(57)【要約】【課題】イオンソース層としての金属層を必要とせず、整流性を有する抵抗変化素子を提供する。【解決手段】第１電極１１及び第２電極１５と、第１電極１１と第２電極１５との間に配置され、金属元素がドーピングされた第１可変抵抗層１２と、第１可変抵抗層１２と第２電極１５との間に配置された第２可変抵抗層１４と、第１可変抵抗層１２と第２可変抵抗層１４との間に配置された絶縁層１３とを備える。【選択図】図１
2013125903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、金属元素がドーピングされた第１可変抵抗層と、
前記第１可変抵抗層と前記第２電極との間に配置された第２可変抵抗層と、
前記第１可変抵抗層と前記第２可変抵抗層との間に配置された絶縁層と、
を具備することを特徴とする抵抗変化素子。
【請求項２】
前記金属元素は、Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ｐｂ、Ｂｉの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の抵抗変化素子。
【請求項３】
前記第１、第２可変抵抗層は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、カーボンドープトシリコンのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の抵抗変化素子。
【請求項４】
前記絶縁層は、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の抵抗変化素子。
【請求項５】
互いに隣接する第１、第２配線と、
前記第１、第２配線と交差するように配置され、互いに隣接する第３、第４配線と、
前記第１、第２配線と前記第３、第４配線との間に配置され、金属元素がドーピングされた第１可変抵抗層と、
前記第１可変抵抗層と前記第３、第４配線との間に配置された第２可変抵抗層と、
前記第１可変抵抗層と前記第２可変抵抗層との間に配置された絶縁層と、
を具備することを特徴とする抵抗変化素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気的に抵抗が可変な不揮発性の抵抗変化素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＲｅＲＡＭ(Resistive Random Access Memory)は、可変抵抗層を２つの電極で挟んだ２端子構造から抵抗変化素子部が構成されるメモリである。メモリセル構造が簡易なことから、他のメモリと比較し、スケーリングが容易であると考えられている。そのため、抵抗変化メモリは、広く製品に応用されているＮＡＮＤフラッシュメモリなどの既存製品を置き換える次世代の大容量記憶装置の有力な候補の１つである。
【０００３】
抵抗変化メモリの可変抵抗材として、遷移金属酸化物系、硫化物系、ペロブスカイト酸化物系など様々な物質が検討されている。中でも、アモルファスシリコンを可変抵抗材とした抵抗変化素子は、シリコンＣＭＯＳプロセスとの親和性が高く、かつ、低電流での不揮発メモリ動作が実証されている。
【０００４】
上述のアモルファスシリコンを可変抵抗材とした抵抗変化素子の従来の素子構造は、一方の電極が高濃度ドープのＳｉ層、対向電極が金属であるＡｇから構成される。この素子構造では、２電極間に電圧を印加することにより、電極材料のＡｇがイオン化し、アモルファスシリコン中を移動することで伝導フィラメントが形成される（抵抗変化メカニズム）。この抵抗変化メカニズムにおいては、一方の電極であるＡｇが伝導フィラメントを形成するためのイオン供給層（イオンソース層）としての役割を果たしている。
【０００５】
しかしながら、従来の素子構造では、イオンソース層としての金属層を必要とすることから、金属層の密着性や金属汚染などの問題を有している。さらに、大容量記憶装置を実現するためには、整流性を有することも必要条件の一つである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Sung Hyun Jo and Wei Lu, Nano Letters 8, no.2, pp. 392-397 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
イオンソース層としての金属層を必要とせず、整流性を有する抵抗変化素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施態様の抵抗変化素子は、第１、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、金属元素がドーピングされた第１可変抵抗層と、前記第１可変抵抗層と前記第２電極との間に配置された第２可変抵抗層と、前記第１可変抵抗層と前記第２可変抵抗層との間に配置された絶縁層とを具備することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の抵抗変化素子の断面図である。
【図２】第１実施形態の抵抗変化素子の低抵抗状態への遷移を示す断面図である。
【図３】第１実施形態の抵抗変化素子の高抵抗状態への遷移を示す断面図である。
【図４】第１実施形態の抵抗変化素子の典型的な電流−電圧特性を示す図である。
【図５】第２実施形態の抵抗変化メモリの斜視図である。
【図６】第２実施形態の抵抗変化メモリの断面図である。
【図７】第２実施形態の変形例の抵抗変化メモリの断面図である。
【図８】第３実施形態の抵抗変化メモリの断面図である。
【図９】第３実施形態の変形例の抵抗変化メモリの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１１】
［第１実施形態］
第１実施形態の抵抗変化素子について説明する。
【００１２】
図１は、第１実施形態の抵抗変化素子の構造を示す断面図である。
【００１３】
抵抗変化素子１０は、図１に示すような積層構造を基本とする。第１電極１１と第２電極１５との間には、第１可変抵抗層１２、絶縁層１３、第２可変抵抗層１４が第１電極１１側から順に配置されている。すなわち、第１電極１１と第２電極１５との間には第１可変抵抗層１２が配置され、第１可変抵抗層１２と第２電極１５との間には第２可変抵抗層１４が配置されている。さらに、第１可変抵抗層１２と第２可変抵抗層１４との間には、絶縁層１３が配置されている。
【００１４】
可変抵抗層１２には、金属元素がドーピングされている。可変抵抗層１２にドーピングされた金属元素は、伝導フィラメントを形成するためのイオンソースとして作用する。
【００１５】
抵抗変化素子１０は、電圧の印加方向により低抵抗状態あるいは高抵抗状態に遷移する。以下に、抵抗変化素子１０における低抵抗状態あるいは高抵抗状態への遷移について説明する。
【００１６】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、抵抗変化素子１０の低抵抗状態への遷移を示す断面図である。
【００１７】
抵抗変化素子１０において、電極１１と電極１５との間に電圧を印加する。電極１５に印加する電圧に対して、電極１１に正の電圧を印加すると、電極１１から電極１５の方向に電界が発生する。このとき、可変抵抗層１２内にドーピングされていた金属元素がイオン化する。イオン化された金属イオン１２ａは、電界の作用により引っ張られ、図２（ａ）に示すように、電極１５の方向へ移動する。
【００１８】
結果として、図２（ｂ）に示すように、可変抵抗層１２内に金属フィラメント１６が形成され、絶縁層１３内に金属フィラメント１７、可変抵抗層１４内に金属フィラメント１８がそれぞれ形成される。これら金属フィラメント１６、１７、１８により、電極１１と電極１５の間は電気的に導通し、抵抗変化素子１０は低抵抗状態に遷移する。これをセット動作という。
【００１９】
次に、抵抗変化素子１０における高抵抗状態への遷移について説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、抵抗変化素子１０の高抵抗状態への遷移を示す断面図である。
【００２０】
低抵抗状態に遷移した抵抗変化素子１０に対して、低抵抗状態への遷移時とは電圧印加の向きを逆にする。すなわち、電極１５に印加する電圧に対して、電極１１に負の電圧を印加する。すると、電極１５から電極１１の向きに電界が発生する。このとき、金属フィラメント１６、１７、１８を構成する金属原子はイオン化し、金属イオン１２ａは電界の作用により、図３（ａ）に示すように、電極１１の方向へ移動する。
【００２１】
そして、図３（ｂ）に示すように、金属フィラメント１６、１７、１８は消失する。これにより、電極１１と電極１５の間に電気的な絶縁が生じ、抵抗変化素子１０は高抵抗状態に遷移する。これをリセット動作という。また、セット動作とリセット動作の一連の動作をスイッチ動作という。
【００２２】
一方で、高抵抗状態の抵抗変化素子１０において、電極１５に印加する電圧に対して、電極１１に負の電圧を印加した際には、可変抵抗層１２内にドーピングされていた金属元素はイオン化し、電極１１の方向へ移動する。この場合、可変抵抗層１２内に金属フィラメントが形成される一方で、絶縁層１３、および可変抵抗層１４内には金属フィラメントが形成されないため、抵抗変化素子１０は高抵抗状態が維持される。このように、高抵抗状態の抵抗変化素子１０に対して、非対称な電流−電圧特性が実現可能である。特に、可変抵抗層１２および１４のどちらか一方、あるいは両方に、整流性を示す可変抵抗材料を用いる、あるいは、リセット動作に必要な電圧が小さい材料系を用いることなどにより、整流性を可変抵抗素子１０に内蔵させることが可能である。
【００２３】
次に、第１実施形態の抵抗変化素子に関する実験結果について述べる。
【００２４】
以下のような材料により、図１に示した抵抗変化素子１０を作成した。電極１１にはＴｉＮを用い、可変抵抗層１２にはアモルファスシリコン（膜厚２０ｎｍ）、絶縁層１３にはＳｉＮ（膜厚１０ｎｍ）、可変抵抗層１４にはアモルファスシリコン（膜厚２０ｎｍ）、電極１５にはＷ、可変抵抗層１２にドーピングした金属元素にはＡｇをそれぞれ用いた。素子１０の形状は１００ｎｍ径の円である。
【００２５】
図４は、作成した抵抗変化素子１０の典型的な電流−電圧特性である。
【００２６】
図４に示すように、電極１１であるＴｉＮに対して正の電圧を印加することにより、セット動作が行われ、抵抗変化素子１０が低抵抗状態に遷移していることが分かる。さらに、電極１１に対して負の電圧の印加により、リセット動作が行われ、抵抗変化素子１０が高抵抗状態に遷移していることが分かる。高抵抗状態における負の電圧の印加に対しては、低抵抗状態への遷移は見られず、印加電圧の極性に対して非対称な電流−電圧特性が得られている。以上の実験結果から、第１実施形態の提案する素子構造を持つ抵抗変化素子１０は、スイッチ動作が可能であり、さらに非対称な電流−電圧特性を有することを確認した。
【００２７】
第１実施形態では、前述したように、可変抵抗層１２および可変抵抗層１４の材料として、アモルファスシリコンを用いた。しかし、アモルファスシリコンの代わりに、アモルファスゲルマニウム、アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファスシリコンカーバイト、アモルファスカーボンドープトシリコンなどの非晶質半導体を用いてもよい。また、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイト、カーボンドープトシリコンなどの半導体を用いてもよい。さらに、ＳｉＯｘ，ＨｆＯｘ、ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘなどの酸化物、もしくは、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）、ヨウ化銀（ＡｇＩ）、硫化銅（Ｃｕ２Ｓ）、セレン化銅（ＣｕＳｅ）などの固体イオン伝導体を用いてもよい。
【００２８】
また、可変抵抗層１２と可変抵抗層１４の材料は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。可変抵抗層１２および可変抵抗層１４の膜厚は、典型的には１〜３００ｎｍである。メモリに応用した場合の抵抗変化素子の動作電圧を考慮すると、膜厚は薄い方がよいため、１〜２０ｎｍがより好ましい。
【００２９】
電極１１および電極１５の材料として、第１実施形態では、それぞれ、ＴｉＮおよびＷを用いた。しかし、これらの材料の代わりに、Ｐｔ、Ｔａ、Ｍｏなどイオン化しにくい不活性な金属を用いてもよい。また、電極１１および電極１５の材料として、高濃度ドープの半導体層、すなわち不純物を高濃度にドープした半導体層、具体的には、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイト、カーボンドープトシリコンなどを用いても良い。また、電極１１と電極１５の材料は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００３０】
可変抵抗層１２にドーピングされた金属元素として、第１実施形態ではＡｇを用いた。しかし、Ａｇの代わりに、イオン化しやすい金属、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕなどを用いることができる。さらに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ｐｂ、Ｂｉなどを用いてもよい。
【００３１】
可変抵抗層１２への金属元素のドーピング方法としては、可変抵抗層１２の堆積後に金属元素をイオン注入する方法を用いることができる。また、可変抵抗層１２の堆積後に金属元素を含む膜を堆積し、熱処理を施すことにより、金属元素を可変抵抗層１２中に熱拡散させる方法などを用いることができる。第１実施形態で作成した抵抗変化素子では、熱処理により可変抵抗層１２としてのアモルファスシリコン中にＡｇをドーピングする方法を用いている。
【００３２】
可変抵抗層１２にドーピングされた金属元素は、抵抗変化素子１０の積層構造の堆積過程やその後のプロセス工程における熱履歴により、抵抗変化素子１０内、特に、可変抵抗層１４へ拡散する可能性がある。絶縁層１３を可変抵抗層１２と可変抵抗層１４との間に挿入することで、金属元素の初期拡散を防ぐことが可能である。すなわち、絶縁層１３は、製造工程の熱履歴による可変抵抗層１４への金属元素の初期拡散を防ぐことで、金属元素がドーピングされた可変抵抗層１２と金属元素が存在しない可変抵抗層１４とを隔てるスペーサの作用を果たしている。
【００３３】
このような作用を持つ絶縁層１３として、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）などを用いることができる。第１実施形態では、シリコン窒化膜を用い、Ａｇの初期拡散を抑えることにより、非対称な積層構造に起因した非対称な電流−電圧特性が得られることを確認した。絶縁層１３の膜厚は、典型的には１〜１００ｎｍである。メモリに応用した場合の抵抗変化素子の動作電圧を考慮すると、絶縁層１３の膜厚は薄い方がよいため、１〜２０ｎｍがより好ましい。
【００３４】
第１実施形態の抵抗変化素子が有する構造においては、イオンソースは可変抵抗層内にドーピングされており、イオンソース層としての金属層を有していない。例えば、従来の素子構造の製造工程では、金属層の加工の困難性、例えばイオンソース層として使用される金属層（以下、イオンソース金属層）と可変抵抗層の間の密着性や、金属汚染などを懸念しなければならない。一方、第１実施形態の抵抗変化素子では、イオンソースは可変抵抗層内に埋め込まれるため、イオンソース金属層が不要であり、イオンソース金属層と可変抵抗層の密着性や金属汚染の問題を解消することができる。
【００３５】
また、イオンソースを埋め込んだ可変抵抗層の単層では、構造的な対称性から、電圧の極性に対して対称な電流−電圧特性となってしまうことが予想される。このため、第１実施形態では、さらに可変抵抗層を非対称な構造にすることにより、整流性を発現する抵抗変化素子を実現するものである。
【００３６】
以上説明したように第１実施形態では、イオンソース層としての金属層を必要とせず、整流性を有する抵抗変化素子を形成することができる。
【００３７】
［第２実施形態］
第２実施形態では、第１実施形態の抵抗変化素子を下部配線と上部配線との交差部に配置したクロスポイント型の抵抗変化メモリについて説明する。
【００３８】
図５は第２実施形態の抵抗変化メモリを示す斜視図である。図６（ａ）は図５に示すＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、図６（ｂ）は図５に示すＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。
【００３９】
第２実施形態は、第１実施形態において、電極１１および電極１５のそれぞれを下部配線２０および上部配線２３とした構造であり、クロスポイント型抵抗変化メモリの構造に対応している。
【００４０】
下部配線２０１、２０２、・・・、２０ｎは平行に配列され、下部配線間には層間絶縁膜２１１、 ２１２、・・・、２１ｎ−１が配置されている。下部配線２０１、 ２０２、・・・、２０ｎは、層間絶縁膜２１１、 ２１２、・・・、２１ｎ−１によって互いに電気的に絶縁されている。
【００４１】
下部配線２０上及び層間絶縁膜２１上には、可変抵抗構造２２が配置されている。可変抵抗構造２２は、可変抵抗層１２、絶縁層１３、及び可変抵抗層１４を有する。さらに、可変抵抗構造２２上には、上部配線２３が配置されている。
【００４２】
上部配線２３１、２３２、・・・、２３ｍは平行に配列され、上部配線間には層間絶縁膜２４１、 ２４２、・・・、２４ｍ−１が配置されている。上部配線２３１、２３２、・・・、２３ｍは、層間絶縁膜２４１、２４２、・・・、２４ｍ−１によって互いに電気的に絶縁されている。
【００４３】
下部配線２０１、２０２、・・・、２０ｎと上部配線２３１、２３２、・・・、２３ｍは、図５に示すように、互いに交差する向きに配列されている。下部配線と上部配線の交差部に存在する可変抵抗構造２２がメモリセルとなり、メモリセルアレイが構成されている。メモリセルは、金属元素がドーピングされた可変抵抗層１２と、絶縁層１３、可変抵抗層１４を有し、スイッチ動作を行う。メモリセルの各層の構成や動作原理は、第１実施形態に記載されている通りである。
【００４４】
第２実施形態では、可変抵抗構造２２中の可変抵抗層１２にドーピングされた金属元素の濃度の制御により、隣接メモリセル、および隣接配線間のコンダクタンスを制御することが可能である。すなわち、金属元素濃度を低く抑えることにより、同一配線層内に配置された配線間のリークを抑制することが可能である。例えば、図６（ｂ）において、金属元素がドーピングされた可変抵抗層１２のコンダクタンスが高い場合、隣接する配線２０１と配線２０２がリークしてしまう。イオンソース電極層を有する従来の抵抗変化素子構造においても、同様の問題が生じ、隣接配線間のリークが問題となる。
【００４５】
一方で、本実施形態の提案構造の場合、可変抵抗層１２の金属元素濃度を低く抑えることにより、可変抵抗層１２のコンダクタンスを低くすることが可能である。この結果、配線間のリークを抑制することが可能である。
【００４６】
可変抵抗層１２にドーピングされた金属元素濃度の典型的な値として、１×１０１８atom/cm−３以下を用いることができる。さらに、スイッチ動作の起こりやすさや微細化されたデバイスにおいてリーク電流を抑制することを勘案すると、１×１０１５atom/cm−３ 〜 １×１０１７atom/cm−３の範囲に制御することが好ましい。
【００４７】
図６に示した実施形態においては、可変抵抗構造２２の素子構造として、金属元素がドーピングされた可変抵抗層１２、絶縁層１３、可変抵抗層１４の順で構成されていると説明した。しかし、可変抵抗構造２２の構造は、図６に示した構造と逆の積層順、すなわち、下部配線２０側から可変抵抗層１４、絶縁層１３、金属元素がドーピングされた可変抵抗層１２の順でもよい。
【００４８】
下部配線２０１、２０２、・・・、２０ｎは、例えば、数ｎｍから数十ｎｍの幅と厚さを持つ金属導線であり、上部配線２３１、２３２、・・・、２３ｍは、例えば、数ｎｍから数十ｎｍの幅と厚さを持つ金属導線である。下部配線２０１、２０２、・・・、２０ｎおよび上部配線２３１、２３２、・・・、２３ｍの材料としては、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＴｉＮなど不活性な金属を用いることができる。
【００４９】
次に、図７を用いて第２実施形態の変形例を説明する。前述した第２実施形態では、メモリセルアレイにおいて、可変抵抗構造２２はメモリセル毎に分離せず、１つの積層膜として形成されていた。この変形例では、メモリセル毎に可変抵抗構造２２を分離した例を述べる。
【００５０】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は第２実施形態の変形例の抵抗変化メモリを示す断面図である。図７（ａ）は図５に示すＡ−Ａ’線で切断した断面に相当し、図７（ｂ）は図５に示すＢ−Ｂ’線で切断した断面に相当する。
【００５１】
図７（ａ）に示すように、下部配線２０１上には、分離された複数の可変抵抗構造２２が配置されている。可変抵抗構造２２上には、上部配線２３１、 ２３２、・・・、２３ｍがそれぞれ配置されている。隣接する可変抵抗構造２２間及び上部配線２３間には、層間絶縁膜２４１、２４２、・・・、２４ｍ−１が配置されている。
【００５２】
また、図７（ａ）に示した断面に直交する断面では、図７（ｂ）に示すように、下部配線２０１、 ２０２、・・・、２０ｎ上には複数の可変抵抗構造２２がそれぞれ配置されている。可変抵抗構造２２上には配線２３１が形成されている。隣接する可変抵抗構造２２間及び下部配線２０間には、層間絶縁膜２１１、２１２、・・・、２１ｎ−１が形成されている。
【００５３】
変形例では、隣接する可変抵抗構造２２間に層間絶縁膜２４、２１が配置されているため、隣接する配線間に可変抵抗層を介して電気的なリークが起こることはない。したがって、配線間のリークを抑制するために、可変抵抗層にドーピングする金属元素の濃度を制御する必要がない。これにより、スイッチ動作だけを考慮し、可変抵抗層にドーピングする金属元素の量を決定することができる。
【００５４】
第２実施形態では、イオンソース層としての金属層を無くし、代わりにイオンソースを埋め込んだ可変抵抗層を用いることにより、クロスポイント型構造における配線間の電気的なリークを抑止することができる。
【００５５】
さらに、クロスポイント型構造においては、メモリの書き込みまたは読み出しの際、非選択セルに回り込み電流が発生するという問題がある。本実施形態の抵抗変化素子は整流性を有することが可能であるため、この回り込み電流を低減することができる。その他の構成及び効果は第１実施形態と同様である。
【００５６】
［第３実施形態］
第３実施形態では、第２実施形態の抵抗変化メモリを積層した、積層クロスポイント型の抵抗変化メモリについて説明する。
【００５７】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第３実施形態の抵抗変化メモリの構造を示す断面図である。
【００５８】
第３実施形態は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示した抵抗変化素子の基本構造を２層積層させた構造であり、積層クロスポイント型メモリの構造に対応している。
【００５９】
第３実施形態の抵抗変化メモリは、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、配線３１、可変抵抗層３２、絶縁層３３、可変抵抗層３４、配線３５、可変抵抗層３６、絶縁層３７、可変抵抗層３８、及び配線３９の順序で積層された構造を有する。
【００６０】
抵抗変化素子４０は配線３１、可変抵抗層３２、絶縁層３３、可変抵抗層３４、及び配線３５により構成され、抵抗変化素子４１は配線３５、可変抵抗層３６、絶縁層３７、可変抵抗層３８、及び配線３９により構成されている。抵抗変化素子４０および抵抗変化素子４１において、一方の配線を配線３５で共有化している。さらに、可変抵抗構造５０は可変抵抗層３２、絶縁層３３、可変抵抗層３４を有し、可変抵抗構造５１は可変抵抗層３６、絶縁層３７、可変抵抗層３８を有する。
【００６１】
また、抵抗変化素子４０と抵抗変化素子４１では、積層の順番が異なっている。すなわち、抵抗変化素子４０では、金属元素をドーピングした可変抵抗層３２、絶縁層３３、可変抵抗層３４の順に積層されているのに対し、抵抗変化素子４１では、可変抵抗層３６、絶縁層３７、金属元素をドーピングした可変抵抗層３８の順で積層されている。
【００６２】
しかし、これらの積層の順序は反対でもよい。すなわち、抵抗変化素子４０では、可変抵抗層３２、絶縁層３３、金属元素をドーピングした可変抵抗層３４の順で積層され、抵抗変化素子４１では、金属元素をドーピングした可変抵抗層３６、絶縁層３７、可変抵抗層３８の順に積層されていてもよい。
【００６３】
また、絶縁層３３及び絶縁層３７は、第１実施形態における絶縁層１３の条件を満たすものとする。
【００６４】
配線３１は平行に複数配列され、配線３１間には層間絶縁膜４２が配置されている。配線３１は、層間絶縁膜４２によって互いに電気的に絶縁されている。配線３５は平行に複数配列され、配線３５間には層間絶縁膜４３が配置されている。配線３５は、層間絶縁膜４３によって互いに電気的に絶縁されている。さらに、配線３９は平行に複数配列され、配線３９間には層間絶縁膜４４が配置されている。配線３９は、層間絶縁膜４４によって互いに電気的に絶縁されている。
【００６５】
配線３１と配線３５は互いに交差するように配置されており、また、配線３５と配線３９は互いに交差するように配置されている。
【００６６】
金属元素がドーピングされた可変抵抗層においては、第１実施形態の可変抵抗層１２の条件を満たし、金属元素がドーピングされていない可変抵抗層においては、第１実施形態の可変抵抗層１４の条件を満たすものとする。また、金属元素がドーピングされた可変抵抗層における金属元素の濃度は、第２実施形態に記載したように、典型的には１×１０１８atom/cm−３以下である。特に、金属元素濃度を１×１０１５atom/cm−３ 〜 １×１０１７atom/cm−３の範囲にすることで、微細なメモリセル構造における隣接配線間のリーク電流を抑止することができる。
【００６７】
次に、図９を用いて第３実施形態の変形例を説明する。前述した第３実施形態では、メモリセルアレイにおいて、可変抵抗構造５０、５１はメモリセル毎に分離せず、１つの積層膜としてそれぞれ形成されていた。この変形例では、メモリセル毎に可変抵抗構造５０、５１を分離した例を述べる。
【００６８】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は第３実施形態の変形例の抵抗変化メモリを示す断面図である。
【００６９】
図９（ａ）に示すように、配線３１上には、分離された複数の可変抵抗構造５０が配置されている。可変抵抗構造５０上には配線３５がそれぞれ配置されている。配線３５上には、分離された複数の可変抵抗構造５１がそれぞれ配置されている。可変抵抗構造５１上には配線３９が配置されている。さらに、隣接する可変抵抗構造５０間、配線３５間、及び可変抵抗構造５１間には、層間絶縁膜４５が配置されている。
【００７０】
また、図９（ａ）に示した断面に直交する断面では、図９（ｂ）に示すように、配線３１上には、分離された複数の可変抵抗構造５０がそれぞれ配置されている。可変抵抗構造５０上には配線３５が配置されている。配線３５上には、分離された複数の可変抵抗構造５１が配置されている。可変抵抗構造５１上には、配線３９がそれぞれ配置されている。隣接する配線３１間及び可変抵抗構造５０間には、層間絶縁膜４６が配置されている。さらに、隣接する可変抵抗構造５１間及び配線３９間には、層間絶縁膜４７が配置されている。
【００７１】
変形例では、隣接する可変抵抗構造間に層間絶縁膜が配置されているため、隣接する配線間に可変抵抗層を介して電気的なリークが起こることはない。したがって、配線間のリークを抑制するために、可変抵抗層にドーピングする金属元素の濃度を制御する必要がない。これにより、スイッチ動作だけを考慮し、可変抵抗層にドーピングする金属元素の量を決定することができる。
【００７２】
第３実施形態及び変形例では、上下逆転された素子構造にも適用可能であり、積層クロスポイント型の抵抗変化メモリを形成することができる。その他の構成及び効果は第１、第２実施形態と同様である。
【００７３】
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】
【００７４】
１０…抵抗変化素子、１１…第１電極、１２…第１可変抵抗層、１２ａ…金属イオン、１３…絶縁層、１４…第２可変抵抗層、１５…第２電極、１６，１７，１８…金属フィラメント、２０１，２０２，・・・，２０ｎ…下部配線、２１１，２１２，・・・，２１ｎ−１…層間絶縁膜、２２…可変抵抗構造、２３１，２３２，・・・，２３ｍ…上部配線、２４１，２４２，・・・，２４ｍ−１…層間絶縁膜、３１…配線、３２…可変抵抗層、３３…絶縁層、３４…可変抵抗層、３５…配線、３６…可変抵抗層、３７…絶縁層、３８…可変抵抗層、３９…配線、４０…抵抗変化素子、４１…抵抗変化素子、４２，４３，４４，４５，４６，４７…層間絶縁膜、５０，５１…可変抵抗構造。
【図１】
2013125903.tif 000003
【図２】
2013125903.tif 000004
【図３】
2013125903.tif 000005
【図４】
2013125903.tif 000006
【図５】
2013125903.tif 000007
【図６】
2013125903.tif 000008
【図７】
2013125903.tif 000009
【図８】
2013125903.tif 000010
【図９】
2013125903.tif 000011