安定した動作特性を有する不揮発性メモリ素子を提供できる。
【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、図面に図示された各層や領域の厚さ及び幅は、説明のために誇張されて示されている。
【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面である。
【００２２】
図２に示すように、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２０、下部電極上に順次に形成された第１酸化層２２、第２酸化層２４、ｐ型バッファ層２６及び上部電極２８を備える構造を有している。
【００２３】
下部電極２０は、金属または伝導性金属酸化物から形成されうる。例えば、下部電極２０は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、ＩｒＯｘなどの物質から形成される。第１酸化層２２は、ｎ型酸化物から形成され、具体的には、Ｒｕ酸化物またはＺｎ酸化物から形成される。第２酸化層２４は、ｐ型酸化物から形成され、例えば、Ｎｉ酸化物から形成されうる。
【００２４】
上部電極２８は、第２酸化層２４に電圧を印加する役割を果たし、通常、＋電圧を印加する。上部電極２８としては、Ｐｔのような貴金属を使用して形成させうるが、Ｐｔの場合、電極形成のための乾式エッチング工程時に、低いエッチング速度及びＰｔＣｌｘのような不揮発性エッチング副産物が発生し、図１Ｂに示すように、約４０°のエッチング傾斜度を有することによって、形成工程が煩雑になる。さらには、Ｐｔのような貴金属の場合、高価なので、メモリ素子の製造時に製造コストが上昇するという問題点がある。したがって、上部電極２８は、一般金属または伝導性物質を使用して形成されることが望ましい。具体的な例として、上部電極２８は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｃｕまたはこれらの合金から形成されることが望ましい。
【００２５】
しかし、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒのような一般的な金属から上部電極２８を形成した場合には、Ｐｔを上部電極２８から形成した場合とは異なり、メモリ素子の安定した特性が得難い。この理由を詳細に説明すれば、次の通りである。
【００２６】
Ｐｔのような貴金属の場合、仕事関数が５．３４と非常に高く、その下部のｐ型酸化物から形成された第２酸化層２４とオームコンタクトを形成することによって、上部電極２８から印加された＋電圧がノード物質に集中する。図３Ａは、Ｒｕ下部電極上にＲｕＯｘまたはＺｎＯから第１酸化層を形成させ、その上部にＮｉＯ第２酸化層及びＰｔ上部電極を形成させた場合のエネルギーバンドダイアグラム及びオームコンタクト構造を示す図面である。
【００２７】
一方、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒのような一般的な金属から上部電極２８を形成した場合には、仕事関数が相対的に低く、第２酸化層２４、例えば、ＮｉＯとの界面でショットキー障壁を形成する。第２酸化層２４と上部電極２８との間にショットキー障壁が形成された場合、接合抵抗の影響によって電圧降下現象及びメモリノードが劣化して、結果的に、メモリ素子の動作特性が悪くなる。図３Ｂは、Ｒｕ下部電極上にＲｕＯｘまたはＺｎＯから第１酸化層を形成させ、その上部にＮｉ酸化物から形成された第２酸化層及びＮｉ、Ｃｒ、ＣｕまたはＷなどの一般金属から上部電極を形成させた場合のエネルギーバンドダイアグラム及びショットキー障壁の構造を示す図面である。
【００２８】
したがって、一般金属から上部電極２８を形成させた場合、第２酸化層２４との界面でオームコンタクトを形成させるために、本発明の実施形態による可変抵抗物質を含むメモリ素子では、第２酸化層２４と上部電極２８との間にバッファ層２６を形成させたことを特徴とする。
【００２９】
バッファ層２６は、ｐ型酸化物から形成され、具体的な物質を例として挙げれば、次の通りである。第一に、Ｎｉ欠乏ＮｉＯ物質が使用できる。第２酸化層２４がＮｉＯから形成された場合と比較すれば、バッファ層２６は、Ｎｉの含量を大きく減少させた物質であるＮｉＯ（１＋ｘ）（０＜ｘ＜１）から形成する。第二に、Ｌｉ、ＮａまたはＬａなどのドーピングされたＮｉ酸化物が使用できる。第三に、Ｃｕ欠乏ＣｕＯｘを使用できる。バッファ層２６を形成するｐ型酸化物のキャリア濃度は、１０１７／ｃｍ３であることが望ましい。前述の物質は、いずれもｐ型酸化物であって、バッファ層２６が、第２酸化層２４と上部電極２８との間に形成されることによって、オームコンタクト構造を有する。図３Ｃは、Ｒｕ下部電極上にＲｕＯｘまたはＺｎＯから第１酸化層を形成させ、その上部にＮｉＯ第２酸化層、ｐ型バッファ層及びＮｉ、Ｃｒ、ＣｕまたはＷなどの一般金属から上部電極を形成させた場合のエネルギーバンドダイアグラム及びオームコンタクト構造を示す図である。
【００３０】
前述のような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、スパッタリングなどのＰＶＤ、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程などを利用して製造できる。下部電極２０、第１酸化層２２、第２酸化層２４、バッファ層２６及び上部電極２８の厚さは制限されず、数ｎｍないし数μｍに調節して形成可能である。図２では、単位素子の構造のみを図示したが、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、クロスポイント構造のアレイ形態として使用されうる。
【００３１】
可変抵抗を利用したメモリ素子は、二つの抵抗状態を有し、図７を参照してその動作原理について説明すれば、次の通りである。
【００３２】
図７に示すように、電圧を０Ｖから連続的に上昇させれば、電圧に比例して、Ｇ１グラフに沿って電流値が大きくなる。しかし、Ｖ１以上の電圧を印加すれば、抵抗が突然上昇して、電流値が小さくなる現象を表す。Ｖ１〜Ｖ２範囲の印加電圧では、電流値がＧ２グラフに沿って大きくなる。そして、Ｖ２以上の電圧を印加すれば、抵抗が突然低下して、電流値が大きくなり、再びＧ１グラフに沿うということが分かる。一方、Ｖ１より高い電圧印加時のメモリ素子の電気的特性が以後のＶ１より低い電圧印加時のメモリ素子の電気的特性に影響を及ぼすが、これについて詳細に説明すれば、次の通りである。
【００３３】
Ｖ１〜Ｖ２範囲の電圧をメモリ素子に印加した後、Ｖ１より低い電圧を再び印加すれば、測定される電流は、Ｇ２グラフによる電流値が測定される。一方、Ｖ２より高い範囲の電圧をメモリ素子に印加した後、Ｖ１より低い電圧を再び印加すれば、測定される電流は、図７のＧ１グラフによる電流値が測定される。これにより、Ｖ１より高い電圧（Ｖ１〜Ｖ２範囲またはＶ２より高い範囲）印加時の電気的特性が、メモリ素子に影響を及ぼすということが分かる。結果的に、可変抵抗物質、すなわち、遷移金属酸化物をメモリ素子に使用することによって、不揮発性メモリ素子に応用できるということが分かる。例えば、図７のＶ１〜Ｖ２範囲で電圧を印加した場合のメモリ素子の状態を“０”に指定し、Ｖ２より高い範囲の電圧を印加した場合のメモリ素子の状態を“１”に指定してデータを記録する。データを再生する場合には、Ｖ１より小さい範囲の電圧を印加して酸化層の電流値を測定し、メモリ素子に保存されたデータが“０”の状態であるか、“１”の状態であるかが分かる。ここで、状態“１”及び“０”の指定は、選択的なものである。
【００３４】
図４Ａ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印加電圧に対する電流値を示すグラフである。このとき、使用された試片は、Ｒｕ下部電極上にＺｎＯ第１酸化層、ＮｉＯ第２酸化層、Ｎｉの含量を、第２酸化層に比べて５０％減少させたバッファ層及びＮｉ上部電極が順次に形成されたものである。そして、図４Ｂは、下部電極及び上部電極をＰｔから形成させた試片に関する印加電圧に対する電流値を示すグラフである。図４Ａと図４Ｂとを比較すれば、グラフの再現性及びメモリ特性が非常に類似しているということが分かる。
【００３５】
図５Ａ及び図５Ｂは、前記図４Ａに示すような本発明の実施形態による可変抵抗物質を含むメモリ素子に対し、スイッチング回数による抵抗値及び散布度を測定し、その結果を示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、スイッチングサイクルを増加させた場合にも、低い抵抗状態値Ｒｏｎ及び高い抵抗状態値Ｒｏｆｆは一定であり、その散布度も信頼性の高い結果が表れた。
【００３６】
図６Ａ及び図６Ｂは、前記図４Ａに示すような本発明の実施形態による可変抵抗物質を含むメモリ素子に対し、スイッチング回数によるセット電圧及びリセット電圧値及びその散布度を測定し、その結果を示すグラフである。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、スイッチングサイクルを増加させた場合にも、低いセット電圧及びリセット電圧値は、比較的に傾向性を有する結果値を表し、その散布度もまた信頼性の高い結果が表れた。
【００３７】
前記では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状形態で使用されうる。本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まらず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、不揮発性メモリ素子関連の技術分野に好適に利用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１Ａ】従来の技術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１Ｂ】上部電極としてＰｔを使用した場合、エッチング時の問題点を示す図である。
【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３Ａ】Ｒｕ下部電極上にＲｕＯｘまたはＺｎＯから第１酸化層を形成させ、その上部にＮｉＯ第２酸化層及びＰｔ上部電極を形成させた場合のエネルギーバンドダイアグラム及びオームコンタクト構造を示す図である。
【図３Ｂ】Ｒｕ下部電極上にＲｕＯｘまたはＺｎＯから第１酸化層を形成させ、その上部にＮｉＯ第２酸化層及びＮｉ、Ｃｒ、ＣｕまたはＷなどの一般金属から上部電極を形成させた場合のエネルギーバンドダイアグラム及びショットキー障壁構造を示す図である。
【図３Ｃ】Ｒｕ下部電極上にＲｕＯｘまたはＺｎＯから第１酸化層を形成させ、その上部にＮｉＯ第２酸化層、ｐ型バッファ層及びＮｉ、Ｃｒ、ＣｕまたはＷなどの一般金属から上部電極を形成させた場合のエネルギーバンドダイアグラム及びオームコンタクト構造を示す図である。
【図４Ａ】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印加電圧による電流値を示すグラフである。
【図４Ｂ】上部電極としてＰｔを使用した可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子の印加電圧による電流値を示すグラフである。
【図５Ａ】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スイッチングサイクルによる抵抗値を示すグラフである。
【図５Ｂ】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スイッチングサイクルによる散布度を示すグラフである。
【図６Ａ】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スイッチングサイクルによる電圧値を示すグラフである。
【図６Ｂ】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スイッチングサイクルによる散布度を示すグラフである。
【図７】可変抵抗物質を含む不揮発性メモリ素子の動作特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１０    基板、
１２、２０    下部電極、
１４    酸化層、
１６、２８    上部電極、
２２    第１酸化層、
２４    第２酸化層、
２６    ｐ型酸化層。
【図１Ａ】
2007300100.tif 000003
【図２】
2007300100.tif 000004
【図３Ａ】
2007300100.tif 000005
【図３Ｂ】
2007300100.tif 000006
【図３Ｃ】
2007300100.tif 000007
【図７】
2007300100.tif 000008
【図１Ｂ】
2007300100.tif 000009
【図４Ａ】
2007300100.tif 000010
【図４Ｂ】
2007300100.tif 000011
【図５Ａ】
2007300100.tif 000012
【図５Ｂ】
2007300100.tif 000013
【図６Ａ】
2007300100.tif 000014
【図６Ｂ】
2007300100.tif 000015