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JP2008071786A - Resistance changing type memory and its manufacturing method - Google Patents

Resistance changing type memory and its manufacturing method Download PDF

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JP2008071786A
JP2008071786A JP2006246537A JP2006246537A JP2008071786A JP 2008071786 A JP2008071786 A JP 2008071786A JP 2006246537 A JP2006246537 A JP 2006246537A JP 2006246537 A JP2006246537 A JP 2006246537A JP 2008071786 A JP2008071786 A JP 2008071786A
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resistance change
wiring electrode
resistance
upper wiring
electrode
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JP2006246537A
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Inventor
Akihiro Odakawa
明弘 小田川
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resistance changing type memory which has a different structure from the conventional ones and is superior in producibility and which can establish micro fabrication of elements, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: A multilayer structure 18 which is provided with a lower wiring electrode 11, an upper wiring electrode 12 and a resistance changing layer 15 pinched with the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 is arranged on a substrate 10. The resistance changing layer 15 is bonded with the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12, and it is provided with a resistance changing section 13 which has two or more statuses with different resistances and changes from one status selected from the two or more statuses to another status by application of driving voltage or current through both wiring electrodes, and a separation section 14 which is higher in electric resistance than the resistance changing section and surrounds the resistance changing section. The resistance changing section 13 and the separation section 14 are made of metal oxide of the same kind that is different in oxidation state from the resistance changing section 13 and the separation section 14, and bits are assigned to the oxidation state in the resistance changing section. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、配線電極を介した駆動電圧または電流の印加により電気抵抗値が変化する抵抗変化層を有し、抵抗変化層の電気抵抗値の状態に対してビットが割り当てられた抵抗変化型メモリとその製造方法とに関する。   The present invention relates to a resistance change type memory having a resistance change layer whose electric resistance value is changed by application of a driving voltage or current through a wiring electrode, and a bit is assigned to the state of the electric resistance value of the resistance change layer. And its manufacturing method.

メモリ素子は、情報化社会を支える重要な基幹電子部品として、幅広い分野に用いられている。近年、情報携帯端末の普及に伴い、メモリ素子の微細化の要求が高まっており、不揮発性メモリ素子においても例外ではない。しかし、素子の微細化がナノメーターの領域に及ぶにつれ、従来の電荷蓄積型のメモリ素子(代表的にはDRAM:Dynamic Random Access Memory)では、情報単位(ビット)あたりの電荷容量Cの低下が問題となりつつあり、この問題を回避するために様々な改善等がなされているものの、将来的な技術的限界が懸念されている。   Memory elements are used in a wide range of fields as important basic electronic components that support the information society. In recent years, with the widespread use of portable information terminals, there has been an increasing demand for miniaturization of memory elements, and nonvolatile memory elements are no exception. However, as the miniaturization of the device reaches the nanometer range, in a conventional charge storage type memory device (typically DRAM: Dynamic Random Access Memory), the charge capacity C per information unit (bit) decreases. Although various improvements have been made to avoid this problem, there are concerns about future technical limitations.

微細化の影響を受けにくいメモリ素子として、電荷容量Cではなく、電気抵抗値Rの変化により情報を記録する不揮発性メモリ素子(抵抗変化型メモリ素子)が注目されており、このような抵抗変化型メモリ素子として、駆動電圧または電流の印加により電気抵抗値Rが変化する抵抗変化素子の開発が進められている。抵抗変化素子は、電気抵抗値が異なる2以上の状態を有しており、当該各状態に対してビットを割り当てることにより、抵抗変化型メモリが構築できる。   As a memory element that is not easily affected by miniaturization, not a charge capacity C but a nonvolatile memory element (resistance change type memory element) that records information by a change in electric resistance value R has been attracting attention. As a type memory element, development of a resistance change element in which the electric resistance value R is changed by application of a driving voltage or current is underway. The resistance change element has two or more states having different electric resistance values, and a resistance change memory can be constructed by assigning a bit to each state.

抵抗変化型メモリは、通常、下部配線電極および上部配線電極と、上記双方の配線電極により狭持された抵抗変化層とを含む多層構造体により構成され、配線電極を介する抵抗変化層への駆動電圧(電流)の印加、および、配線電極を介する抵抗変化層の上記状態の検知により機能する。特許文献1、2などの従来の抵抗変化型メモリでは、下部配線電極と上部配線電極との交点に抵抗変化層がドット状に配置された構造を有しており、隣り合う当該交点間、即ち、隣り合う抵抗変化層間には、通常、SiO2等からなる保護絶縁膜が配置されている。
特開2003−197877号公報 特開2002−280542号公報
A resistance change type memory is usually composed of a multilayer structure including a lower wiring electrode, an upper wiring electrode, and a resistance change layer sandwiched between both of the wiring electrodes, and is driven to the resistance change layer via the wiring electrode. It functions by application of voltage (current) and detection of the above state of the resistance change layer via the wiring electrode. Conventional resistance change type memories such as Patent Documents 1 and 2 have a structure in which a resistance change layer is arranged in a dot shape at an intersection between a lower wiring electrode and an upper wiring electrode, that is, between adjacent intersections, that is, In general, a protective insulating film made of SiO 2 or the like is disposed between adjacent resistance change layers.
JP 2003-197877 A JP 2002-280542 A

上記従来の構造を有する抵抗変化型メモリでは、下部配線電極と上部配線電極との交点にドット状に配置された抵抗変化層を形成するために、マスクの使用あるいは微細加工プロセスなどを導入する必要がある。生産性に優れるメモリとするためには、これらマスクの使用あるいは微細加工プロセスなどを省略した方法により、抵抗変化層の形成が可能な構造を有するメモリが望まれる。   In the resistance change type memory having the above conventional structure, it is necessary to introduce a mask or a microfabrication process in order to form a resistance change layer arranged in a dot shape at the intersection of the lower wiring electrode and the upper wiring electrode. There is. In order to obtain a memory with excellent productivity, a memory having a structure in which a resistance change layer can be formed by a method in which the use of these masks or a fine processing process is omitted is desired.

このような構造を有するメモリとして、例えば、複数の配線電極に共通する均一な抵抗変化層を有し、当該抵抗変化層における各々の配線電極との接合部分を個々の抵抗変化素子(メモリ素子)として扱う抵抗変化型メモリが存在する。しかしこのようなメモリでは、抵抗変化層内で電流の拡散が生じるため、隣接する素子間のクロストークなどの問題が発生しやすく、素子の微細化およびそれに伴うメモリの高集積化が困難となる。   As a memory having such a structure, for example, it has a uniform resistance change layer common to a plurality of wiring electrodes, and each resistance change element (memory element) is connected to each wiring electrode in the resistance change layer. There exists a resistance change type memory treated as However, in such a memory, current diffusion occurs in the resistance change layer, so that problems such as crosstalk between adjacent elements are likely to occur, and it is difficult to miniaturize the elements and to increase the integration of the memory accordingly. .

そこで本発明は、上記従来の抵抗変化型メモリとは異なる構造を有し、生産性に優れるとともに、素子の微細化を実現できる抵抗変化型メモリとその製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a resistance change type memory having a structure different from that of the above conventional resistance change type memory, excellent in productivity, and capable of realizing miniaturization of an element, and a manufacturing method thereof.

本発明の抵抗変化型メモリでは、基板上に、下部配線電極と、上部配線電極と、前記下部配線電極および前記上部配線電極に狭持された抵抗変化層とを有する多層構造体が配置されている。前記抵抗変化層は、前記下部配線電極および前記上部配線電極と接合し、電気抵抗値が異なる2以上の状態を有し、双方の前記配線電極を介した駆動電圧または電流の印加により前記2以上の状態から選ばれる1つの状態から他の状態へと変化する抵抗変化部と、前記抵抗変化部よりも電気抵抗値が高く、かつ、前記抵抗変化部を囲む分離部と、を有する。前記抵抗変化部と前記分離部とは、酸化の状態が異なる同種の金属酸化物からなる。前記抵抗変化部における前記状態に対してビットが割り当てられている。   In the resistance change type memory according to the present invention, a multilayer structure having a lower wiring electrode, an upper wiring electrode, and a resistance change layer sandwiched between the lower wiring electrode and the upper wiring electrode is disposed on a substrate. Yes. The resistance change layer is bonded to the lower wiring electrode and the upper wiring electrode and has two or more states having different electric resistance values, and the two or more are applied by applying a driving voltage or current through both the wiring electrodes. A resistance changing portion that changes from one state selected from the states to another state, and a separation portion that has an electrical resistance value higher than that of the resistance changing portion and surrounds the resistance changing portion. The resistance change portion and the separation portion are made of the same kind of metal oxide having different oxidation states. Bits are assigned to the states in the resistance change section.

本発明の抵抗変化型メモリにおける一つの抵抗変化素子に着目すると、当該抵抗変化素子(本発明の抵抗変化素子)では、基板上に、下部電極と、上部電極と、前記下部電極および前記上部電極に狭持された抵抗変化層とを有する多層構造体が配置されている。前記抵抗変化層は、前記下部電極および前記上部電極と接合し、電気抵抗値が異なる2以上の状態を有し、双方の前記電極を介した駆動電圧または電流の印加により前記2以上の状態から選ばれる1つの状態から他の状態へと変化する抵抗変化部と、前記抵抗変化部よりも電気抵抗値が高く、かつ、前記抵抗変化部を囲む分離部と、を有する。前記抵抗変化部と前記分離部とは、酸化の状態が異なる同種の金属酸化物からなる。   Focusing on one variable resistance element in the variable resistance memory of the present invention, the variable resistance element (the variable resistance element of the present invention) has a lower electrode, an upper electrode, the lower electrode, and the upper electrode on a substrate. A multilayer structure having a resistance change layer sandwiched between the layers is disposed. The resistance change layer is bonded to the lower electrode and the upper electrode, has two or more states having different electric resistance values, and is applied from the two or more states by application of a driving voltage or current through both the electrodes. A resistance change portion that changes from one selected state to another state; and a separation portion that has an electrical resistance value higher than that of the resistance change portion and surrounds the resistance change portion. The resistance change portion and the separation portion are made of the same kind of metal oxide having different oxidation states.

本発明の抵抗変化型メモリの製造方法は、上記本発明の抵抗変化型メモリの製造方法であって、基板上に、下部配線電極および金属酸化物層を順に形成した後に、前記金属酸化物層の表面に上部配線電極を部分的に形成する積層工程と、前記上部配線電極により部分的に被覆された前記金属酸化物層の表面を酸化雰囲気に置くことにより、前記金属酸化物層を、酸化の状態が互いに異なる分離部および抵抗変化部を有する抵抗変化層とする酸化工程と、を含む。前記積層工程において形成する金属酸化物層は、電気抵抗値が異なる2以上の状態を有し、駆動電圧または電流の印加により前記2以上の状態から選ばれる1つの状態から他の状態へと変化する層である。   The method of manufacturing a resistance change type memory according to the present invention is the method of manufacturing the resistance change type memory according to the present invention, wherein a lower wiring electrode and a metal oxide layer are sequentially formed on a substrate, and then the metal oxide layer is formed. A stacking step of partially forming an upper wiring electrode on the surface of the metal, and placing the surface of the metal oxide layer partially covered with the upper wiring electrode in an oxidizing atmosphere to oxidize the metal oxide layer. And an oxidation step for forming a resistance change layer having a separation part and a resistance change part having different states. The metal oxide layer formed in the stacking step has two or more states having different electric resistance values, and changes from one state selected from the two or more states to another state by application of a driving voltage or current. It is a layer to do.

本発明によれば、酸化の状態が異なる同種の金属酸化物からなる抵抗変化部と分離部とを有する抵抗変化層とすることにより、生産性に優れるとともに、素子の微細化およびそれに伴う高集積化を実現できる抵抗変化型メモリとすることができる。   According to the present invention, by using a resistance change layer having a resistance change portion and a separation portion made of the same kind of metal oxides having different oxidation states, the productivity is improved and the device is miniaturized and highly integrated. The resistance change type memory can be realized.

本発明の製造方法では、メモリ素子ごとにドット状の抵抗変化層を配置するのではなく、積層工程において、下部配線電極および上部配線電極により狭持された金属酸化物層を形成し、酸化工程において、上部配線電極による金属酸化物層の表面の部分的な被覆を利用して、抵抗変化部および分離部を有する抵抗変化層を形成するために、素子の微細化およびそれに伴う高集積化が実現された抵抗変化型メモリを生産性よく製造できる。   In the manufacturing method of the present invention, instead of arranging a dot-shaped resistance change layer for each memory element, a metal oxide layer sandwiched between the lower wiring electrode and the upper wiring electrode is formed in the stacking process, and an oxidation process is performed. In order to form a resistance change layer having a resistance change portion and a separation portion by using a partial covering of the surface of the metal oxide layer by the upper wiring electrode, miniaturization of the element and accompanying high integration are required. The realized resistance change type memory can be manufactured with high productivity.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明において、同一の部材に同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals may be given to the same members, and overlapping descriptions may be omitted.

図1に示す抵抗変化型メモリ1は、基板10と、下部配線電極11および上部配線電極12からなる一対の配線電極と、下部配線電極11および上部配線電極12により狭持された抵抗変化層15とを含んでいる。下部電極配線11、抵抗変化層15および上部電極配線12は、多層構造体18として、互いに接するように、上記順に基板10上に配置されている。   The resistance change memory 1 shown in FIG. 1 includes a substrate 10, a pair of wiring electrodes including a lower wiring electrode 11 and an upper wiring electrode 12, and a resistance change layer 15 sandwiched between the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12. Including. The lower electrode wiring 11, the resistance change layer 15, and the upper electrode wiring 12 are arranged on the substrate 10 in the above order so as to be in contact with each other as the multilayer structure 18.

抵抗変化層15は、同種の金属酸化物からなる抵抗変化部13および分離部14を有している。「同種の金属酸化物」とは、当該酸化物を構成する金属元素が同一であることをいい、同一であるかどうかの判断からは、配線電極などからの拡散などによりごく微量に含まれる金属元素は除く。抵抗変化部13と分離部14とは酸化の状態が異なり、通常、分離部14の方が抵抗変化部13に比べて酸化の度合いが高い。このような抵抗変化層15は、例えば、後述する本発明の製造方法により、具体的には、金属酸化物層を部分的にさらに酸化させることにより、形成できるため、下部配線電極と上部配線電極との交点に抵抗変化層がドット状に配置された従来の抵抗変化型メモリに比べて、メモリ1は生産性に優れる。なお、本発明の製造方法では、金属酸化物層をさらに酸化させた部分が分離部14となり、酸化が抑制された部分が抵抗変化部13となる。   The resistance change layer 15 includes a resistance change portion 13 and a separation portion 14 made of the same kind of metal oxide. “The same kind of metal oxide” means that the metal elements constituting the oxide are the same. From the judgment of whether or not they are the same, the metal contained in a trace amount due to diffusion from the wiring electrode, etc. Excludes elements. The resistance change unit 13 and the separation unit 14 have different oxidation states, and the separation unit 14 usually has a higher degree of oxidation than the resistance change unit 13. Since such a resistance change layer 15 can be formed by, for example, the manufacturing method of the present invention described later, specifically, by further oxidizing the metal oxide layer, the lower wiring electrode and the upper wiring electrode are formed. The memory 1 is more productive than the conventional resistance change memory in which the resistance change layers are arranged in the form of dots at the intersections. In the manufacturing method of the present invention, the portion where the metal oxide layer is further oxidized becomes the separation portion 14, and the portion where the oxidation is suppressed becomes the resistance change portion 13.

抵抗変化部13は、下部配線電極11および上部配線電極12と接合している。抵抗変化部13は、また、電気抵抗値が異なる2以上の状態を有し、下部配線電極11および上部配線電極12を介した駆動電圧(電流)の印加により上記2以上の状態から選ばれる1つの状態から他の状態へと変化する。典型的には、抵抗変化部13は、相対的に高抵抗の状態(状態A)と相対的に低抵抗の状態(状態B)との2つの状態を有し、駆動電圧(電流)の印加により、状態Aから状態Bへ、あるいは、状態Bから状態Aへと変化する。メモリ1では、抵抗変化部13におけるこのような状態に対して、ビットが割り当てられている。   The resistance change portion 13 is joined to the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12. The resistance change section 13 has two or more states having different electric resistance values, and is selected from the two or more states by applying a driving voltage (current) through the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12. Change from one state to another. Typically, the resistance change unit 13 has two states, a relatively high resistance state (state A) and a relatively low resistance state (state B), and applies a drive voltage (current). Thus, the state A changes from the state A to the state B or from the state B to the state A. In the memory 1, bits are assigned to such a state in the resistance change unit 13.

分離部14は、抵抗変化部13よりも電気抵抗値が高く、かつ、抵抗変化部13を囲むように配置されている。ここで「囲む」とは、基板10の主面に垂直な方向から見たときに、抵抗変化部13の側面全体に配置されていることをいう。分離部14により、隣り合う抵抗変化部13間を電気的に分離できるため、当該抵抗変化部13間のクロストークなどの発生を抑制でき、素子の微細化とそれに伴うメモリ1の高集積化の実現がより容易となる。上述したように、本発明の製造方法により形成された分離部14は、金属酸化物層をさらに酸化させて高抵抗化した部分であるため、分離部14は「高抵抗化部」あるいは「高抵抗変質部」であるともいえる。   The separation unit 14 has an electrical resistance value higher than that of the resistance change unit 13 and is disposed so as to surround the resistance change unit 13. Here, “surround” refers to being disposed on the entire side surface of the resistance change portion 13 when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the substrate 10. Since the adjacent resistance change portions 13 can be electrically separated by the separation portion 14, the occurrence of crosstalk between the resistance change portions 13 can be suppressed, and the miniaturization of elements and the high integration of the memory 1 associated therewith can be achieved. Implementation is easier. As described above, since the separation portion 14 formed by the manufacturing method of the present invention is a portion in which the metal oxide layer is further oxidized to increase the resistance, the separation portion 14 is “high resistance portion” or “high resistance”. It can be said that it is a “resistance alteration part”.

図2に、図1のメモリ1をその上方から見た平面図を示す。図2の断面A−Aが図1に相当する。   FIG. 2 shows a plan view of the memory 1 of FIG. 1 as viewed from above. A section AA in FIG. 2 corresponds to FIG.

図1、2に示すように、メモリ1では、下部配線電極11と上部配線電極12とが交差しており、双方の配線電極の交差部に抵抗変化部13が配置されている。本発明のメモリは必ずしもこのような構成を有していなくてもよく、例えば、下部配線電極11と上部配線電極12とが同一の方向に平行に伸びていてもよいが、図1、2に示すようなメモリ1とすることによって、いわゆるX−Y配置がなされたメモリアレイを構築できる。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the memory 1, the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 intersect with each other, and a resistance change portion 13 is disposed at the intersection of both wiring electrodes. The memory of the present invention does not necessarily have such a configuration. For example, the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 may extend in parallel in the same direction. By using the memory 1 as shown, a memory array having a so-called XY arrangement can be constructed.

メモリ1では、また、2以上の下部配線電極11がストライプ状に配置されている。このように本発明のメモリでは、下部配線電極および上部配線電極から選ばれる少なくとも1つが、ストライプ状に2以上配置されていてもよく、この場合、メモリアレイの構築がより容易となる。双方の配線電極がストライプ状に2以上配置されている場合、いわゆるX−Y配置がなされたメモリアレイを構築できる。   In the memory 1, two or more lower wiring electrodes 11 are arranged in a stripe shape. As described above, in the memory of the present invention, at least one selected from the lower wiring electrode and the upper wiring electrode may be arranged in a stripe shape, and in this case, the construction of the memory array becomes easier. When two or more wiring electrodes are arranged in a stripe shape, a memory array having a so-called XY arrangement can be constructed.

抵抗変化部13を構成する金属酸化物の種類は特に限定されず、抵抗変化素子の抵抗変化層として一般的に用いられる金属酸化物であればよい。例えば、遷移金属酸化物であってもよく、より具体的には、酸化鉄、酸化ニッケルおよび酸化銅から選ばれる少なくとも1種であってもよい。分離部14は、上述したように、これらの金属酸化物をさらに酸化させた化合物からなる。   The type of the metal oxide constituting the resistance change portion 13 is not particularly limited as long as it is a metal oxide generally used as a resistance change layer of the resistance change element. For example, it may be a transition metal oxide, and more specifically, may be at least one selected from iron oxide, nickel oxide, and copper oxide. As described above, the separation unit 14 is made of a compound obtained by further oxidizing these metal oxides.

一例として抵抗変化部13および分離部14が酸化鉄からなる場合、抵抗変化部13としての組成は、例えばFe34であり、分離部14としての組成は、例えばFe34+d1(0<d1≦0.5)である。抵抗変化部13および分離部14が酸化ニッケルからなる場合、抵抗変化部13としての組成は、例えばNiO1-d2(0<d2≦0.5)であり、分離部14としての組成は、例えばNiOである。ただし、抵抗変化部13と分離部14との境界付近においては、酸化状態も中間的な値となることがあるため、抵抗変化部13であってもNiO1-d3(0<d3≦0.5、d3<d2)の組成となることがある。抵抗変化部13および分離部14が酸化銅からなる場合、抵抗変化部13としての組成は例えばCuO1-d4(0<d4≦0.75)であり、分離部14としての組成は、例えばCuOである。ただし、抵抗変化部13と分離部14との境界付近においては、酸化状態も中間的な値となることがあるため、抵抗変化部13であってもCuO1-d5(0<d5≦0.75、d5<d4)の組成となることがある。抵抗変化部13および分離部14の組成は、例えば、オージェ電子分光法、X線回折による結晶構造解析、赤外分光法、ラマン分光法などの分析手法により評価すればよい。 For example, when the resistance change portion 13 and the separation portion 14 are made of iron oxide, the composition as the resistance change portion 13 is, for example, Fe 3 O 4 , and the composition as the separation portion 14 is, for example, Fe 3 O 4 + d1 ( 0 <d1 ≦ 0.5). When the resistance change portion 13 and the separation portion 14 are made of nickel oxide, the composition as the resistance change portion 13 is, for example, NiO 1-d2 (0 <d2 ≦ 0.5), and the composition as the separation portion 14 is, for example, NiO. However, in the vicinity of the boundary between the resistance change portion 13 and the separation portion 14, the oxidation state may be an intermediate value, so even in the resistance change portion 13, NiO 1-d3 (0 <d3 ≦ 0. 5, d3 <d2). When the resistance change portion 13 and the separation portion 14 are made of copper oxide, the composition as the resistance change portion 13 is, for example, CuO 1-d4 (0 <d4 ≦ 0.75), and the composition as the separation portion 14 is, for example, CuO It is. However, in the vicinity of the boundary between the resistance change portion 13 and the separation portion 14, the oxidation state may have an intermediate value, so even the resistance change portion 13 is CuO 1-d5 (0 <d5 ≦ 0. 75, d5 <d4). What is necessary is just to evaluate the composition of the resistance change part 13 and the isolation | separation part 14 by analytical methods, such as an Auger electron spectroscopy, the crystal structure analysis by X-ray diffraction, an infrared spectroscopy, a Raman spectroscopy, for example.

分離部14の電気抵抗値は、抵抗変化部13よりも大きければよく、例えば、体積抵抗率にして10Ω・cm以上が好ましい。   The electrical resistance value of the separation part 14 only needs to be larger than that of the resistance change part 13. For example, the volume resistivity is preferably 10 Ω · cm or more.

抵抗変化部13の電気抵抗値は、例えば、体積抵抗率にして、1mΩ・cm〜10Ω・cm程度の範囲が好ましい。   The electric resistance value of the resistance change portion 13 is preferably in the range of, for example, about 1 mΩ · cm to 10 Ω · cm in terms of volume resistivity.

メモリ1では、図2に示すように、上部配線電極12が配線幅の狭小化された括れ部20を有しており、抵抗変化層15における当該括れ部20の下に位置する部分が分離部14からなる。換言すれば、この場合、抵抗変化部13の上には括れ部20は位置しない。このような構造は、例えば、本発明の製造方法において、括れ部20を有する上部配線電極12を形成し、当該括れ部20を利用して、抵抗変化部13と分離部14とを有する抵抗変化層15を形成した場合に形成される。なお、本明細書における配線電極の配線幅とは、基板の主面に垂直な方向から見た配線幅である。   In the memory 1, as shown in FIG. 2, the upper wiring electrode 12 has a constricted portion 20 whose wiring width is narrowed, and a portion of the resistance change layer 15 located under the constricted portion 20 is a separation portion. 14 In other words, in this case, the constricted portion 20 is not positioned on the resistance change portion 13. Such a structure is formed by, for example, forming the upper wiring electrode 12 having the constricted portion 20 in the manufacturing method of the present invention, and using the constricted portion 20 to change the resistance having the resistance changing portion 13 and the separating portion 14. It is formed when the layer 15 is formed. In addition, the wiring width of the wiring electrode in this specification is the wiring width seen from the direction perpendicular to the main surface of the substrate.

括れ部20の配線幅の狭小化の程度は特に限定されないが、例えば、括れ部20の配線幅(図2に示すX1)が、抵抗変化部13との接合部分における上部配線電極12の配線幅(図2に示すX2)の20〜80%程度の範囲であればよい。本発明の製造方法についての説明において後述するが、配線幅X2に対する配線幅X1の狭小化の程度は、配線幅X2の値に応じて調整すればよい。   The degree of narrowing of the wiring width of the constricted portion 20 is not particularly limited. For example, the wiring width of the constricted portion 20 (X1 shown in FIG. 2) is the wiring width of the upper wiring electrode 12 at the joint portion with the resistance change portion 13. It may be in the range of about 20 to 80% of (X2 shown in FIG. 2). As will be described later in the description of the manufacturing method of the present invention, the degree of narrowing of the wiring width X1 with respect to the wiring width X2 may be adjusted according to the value of the wiring width X2.

上部配線電極12の形状は図1、2に示す例に特に限定されず、括れ部20を有していなくてもよいが、本発明の製造方法により抵抗変化型メモリを形成する場合、後述するように、括れ部20を有する上部配線電極12とすることで、抵抗変化部13と分離部14とを有し、かつ、抵抗変化部13が下部配線電極11と上部配線電極12との交差部に位置する抵抗変化層15の形成が容易となる。   The shape of the upper wiring electrode 12 is not particularly limited to the example shown in FIGS. 1 and 2 and may not have the constricted portion 20. However, when a resistance change type memory is formed by the manufacturing method of the present invention, it will be described later. As described above, the upper wiring electrode 12 having the constricted portion 20 has the resistance change portion 13 and the separation portion 14, and the resistance change portion 13 intersects the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12. It is easy to form the resistance change layer 15 positioned at the position.

メモリ1では、隣り合う下部配線電極11の間に絶縁層16が配置されており、当該配線電極同士が電気的に分離されている。   In the memory 1, an insulating layer 16 is disposed between adjacent lower wiring electrodes 11, and the wiring electrodes are electrically separated from each other.

なお図2では、便宜上、抵抗変化部13の形状を矩形状で示しているが、本発明の製造方法によりメモリ1を形成した場合などには、実際にはその角部が丸みを帯びていることがある。   In FIG. 2, for convenience, the shape of the resistance change portion 13 is shown as a rectangular shape. However, when the memory 1 is formed by the manufacturing method of the present invention, the corner portion is actually rounded. Sometimes.

本発明の抵抗変化型メモリでは、下部配線電極11が、配線幅の狭小化された括れ部を有していてもよい。このような構造を有する抵抗変化型メモリの具体例については、後述する。   In the resistance change type memory according to the present invention, the lower wiring electrode 11 may have a constricted portion with a reduced wiring width. A specific example of the resistance change type memory having such a structure will be described later.

本発明の抵抗変化型メモリでは、下部配線電極11と抵抗変化層15と上部配線電極12とを含む多層構造体18が、基板10上に多段に配置されていてもよい。この場合、メモリの多値化がより容易となる。なお、基板側から数えてn段目(nは自然数)に配置された多層構造体の上部配線電極と、n+1段目に配置された多層構造体の下部配線電極とは、必要に応じて、共通化することができる。   In the resistance change memory according to the present invention, the multilayer structure 18 including the lower wiring electrode 11, the resistance change layer 15, and the upper wiring electrode 12 may be arranged on the substrate 10 in multiple stages. In this case, multi-level memory becomes easier. The upper wiring electrode of the multilayer structure arranged at the nth stage (n is a natural number) counted from the substrate side and the lower wiring electrode of the multilayer structure arranged at the (n + 1) th stage, if necessary, Can be shared.

図1において符号2で示される部分は、本発明の抵抗変化素子の一例であるともいえる。即ち、抵抗変化素子2は、基板10と、下部電極に相当する下部配線電極11および上部電極に相当する上部配線電極12からなる一対の電極と、下部配線電極11および上部配線電極12により狭持された抵抗変化層15とを含んでいる。下部配線電極11、抵抗変化層15および上部配線電極12は、多層構造体18として、互いに接するように、上記順に基板10上に配置されている。   1 can be said to be an example of the variable resistance element of the present invention. That is, the resistance change element 2 is sandwiched between the substrate 10, a pair of electrodes including a lower wiring electrode 11 corresponding to the lower electrode and an upper wiring electrode 12 corresponding to the upper electrode, and the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12. The resistance change layer 15 is included. The lower wiring electrode 11, the resistance change layer 15, and the upper wiring electrode 12 are arranged on the substrate 10 in the above order so as to be in contact with each other as the multilayer structure 18.

下部配線電極11および上部配線電極12は、基本的に導電性を有していればよく、例えば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、タンタル(Ta)や、イリジウム−タンタル合金(Ir−Ta)、またはこれらの合金や多層膜、またはこれらの酸化物やスズ添加インジウム酸化物(ITO)など、あるいはTiN(窒化チタン)、TiAlN(窒化チタンアルミニウム)のような窒化物、その他、弗化物、炭化物、硼化物、シリサイドなどによって形成できるものなどからなればよい。   The lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 may basically have conductivity. For example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), titanium (Ti), aluminum (Al) , Copper (Cu), tantalum (Ta), iridium-tantalum alloy (Ir-Ta), or alloys or multilayer films thereof, oxides thereof, tin-doped indium oxide (ITO), or TiN (nitriding) Titanium), nitrides such as TiAlN (titanium aluminum nitride), and other materials that can be formed by fluoride, carbide, boride, silicide, or the like.

基板10は、例えば、Si(シリコン)基板であればよく、この場合、本発明の抵抗変化型メモリと半導体素子との組み合わせが容易となる。基板10における下部配線電極11に接する表面が酸化されていてもよい(基板10の表面に酸化膜が形成されていてもよい)。なお、本明細書では、トランジスタやコンタクトプラグなどを形成した加工済みの基体も、「基板」と称する。   The substrate 10 may be, for example, a Si (silicon) substrate. In this case, the combination of the resistance change type memory of the present invention and the semiconductor element is facilitated. The surface of the substrate 10 in contact with the lower wiring electrode 11 may be oxidized (an oxide film may be formed on the surface of the substrate 10). Note that in this specification, a processed substrate on which a transistor, a contact plug, and the like are formed is also referred to as a “substrate”.

絶縁層16は、隣り合う下部配線電極11同士を電気的に分離できればよく、例えば、SiO2、Al23など、メモリなどの半導体素子の絶縁層に一般的に用いられる材料からなればよい。また、絶縁層16は、レジスト材料のような有機材料であってもよく、この場合、スピナーコーティングなどにより簡便に絶縁層16を形成できるため、凹凸を有する面上に絶縁層16を形成する場合においても、自らの表面が平坦な絶縁層16の形成が容易となる。このような有機材料としては、例えば、ポリイミドが挙げられる。 The insulating layer 16 only needs to be able to electrically isolate adjacent lower wiring electrodes 11 from each other, and may be made of a material generally used for an insulating layer of a semiconductor element such as a memory such as SiO 2 or Al 2 O 3. . The insulating layer 16 may be an organic material such as a resist material. In this case, since the insulating layer 16 can be easily formed by spinner coating or the like, the insulating layer 16 is formed on an uneven surface. In this case, the insulating layer 16 having a flat surface can be easily formed. An example of such an organic material is polyimide.

図3A〜図3Dおよび図4A〜図4Dに、本発明の製造方法の一例を示す。図3A〜図3Dは、それぞれ、図4A〜図4Dの断面A−Aに対応している。   3A to 3D and FIGS. 4A to 4D show an example of the manufacturing method of the present invention. 3A to 3D correspond to the cross section AA of FIGS. 4A to 4D, respectively.

最初に、基板10上に、複数の下部配線電極11をストライプ状に形成する(図3A、図4A)。図3A、図4Aに示す例では、隣り合う下部配線電極11間に絶縁層16が配置されているが、このような構造は、例えば、基板10上に絶縁層16を形成した後に、形成した絶縁層16に下部配線電極11用の溝部を設け、当該溝部に下部配線電極11を埋め込んだ後、その表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化して形成できる。またあるいは、例えば、基板10上に、複数の下部配線電極11をストライプ状に形成した後、基板10および下部配線電極11を含む全体の表面に絶縁層16を堆積させ、ドライエッチング処理、あるいは、CMPとドライエッチング処理との併用などにより形成できる。   First, a plurality of lower wiring electrodes 11 are formed in a stripe shape on the substrate 10 (FIGS. 3A and 4A). In the example shown in FIGS. 3A and 4A, the insulating layer 16 is disposed between the adjacent lower wiring electrodes 11, but such a structure is formed after the insulating layer 16 is formed on the substrate 10, for example. A groove portion for the lower wiring electrode 11 is provided in the insulating layer 16, and after the lower wiring electrode 11 is embedded in the groove portion, the surface thereof can be planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing). Alternatively, for example, after forming the plurality of lower wiring electrodes 11 in a stripe shape on the substrate 10, the insulating layer 16 is deposited on the entire surface including the substrate 10 and the lower wiring electrodes 11, and dry etching treatment, or It can be formed by a combination of CMP and dry etching.

基板10上に形成する下部配線電極11は、メモリとして必要な構成に応じて任意の形態に形成することができ、例えば、1本の下部配線電極11を形成してもよいし、図3A(図4A)のように複数の下部配線電極11を形成する際にも、必ずしもストライプ状としなくてもよい。   The lower wiring electrode 11 formed on the substrate 10 can be formed in an arbitrary form according to a configuration necessary as a memory. For example, one lower wiring electrode 11 may be formed, or FIG. Even when the plurality of lower wiring electrodes 11 are formed as shown in FIG.

次に、下部配線電極11を含む層上に金属酸化物層17を形成する(図3B、図4B)。金属酸化物層17は、電気抵抗値が異なる2以上の状態を有し、駆動電圧または電流の印加により上記2以上の状態から選ばれる1つの状態から他の状態へと変化する層であり、例えば、上述した抵抗変化部13と同様の材料を堆積させて形成すればよい。   Next, a metal oxide layer 17 is formed on the layer including the lower wiring electrode 11 (FIGS. 3B and 4B). The metal oxide layer 17 has two or more states having different electric resistance values, and is a layer that changes from one state selected from the two or more states to another state by application of a driving voltage or current, For example, the same material as that of the resistance change portion 13 described above may be deposited and formed.

次に、金属酸化物層17の表面に、下部配線電極11とともに金属酸化物層17を狭持するように上部配線電極12を部分的に形成する(図3C、図4C:以上、積層工程)。ここで、「金属酸化物層17の表面に上部配線電極12を部分的に形成する」とは、金属酸化物層17の表面全体を被覆しないように上部配線電極12を形成することをいう。このように上部配線電極12を形成することで、後の酸化工程において、上部配線電極12による被覆がないために酸化される部分を分離部14、上部配線電極12の被覆により酸化が抑制される部分を抵抗変化部13とすることができる。このため、上部配線電極12は、メモリとして必要な抵抗変化部13の形状を考慮して金属酸化物層17の表面に形成すればよい。   Next, the upper wiring electrode 12 is partially formed on the surface of the metal oxide layer 17 so as to sandwich the metal oxide layer 17 together with the lower wiring electrode 11 (FIGS. 3C and 4C: above, laminating process). . Here, “partially forming the upper wiring electrode 12 on the surface of the metal oxide layer 17” means that the upper wiring electrode 12 is formed so as not to cover the entire surface of the metal oxide layer 17. By forming the upper wiring electrode 12 in this way, in the subsequent oxidation step, oxidation is suppressed by the separation portion 14 and the upper wiring electrode 12 covering the portion that is oxidized because it is not covered by the upper wiring electrode 12. The portion can be the resistance change portion 13. Therefore, the upper wiring electrode 12 may be formed on the surface of the metal oxide layer 17 in consideration of the shape of the resistance change portion 13 necessary for the memory.

図3C、図4Cに示す例では、下部配線電極11と交差するように上部配線電極12を形成しているが、上部配線電極12は必ずしもこのように形成しなくてもよい。ただし、下部配線電極11と交差するように上部配線電極12を形成した場合、その交差部に抵抗変化部13を形成でき、いわゆるX−Y配置がなされたメモリセルアレイの形成が容易となる。   In the example shown in FIGS. 3C and 4C, the upper wiring electrode 12 is formed so as to intersect the lower wiring electrode 11, but the upper wiring electrode 12 is not necessarily formed in this way. However, when the upper wiring electrode 12 is formed so as to intersect with the lower wiring electrode 11, the resistance change portion 13 can be formed at the intersection, and the formation of the memory cell array having the so-called XY arrangement is facilitated.

次に、上部配線電極12が部分的に形成された金属酸化物層17の表面を酸化雰囲気に置くことにより、金属酸化物層17を、酸化の状態が互いに異なる分離部14および抵抗変化部13を有する抵抗変化層15として(図3D、図4D:酸化工程)、基板10上に、下部配線電極11、抵抗変化層15および上部配線電極12を順に含む多層構造体18が配置された抵抗変化型メモリ1を形成する。   Next, the surface of the metal oxide layer 17 on which the upper wiring electrode 12 is partially formed is placed in an oxidizing atmosphere, so that the metal oxide layer 17 is separated into the separation portion 14 and the resistance change portion 13 having different oxidation states. (FIG. 3D, FIG. 4D: oxidation process) as a resistance change layer 15 having a multilayer structure 18 including a lower wiring electrode 11, a resistance change layer 15, and an upper wiring electrode 12 in this order on a substrate 10. A mold memory 1 is formed.

本発明の製造方法では、メモリ素子ごとにドット状の抵抗変化層を配置するのではなく、積層工程において、下部配線電極11および上部配線電極12により狭持された金属酸化物層17を形成し、酸化工程において、上部配線電極12による金属酸化物層17の表面の被覆を利用して、抵抗変化部13および分離部14を形成するため、素子の微細化およびこれに伴う高集積化が図られた抵抗変化型メモリを生産性よく製造できる。   In the manufacturing method of the present invention, the metal oxide layer 17 sandwiched between the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 is formed in the stacking process instead of arranging the dot-shaped resistance change layer for each memory element. In the oxidation process, the resistance change portion 13 and the separation portion 14 are formed by using the coating of the surface of the metal oxide layer 17 by the upper wiring electrode 12, so that miniaturization of the element and high integration associated therewith can be achieved. The produced resistance change type memory can be manufactured with high productivity.

酸化工程(酸化処理)における酸化雰囲気は特に限定されないが、例えば、酸素、オゾン、酸素プラズマおよび酸素ラジカルから選ばれる少なくとも1種を含む雰囲気であればよい。酸素プラズマおよび酸素ラジカルは、例えば、電子サイクロトロン共鳴(ECR)放電、グロー放電、RF放電、ヘリコン、誘導結合プラズマ(ICP)などの手法により発生させることができる。   The oxidizing atmosphere in the oxidation step (oxidation treatment) is not particularly limited, and may be an atmosphere including at least one selected from oxygen, ozone, oxygen plasma, and oxygen radicals, for example. Oxygen plasma and oxygen radicals can be generated by techniques such as electron cyclotron resonance (ECR) discharge, glow discharge, RF discharge, helicon, inductively coupled plasma (ICP), and the like.

酸化処理の方法は、金属酸化物層17の表面が酸化雰囲気に接触できる限り特に限定されず、例えば、基板10、下部配線電極11、金属酸化物層17および上部配線電極12の全体を、酸化雰囲気にあるチャンバーに収容し、放置すればよい。放置の時間は、酸化雰囲気が有する酸化の強度、金属酸化物層17に対してどの程度の酸化が必要であるかなどに応じて、適宜調整すればよい。酸化処理の温度は0〜500℃程度の範囲で自由に設定できる。   The method of the oxidation treatment is not particularly limited as long as the surface of the metal oxide layer 17 can be in contact with the oxidizing atmosphere. For example, the entire substrate 10, the lower wiring electrode 11, the metal oxide layer 17, and the upper wiring electrode 12 are oxidized. What is necessary is just to accommodate in the chamber in atmosphere and to leave. The standing time may be appropriately adjusted according to the oxidation strength of the oxidizing atmosphere, how much oxidation is necessary for the metal oxide layer 17, and the like. The temperature of the oxidation treatment can be freely set in the range of about 0 to 500 ° C.

基板10上に、上記多層構造体を多段に形成する場合は、酸化処理は、金属酸化物層17を一層積層するごとに行うことが好ましい。即ち、必要な段数に応じて、図3A〜図3D(図4A〜図4D)に示す工程を、その段数分、繰り返すことが好ましい。これは、2以上の金属酸化物層17を形成した後に、一括して酸化処理を行う方法では、各々の金属酸化物層17間における酸化の程度にムラが生じやすいためである。さらに、金属酸化物層17の種類や酸化の方法によっては酸化に時間を要するため、多数ウェハを一括処理するように酸化工程を行うことが、製造プロセス時間を短縮できるため好ましい。特に、低温での酸化を行う際には、この手法が効果的となる。   When the multilayer structure is formed in multiple stages on the substrate 10, the oxidation treatment is preferably performed every time one metal oxide layer 17 is stacked. That is, it is preferable to repeat the steps shown in FIGS. 3A to 3D (FIGS. 4A to 4D) by the number of stages depending on the number of stages required. This is because in the method in which the oxidation treatment is performed after forming two or more metal oxide layers 17, unevenness is likely to occur in the degree of oxidation between the metal oxide layers 17. Furthermore, depending on the type of metal oxide layer 17 and the oxidation method, it takes time to oxidize. Therefore, it is preferable to perform the oxidation step so as to process a large number of wafers at a time because the manufacturing process time can be shortened. This technique is particularly effective when performing oxidation at a low temperature.

図4Cに示す例では、配線幅の狭小化された括れ部20を有する上部配線電極12を形成している。この場合、酸化処理時における酸素の拡散により、金属酸化物層17における括れ部20の下に位置する部分を分離部14とすることができ、抵抗変化部13を囲む分離部14(高抵抗化部、あるいは、高抵抗変質部)の形成がより容易となる。   In the example shown in FIG. 4C, the upper wiring electrode 12 having the constricted portion 20 whose wiring width is narrowed is formed. In this case, due to the diffusion of oxygen during the oxidation treatment, the portion located below the constricted portion 20 in the metal oxide layer 17 can be used as the separation portion 14, and the separation portion 14 (high resistance increase) surrounding the resistance change portion 13. Part or high resistance altered part) becomes easier.

括れ部20を有する上部配線電極12を形成する場合、括れ部の形状、サイズ、配線電極における位置などは特に限定されない。   When the upper wiring electrode 12 having the constricted portion 20 is formed, the shape, size, position in the wiring electrode, etc. of the constricted portion are not particularly limited.

例えば、括れ部20の配線幅X1は特に限定されないが、金属酸化物層17における、酸化処理により抵抗変化部13となる部分上に形成された上部配線電極12の配線幅X2に対して、20〜80%の範囲が好ましい。括れ部20の配線幅X1は、配線幅X2により調整してもよく、例えば、配線幅X2が1μm程度の場合、上部配線電極12の安定的形成およびシート抵抗の観点から、配線幅X2の20%以上が好ましい。   For example, the wiring width X1 of the constricted portion 20 is not particularly limited, but is 20 with respect to the wiring width X2 of the upper wiring electrode 12 formed on the metal oxide layer 17 on the portion that becomes the resistance change portion 13 by the oxidation treatment. A range of ˜80% is preferred. The wiring width X1 of the constricted portion 20 may be adjusted by the wiring width X2. For example, when the wiring width X2 is about 1 μm, the wiring width X2 is 20 from the viewpoint of stable formation of the upper wiring electrode 12 and sheet resistance. % Or more is preferable.

また例えば、上部配線電極12における括れ部20は、図4C、図5Aなどに示すように、配線電極の両側面から対称に切れ込みを設けることにより、当該配線電極の中央部に形成されていてもよく、この場合、図5Aなどに示す位置に抵抗変化部13を形成できるため、配線電極に対する抵抗変化部13の配置パターンの対称性から、配線電極を介する抵抗変化部13への駆動電圧(電流)の印加をより均一に行うことができる。また、図5Bに示すように、括れ部20が、配線電極の両側面から交互に切れ込みを設けることにより、当該配線電極の両端部に交互に形成されていてもよく、この場合、括れ部20を形成するための微細加工のピッチを大きくとることができ、括れ部20の形成が容易となる。また、図5Cに示すように、括れ部20が、配線電極の両側面から交互に切れ込みを設けることにより、当該配線電極の中央部に形成されていてもよく、この場合、切れ込み部分を大きく取ることができるため、配線電極の形成が容易となる。なお、図5A〜図5Cに示す例では、配線電極に設けられた切れ込みの形状は矩形状であるが、当該形状は特に限定されない。   Further, for example, the constricted portion 20 in the upper wiring electrode 12 may be formed in the central portion of the wiring electrode by providing symmetrical cuts from both sides of the wiring electrode as shown in FIGS. 4C and 5A. In this case, since the resistance change portion 13 can be formed at the position shown in FIG. 5A and the like, the driving voltage (current) to the resistance change portion 13 via the wiring electrode is determined from the symmetry of the arrangement pattern of the resistance changing portion 13 with respect to the wiring electrode. ) Can be applied more uniformly. Further, as shown in FIG. 5B, the constricted portions 20 may be alternately formed at both end portions of the wiring electrode by providing cuts alternately from both side surfaces of the wiring electrode. It is possible to increase the pitch of fine processing for forming the constricted portion 20 and to easily form the constricted portion 20. Further, as shown in FIG. 5C, the constricted portion 20 may be formed in the central portion of the wiring electrode by alternately providing cuts from both side surfaces of the wiring electrode. In this case, the cut portion is made large. Therefore, the formation of the wiring electrode is facilitated. In the example shown in FIGS. 5A to 5C, the shape of the cut provided in the wiring electrode is rectangular, but the shape is not particularly limited.

本発明の製造方法では、積層工程において、基板10上に、配線幅の狭小化された括れ部を有する下部配線電極11を形成してもよい。括れ部20を有する上部配線電極12の形成と併用することにより、隣り合う抵抗変化部13間の電気的な分離をより確実にできる。   In the manufacturing method of the present invention, the lower wiring electrode 11 having a constricted portion with a reduced wiring width may be formed on the substrate 10 in the stacking step. By using together with the formation of the upper wiring electrode 12 having the constricted portion 20, the electrical separation between the adjacent resistance change portions 13 can be more reliably performed.

本発明の製造方法において、括れ部を有する下部配線電極11を形成する一例を図6A〜図6Dに示す。   An example of forming the lower wiring electrode 11 having the constricted portion in the manufacturing method of the present invention is shown in FIGS. 6A to 6D.

最初に、基板10上に、括れ部21を有する複数の下部配線電極11をストライプ状に形成する(図6A)。図6Aに示す例では、隣り合う下部配線電極11間に絶縁層16が形成されているが、このような構造は、例えば、基板10上に絶縁層16を形成した後に、形成した絶縁層16に下部配線電極11用の溝部を設け、当該溝部に下部配線電極11を埋め込んだ後、その表面をCMPにより平坦化して形成できる。またあるいは、例えば、基板10上に、複数の下部配線電極11をストライプ状に形成した後、基板10および下部配線電極11を含む全体の表面に絶縁層16を堆積させ、ドライエッチング処理、あるいは、CMPとドライエッチング処理との併用などにより形成することもできる。   First, a plurality of lower wiring electrodes 11 having a constricted portion 21 are formed in a stripe shape on the substrate 10 (FIG. 6A). In the example shown in FIG. 6A, the insulating layer 16 is formed between the adjacent lower wiring electrodes 11. Such a structure has, for example, the insulating layer 16 formed after the insulating layer 16 is formed on the substrate 10. A groove portion for the lower wiring electrode 11 is provided in the groove portion, and after the lower wiring electrode 11 is buried in the groove portion, the surface thereof can be planarized by CMP. Alternatively, for example, after forming the plurality of lower wiring electrodes 11 in a stripe shape on the substrate 10, the insulating layer 16 is deposited on the entire surface including the substrate 10 and the lower wiring electrodes 11, and dry etching treatment, or It can also be formed by a combination of CMP and dry etching.

次に、下部配線電極11を含む層上に金属酸化物層17を形成する(図6B)。   Next, a metal oxide layer 17 is formed on the layer including the lower wiring electrode 11 (FIG. 6B).

次に、金属酸化物層17の表面に、下部配線電極11とともに金属酸化物層17を狭持するように上部配線電極12を部分的に形成する(図6C:以上、積層工程)。図6Cに示す例では、下部配線電極11と上部配線電極12の括れ部20と、ならびに、上部配線電極12と下部配線電極11の括れ部21と、が重複しないように上部配線電極12を形成している。   Next, the upper wiring electrode 12 is partially formed on the surface of the metal oxide layer 17 so as to sandwich the metal oxide layer 17 together with the lower wiring electrode 11 (FIG. 6C: above, laminating process). In the example shown in FIG. 6C, the upper wiring electrode 12 is formed so that the constricted portion 20 of the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 and the constricted portion 21 of the upper wiring electrode 12 and the lower wiring electrode 11 do not overlap. is doing.

次に、上部配線電極12が部分的に形成された金属酸化物層17の表面を酸化雰囲気に置くことにより、金属酸化物層17を、酸化の状態が互いに異なる分離部14および抵抗変化部13を有する抵抗変化層15として(図6D:酸化工程)、基板10上に、下部配線電極11、抵抗変化層15および上部配線電極12を順に含む多層構造体が配置された抵抗変化型メモリ1を形成する。   Next, the surface of the metal oxide layer 17 on which the upper wiring electrode 12 is partially formed is placed in an oxidizing atmosphere, so that the metal oxide layer 17 is separated into the separation portion 14 and the resistance change portion 13 having different oxidation states. A resistance change memory 1 in which a multilayer structure including a lower wiring electrode 11, a resistance change layer 15, and an upper wiring electrode 12 in this order is arranged on a substrate 10 as a resistance change layer 15 having a resistance change layer 15 (FIG. 6D: oxidation step). Form.

金属酸化物層17の表面に上部配線電極12を形成する際に、上部配線電極12の括れ部20と下部配線電極11とが重複するように上部配線電極12を形成してもよく、この場合、図7に示すように、酸化工程により形成される抵抗変化部13の大きさをより微細化することができ、メモリのさらなる高集積化を図ることができる。また、抵抗変化部13の微細化により、メモリ素子としての抵抗値をより高抵抗側に設定することができる。   When the upper wiring electrode 12 is formed on the surface of the metal oxide layer 17, the upper wiring electrode 12 may be formed so that the constricted portion 20 of the upper wiring electrode 12 and the lower wiring electrode 11 overlap. As shown in FIG. 7, the size of the resistance change portion 13 formed by the oxidation process can be further miniaturized, and the memory can be further highly integrated. In addition, the resistance value as the memory element can be set on the higher resistance side by miniaturizing the resistance change portion 13.

駆動電圧または電流は、下部配線電極11および上部配線電極12を介して抵抗変化部13に印加すればよい。駆動電圧(電流)の印加により、抵抗変化部13、即ち抵抗変化素子(メモリ素子)2、は、例えば、相対的に高抵抗である状態Aから相対的に低抵抗である状態Bへと変化するが、変化後の状態は、抵抗変化部13に駆動電圧(電流)が再び印加されるまで保持され、駆動電圧(電流)の印加により、再び変化する。   The driving voltage or current may be applied to the resistance change unit 13 via the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12. By applying the drive voltage (current), the resistance change unit 13, that is, the resistance change element (memory element) 2 changes from a state A having a relatively high resistance to a state B having a relatively low resistance, for example. However, the state after the change is maintained until the drive voltage (current) is applied again to the resistance change unit 13, and is changed again by the application of the drive voltage (current).

このように抵抗変化部13、即ち素子2、では、その電気抵抗値を、新たな駆動電圧(電流)の印加時まで保持できるため、抵抗変化部13(素子2)における上記状態を検出する機構(即ち、電気抵抗値を検出する機構)と組み合わせ、上記各状態に対してビットを割り当てる(例えば、状態Aを「0」、状態Bを「1」)ことにより、不揮発性の抵抗変化型メモリ(2つ以上の抵抗変化部13(素子2)が配列したメモリアレイ)を構築できる。また、このような状態の変化を少なくとも2回以上繰り返して行うことができ、信頼性のある不揮発性ランダムアクセスメモリを構築できる。   As described above, the resistance change unit 13, that is, the element 2 can hold the electric resistance value until a new drive voltage (current) is applied, and thus a mechanism for detecting the state in the resistance change unit 13 (element 2). (Ie, a mechanism for detecting an electrical resistance value) and assigning a bit to each of the above states (for example, state A is “0” and state B is “1”), so that a nonvolatile resistance change memory (A memory array in which two or more resistance change units 13 (elements 2) are arranged) can be constructed. Moreover, such a change in state can be repeated at least twice or more, and a reliable nonvolatile random access memory can be constructed.

駆動電圧または電流は、抵抗変化部13が状態Aにあるときと、状態Bにあるときとの間で必ずしも同一でなくてもよく、その大きさ、極性、流れる方向などは、抵抗変化部13の状態により異なっていてもよい。即ち、本明細書における「駆動電圧または電流」とは、抵抗変化部13がある状態にあるときに、当該状態とは異なる他の状態へ変化できる「電圧または電流」であればよい。   The drive voltage or current does not necessarily have to be the same when the resistance change unit 13 is in the state A and when the resistance change unit 13 is in the state B. It may be different depending on the state. That is, the “drive voltage or current” in this specification may be a “voltage or current” that can change to another state different from the state when the resistance change unit 13 is in the state.

駆動電圧または電流は、パルス状(パルス電圧または電流パルス)であることが好ましい。この場合、構築した抵抗変化型メモリにおける消費電力の低減やスイッチング効率の向上を図ることができる。パルスの形状は、特に限定されず、例えば、正弦波状、矩形波状および三角波状から選ばれる少なくとも1つの形状であればよい。パルスの幅は、通常、数ナノ秒〜数ミリ秒程度の範囲であればよい。   The drive voltage or current is preferably pulsed (pulse voltage or current pulse). In this case, it is possible to reduce power consumption and improve switching efficiency in the constructed resistance change memory. The shape of the pulse is not particularly limited, and may be at least one shape selected from, for example, a sine wave shape, a rectangular wave shape, and a triangular wave shape. The width of the pulse may usually be in the range of several nanoseconds to several milliseconds.

メモリとしての駆動をより簡便に行うためには、パルスの形状が三角波状であることが好ましい。抵抗変化部13の応答をより高速にするためには、パルスの形状が矩形波状であることが好ましく、この場合、数ナノ秒〜数マイクロ秒程度の応答を図ることができる。簡便な駆動、消費電力の低減、および、早い応答速度の並立を図るためには、パルスの形状が、正弦波状、あるいは、矩形波状の立ち上がり部/立ち下がり部を適度なスロープ形状とした台形波状であることが好ましい。正弦波状や台形波状のパルスは、抵抗変化部13の応答速度を、数十ナノ秒〜数百マイクロ秒程度とする場合に適しており、三角波状のパルスは、抵抗変化部13の応答速度を、数十マイクロ秒〜数ミリ秒程度とする場合に適している。   In order to more easily drive the memory, the shape of the pulse is preferably a triangular wave. In order to make the response of the resistance change unit 13 faster, the shape of the pulse is preferably rectangular, and in this case, a response of several nanoseconds to several microseconds can be achieved. In order to achieve simple driving, reduction of power consumption, and parallelization of fast response speed, the pulse shape is a sine wave or a trapezoidal wave with a square wave rising / falling part having an appropriate slope shape It is preferable that A sine wave or trapezoidal pulse is suitable when the response speed of the resistance change unit 13 is about several tens of nanoseconds to several hundreds of microseconds, and a triangular wave pulse has a response speed of the resistance change unit 13. It is suitable for the case of several tens of microseconds to several milliseconds.

抵抗変化部13には電圧を印加することが好ましく、この場合、抵抗変化部13のさらなる微細化や、メモリとしての高集積化がより容易となる。上記状態Aおよび状態Bの2つの状態が存在する抵抗変化部13の場合、下部配線電極11と上部配線電極12との間に電位差を発生させる電位差印加機構を用い、例えば、下部配線電極11の電位に対して上部配線電極12の電位が正となるようなバイアス電圧(正バイアス電圧)を抵抗変化部13に印加することにより、抵抗変化部13を状態Aから状態Bへと変化させ、下部配線電極11の電位に対して上部配線電極12の電位が負となるようなバイアス電圧(負バイアス電圧)を抵抗変化部13に印加することにより(即ち、状態Aから状態Bへの変化時とは極性を反転させた電圧を印加することにより)、抵抗変化部13を状態Bから状態Aへ変化させてもよい。電位差印加機構としては、例えば、パルスジェネレータを用いればよい。   It is preferable to apply a voltage to the resistance change unit 13, and in this case, further miniaturization of the resistance change unit 13 and higher integration as a memory are easier. In the case of the resistance change unit 13 in which the above two states A and B exist, a potential difference application mechanism that generates a potential difference between the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 is used. By applying a bias voltage (positive bias voltage) that makes the potential of the upper wiring electrode 12 positive with respect to the potential, the resistance changing portion 13 is changed from the state A to the state B, and the lower portion By applying a bias voltage (negative bias voltage) that makes the potential of the upper wiring electrode 12 negative with respect to the potential of the wiring electrode 11 (that is, when changing from the state A to the state B) May change the resistance changing portion 13 from the state B to the state A by applying a voltage with the polarity reversed). For example, a pulse generator may be used as the potential difference applying mechanism.

本発明の抵抗変化型メモリは、例えば、図8に示すように、パストランジスタ群41と組み合わせることにより、下部配線電極をビット線(あるいはワード線)、上部配線電極をワード線(あるいはビット線)とする、いわゆるX−Y配置がなされたメモリアレイ51とすることができる。メモリアレイ51では、2以上のビット線42から選ばれる1つのビット線(Bn)と、2以上のワード線43から選ばれる1つのワード線(Wn)とを、パストランジスタ41a、41bにより選択することにより、座標(Bn、Wn)に位置する抵抗変化部13a(メモリ素子2a)を選択し、データの書き込み、消去、読み出しが可能となる。 For example, as shown in FIG. 8, the resistance change type memory according to the present invention is combined with a pass transistor group 41 so that the lower wiring electrode is a bit line (or word line) and the upper wiring electrode is a word line (or bit line). The memory array 51 having a so-called XY arrangement can be obtained. In the memory array 51, one bit line (B n ) selected from two or more bit lines 42 and one word line (W n ) selected from two or more word lines 43 are formed by pass transistors 41a and 41b. By selecting, the resistance change portion 13a (memory element 2a) located at the coordinates (B n , W n ) is selected, and data can be written, erased, and read.

図8に示すメモリアレイ51では、参照抵抗群44が別途配置されている。抵抗変化部からデータを読み出す際、即ち、抵抗変化部の電気抵抗値を検知する際には、参照抵抗群44との差分の検知が好ましく、場合によっては、差動増幅器により信号増幅を行うことが好ましい。図8に示すメモリアレイ51では、選択された抵抗変化部13aにおける電圧Vと、参照抵抗群44における電圧VREFとの差(V−VREF)を読み出すことで、配線抵抗などの負荷抵抗の影響を最小化し、読み出し感度を向上できる。参照抵抗として、メモリセル内の少なくとも1つの抵抗変化部13(素子2)を用いてもよい。 In the memory array 51 shown in FIG. 8, a reference resistor group 44 is separately arranged. When reading data from the resistance change section, that is, when detecting the electric resistance value of the resistance change section, it is preferable to detect a difference from the reference resistance group 44, and in some cases, signal amplification is performed by a differential amplifier. Is preferred. In the memory array 51 shown in FIG. 8, the difference (V−V REF ) between the voltage V in the selected resistance change unit 13a and the voltage V REF in the reference resistance group 44 is read, so that the load resistance such as the wiring resistance is reduced. The influence can be minimized and the read sensitivity can be improved. As the reference resistance, at least one resistance change unit 13 (element 2) in the memory cell may be used.

本発明の抵抗変化型メモリは、また、図9に示すように、ダイオードに代表される整流素子45と組み合わせる、より具体的には、配線電極と抵抗変化部13との間に整流素子45を配置することにより、下部配線電極をビット線(あるいはワード線)、上部配線電極をワード線(あるいはビット線)とする、いわゆるX−Y配置がなされたメモリアレイ52とすることができる。   As shown in FIG. 9, the resistance change type memory according to the present invention is combined with a rectifying element 45 typified by a diode, more specifically, a rectifying element 45 is provided between the wiring electrode and the resistance changing portion 13. By arranging the memory array 52, a so-called XY arrangement in which the lower wiring electrode is a bit line (or word line) and the upper wiring electrode is a word line (or bit line) can be obtained.

図9に示すメモリアレイ52では、ビット線42とワード線43との間に、抵抗変化部13および整流素子45を電気的に直列に接続しているが、この場合、整流素子45を介した回り込みの抵抗成分を低減できる。   In the memory array 52 shown in FIG. 9, the resistance change unit 13 and the rectifier element 45 are electrically connected in series between the bit line 42 and the word line 43, but in this case, the rectifier element 45 is interposed. The wraparound resistance component can be reduced.

整流素子45は、下部配線電極と抵抗変化部13との間に配置されていてもよいし、上部配線電極と抵抗変化部13との間に配置されていてもよい。   The rectifying element 45 may be disposed between the lower wiring electrode and the resistance change unit 13, or may be disposed between the upper wiring electrode and the resistance change unit 13.

整流素子45は、ショットキー型、ダブルショットキー型、P−N接合型、P−I−N接合型、バリスター特性型のいずれでもよいが、強い非線形特性を有する素子、具体的には、印加電圧に応じて駆動電流が非線形に変化する特性を有する素子が好ましく、このような整流素子により、メモリアレイにおける抵抗変化部13の選択性を向上できる。   The rectifying element 45 may be any of a Schottky type, a double Schottky type, a P-N junction type, a P-I-N junction type, and a varistor characteristic type, but an element having strong nonlinear characteristics, specifically, An element having a characteristic that the drive current changes nonlinearly according to the applied voltage is preferable, and the selectivity of the resistance change unit 13 in the memory array can be improved by such a rectifying element.

下部配線電極11、金属酸化物層17および上部配線電極12は、半導体の製造プロセスを応用し、一般的な薄膜形成プロセスおよび微細加工プロセスにより形成すればよい。例えば、パルスレーザーデポジション(PLD)、イオンビームデポジション(IBD)、クラスターイオンビーム、およびRF、DC、電子サイクロトン共鳴(ECR)、ヘリコン、誘導結合プラズマ(ICP)、対向ターゲットなどの各種スパッタリング法、分子線エピタキシャル法(MBE)などの蒸着法、イオンプレーティング法などを用いればよい。これらPVD(Physical Vapor Deposition)法の他に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、メッキ法、MOD(Metal Organic Decomposition)法、あるいは、ゾルゲル法などを用いてもよい。   The lower wiring electrode 11, the metal oxide layer 17, and the upper wiring electrode 12 may be formed by a general thin film forming process and a fine processing process by applying a semiconductor manufacturing process. For example, pulsed laser deposition (PLD), ion beam deposition (IBD), cluster ion beam, and various sputtering such as RF, DC, electron cycloton resonance (ECR), helicon, inductively coupled plasma (ICP), and counter target For example, a vapor deposition method such as molecular beam epitaxy (MBE) or an ion plating method may be used. In addition to these PVD (Physical Vapor Deposition) methods, CVD (Chemical Vapor Deposition) methods, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) methods, plating methods, MOD (Metal Organic Decomposition) methods, or sol-gel methods may also be used. Good.

各層の微細加工には、例えば、半導体製造プロセスや磁性デバイス(GMRやTMRなどの磁気抵抗素子など)製造プロセスに用いられるイオンミリング、RIE(Reactive Ion Etching)、FIB(Focused Ion Beam)などの物理的あるいは化学的エッチング法、および、微細パターン形成のためのステッパー、EB(Electron Beam)法などを用いたフォトリソグラフィー技術を組み合わせて用いればよい。各層の表面の平坦化には、例えば、CMP(Chemical Mechanical Polishing)、クラスター−イオンビームエッチングなどを用いればよい。   For microfabrication of each layer, for example, physical processes such as ion milling, RIE (Reactive Ion Etching), and FIB (Focused Ion Beam) used in semiconductor manufacturing processes and magnetic device (such as magnetoresistive elements such as GMR and TMR) manufacturing processes. A combination of a photolithography technique using a target or chemical etching method, a stepper for forming a fine pattern, an EB (Electron Beam) method, or the like may be used. For planarizing the surface of each layer, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing), cluster-ion beam etching, or the like may be used.

その他、絶縁層16などの微細加工方法および平坦化方法についても同様の方法により形成できる。   In addition, the microfabrication method and the planarization method for the insulating layer 16 and the like can be formed by the same method.

以下、実施例により、本発明をより詳細に説明する。本発明は、以下に示す実施例に限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The present invention is not limited to the examples shown below.

(実施例1)
実施例1では、図1、2に示す抵抗変化型メモリ1を、図3A〜図3D(図4A〜図4D)に示す方法に基づいて作製し、その抵抗変化部13における抵抗変化特性を評価した。
(Example 1)
In Example 1, the resistance change type memory 1 shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured based on the method shown in FIGS. 3A to 3D (FIGS. 4A to 4D), and the resistance change characteristics in the resistance change portion 13 are evaluated. did.

最初に、基板10として、表面に熱酸化膜(SiO2膜)が形成されたSi基板を準備し、当該Si基板上に、密着層としてTa層(厚さ5nm)を形成した後に、Ta層上に、下部配線電極11となるPt層(厚さ100nm)を形成した。 First, a Si substrate having a thermal oxide film (SiO 2 film) formed on the surface is prepared as the substrate 10, and a Ta layer (thickness 5 nm) is formed as an adhesion layer on the Si substrate. A Pt layer (thickness: 100 nm) to be the lower wiring electrode 11 was formed thereon.

次に、上記形成したPt層を、図10に示す配線幅L1が0.8μm、配線間隔L2が0.7μmとなるように、ドライエッチングにより微細加工して、ストライプ状に配列した5本の下部配線電極11とした。   Next, the Pt layer thus formed is finely processed by dry etching so that the wiring width L1 shown in FIG. 10 is 0.8 μm and the wiring interval L2 is 0.7 μm, and the five Pt layers are arranged in stripes. A lower wiring electrode 11 was obtained.

次に、形成した下部配線電極11上を含む全体に、オゾンTEOS(SiO2)からなる絶縁層16を堆積させ、CMPおよびドライエッチングによる平坦化を行った。このとき、CMPによる平坦化を、下部配線電極11の表面が絶縁層16により僅かに覆われた状態まで行った後、ドライエッチングにより、下部配線電極11の表面を露出させて、図3A(図4A)に示す状態とした。このようなドライエッチングを施す処理はエッチバック処理と呼ばれ、この処理により、下部配線電極11表面へのスクラッチ損傷やCMPによるグローバルな段差発生の影響を低減させた。 Next, an insulating layer 16 made of ozone TEOS (SiO 2 ) was deposited on the entire surface including the lower wiring electrode 11 formed, and planarized by CMP and dry etching. At this time, planarization by CMP is performed until the surface of the lower wiring electrode 11 is slightly covered with the insulating layer 16, and then the surface of the lower wiring electrode 11 is exposed by dry etching, so that FIG. The state shown in 4A) was obtained. Such a dry etching process is called an etch back process, and this process reduces the effects of scratch damage to the surface of the lower wiring electrode 11 and the occurrence of global steps due to CMP.

次に、下部配線電極11および絶縁層16上の全体に、金属酸化物層17として酸化鉄層(厚さ50nm)を形成した。酸化鉄層の形成は、Fe34をターゲットとして用い、RFマグネトロンスパッタリング法により、圧力0.1〜10Pa(典型的には2Pa)のアルゴン−酸素混合雰囲気(アルゴン/酸素分圧比=25)下にて、Si基板の温度を20〜400℃(典型的には300℃)とした上で、印加電力をRF100Wとして行った。形成した金属酸化物層17の組成を赤外(IR)分光により別途確認したところ、Fe34からなる相からなることがわかった。 Next, an iron oxide layer (thickness: 50 nm) was formed as the metal oxide layer 17 on the entire lower wiring electrode 11 and the insulating layer 16. The iron oxide layer is formed by using Fe 3 O 4 as a target and by an RF magnetron sputtering method in an argon-oxygen mixed atmosphere (argon / oxygen partial pressure ratio = 25) at a pressure of 0.1 to 10 Pa (typically 2 Pa). Below, the temperature of the Si substrate was set to 20 to 400 ° C. (typically 300 ° C.), and the applied power was set to RF 100 W. When the composition of the formed metal oxide layer 17 was separately confirmed by infrared (IR) spectroscopy, it was found to be composed of a phase composed of Fe 3 O 4 .

次に、形成した金属酸化物層17上に、上部配線電極12となるPt層(厚さ100nm)を形成した。Pt層の形成は、DCマグネトロンスパッタリング法により、圧力0.7Paのアルゴン雰囲気下にて、Si基板の温度を27℃とした上で、印加電力を100Wとして行った。   Next, a Pt layer (thickness: 100 nm) to be the upper wiring electrode 12 was formed on the formed metal oxide layer 17. The Pt layer was formed by DC magnetron sputtering in an argon atmosphere with a pressure of 0.7 Pa, the temperature of the Si substrate being 27 ° C., and an applied power of 100 W.

次に、上記形成したPt層を、図10に示す括れ部20の配線幅X1が0.3μm、配線幅X2が1μm、括れ部20を構成する切れ込みの長さB1が0.5μm、配線幅が狭小化されていない部分の長さB2(括れ部20間の距離ともいえる)が1μmとなるように、ドライエッチングにより微細加工して、括れ部20を各々有する、ストライプ状に配列した5本の上部配線電極12とした(図10では1本のみを示す)。上部配線電極12における括れ部20でない部分の形状は1μm×1μmの正方形である。なお、上部配線電極12は、その長軸方向が、下部配線電極11の長軸方向に直交するように形成した。   Next, in the formed Pt layer, the narrowed portion 20 shown in FIG. 10 has a wiring width X1 of 0.3 μm, a wiring width X2 of 1 μm, a notch length B1 constituting the narrowed portion 20 of 0.5 μm, and a wiring width. 5 which are finely processed by dry etching so as to have a length B2 (which can be said to be a distance between the constricted portions 20) of a portion where the constricted portion is not narrowed is 1 μm, and each of the constricted portions 20 is arranged in a stripe shape. The upper wiring electrode 12 (only one is shown in FIG. 10). The shape of the portion other than the constricted portion 20 in the upper wiring electrode 12 is a square of 1 μm × 1 μm. The upper wiring electrode 12 was formed so that the major axis direction thereof was orthogonal to the major axis direction of the lower wiring electrode 11.

次に、基板10、下部配線電極11、金属酸化物層17および上部配線電極12の積層体全体を、400℃の酸素雰囲気下にて1分放置し、金属酸化物層17を部分的に酸化させることにより抵抗変化部13と分離部14とを有する抵抗変化層15とし、図1、2に示す抵抗変化型メモリ1(サンプル1−1)を作製した。サンプル1−1は、5×5のメモリアレイである。なお、400℃への加熱は、石英管中にてランプヒーターを用いて行った。   Next, the entire laminate of the substrate 10, the lower wiring electrode 11, the metal oxide layer 17 and the upper wiring electrode 12 is left for 1 minute in an oxygen atmosphere at 400 ° C. to partially oxidize the metal oxide layer 17. Thus, the resistance change layer 15 having the resistance change portion 13 and the separation portion 14 was formed, and the resistance change memory 1 (sample 1-1) shown in FIGS. Sample 1-1 is a 5 × 5 memory array. The heating to 400 ° C. was performed using a lamp heater in a quartz tube.

サンプル1−1の作製とは別に、図11に示すように、サンプル1−1の上部配線電極12における括れ部20の一部を削除した構造を有する抵抗変化型メモリ3を作製した。メモリ3の作製は、上部配線電極12の形状を変更した以外は、基本的にサンプル1−1の作製に従った。上部配線電極12aと12bとの間隔D1は、サンプル1−1の長さB1と同様に0.5μmである。   Separately from the production of Sample 1-1, as shown in FIG. 11, a resistance change type memory 3 having a structure in which a part of the constricted portion 20 in the upper wiring electrode 12 of Sample 1-1 was deleted was produced. The production of the memory 3 basically followed the production of the sample 1-1 except that the shape of the upper wiring electrode 12 was changed. The distance D1 between the upper wiring electrodes 12a and 12b is 0.5 μm, similar to the length B1 of the sample 1-1.

酸化処理の前後における上部配線電極12aと12bとの間の電気抵抗値を測定したところ、酸化処理前の時点で2kΩ程度であった電気抵抗値が、酸化処理により50kΩと数十倍になり、酸化処理により形成された抵抗変化部13aと13bとを電気的に分離できることが確かめられた。抵抗変化部13aと13bとの間には、酸化処理によって、当該抵抗変化部よりも電気抵抗値が高い分離部14が形成されていると考えられる。   When the electrical resistance value between the upper wiring electrodes 12a and 12b before and after the oxidation treatment was measured, the electrical resistance value, which was about 2 kΩ before the oxidation treatment, became several tens of times, 50 kΩ, due to the oxidation treatment. It was confirmed that the resistance change portions 13a and 13b formed by the oxidation treatment can be electrically separated. It is considered that a separation portion 14 having an electric resistance value higher than that of the resistance change portion is formed between the resistance change portions 13a and 13b by oxidation treatment.

次に、上記のようにして作製したサンプル1−1の抵抗変化部13に、図12に示すパルス状の駆動電圧を印加して、その抵抗変化比を評価した。評価方法を以下に示す。   Next, a pulse-like drive voltage shown in FIG. 12 was applied to the resistance change portion 13 of Sample 1-1 manufactured as described above, and the resistance change ratio was evaluated. The evaluation method is shown below.

パルスジェネレータを用い、サンプル1−1における1つの上部配線電極と1つの下部配線電極との間に、1.5V(正バイアス電圧)のパルス電圧(パルス幅10ms)および−1.5V(負バイアス電圧)のパルス電圧(パルス幅10ms)を数回交互に印加した後に、図12に示すRESET電圧VRSとして2V(正バイアス電圧)、SET電圧VSEとして−2V(負バイアス電圧、大きさ2V)、READ電圧VREとして0.01V(正バイアス電圧)を印加した(各電圧のパルス幅は100ns)。SET電圧およびRESET電圧を印加した後、READ電圧の印加により読み出した電流値から抵抗変化部13の電気抵抗値を算出し、算出した電気抵抗値の最大値をRMax、最小値をRMinとして、(RMax−RMin)/RMinで示す式より、サンプル1−1における抵抗変化部13の抵抗変化比を求めた。 Using a pulse generator, a pulse voltage of 1.5 V (positive bias voltage) (pulse width 10 ms) and −1.5 V (negative bias) between one upper wiring electrode and one lower wiring electrode in Sample 1-1. Voltage) pulse voltage (pulse width 10 ms) is alternately applied several times, and then the RESET voltage V RS shown in FIG. 12 is 2 V (positive bias voltage) and the SET voltage V SE is −2 V (negative bias voltage, magnitude 2 V). ), 0.01 V (positive bias voltage) was applied as the READ voltage V RE (the pulse width of each voltage was 100 ns). After applying the SET voltage and the RESET voltage, the electric resistance value of the resistance changing unit 13 is calculated from the current value read by applying the READ voltage, and the maximum value of the calculated electric resistance value is R Max and the minimum value is R Min. , (R Max −R Min ) / R Min The resistance change ratio of the resistance change portion 13 in the sample 1-1 was obtained from the equation represented by R Min .

上記評価の結果、サンプル1−1における抵抗変化部13の抵抗変化比は約50倍であり、下部配線電極11、抵抗変化部13および上部配線電極12の多層構造体18が、抵抗変化型のメモリ素子として機能することが確認できた。なお、駆動電圧を印加する配線電極を選択し、当該電圧を印加する抵抗変化部13を変えて同様の評価を行ったところ、全ての抵抗変化部13において、約50倍の抵抗変化比が得られた。   As a result of the evaluation, the resistance change ratio of the resistance change portion 13 in the sample 1-1 is about 50 times, and the multilayer structure 18 of the lower wiring electrode 11, the resistance change portion 13 and the upper wiring electrode 12 is of the resistance change type. It was confirmed that it functions as a memory element. In addition, when the same evaluation was performed by selecting the wiring electrode to which the drive voltage was applied and changing the resistance change portion 13 to which the voltage was applied, the resistance change ratio of about 50 times was obtained in all the resistance change portions 13. It was.

上記評価とは別に、サンプル1−1における抵抗変化部13の抵抗変化比の保持特性、即ち、サンプル1−1のリテンション性能を評価したところ、窒素雰囲気下、85℃の条件において、少なくとも100時間以上経過した後も、初期の抵抗変化比の90%以上を保持していた。   Separately from the above evaluation, when the retention characteristic of the resistance change ratio of the resistance change portion 13 in the sample 1-1, that is, the retention performance of the sample 1-1 was evaluated, it was at least 100 hours under the condition of 85 ° C. in a nitrogen atmosphere. Even after the above, 90% or more of the initial resistance change ratio was maintained.

サンプル1−1の作製とは別に、図13A〜図13Cに示す方法により比較例サンプルA−1を作製し、サンプル1−1と同様の評価を行った。サンプルA−1は、括れ部20を有さない上部配線電極12を形成し、酸化処理を行わなかった以外は、サンプル1−1と同様に作製した。図13Aが、基板10上に、ストライプ状に配列した下部配線電極11を形成した状態を示す図であり、図13Bが、形成した下部配線電極11上に金属酸化物層17を形成した状態を示す図であり、図13Cが、形成した金属酸化物層17上に、括れ部20を有さない上部配線電極12を、下部配線電極11と上部配線電極12とが直交するように形成した状態を示す図である。上部配線電極12の形状を除き、各層の形成は、サンプル1−1と同様に行った。上部配線電極12の配線幅は、1μmとした。   Separately from the preparation of Sample 1-1, Comparative Example Sample A-1 was prepared by the method shown in FIGS. 13A to 13C and evaluated in the same manner as Sample 1-1. Sample A-1 was prepared in the same manner as Sample 1-1 except that the upper wiring electrode 12 without the constricted portion 20 was formed and the oxidation treatment was not performed. FIG. 13A is a diagram illustrating a state in which the lower wiring electrodes 11 arranged in a stripe shape are formed on the substrate 10, and FIG. 13B illustrates a state in which the metal oxide layer 17 is formed on the formed lower wiring electrodes 11. FIG. 13C shows a state in which the upper wiring electrode 12 having no constricted portion 20 is formed on the formed metal oxide layer 17 so that the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 are orthogonal to each other. FIG. Except for the shape of the upper wiring electrode 12, each layer was formed in the same manner as in the sample 1-1. The wiring width of the upper wiring electrode 12 was 1 μm.

サンプルA−1における下部配線電極11と上部配線電極12との間の抵抗変化比を、サンプル1−1における抵抗変化部13の抵抗変化比と同様に評価したところ、約2−3倍であった。サンプルA−1のリテンション性能についても、サンプル1−1と同様に評価したところ、窒素雰囲気下、85℃の条件において、最大0.5時間が経過するまでに、初期の抵抗変化比の50%以下への劣化が発生した。このことは、抵抗変化が、隣り合う抵抗変化部13間を電気的に分離することにより保持されることを示している。   When the resistance change ratio between the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 in Sample A-1 was evaluated in the same manner as the resistance change ratio of the resistance changing portion 13 in Sample 1-1, it was about 2-3 times. It was. The retention performance of Sample A-1 was also evaluated in the same manner as Sample 1-1. As a result, 50% of the initial resistance change ratio was reached until a maximum of 0.5 hours had elapsed under a nitrogen atmosphere at 85 ° C. Degradation to the following occurred. This indicates that the resistance change is held by electrically separating the adjacent resistance change portions 13.

さらに、サンプルA−1に対して、サンプル1−1と同じ条件での酸化処理を施したが、抵抗変化比ならびにリテンション性能ともに改善しなかった。これは、配線電極の配線幅が1μm程度の場合、括れ部20を有さないことで、抵抗変化部13を囲む分離部14が形成できなかった、即ち、隣り合う抵抗変化部13間を電気的に分離できなかったことが原因であると推定される。   Further, the sample A-1 was oxidized under the same conditions as the sample 1-1, but neither the resistance change ratio nor the retention performance was improved. This is because when the wiring width of the wiring electrode is about 1 μm, the separation part 14 surrounding the resistance change part 13 could not be formed by not having the constricted part 20, that is, between adjacent resistance change parts 13. It is presumed that the cause was that it could not be separated.

なお、実施例1では、酸化処理を酸素雰囲気下、400℃の条件で行ったが、処理温度に関して、室温から500℃程度の範囲で同様の結果が得られた。また、400℃より低い温度では、酸素雰囲気に暴露する時間を長くすることが好ましいことがわかった。例えば処理温度が100℃では、酸素雰囲気に約6時間暴露することにより、サンプル1−1と同様の特性が得られることがわかった。   In Example 1, the oxidation treatment was performed under the condition of 400 ° C. in an oxygen atmosphere. Similar results were obtained in the range of room temperature to about 500 ° C. with respect to the treatment temperature. Further, it was found that it is preferable to increase the exposure time to the oxygen atmosphere at a temperature lower than 400 ° C. For example, when the treatment temperature is 100 ° C., it was found that the same characteristics as those of Sample 1-1 can be obtained by exposing to an oxygen atmosphere for about 6 hours.

(実施例2)
実施例2では、図1、2に示す抵抗変化型メモリ1を、酸化処理時の酸化雰囲気をオゾン雰囲気、200℃とし、当該雰囲気下に約30分放置することにより酸化を行った以外は、サンプル1−1と同様にして作製した(5×5のメモリアレイであるサンプル2−1)。サンプル2−1における配線幅X1などの値は、サンプル1−1と全て同様とした。なお、200℃への加熱は、ホットプレート上にサンプルを置くことで行った。
(Example 2)
In Example 2, except that the resistance change type memory 1 shown in FIGS. 1 and 2 was oxidized by leaving the oxidation atmosphere at the time of oxidation treatment at an ozone atmosphere of 200 ° C. and leaving it in the atmosphere for about 30 minutes. It was produced in the same manner as Sample 1-1 (Sample 2-1 which is a 5 × 5 memory array). Values such as the wiring width X1 in sample 2-1 were all the same as in sample 1-1. The heating to 200 ° C. was performed by placing the sample on a hot plate.

また、サンプル2−1の作製とは別に、実施例1と同様にして、図11に示すような、サンプル2−1の上部配線電極12における括れ部20の一部を削除した構造を有する抵抗変化型メモリ3を作製した。上部配線電極12aと12bとの間隔D1は、サンプル2−1の長さB1と同様に0.5μmである。   In addition to the fabrication of Sample 2-1, a resistor having a structure in which a part of the constricted portion 20 in the upper wiring electrode 12 of Sample 2-1 is removed as shown in FIG. The changeable memory 3 was produced. The distance D1 between the upper wiring electrodes 12a and 12b is 0.5 μm, similar to the length B1 of the sample 2-1.

酸化処理の前後における上部配線電極12aと12bとの間の電気抵抗値を測定したところ、酸化処理前の時点で2kΩ程度であった電気抵抗値が、酸化処理により100kΩ程度と数十倍になり、酸化処理により形成された抵抗変化部13aと13bとを電気的に分離できることが確かめられた。また、実施例1の酸素に代えてオゾンを酸化処理に用いることにより、実施例1での酸化処理温度である400℃よりも低い温度条件においても分離層14を確実に形成でき、隣り合う抵抗変化部間(素子間)の分離が可能であることがわかった。   When the electrical resistance value between the upper wiring electrodes 12a and 12b before and after the oxidation treatment was measured, the electrical resistance value, which was about 2 kΩ before the oxidation treatment, became several hundred times as high as about 100 kΩ by the oxidation treatment. It was confirmed that the resistance change portions 13a and 13b formed by the oxidation treatment can be electrically separated. Further, by using ozone for the oxidation treatment instead of the oxygen of Example 1, the separation layer 14 can be reliably formed even under a temperature condition lower than 400 ° C. which is the oxidation treatment temperature in Example 1, and the adjacent resistance It was found that separation between the changing parts (elements) was possible.

同様の結果は、オゾンの代わりにプラズマ酸素(300℃、30分放置)、あるいは、ラジカル酸素(300℃、30分放置)を用いた場合にも得られることがわかった。プラズマ酸素はアッシング装置を、ラジカル酸素はECRビーム装置を用いて発生させた。   Similar results were found to be obtained when plasma oxygen (300 ° C., left for 30 minutes) or radical oxygen (300 ° C., left for 30 minutes) was used instead of ozone. Plasma oxygen was generated using an ashing device, and radical oxygen was generated using an ECR beam device.

上記のようにして作製したサンプル2−1の抵抗変化部13に、実施例1と同様に、図12に示すパルス状の駆動電圧を印加して、その抵抗変化比を評価したところ、約50倍であった。   When the pulse-like drive voltage shown in FIG. 12 was applied to the resistance change portion 13 of the sample 2-1 produced as described above and the resistance change ratio was evaluated in the same manner as in Example 1, the resistance change ratio was about 50. It was twice.

これとは別に、サンプル2−1における抵抗変化部13の抵抗変化比の保持特性、即ち、サンプル2−1のリテンション性能を評価したところ、窒素雰囲気下、85℃の条件において、少なくとも100時間以上経過した後も、初期の抵抗変化比の80%以上を保持していた。   Separately, the retention characteristic of the resistance change ratio of the resistance change portion 13 in the sample 2-1, that is, the retention performance of the sample 2-1, was evaluated. At least 100 hours or more in a nitrogen atmosphere at 85 ° C. Even after the lapse, 80% or more of the initial resistance change ratio was maintained.

(実施例3)
実施例3では、括れ部20を有する上部配線電極12としたときに、当該配線電極の配線幅X2に対する括れ部20の配線幅X1の比率が、抵抗変化型メモリの形成にどのような影響を与えるかについて評価した。
(Example 3)
In Example 3, when the upper wiring electrode 12 having the constricted portion 20 is used, the influence of the ratio of the wiring width X1 of the constricted portion 20 to the wiring width X2 of the wiring electrode on the formation of the resistance change type memory. Evaluated whether to give.

実施例3では、図14Bに示すコンタクトチェーン4を作製し、その抵抗変化部13における抵抗変化特性を評価した。コンタクトチェーン4の構成は、基本的に、配線電極の形状および配置が異なる以外は、図1、2に示す抵抗変化型メモリ1と同様であり、その作製は、基本的に、サンプル1−1の作製と同様の手法により行った。   In Example 3, the contact chain 4 shown in FIG. 14B was produced, and resistance change characteristics in the resistance change portion 13 were evaluated. The configuration of the contact chain 4 is basically the same as that of the resistance change type memory 1 shown in FIGS. 1 and 2 except that the shape and arrangement of the wiring electrodes are different, and its production is basically Sample 1-1. This was performed by the same method as in the production of.

最初に、基板10として、表面に熱酸化膜(SiO2膜)が形成されたSi基板を準備し、当該Si基板上に、密着層としてTa層(厚さ5nm)を形成した後に、Ta層上に、下部配線電極11となるPt層(厚さ100nm)を形成した。 First, a Si substrate having a thermal oxide film (SiO 2 film) formed on the surface is prepared as the substrate 10, and a Ta layer (thickness 5 nm) is formed as an adhesion layer on the Si substrate. A Pt layer (thickness: 100 nm) to be the lower wiring electrode 11 was formed thereon.

次に、上記形成したPt層を、図14Aに示す配線幅L1が0.8μm、配線間隔L3が0.7μmとなるように、ドライエッチングにより微細加工して、長軸方向に直線状に配列した長方形の下部配線電極11とした。   Next, the formed Pt layer is finely processed by dry etching so that the wiring width L1 shown in FIG. 14A is 0.8 μm and the wiring interval L3 is 0.7 μm, and is arranged linearly in the major axis direction. A rectangular lower wiring electrode 11 was obtained.

次に、形成した下部配線電極11を含む全体に、オゾンTEOSからなる絶縁層16を堆積させ、エッチバック処理による平坦化を行い、下部配線電極11の表面を露出させた。   Next, an insulating layer 16 made of ozone TEOS was deposited on the entire surface including the formed lower wiring electrode 11 and planarized by an etch back process to expose the surface of the lower wiring electrode 11.

次に、金属酸化物層17として酸化鉄層(厚さ50nm)を形成し、当該酸化鉄層上に、上部配線電極12となるPt層(厚さ100nm)を形成した。   Next, an iron oxide layer (thickness 50 nm) was formed as the metal oxide layer 17, and a Pt layer (thickness 100 nm) to be the upper wiring electrode 12 was formed on the iron oxide layer.

次に、上記形成したPt層を、図14Aに示す配線幅X2が1μm、括れ部20の配線幅X1が0.1〜1μmの範囲、括れ部20を形成する切れ込みの長さB1が0.5μm、配線幅が狭小化されていない部分の長さB2が1μmとなるように、ドライエッチングにより微細加工して、括れ部20を各々有する、長軸方向に直線上に配列したダンベル状の上部配線電極12とした。なお、上部配線電極12は、図14Aに示すように、その中心軸が、下部配線電極11の中心軸と一致し、隣り合う一対の下部配線電極11のそれぞれと、括れ部20を挟んで対向する配線幅が狭小化されていない一対の部分のそれぞれとが重複するように形成した。   Next, in the formed Pt layer, the wiring width X2 shown in FIG. 14A is 1 μm, the wiring width X1 of the constricted portion 20 is in the range of 0.1 to 1 μm, and the length B1 of the cut forming the constricted portion 20 is 0.00. A dumbbell-shaped upper portion that is finely processed by dry etching so that the length B2 of the portion where the wiring width is not narrowed is 1 μm and has a constricted portion 20 and is linearly arranged in the major axis direction. The wiring electrode 12 was obtained. As shown in FIG. 14A, the central axis of the upper wiring electrode 12 coincides with the central axis of the lower wiring electrode 11 and faces each of a pair of adjacent lower wiring electrodes 11 with the constricted portion 20 interposed therebetween. The wiring width to be formed is formed so as to overlap with each of the pair of portions that are not narrowed.

次に、基板10、下部配線電極11、金属酸化物層17および上部配線電極12の積層体全体を、400℃の酸素雰囲気下にて1分放置し、金属酸化物層17を部分的に酸化させることにより、図14Bに示すコンタクトチェーン4(サンプル3−1)を作製した。下部配線電極11と上部配線電極12との重複部分(基板10の主面に垂直な方向から見た重複部分)に形成した抵抗変化部13の数は25とし、400℃への加熱は、石英管中にてランプヒーターを用いて行った。   Next, the entire laminate of the substrate 10, the lower wiring electrode 11, the metal oxide layer 17 and the upper wiring electrode 12 is left for 1 minute in an oxygen atmosphere at 400 ° C. to partially oxidize the metal oxide layer 17. By doing so, the contact chain 4 (sample 3-1) shown in FIG. 14B was produced. The number of resistance change portions 13 formed in the overlapping portion of the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 (the overlapping portion viewed from the direction perpendicular to the main surface of the substrate 10) is 25, and heating to 400 ° C. is performed by quartz. A lamp heater was used in the tube.

酸化処理前の時点では、金属酸化物層17の電気抵抗値が全体として均一であるために、コンタクトチェーンとしては機能しなかったが、酸化処理により、コンタクトチェーン抵抗が急激に増加することが確認できた。酸化処理により金属酸化物層17の一部が分離部14となり、コンタクトチェーンとして機能するようになったと考えられる。   Before the oxidation treatment, the electric resistance value of the metal oxide layer 17 was uniform as a whole, so it did not function as a contact chain, but it was confirmed that the contact chain resistance increased rapidly due to the oxidation treatment. did it. It is considered that a part of the metal oxide layer 17 became the separation portion 14 due to the oxidation treatment and functioned as a contact chain.

ここで、配線幅X2に対する配線幅X1の比として(X2−X1)/X2を用い、当該比を0%(即ち、括れ部20なし:X1=1μm)から90%(即ち、X1はX2の10%:X1=0.1μm)まで変化させたサンプルを作製し、各サンプルにおける酸化処理前後におけるコンタクトチェーン抵抗の酸化抵抗変化率R/Rinit(Rinitは酸化処理前のコンタクトチェーン抵抗、Rは酸化処理後のコンタクトチェーン抵抗)を求めたところ、図15に示す結果が得られた。 Here, (X2−X1) / X2 is used as the ratio of the wiring width X1 to the wiring width X2, and the ratio is changed from 0% (that is, without the constricted portion 20: X1 = 1 μm) to 90% (that is, X1 is X2). 10%: X1 = 0.1 μm) was prepared, and the oxidation resistance change rate R / R init of the contact chain resistance before and after the oxidation treatment in each sample R / R init (R init is the contact chain resistance before oxidation treatment, R The contact chain resistance after oxidation treatment was obtained, and the results shown in FIG. 15 were obtained.

図15に示すように、(X2−X1)/X2が20%程度から、酸化処理による酸化抵抗変化率R/Rinitの増加が顕著となり、およそ80%程度まで単調に増加した。(X2−X1)/X2が90%では、酸化抵抗変化率R/Rinitが急激に増大し、測定限界を超える結果となった(Rの値で100MΩ以上)。なお、Rinitは、全てのサンプルで約1.2kΩ程度であった。 As shown in FIG. 15, from (X2-X1) / X2 being about 20%, the increase in oxidation resistance change rate R / R init due to the oxidation treatment became remarkable, and increased monotonously to about 80%. When (X2-X1) / X2 was 90%, the oxidation resistance change rate R / Rinit increased rapidly, exceeding the measurement limit (value of R was 100 MΩ or more). R init was about 1.2 kΩ for all samples.

サンプル3−1とは酸化処理条件のみを代えて(酸素雰囲気下、400℃で2分放置)作製したサンプル3−2について、同様の評価を行ったところ、サンプル3−1と同様に、(X2−X1)/X2が20%程度から、酸化処理による酸化抵抗変化率R/Rinitの増加が顕著となり、およそ80%程度まで単調に増加した(80%においてR/Rinitは約103)。(X2−X1)/X2が90%では、酸化抵抗変化率R/Rinitが急激に増大し、測定限界を超える結果となった。 Sample 3-1 was subjected to the same evaluation on sample 3-2 produced by changing only the oxidation treatment conditions (leaving at 400 ° C. for 2 minutes in an oxygen atmosphere). As in sample 3-1, From X2−X1) / X2 of about 20%, the increase in the oxidation resistance change rate R / R init due to the oxidation treatment becomes remarkable, and increases monotonically to about 80% (R / R init is about 10 3 at 80%). ). When (X2-X1) / X2 was 90%, the rate of change in oxidation resistance R / Rinit increased rapidly, exceeding the measurement limit.

上記評価とは別に、サンプル3−1の図14Bに示すB−B断面について、オージェスペクトル(AES)による酸素量の評価を行い、上部配線電極12による被覆が金属酸化物層17の酸化にどのような影響を与えるかを評価した。評価結果を図16に示す。なお、AESは、試料に照射する電子線を絞ることで空間分解能を高くでき、ミクロンサイズあるいはサブミクロンサイズの空間分解能を有する。   Separately from the above evaluation, the oxygen content by the Auger spectrum (AES) is evaluated for the BB cross section shown in FIG. 14B of the sample 3-1, and the coating with the upper wiring electrode 12 is used to oxidize the metal oxide layer 17. It was evaluated whether it would have an impact. The evaluation results are shown in FIG. AES can increase the spatial resolution by narrowing the electron beam irradiated to the sample, and has a spatial resolution of micron size or submicron size.

図16では、上部配線電極12の端部を基準(0)とし、当該基準から上部配線電極12の中心軸の方向を正とするオーバーラップ長(オーバーラップ長が正であれば、上部配線電極12が被覆している部分であることを示す。オーバーラップ長0.5μmが、配線幅X2が1μmである上部配線電極12の中心軸の位置に相当する)に対する酸素量の相対変化をプロットしている。酸素量の相対変化は、酸化処理前における酸素量を基準値として、酸化処理後における酸素量の当該基準値に対する変化量として示した。なお、上部配線電極12により被覆された部分については、深さ方向へのスパッタエッチングを併用して、AESによる評価を行った。   In FIG. 16, the end of the upper wiring electrode 12 is defined as a reference (0), and the overlap length is positive from the reference in the direction of the central axis of the upper wiring electrode 12 (if the overlap length is positive, the upper wiring electrode And plots the relative change in the amount of oxygen with respect to the overlap length of 0.5 μm (corresponding to the position of the central axis of the upper wiring electrode 12 where the wiring width X2 is 1 μm). ing. The relative change in the oxygen amount is shown as the change amount of the oxygen amount after the oxidation treatment with respect to the reference value with the oxygen amount before the oxidation treatment as a reference value. In addition, about the part coat | covered with the upper wiring electrode 12, evaluation by AES was performed using sputter etching to a depth direction together.

評価の結果、図16に示すように、オーバーラップ長、即ち、上部配線電極12の被覆によって酸化の程度が変化しており、本発明の製造方法により、金属酸化物層17から、酸化の程度が異なる抵抗変化部13と分離部14とが形成できることが確認できた。   As a result of the evaluation, as shown in FIG. 16, the degree of oxidation varies depending on the overlap length, that is, the coating of the upper wiring electrode 12, and the degree of oxidation from the metal oxide layer 17 by the manufacturing method of the present invention. It was confirmed that the resistance change portion 13 and the separation portion 14 having different values can be formed.

(実施例4)
実施例4では、金属酸化物層17として、酸化鉄の代わりに酸化銅あるいは酸化ニッケルを用いたこと以外は、サンプル1−1と同様にして、図1、2に示す抵抗変化型メモリ1(酸化銅を用いたサンプル4−1、酸化ニッケルを用いたサンプル4−2)を作製した。サンプル4−1、4−2ともに、サンプル1−1と同様に、5×5のメモリアレイとした。
Example 4
In Example 4, the resistance change type memory 1 (shown in FIGS. 1 and 2) is the same as Sample 1-1 except that copper oxide or nickel oxide is used as the metal oxide layer 17 instead of iron oxide. Sample 4-1 using copper oxide and sample 4-2) using nickel oxide were prepared. Both Samples 4-1 and 4-2 were made into 5 × 5 memory arrays as in Sample 1-1.

サンプル4−1における酸化銅層(厚さ50nm)の形成は、Cu2Oをターゲットとして用い、RFマグネトロンスパッタリング法により、圧力0.1〜10Pa(典型的には2Pa)のアルゴン−酸素混合雰囲気(アルゴン/酸素分圧比=8)下にて、Si基板の温度を20〜400℃(典型的には300℃)とした上で、印加電力をRF100Wとして行った。形成した金属酸化物層17の組成をオージェ分光により別途確認したところ、CuO0.7であった。 Formation of the copper oxide layer (thickness: 50 nm) in Sample 4-1 is an argon-oxygen mixed atmosphere at a pressure of 0.1 to 10 Pa (typically 2 Pa) by RF magnetron sputtering using Cu 2 O as a target. Under (Argon / oxygen partial pressure ratio = 8), the temperature of the Si substrate was set to 20 to 400 ° C. (typically 300 ° C.), and the applied power was set to RF 100 W. When the composition of the formed metal oxide layer 17 was separately confirmed by Auger spectroscopy, it was CuO 0.7 .

また、サンプル4−1の作製とは別に、実施例1と同様にして、図11に示すような、サンプル4−1の上部配線電極12における括れ部20の一部を削除した構造を有する抵抗変化型メモリ3を作製した。上部配線電極12aと12bとの間隔D1は0.5μmである。   In addition to the fabrication of Sample 4-1, a resistor having a structure in which a part of the constricted portion 20 in the upper wiring electrode 12 of Sample 4-1 is removed as shown in FIG. The changeable memory 3 was produced. A distance D1 between the upper wiring electrodes 12a and 12b is 0.5 μm.

酸化処理の前後における上部配線電極12aと12bとの間の電気抵抗値を測定したところ、酸化処理前の時点で20kΩ程度であった電気抵抗値が、酸化処理により800kΩ程度と数十倍になり、酸化処理により形成された抵抗変化部13aと13bとを電気的に分離できることが確かめられた。   When the electrical resistance value between the upper wiring electrodes 12a and 12b before and after the oxidation treatment was measured, the electrical resistance value that was about 20 kΩ before the oxidation treatment was increased to about 800 kΩ and several tens of times by the oxidation treatment. It was confirmed that the resistance change portions 13a and 13b formed by the oxidation treatment can be electrically separated.

上記のようにして作製したサンプル4−1の抵抗変化部13に、実施例1と同様に、図12に示すパルス状の駆動電圧(ただしパルス幅は10μs)を印加して、その抵抗変化比を評価したところ、約103倍であった。 As in Example 1, the pulse-like drive voltage shown in FIG. 12 (however, the pulse width is 10 μs) is applied to the resistance change portion 13 of the sample 4-1 produced as described above, and the resistance change ratio thereof. Was evaluated to be about 10 3 times.

これとは別に、サンプル4−1における抵抗変化部13の抵抗変化比の保持特性、即ち、サンプル4−1のリテンション性能を評価したところ、窒素雰囲気下、85℃の条件において、少なくとも10時間以上経過した後も、初期の抵抗変化比の90%以上を保持していた。   Separately from this, the retention characteristic of the resistance change ratio of the resistance change portion 13 in the sample 4-1, that is, the retention performance of the sample 4-1, was evaluated. At least 10 hours or more in a nitrogen atmosphere at 85 ° C. Even after the lapse, 90% or more of the initial resistance change ratio was maintained.

サンプル4−1の作製とは別に、実施例1の比較例サンプルであるサンプルA−1と同様に比較例サンプルB−1を作製し、サンプル4−1と同様の評価を行った。サンプルB−1は、括れ部20を有さない上部配線電極12を形成し、酸化処理を行わなかった以外は、サンプル4−1と同様に作製した。   Separately from the production of Sample 4-1, Comparative Sample B-1 was produced in the same manner as Sample A-1, which is a Comparative Sample of Example 1, and the same evaluation as Sample 4-1 was performed. Sample B-1 was prepared in the same manner as Sample 4-1, except that the upper wiring electrode 12 without the constricted portion 20 was formed and the oxidation treatment was not performed.

サンプルB−1における下部配線電極11と上部配線電極12との間の抵抗変化比を、サンプル4−1における抵抗変化部13の抵抗変化比と同様に評価したところ、約10倍であった。サンプルB−1のリテンション性能についても、サンプル4−1と同様に評価したところ、窒素雰囲気下、85℃の条件において、最大0.5時間が経過するまでに、初期の抵抗変化比の50%以下への劣化が発生した。   When the resistance change ratio between the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 in Sample B-1 was evaluated in the same manner as the resistance change ratio of the resistance changing portion 13 in Sample 4-1, it was about 10 times. The retention performance of Sample B-1 was also evaluated in the same manner as Sample 4-1. As a result, 50% of the initial resistance change ratio was reached by 0.5 hours at the maximum under the condition of 85 ° C. in a nitrogen atmosphere. Degradation to the following occurred.

サンプル4−2における酸化ニッケル層(厚さ50nm)の形成は、Niをターゲットとして用い、RFマグネトロンスパッタリング法により、圧力0.1〜10Pa(典型的には2Pa)のアルゴン−酸素混合雰囲気(アルゴン/酸素分圧比=10)下にて、Si基板の温度を20〜400℃(典型的には300℃)とした上で、印加電力をRF100Wとして行った。形成した金属酸化物層17の組成をオージェ分光により別途確認したところ、NiO0.8であった。 Formation of the nickel oxide layer (thickness: 50 nm) in Sample 4-2 was performed using an RF magnetron sputtering method using Ni as a target and an argon-oxygen mixed atmosphere (argon) at a pressure of 0.1 to 10 Pa (typically 2 Pa). / Oxygen partial pressure ratio = 10), the temperature of the Si substrate was set to 20 to 400 ° C. (typically 300 ° C.), and the applied power was RF 100 W. When the composition of the formed metal oxide layer 17 was separately confirmed by Auger spectroscopy, it was NiO 0.8 .

また、サンプル4−2の作製とは別に、実施例1と同様にして、図11に示すような、サンプル4−2の上部配線電極12における括れ部20の一部を削除した構造を有する抵抗変化型メモリ3を作製した。上部配線電極12aと12bとの間隔D1は0.5μmである。   In addition to the fabrication of Sample 4-2, a resistor having a structure in which a part of the constricted portion 20 in the upper wiring electrode 12 of Sample 4-2 is deleted as shown in FIG. The changeable memory 3 was produced. A distance D1 between the upper wiring electrodes 12a and 12b is 0.5 μm.

酸化処理の前後における上部配線電極12aと12bとの間の電気抵抗値を測定したところ、酸化処理前の時点で10kΩ程度であった電気抵抗値が、酸化処理により500kΩ程度と数十倍になり、酸化処理により形成された抵抗変化部13aと13bとを電気的に分離できることが確かめられた。   When the electrical resistance value between the upper wiring electrodes 12a and 12b before and after the oxidation treatment was measured, the electrical resistance value, which was about 10 kΩ before the oxidation treatment, became several tens of times as high as about 500 kΩ by the oxidation treatment. It was confirmed that the resistance change portions 13a and 13b formed by the oxidation treatment can be electrically separated.

上記のようにして作製したサンプル4−2の抵抗変化部13に、実施例1と同様に、図12に示すパルス状の駆動電圧(ただしパルス幅は10μs)を印加して、その抵抗変化比を評価したところ、約103倍であった。 As in Example 1, the pulse-like drive voltage shown in FIG. 12 (however, the pulse width is 10 μs) is applied to the resistance change portion 13 of the sample 4-2 manufactured as described above, and the resistance change ratio. Was evaluated to be about 10 3 times.

これとは別に、サンプル4−2における抵抗変化部13の抵抗変化比の保持特性、即ち、サンプル4−2のリテンション性能を評価したところ、窒素雰囲気下、85℃の条件において、少なくとも10時間以上経過した後も、初期の抵抗変化比の90%以上を保持していた。   Separately from this, the retention characteristic of the resistance change ratio of the resistance change portion 13 in the sample 4-2, that is, the retention performance of the sample 4-2 was evaluated, and at least 10 hours or more in a nitrogen atmosphere at 85 ° C. Even after the lapse, 90% or more of the initial resistance change ratio was maintained.

サンプル4−2の作製とは別に、実施例1の比較例サンプルであるサンプルA−1と同様に比較例サンプルB−2を作製し、サンプル4−2と同様の評価を行った。サンプルB−2は、括れ部20を有さない上部配線電極12を形成し、酸化処理を行わなかった以外は、サンプル4−2と同様に作製した。   Separately from the preparation of Sample 4-2, Comparative Sample B-2 was prepared in the same manner as Sample A-1, which is a comparative sample of Example 1, and the same evaluation as Sample 4-2 was performed. Sample B-2 was prepared in the same manner as Sample 4-2, except that the upper wiring electrode 12 without the constricted portion 20 was formed and the oxidation treatment was not performed.

サンプルB−2における下部配線電極11と上部配線電極12との間の抵抗変化比を、サンプル4−2における抵抗変化部13の抵抗変化比と同様に評価したところ、約10倍であった。サンプルB−2のリテンション性能についても、サンプル4−2と同様に評価したところ、窒素雰囲気下、85℃の条件において、最大0.5時間が経過するまでに、初期の抵抗変化比の50%以下への劣化が発生した。   When the resistance change ratio between the lower wiring electrode 11 and the upper wiring electrode 12 in Sample B-2 was evaluated in the same manner as the resistance change ratio of the resistance changing portion 13 in Sample 4-2, it was about 10 times. The retention performance of Sample B-2 was also evaluated in the same manner as Sample 4-2. As a result, 50% of the initial resistance change ratio was reached by 0.5 hours at the maximum in a nitrogen atmosphere and at 85 ° C. Degradation to the following occurred.

(実施例5)
実施例5では、実施例1で作製したサンプル1−1における下部配線電極11、抵抗変化層15および上部配線電極12からなる多層構造体18を、基板10上に3段に配置した抵抗変化型メモリ(サンプル5−1)を作製した。
(Example 5)
In Example 5, the variable resistance type in which the multilayer structure 18 including the lower wiring electrode 11, the resistance change layer 15, and the upper wiring electrode 12 in the sample 1-1 manufactured in Example 1 is arranged on the substrate 10 in three stages. A memory (Sample 5-1) was produced.

サンプル5−1の作製は、サンプル1−1と同様の抵抗変化型メモリを1段目の多層構造体18aとして形成した(図17A)後に、以下のようにして行った。   Sample 5-1 was manufactured as described below after a resistance change type memory similar to that of Sample 1-1 was formed as the first-stage multilayer structure 18a (FIG. 17A).

形成した上部配線電極12上を含む全体に、オゾンTEOSからなる絶縁層16を堆積させ、エッチバック処理による平坦化を行い、上部配線電極12の表面を露出させた。   An insulating layer 16 made of ozone TEOS was deposited on the entire surface including the upper wiring electrode 12 formed, and planarized by an etch back process to expose the surface of the upper wiring electrode 12.

次に、上記1段目の上部配線電極12を2段目の下部配線電極11として、その上に、金属酸化物層17として酸化鉄層(厚さ50nm)を形成し、当該酸化鉄層上に、2段目の上部配線電極12となるPt層(厚さ100nm)を形成した。   Next, an iron oxide layer (thickness: 50 nm) is formed as a metal oxide layer 17 on the first upper wiring electrode 12 as the second lower wiring electrode 11, and the iron oxide layer is formed on the iron oxide layer. A Pt layer (thickness: 100 nm) to be the second upper wiring electrode 12 was formed.

次に、当該Pt層を、1段目の上部配線電極12と同様に微細加工し、2段目の上部配線電極12とした。なお、2段目の上部配線電極12は、1段目の上部配線電極12と直交するように形成した。   Next, the Pt layer was finely processed in the same manner as the upper wiring electrode 12 in the first stage to form the upper wiring electrode 12 in the second stage. The second upper wiring electrode 12 was formed to be orthogonal to the first upper wiring electrode 12.

次に、全体を、400℃の酸素雰囲気下にて1分放置し、金属酸化物層17を部分的に酸化させて抵抗変化層15とし、2段目の多層構造体18bとした(図17B)。   Next, the whole was allowed to stand in an oxygen atmosphere at 400 ° C. for 1 minute, and the metal oxide layer 17 was partially oxidized to form a resistance change layer 15 to form a second-stage multilayer structure 18b (FIG. 17B). ).

次に、2段目の上部配線電極12を3段目の下部配線電極11として、上記と同様の工程を繰り返し、3段目の多層構造体18cを形成してサンプル5−1とした(図17C)。   Next, the second-stage upper wiring electrode 12 was used as the third-stage lower wiring electrode 11, and the same process as described above was repeated to form the third-stage multilayer structure 18c as Sample 5-1 (FIG. 17C). ).

上記のようにして作製したサンプル5−1の抵抗変化部13に、実施例1と同様に、図12に示すパルス状の駆動電圧を印加して、その抵抗変化比を評価したところ、約50倍であった。   When the pulse-like drive voltage shown in FIG. 12 was applied to the resistance change portion 13 of the sample 5-1 produced as described above and the resistance change ratio was evaluated in the same manner as in Example 1, the resistance change ratio was about 50. It was twice.

これとは別に、サンプル5−1における抵抗変化部13の抵抗変化比の保持特性、即ち、サンプル5−1のリテンション特性を評価したところ、窒素雰囲気下、85℃の条件において、少なくとも100時間以上経過した後も、初期の抵抗変化比の60%以上を保持していた。これは、実施例1における比較例サンプルA−1のリテンション特性よりも優れており、本発明の製造方法により多段の抵抗変化型メモリを構築できることが確認できた。   Separately from this, when the retention characteristic of the resistance change ratio of the resistance change unit 13 in the sample 5-1, that is, the retention characteristic of the sample 5-1, was evaluated, it was at least 100 hours or more in a nitrogen atmosphere at 85 ° C. Even after the lapse, 60% or more of the initial resistance change ratio was maintained. This is superior to the retention characteristic of Comparative Sample A-1 in Example 1, and it was confirmed that a multistage resistance change memory can be constructed by the manufacturing method of the present invention.

(実施例6)
実施例6では、図1、2に示す抵抗変化型メモリ1を、上部配線電極12としてPt層の代わりにIr層(厚さ100nm)、TiAlN層(厚さ100nm)またはTiN層(厚さ100nm)を用いた以外は、サンプル1−1と同様にして作製した(Irを用いたサンプル6−1、TiAlNを用いたサンプル6−2、TiNを用いたサンプル6−3)。各サンプルにおける上部配線電極12の配線幅X1、X2などの値は、サンプル1−1と全て同様とした。
(Example 6)
In Example 6, the resistance change type memory 1 shown in FIGS. 1 and 2 is replaced with an Ir layer (thickness 100 nm), a TiAlN layer (thickness 100 nm) or a TiN layer (thickness 100 nm) instead of the Pt layer as the upper wiring electrode 12. (Sample 6-1 using Ir, Sample 6-2 using TiAlN, Sample 6-3 using TiN). The values of the wiring widths X1, X2, etc. of the upper wiring electrode 12 in each sample were all the same as those of the sample 1-1.

Ir層、TiAlN層またはTiN層の形成は、DCマグネトロンスパッタリング法により、圧力0.7Paのアルゴン雰囲気下にて、Si基板の温度を27℃とした上で、印加電力を100Wとして行った。   The Ir layer, TiAlN layer, or TiN layer was formed by DC magnetron sputtering in an argon atmosphere at a pressure of 0.7 Pa, the temperature of the Si substrate being 27 ° C., and an applied power of 100 W.

また、サンプル6−1〜6−3の作製とは別に、実施例1と同様にして、図11に示すような、サンプル6−1〜6−3の各々の上部配線電極12における括れ部20の一部を削除した構造を有する抵抗変化型メモリ3を3種類作製した。   In addition to the manufacture of Samples 6-1 to 6-3, the constricted portion 20 in each upper wiring electrode 12 of Samples 6-1 to 6-3 as shown in FIG. Three types of resistance change type memory 3 having a structure in which a part of the resistance change type memory 3 is deleted are manufactured.

このメモリ3に対して、酸化工程の前後における上部配線電極12aと12bとの間の電気抵抗値を測定したところ、酸化工程の前の時点で2〜5kΩ程度であった電気抵抗値が、酸化工程を経ることにより500kΩ程度と数十倍となり、酸化工程により形成された抵抗変化部13aと13bとを電気的に分離できることが確かめられた。   When the electrical resistance value between the upper wiring electrodes 12a and 12b before and after the oxidation process was measured for the memory 3, the electrical resistance value which was about 2 to 5 kΩ before the oxidation process was It has been confirmed that the resistance change portions 13a and 13b formed by the oxidation process can be electrically separated by passing through the process, which is several tens of times as high as about 500 kΩ.

次に、上記のようにして作製したサンプル6−1〜6−3の抵抗変化部13に、実施例1と同様に、図12に示すパルス状の駆動電圧を印加して、その抵抗変化比を評価したところ、約50倍(サンプル6−1)、約75倍(サンプル6−2)、約30倍(サンプル6−3)であった。評価結果を以下の表1にまとめる。   Next, similarly to Example 1, the pulse-like drive voltage shown in FIG. 12 is applied to the resistance change portions 13 of Samples 6-1 to 6-3 manufactured as described above, and the resistance change ratios are applied. Was about 50 times (Sample 6-1), about 75 times (Sample 6-2), and about 30 times (Sample 6-3). The evaluation results are summarized in Table 1 below.

Figure 2008071786
Figure 2008071786

これとは別に、サンプル6−1〜6−3における抵抗変化部13の抵抗変化比の保持特性、即ち、サンプル6−1〜6−3のリテンション性能を評価したところ、窒素雰囲気下、85℃の条件において、少なくとも100時間以上経過した後も、初期の抵抗変化比の90%以上を保持していた。   Separately from this, when the retention characteristic of the resistance change ratio of the resistance change portion 13 in Samples 6-1 to 6-3, that is, the retention performance of Samples 6-1 to 6-3 was evaluated, 85 ° C. in a nitrogen atmosphere. Under these conditions, 90% or more of the initial resistance change ratio was maintained even after at least 100 hours had elapsed.

これらの結果により、上部配線電極12の材質によらず、本発明の抵抗変化型メモリを作製できることが確認できた。   From these results, it was confirmed that the resistance change type memory of the present invention could be manufactured regardless of the material of the upper wiring electrode 12.

以上説明したように、本発明の抵抗変化型メモリは、生産性に優れるとともに、素子の微細化を実現できる構造を有する。また、本発明の製造方法では、このような抵抗変化型メモリを生産性よく製造できる。   As described above, the resistance change type memory according to the present invention has a structure capable of realizing element miniaturization while being excellent in productivity. Further, according to the manufacturing method of the present invention, such a resistance change type memory can be manufactured with high productivity.

本発明の抵抗変化型メモリは各種の電子デバイスへの応用が可能であり、当該デバイスとして、例えば、情報通信端末などに使用される不揮発性メモリ、スイッチング素子、センサ、画像表示装置などへの応用が考えられる。   The resistance change type memory of the present invention can be applied to various electronic devices. Examples of the device include non-volatile memories used in information communication terminals, switching elements, sensors, image display devices, and the like. Can be considered.

本発明の抵抗変化型メモリの一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the resistance change memory of this invention. 図1に示す抵抗変化型メモリをその上面から見た平面図である。It is the top view which looked at the resistance change type memory shown in FIG. 1 from the upper surface. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリにおける上部配線電極の一例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically an example of the upper wiring electrode in the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリにおける上部配線電極の一例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically an example of the upper wiring electrode in the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリにおける上部配線電極の一例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically an example of the upper wiring electrode in the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリの一例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically an example of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリのメモリアレイとしての構造の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure as a memory array of the resistance change memory of this invention. 本発明の抵抗変化型メモリのメモリアレイとしての構造の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure as a memory array of the resistance change memory of this invention. 実施例において作製した本発明の抵抗変化型メモリサンプルの構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the resistance change type memory sample of this invention produced in the Example. 実施例において作製した本発明の抵抗変化型メモリサンプルの構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the resistance change type memory sample of this invention produced in the Example. 実施例において、本発明の抵抗変化型メモリサンプルに印加した駆動電圧パターンを示す模式図である。In an Example, it is a schematic diagram which shows the drive voltage pattern applied to the resistance change type memory sample of this invention. 実施例において作製した従来の抵抗変化型メモリサンプルの製造方法を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically the manufacturing method of the conventional resistance change type memory sample produced in the Example. 実施例において作製した従来の抵抗変化型メモリサンプルの製造方法を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically the manufacturing method of the conventional resistance change type memory sample produced in the Example. 実施例において作製した従来の抵抗変化型メモリサンプルの製造方法を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically the manufacturing method of the conventional resistance change type memory sample produced in the Example. 実施例において作製したコンタクトチェーンの構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the contact chain produced in the Example. 実施例において作製したコンタクトチェーンの構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the contact chain produced in the Example. 実施例3において評価した、比(X2−X1)/X2と酸化抵抗変化率R/Rinitとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between ratio (X2-X1) / X2 and oxidation resistance change rate R / Rinit evaluated in Example 3. FIG. 実施例3において評価した、オーバーラップ長と酸化工程の前後における酸素量の相対変化との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the overlap length evaluated in Example 3, and the relative change of the oxygen amount before and behind an oxidation process. 実施例において作製した本発明の抵抗変化型メモリサンプルの製造方法を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically the manufacturing method of the resistance change type memory sample of this invention produced in the Example. 実施例において作製した本発明の抵抗変化型メモリサンプルの製造方法を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically the manufacturing method of the resistance change type memory sample of this invention produced in the Example. 実施例において作製した本発明の抵抗変化型メモリサンプルの製造方法を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically the manufacturing method of the resistance change type memory sample of this invention produced in the Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 抵抗変化型メモリ
2、2a 抵抗変化素子(メモリ素子)
3 抵抗変化型メモリ
4 コンタクトチェーン
10 基板
11 下部配線電極
12、12a、12b 上部配線電極
13、13a、13b 抵抗変化部
14 分離部
15 抵抗変化層
16 絶縁層
17 金属酸化物層
18、18a、18b、18c 多層構造体
20 (上部配線電極の)括れ部
21 (下部配線電極の)括れ部
41 パストランジスタ群
41a、41b パストランジスタ
42 ビット線
43 ワード線
44 参照抵抗群
45 整流素子
51 メモリアレイ
52 メモリアレイ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Resistance change type memory 2, 2a Resistance change element (memory element)
3 Resistance change memory 4 Contact chain 10 Substrate 11 Lower wiring electrode 12, 12a, 12b Upper wiring electrode 13, 13a, 13b Resistance changing part 14 Separating part 15 Resistance changing layer 16 Insulating layer 17 Metal oxide layer 18, 18a, 18b 18c Multi-layer structure 20 Constricted portion (of upper wiring electrode) 21 Constricted portion of (lower wiring electrode) 41 Pass transistor group 41a, 41b Pass transistor 42 Bit line 43 Word line 44 Reference resistance group 45 Rectifier element 51 Memory array 52 Memory array

Claims (17)

基板上に、下部配線電極と、上部配線電極と、前記下部配線電極および前記上部配線電極に狭持された抵抗変化層とを有する多層構造体が配置され、
前記抵抗変化層は、
前記下部配線電極および前記上部配線電極と接合し、電気抵抗値が異なる2以上の状態を有し、双方の前記配線電極を介した駆動電圧または電流の印加により前記2以上の状態から選ばれる1つの状態から他の状態へと変化する抵抗変化部と、
前記抵抗変化部よりも電気抵抗値が高く、かつ、前記抵抗変化部を囲む分離部と、を有し、
前記抵抗変化部と前記分離部とは、酸化の状態が異なる同種の金属酸化物からなり、
前記抵抗変化部における前記状態に対してビットが割り当てられている抵抗変化型メモリ。
A multilayer structure having a lower wiring electrode, an upper wiring electrode, and a resistance change layer sandwiched between the lower wiring electrode and the upper wiring electrode is disposed on the substrate,
The resistance change layer includes:
Joined to the lower wiring electrode and the upper wiring electrode, has two or more states having different electric resistance values, and is selected from the two or more states by applying a driving voltage or current through both the wiring electrodes A resistance change section that changes from one state to another,
An electrical resistance value higher than that of the resistance change portion, and a separation portion surrounding the resistance change portion, and
The resistance change portion and the separation portion are made of the same kind of metal oxides having different oxidation states,
A resistance change type memory in which a bit is assigned to the state in the resistance change unit.
前記下部配線電極と前記上部配線電極とが交差しており、
双方の前記配線電極の交差部に、前記抵抗変化部が配置されている請求項1に記載の抵抗変化型メモリ。
The lower wiring electrode and the upper wiring electrode intersect,
The resistance change memory according to claim 1, wherein the resistance change portion is arranged at an intersection of both the wiring electrodes.
前記下部配線電極および前記上部配線電極から選ばれる少なくとも1つが、ストライプ状に2以上配置されている請求項1に記載の抵抗変化型メモリ。   The resistance change type memory according to claim 1, wherein at least one selected from the lower wiring electrode and the upper wiring electrode is arranged in a stripe shape. 前記金属酸化物が、遷移金属酸化物である請求項1に記載の抵抗変化型メモリ。   The resistance change type memory according to claim 1, wherein the metal oxide is a transition metal oxide. 前記金属酸化物が、酸化鉄、酸化ニッケルおよび酸化銅から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載の抵抗変化型メモリ。   The resistance change type memory according to claim 1, wherein the metal oxide is at least one selected from iron oxide, nickel oxide, and copper oxide. 前記上部配線電極が、配線幅の狭小化された括れ部を有し、
前記抵抗変化層における前記括れ部の下に位置する部分が、前記分離部からなる請求項1に記載の抵抗変化型メモリ。
The upper wiring electrode has a constricted portion with a reduced wiring width;
The resistance change type memory according to claim 1, wherein a portion of the resistance change layer located below the constricted portion is formed of the separation portion.
前記括れ部の配線幅が、前記抵抗変化部との接合部分における前記上部配線電極の配線幅の20〜80%の範囲である請求項6に記載の抵抗変化型メモリ。   The resistance change type memory according to claim 6, wherein a wiring width of the constricted portion is in a range of 20 to 80% of a wiring width of the upper wiring electrode at a joint portion with the resistance changing portion. 前記下部配線電極が、配線幅の狭小化された括れ部を有する請求項6に記載の抵抗変化型メモリ。   The resistance change type memory according to claim 6, wherein the lower wiring electrode has a constricted portion whose wiring width is narrowed. 基板上に、前記多層構造体が多段に配置されている請求項1に記載の抵抗変化型メモリ。   The resistance change type memory according to claim 1, wherein the multilayer structure is arranged in multiple stages on a substrate. 基板上に、下部電極と、上部電極と、前記下部電極および前記上部電極に狭持された抵抗変化層とを有する多層構造体が配置され、
前記抵抗変化層は、
前記下部電極および前記上部電極と接合し、電気抵抗値が異なる2以上の状態を有し、双方の前記電極を介した駆動電圧または電流の印加により前記2以上の状態から選ばれる1つの状態から他の状態へと変化する抵抗変化部と、
前記抵抗変化部よりも電気抵抗値が高く、かつ、前記抵抗変化部を囲む分離部と、を有し、
前記抵抗変化部と前記分離部とは、酸化の状態が異なる同種の金属酸化物からなる抵抗変化素子。
A multilayer structure having a lower electrode, an upper electrode, and a resistance change layer sandwiched between the lower electrode and the upper electrode is disposed on the substrate,
The resistance change layer includes:
From one state that is joined to the lower electrode and the upper electrode, has two or more states having different electric resistance values, and is selected from the two or more states by applying a driving voltage or current through both the electrodes. A resistance change section that changes to another state;
An electrical resistance value higher than that of the resistance change portion, and a separation portion surrounding the resistance change portion, and
The resistance change element and the separation part are resistance change elements made of the same kind of metal oxides having different oxidation states.
請求項1に記載の抵抗変化型メモリの製造方法であって、
基板上に下部配線電極および金属酸化物層を順に形成した後に、前記金属酸化物層の表面に上部配線電極を部分的に形成する積層工程と、
前記上部配線電極により部分的に被覆された前記金属酸化物層の表面を酸化雰囲気に置くことにより、前記金属酸化物層を、酸化の状態が互いに異なる分離部および抵抗変化部を有する抵抗変化層とする酸化工程と、を含み、
前記金属酸化物層は、電気抵抗値が異なる2以上の状態を有し、駆動電圧または電流の印加により前記2以上の状態から選ばれる1つの状態から他の状態へと変化する層である、抵抗変化型メモリの製造方法。
It is a manufacturing method of the resistance change type memory according to claim 1,
A stacking step of partially forming an upper wiring electrode on the surface of the metal oxide layer after sequentially forming a lower wiring electrode and a metal oxide layer on the substrate;
By placing the surface of the metal oxide layer partially covered with the upper wiring electrode in an oxidizing atmosphere, the resistance change layer having a separation portion and a resistance change portion having different oxidation states from each other. And an oxidation step
The metal oxide layer has two or more states having different electric resistance values, and is a layer that changes from one state selected from the two or more states to another state by application of a driving voltage or current. Manufacturing method of resistance change type memory.
前記積層工程において、前記下部配線電極と交差するように前記上部配線電極を形成する、請求項11に記載の抵抗変化型メモリの製造方法。   The method of manufacturing a resistance change type memory according to claim 11, wherein in the stacking step, the upper wiring electrode is formed so as to intersect the lower wiring electrode. 前記積層工程において、前記下部配線電極および前記上部配線電極から選ばれる少なくとも1つをストライプ状に2以上形成する、請求項11に記載の抵抗変化型メモリの製造方法。   12. The method of manufacturing a resistance change type memory according to claim 11, wherein in the stacking step, at least one selected from the lower wiring electrode and the upper wiring electrode is formed in a stripe shape. 前記積層工程において、配線幅の狭小化された括れ部を有する前記上部配線電極を形成する、請求項11に記載の抵抗変化型メモリの製造方法。   12. The method of manufacturing a resistance change type memory according to claim 11, wherein in the stacking step, the upper wiring electrode having a constricted portion with a reduced wiring width is formed. 前記酸化工程における酸化雰囲気が、酸素、オゾン、酸素プラズマおよび酸素ラジカルから選ばれる少なくとも1種を含む雰囲気である請求項11に記載の抵抗変化型メモリの製造方法。   12. The method of manufacturing a resistance change type memory according to claim 11, wherein the oxidizing atmosphere in the oxidizing step is an atmosphere containing at least one selected from oxygen, ozone, oxygen plasma, and oxygen radicals. 前記金属酸化物層が、遷移金属酸化物を有する請求項11に記載の抵抗変化型メモリの製造方法。   The method of manufacturing a resistance change memory according to claim 11, wherein the metal oxide layer includes a transition metal oxide. 前記金属酸化物層が、酸化鉄、酸化ニッケルおよび酸化銅から選ばれる少なくとも1種を有する請求項11に記載の抵抗変化型メモリの製造方法。   The method of manufacturing a resistance change memory according to claim 11, wherein the metal oxide layer has at least one selected from iron oxide, nickel oxide, and copper oxide.
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