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JP4552752B2 - Storage element manufacturing method and storage device manufacturing method - Google Patents

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JP4552752B2 JP2005142829A JP2005142829A JP4552752B2 JP 4552752 B2 JP4552752 B2 JP 4552752B2 JP 2005142829 A JP2005142829 A JP 2005142829A JP 2005142829 A JP2005142829 A JP 2005142829A JP 4552752 B2 JP4552752 B2 JP 4552752B2
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  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

本発明は、情報を記録することができる記憶素子の製造方法、及び記憶素子を用いた記憶装置の製造方法に係わる。   The present invention relates to a method for manufacturing a memory element capable of recording information, and a method for manufacturing a memory device using the memory element.

コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のDRAMが広く使用されている。   In information equipment such as a computer, a high-speed and high-density DRAM is widely used as a random access memory.

しかしながら、DRAMは、電子機器に用いられる一般的な論理回路LSIや信号処理と比較して製造プロセスが複雑であるため、製造コストが高くなっている。
また、DRAMは、電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであり、頻繁にリフレッシュ動作、即ち書き込んだ情報(データ)を読み出し、増幅し直して、再度書き込み直す動作を行う必要がある。
However, a DRAM has a higher manufacturing cost because a manufacturing process is more complicated than a general logic circuit LSI or signal processing used in an electronic device.
The DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, and it is necessary to frequently perform a refresh operation, that is, an operation of reading, amplifying, and rewriting the written information (data).

そこで、電源を切っても情報が消えない不揮発性のメモリとして、例えばFeRAM(強誘電体メモリ)やMRAM(磁気記憶素子)等が提案されている。
これらのメモリの場合、電源を供給しなくても書き込んだ情報を長時間保持し続けることが可能になる。
また、これらのメモリの場合、不揮発性とすることにより、リフレッシュ動作を不要にして、その分消費電力を低減することができると考えられる。
Thus, for example, FeRAM (ferroelectric memory), MRAM (magnetic memory element), and the like have been proposed as nonvolatile memories whose information does not disappear even when the power is turned off.
In the case of these memories, it is possible to keep the written information for a long time without supplying power.
In addition, in the case of these memories, it is considered that by making them non-volatile, the refresh operation is unnecessary and the power consumption can be reduced accordingly.

しかしながら、上述の不揮発性のメモリは、各メモリセルを構成するメモリ素子の縮小化に伴い、記憶素子としての特性を確保することが困難になってくる。
このため、デザインルールの限界や製造プロセス上の限界まで素子を縮小化することは難しい。
However, with the above-described nonvolatile memory, it is difficult to ensure characteristics as a memory element as the memory elements constituting each memory cell are reduced.
For this reason, it is difficult to reduce the element to the limit of the design rule and the limit of the manufacturing process.

そこで、縮小化に適した構成のメモリとして、新しいタイプの記憶素子が提案されている。
この記憶素子は、2つの電極の間に、ある金属を含むイオン導電体を挟んだ構造である。
そして、2つの電極のいずれか一方にイオン導電体中に含まれる金属を含ませることにより、2つの電極間に電圧を印加した場合に、電極中に含まれる金属がイオン導電体中にイオンとして拡散するため、これによりイオン導電体の抵抗値或いはキャパシタンス等の電気特性が変化する。
この特性を利用して、メモリデバイスを構成することが可能である(例えば特許文献1、非特許文献1参照)。
Therefore, a new type of storage element has been proposed as a memory having a configuration suitable for downsizing.
This memory element has a structure in which an ionic conductor containing a certain metal is sandwiched between two electrodes.
And by including the metal contained in the ionic conductor in one of the two electrodes, when a voltage is applied between the two electrodes, the metal contained in the electrode becomes an ion in the ionic conductor. Due to the diffusion, this changes the electrical properties such as resistance or capacitance of the ionic conductor.
A memory device can be configured using this characteristic (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

具体的には、イオン導電体はカルコゲナイドと金属との固溶体よりなり、さらに具体的には、AsS,GeS,GeSeにAg,Cu,Znが固溶された材料からなり、2つの電極のいずれか一方の電極には、Ag,Cu,Znを含んでいる(上記特許文献1参照)。   Specifically, the ionic conductor is made of a solid solution of chalcogenide and metal, more specifically, a material in which Ag, Cu, Zn is dissolved in AsS, GeS, GeSe, and one of the two electrodes. One electrode contains Ag, Cu, and Zn (see Patent Document 1).

特表2002−536840号公報Special Table 2002-536840 Publication 日経エレクトロニクス 2003.1.20号(第104頁)Nikkei Electronics 2003.1.20 (page 104)

ところが、上述した記憶素子の構成では、高温環境下或いは長期保存時に低い抵抗の状態に変化してしまう問題がある。
そこで、カルコゲナイドと金属の固溶体に隣接して、酸化物層を固体電解質層として用いる構成が考えられる。
この構成によると、情報の保持特性が大きく向上する。
However, the configuration of the memory element described above has a problem that it changes to a low resistance state in a high temperature environment or during long-term storage.
Therefore, a configuration in which the oxide layer is used as a solid electrolyte layer adjacent to a solid solution of chalcogenide and metal is conceivable.
According to this configuration, the information retention characteristic is greatly improved.

しかしながら、上述した記憶素子の構成では、高温環境下或いは長期保存時に低い抵抗の状態に変化してしまうという、上述したデータ保持特性の問題だけでなく、その他の問題をも生じる。   However, the configuration of the memory element described above causes not only the above-described problem of data retention characteristics that change to a low resistance state in a high-temperature environment or during long-term storage, but also other problems.

例えば、大規模なセルアレイをもつ大容量のメモリを作製する際には、誤記録を防ぐために、高抵抗状態から低抵抗状態へと遷移するいわゆる「書き込み」動作の閾値を、もしくは逆に低抵抗状態から高抵抗状態へと遷移するいわゆる「消去」動作の閾値を、一定範囲内に抑える必要がある。
これらの閾値が、同一の記憶素子でも書き込み・消去の繰り返しによってばらついたり、繰り返すごとに閾値電圧が変化したりする場合や、書き込みの閾値電圧が記憶素子毎に(即ちメモリのメモリセル毎)に異なる等、閾値にばらつきが存在していると、安定なメモリ動作が困難となる。
また、閾値電圧が高すぎる場合には、高速な動作が難しくなったり、メモリセルを選択する選択用のMOSトランジスタの電圧駆動範囲を超えてしまって、動作不能になったりする、等の問題点が存在する。
For example, when manufacturing a large-capacity memory having a large-scale cell array, in order to prevent erroneous recording, a threshold value of a so-called “write” operation for transitioning from a high-resistance state to a low-resistance state or vice versa The threshold value of the so-called “erase” operation for transitioning from the state to the high resistance state needs to be kept within a certain range.
These threshold values vary even in the same memory element due to repeated writing / erasing, or the threshold voltage changes with each repetition, or the threshold voltage for writing is different for each memory element (that is, for each memory cell of the memory). If there are variations in threshold values, such as different values, stable memory operation becomes difficult.
In addition, when the threshold voltage is too high, high-speed operation becomes difficult, or the voltage drive range of the selection MOS transistor for selecting the memory cell is exceeded, and the operation becomes impossible. Exists.

上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の記録及び読み出し及び書き込みにおける閾値電圧等の特性のばらつきを抑制して、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を製造することを可能にする記憶素子の製造方法及び記憶装置の製造方法を提供するものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention makes it possible to manufacture a storage element and a storage device having appropriate characteristics by suppressing variation in characteristics such as threshold voltage in recording, reading, and writing of information. The present invention provides a method for manufacturing a memory element and a method for manufacturing a memory device.

本発明の記憶素子の製造方法は、第1の電極及び第2の電極の間に、記憶用薄膜が挟まれて構成され、この記憶用薄膜が酸化物層を含んで成り、この記憶用薄膜内もしくは記憶用薄膜と接している層に、Ag,Cu,Znから選ばれる、いずれかの元素が含まれていて、記憶用薄膜に、電圧パルスもしくは電流パルスを印加することにより、記憶用薄膜のインピーダンスが変化して、情報の記録が行われる構成である記憶素子を製造する際に、Gd膜を成膜した後、このGd膜を、酸素を含むプラズマに曝すことにより、アモルファスGd酸化膜から成る、酸化物層を形成し、記憶用薄膜の界面を大気に露出させることなく、記憶素子を構成する積層膜を形成するものである。
また本発明の記憶装置の製造方法は、上記記憶素子と、第1の電極側に接続された配線と、第2の電極側に接続された配線とを有し、記憶素子が多数配置されて成る記憶装置を製造する際に、上記本発明の記憶素子の製造方法により記憶素子を作製するものである。
The method for manufacturing a memory element according to the present invention includes a memory thin film sandwiched between a first electrode and a second electrode, the memory thin film including an oxide layer, and the memory thin film. The inner layer or the layer in contact with the memory thin film contains any element selected from Ag, Cu, and Zn. By applying a voltage pulse or a current pulse to the memory thin film, the memory thin film When a memory element having a configuration in which information is recorded by changing the impedance of the Gd film is formed, after the Gd film is formed, the Gd film is exposed to a plasma containing oxygen to thereby form an amorphous Gd oxide film. An oxide layer is formed, and a laminated film constituting the memory element is formed without exposing the interface of the memory thin film to the atmosphere.
A method for manufacturing a memory device according to the present invention includes the memory element, a wiring connected to the first electrode side, and a wiring connected to the second electrode side, and a large number of memory elements are arranged. When manufacturing the memory device, the memory element is manufactured by the method for manufacturing the memory element of the present invention.

本発明の製造方法に係る記憶素子では、第1の電極及び第2の電極の間に、記憶用薄膜が挟まれて構成され、この記憶用薄膜が酸化物層を含んで成り、この記憶用薄膜内もしくは記憶用薄膜と接している層に、Ag,Cu,Znから選ばれる、いずれかの元素が含まれている構成であることにより、記憶用薄膜の抵抗状態が変化することを利用して、情報を記録することが可能になる。   In the memory element according to the manufacturing method of the present invention, a memory thin film is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the memory thin film includes an oxide layer. Utilizing the fact that the resistance state of the memory thin film changes due to the constitution in which any element selected from Ag, Cu, and Zn is contained in the thin film or the layer in contact with the memory thin film Information can be recorded.

具体的には、例えば、一方の電極側に正電位を印加して記憶素子に電圧をかけると、Ag,Cu,Znがイオン化して記憶用薄膜内に拡散し、他方の電極側の部分で電子と結合して析出することにより、或いは、記憶用薄膜中に留まり絶縁膜の不純物準位を形成することによって、記憶用薄膜の抵抗値が低くなり、これにより情報の書き込みを行うことが可能になる。
また、この状態から、一方の電極側に負電位を印加して記憶素子に負電圧をかけると、他方の電極側に析出していたAg,Cu,Znが再びイオン化して、元の状態に戻ることによって記憶用薄膜の抵抗値が元の高い状態に戻り、記憶素子の抵抗値も高くなるので、これにより記録した情報の消去を行うことが可能になる。
Specifically, for example, when a positive potential is applied to one electrode side and a voltage is applied to the memory element, Ag, Cu and Zn are ionized and diffused into the memory thin film, and at the other electrode side part The resistance value of the memory thin film is lowered by being deposited in combination with electrons or by forming an impurity level in the insulating film that remains in the memory thin film, so that information can be written. become.
Further, from this state, when a negative potential is applied to one electrode side and a negative voltage is applied to the memory element, Ag, Cu, Zn deposited on the other electrode side is ionized again to return to the original state. By returning, the resistance value of the memory thin film returns to its original high state, and the resistance value of the memory element also increases, so that the recorded information can be erased.

そして、記憶用薄膜が酸化物層を含んで成ることにより、高抵抗状態の抵抗値を比較的高くすることができる。   And since the memory thin film comprises an oxide layer, the resistance value in the high resistance state can be made relatively high.

上述の本発明の記憶素子の製造方法によれば、記憶用薄膜の界面を大気に露出させることなく、記憶素子を構成する積層膜を形成することにより、酸化物層を含んで成る記憶用薄膜において、界面を大気に露出させた場合に起こる酸化物層の変化を抑制することができる。これにより、記憶用薄膜の酸化物層の不均一性を低減することができる。
そして、本発明に係る記憶素子において、印加電圧によって励起されるイオン化挙動やイオンの動作によって、抵抗値が変化する際の閾値電圧は、酸化物層の厚さや酸化状態に大きく依存することから、記憶用薄膜の酸化物層の不均一性を低減することにより、記憶素子の書き込み及び消去における閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になる。
According to the method for manufacturing a memory element of the present invention described above, the memory thin film including the oxide layer is formed by forming the laminated film constituting the memory element without exposing the interface of the memory thin film to the atmosphere. The change in the oxide layer that occurs when the interface is exposed to the atmosphere can be suppressed. Thereby, the nonuniformity of the oxide layer of the memory thin film can be reduced.
And, in the memory element according to the present invention, the threshold voltage when the resistance value is changed by the ionization behavior excited by the applied voltage and the operation of the ions greatly depends on the thickness and the oxidation state of the oxide layer. By reducing the non-uniformity of the oxide layer of the memory thin film, it is possible to suppress variations in threshold voltage during writing and erasing of the memory element.

上述の本発明によれば、記憶用薄膜の酸化物層の不均一性を低減することにより、記憶素子への書き込み及び消去における閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になることから、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を安定して歩留まり良く製造することができる。
そして、閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になることにより、情報の書き込み及び消去におけるエラーの発生を低減することが可能になるため、安定したメモリ動作が可能な記憶装置を実現することが可能になる。
According to the present invention described above, it is possible to suppress variations in threshold voltage in writing and erasing to the storage element by reducing non-uniformity of the oxide layer of the memory thin film. A memory element and a memory device having characteristics can be manufactured stably and with high yield.
In addition, since it becomes possible to reduce variations in threshold voltage, it is possible to reduce the occurrence of errors in writing and erasing information, so that a storage device capable of stable memory operation can be realized. It becomes possible.

さらに、本発明に係る記憶素子は、通常のMOS論理回路の製造プロセスに用いられる材料や製造方法により、製造することが可能である。
従って、本発明により、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を安いコストで製造することができ、安価な記憶装置を提供することが可能になる。
Furthermore, the memory element according to the present invention can be manufactured by materials and manufacturing methods used in a normal MOS logic circuit manufacturing process.
Therefore, according to the present invention, a storage element and a storage device having appropriate characteristics can be manufactured at a low cost, and an inexpensive storage device can be provided.

本発明の製造方法に係る記憶素子の一形態の概略構成図(断面図)を図1に示す。
この記憶素子10は、例えばシリコン基板1上に下部電極2が形成され、この下部電極2上にAg,Cu,Znを含む層3が形成され、その上に記憶用薄膜4が形成され、この記憶用薄膜4上に上部電極5が形成されて構成されている。
そして、これら各層2,3,4,5の積層膜の周囲に、絶縁層6が埋め込まれている。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of an embodiment of a memory element according to the manufacturing method of the present invention.
In this memory element 10, for example, a lower electrode 2 is formed on a silicon substrate 1, a layer 3 containing Ag, Cu, and Zn is formed on the lower electrode 2, and a memory thin film 4 is formed thereon, An upper electrode 5 is formed on the memory thin film 4.
An insulating layer 6 is embedded around the laminated film of these layers 2, 3, 4, and 5.

下部電極2には、半導体プロセスに用いられる配線材料、例えばTiW,Ti,W,Cu,Al,Mo,Ta、シリサイド等を用いることができる。
この下部電極2に、例えばW膜を用いた場合には、膜厚を例えば10nm〜100nmの範囲にすればよい。
For the lower electrode 2, a wiring material used in a semiconductor process, for example, TiW, Ti, W, Cu, Al, Mo, Ta, silicide, or the like can be used.
For example, when a W film is used for the lower electrode 2, the film thickness may be in the range of 10 nm to 100 nm, for example.

また、下部電極2上の層3には、Ag,Cu,Znの少なくともいずれか、即ち後述するイオン源となる金属元素を含んで構成する。以下、層3をイオン源層3と呼ぶこととする。
イオン源層3は、例えば、Te,Se,Sのカルコゲナイド元素を含有する、GeSbTe,GeTe,GeSe,GeS,SiGeTe,SiGeSbTe等にAg,Cu,Znを加えた組成の膜、Ag膜、Ag合金膜、Cu膜、Cu合金膜、Zn膜、Zn合金膜等を用いて構成することができる。
このイオン源層3に、例えば、GeTeCu膜を用いた場合には、膜厚を例えば5nm〜50nmにすればよい。また、上記の組成の他に後述する酸化層に用いる希土類元素を含む組成、例えばCuGeTeGdとしてもよい。
The layer 3 on the lower electrode 2 includes at least one of Ag, Cu, and Zn, that is, a metal element that serves as an ion source to be described later. Hereinafter, the layer 3 is referred to as an ion source layer 3.
The ion source layer 3 includes, for example, a film having a composition in which Ag, Cu, Zn is added to GeSbTe, GeTe, GeSe, GeS, SiGeTe, SiGeSbTe, or the like containing a chalcogenide element of Te, Se, or S, an Ag film, or an Ag alloy. A film, a Cu film, a Cu alloy film, a Zn film, a Zn alloy film, or the like can be used.
For example, when a GeTeCu film is used for the ion source layer 3, the film thickness may be set to 5 nm to 50 nm, for example. Moreover, it is good also as a composition containing the rare earth elements used for the oxide layer mentioned later other than said composition, for example, CuGeTeGd.

さらに、イオン源層3は、上記のカルコゲナイド元素の層と必要なイオン源となる元素を補填する層との積層構造にしてもよい。例えば、Ag,Cu,Znの補填層を設ける場合には、膜厚を例えば2nm〜30nmにすればよい。   Further, the ion source layer 3 may have a laminated structure of the chalcogenide element layer and a layer that supplements an element serving as a necessary ion source. For example, when an Ag, Cu, Zn filling layer is provided, the film thickness may be 2 nm to 30 nm, for example.

記憶用薄膜4は、希土類元素のうち、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Yから選ばれる、1種類、もしくは、複数種類の希土類元素の酸化物からなる薄膜(以下希土類酸化物薄膜と示す)を用いる。
この希土類酸化物薄膜4は、通常絶縁材料であるため、例えば膜厚0.5nm〜3nmと薄くして、電流を流すことができるようにする。
希土類酸化物薄膜4における酸素の組成は、通常は希土類元素(RE)に対してREという組成を形成するが、ここでは、アモルファス膜であって、半導体領域の導電率以下の電気的性質を有していれば充分であるので、必ずしも、このような組成に限定されず、例えば、REOx(0.5<x≦1.5)でも構わない。
The memory thin film 4 is one or more kinds of rare earth elements selected from La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, and Y among rare earth elements. A thin film made of the above oxide (hereinafter referred to as a rare earth oxide thin film) is used.
Since this rare earth oxide thin film 4 is usually an insulating material, it is thinned to a thickness of 0.5 nm to 3 nm, for example, so that a current can flow.
The composition of oxygen in the rare earth oxide thin film 4 is usually an RE 2 O 3 composition with respect to the rare earth element (RE). Here, the composition is an amorphous film having an electrical conductivity lower than the conductivity of the semiconductor region. Since it is sufficient if it has properties, it is not necessarily limited to such a composition. For example, REOx (0.5 <x ≦ 1.5) may be used.

また、希土類酸化物薄膜4には、例えば、Ge,Si,Te,S,Se,Sb,Ti,W,Cu,Ag,Zn,Fe,Co,P,N,H等の、希土類元素以外の元素が予め含有されていても構わない。   Further, the rare earth oxide thin film 4 includes, for example, Ge, Si, Te, S, Se, Sb, Ti, W, Cu, Ag, Zn, Fe, Co, P, N, H, and the like other than rare earth elements. An element may be contained in advance.

上述した材料から成る希土類酸化物薄膜4は、電圧パルス或いは電流パルスが印加されることにより、インピーダンスが変化する特性を有する。   The rare earth oxide thin film 4 made of the above-described material has a characteristic that the impedance changes when a voltage pulse or a current pulse is applied.

上部電極5には、下部電極2と同様に、通常の半導体配線材料が用いられる。
絶縁層6には、例えばハードキュア処理されたフォトレジスト、半導体装置に一般的に用いられるSiOやSi、その他の材料、例えばSiON,SiOF,Al,Ta,HfO,ZrO等の無機材料、フッ素系有機材料、芳香族系有機材料等を用いることができる。
As with the lower electrode 2, a normal semiconductor wiring material is used for the upper electrode 5.
The insulating layer 6 includes, for example, a hard-cured photoresist, SiO 2 or Si 3 N 4 commonly used in semiconductor devices, and other materials such as SiON, SiOF, Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Inorganic materials such as HfO 2 and ZrO 2 , fluorine organic materials, aromatic organic materials, and the like can be used.

この記憶素子10は、次のように動作させて、情報の記憶を行うことができる。   The storage element 10 can be operated as follows to store information.

まず、Ag,Cu,Znが含まれたイオン源層3に、例えば正電位(+電位)を印加して、上部電極5側が負になるように、記憶素子10に対して正電圧を印加する。これにより、イオン源層3からAg,Cu,Znがイオン化して、希土類酸化物薄膜4内を拡散していき、上部電極5側で電子と結合して析出する、或いは、希土類酸化物薄膜4内部に拡散した状態で留まる。
すると、希土類酸化物薄膜4内部にAg,Cu,Znを多量に含む電流パスが形成される、もしくは、希土類酸化物薄膜4内部にAg,Cu,Znによる欠陥が多数形成されることによって、希土類酸化物薄膜4の抵抗値が低くなる。希土類酸化物薄膜4以外の各層は、希土類酸化物薄膜4の記録前の抵抗値に比べて、元々抵抗値が低いので、希土類酸化物薄膜4の抵抗値を低くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も低くすることができる。
First, for example, a positive potential (+ potential) is applied to the ion source layer 3 containing Ag, Cu, and Zn, and a positive voltage is applied to the memory element 10 so that the upper electrode 5 side becomes negative. . As a result, Ag, Cu, Zn is ionized from the ion source layer 3 and diffuses in the rare earth oxide thin film 4, and is combined with electrons on the upper electrode 5 side to be deposited, or the rare earth oxide thin film 4 It stays diffused inside.
Then, a current path containing a large amount of Ag, Cu, Zn is formed inside the rare earth oxide thin film 4 or a large number of defects due to Ag, Cu, Zn are formed inside the rare earth oxide thin film 4, thereby The resistance value of the oxide thin film 4 becomes low. Each layer other than the rare earth oxide thin film 4 originally has a lower resistance value than the resistance value of the rare earth oxide thin film 4 before recording. The resistance value can also be lowered.

その後、正電圧を除去して、記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗値が低くなった状態で保持される。これにより、情報を記録することが可能になる。一度だけ記録が可能な記憶装置、いわゆる、PROMに用いる場合には、前記の記録過程のみで記録は完結する。   After that, when the positive voltage is removed and the voltage applied to the memory element 10 is eliminated, the resistance value is kept low. This makes it possible to record information. When used in a storage device that can be recorded only once, so-called PROM, the recording is completed only by the recording process.

一方、消去が可能な記憶装置、いわゆる、RAM或いはEEPROM等への応用には消去過程が必要であるが、消去過程においては、Ag,Cu,Znが含まれたイオン源層3に、例えば負電位(−電位)を印加して、上部電極5側が正になるように、記憶素子10に対して負電圧を印加する。これにより、希土類酸化物薄膜4内に形成されていた電流パス或いは不純物準位を構成するAg,Cu,Znがイオン化して、希土類酸化物薄膜4内を移動してイオン源層3側に戻る。
すると、希土類酸化物薄膜4内からAg,Cu,Znによる電流パス、もしくは、欠陥が消滅して、希土類酸化物薄膜4の抵抗値が高くなる。希土類酸化物薄膜4以外の各層は元々抵抗値が低いので、希土類酸化物薄膜4の抵抗値を高くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も高くすることができる。
その後、負電圧を除去して、記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗値が高くなった状態で保持される。これにより、記録された情報を消去することが可能になる。
On the other hand, an erasing process is necessary for application to an erasable storage device, so-called RAM or EEPROM. In the erasing process, the ion source layer 3 containing Ag, Cu, Zn, for example, is negatively charged. A negative voltage is applied to the memory element 10 by applying a potential (−potential) so that the upper electrode 5 side becomes positive. As a result, Ag, Cu, Zn constituting the current path or impurity level formed in the rare earth oxide thin film 4 is ionized, moves in the rare earth oxide thin film 4, and returns to the ion source layer 3 side. .
Then, current paths or defects due to Ag, Cu, and Zn disappear from the rare earth oxide thin film 4, and the resistance value of the rare earth oxide thin film 4 increases. Since each layer other than the rare earth oxide thin film 4 originally has a low resistance value, by increasing the resistance value of the rare earth oxide thin film 4, the resistance value of the entire memory element 10 can also be increased.
After that, when the negative voltage is removed and the voltage applied to the memory element 10 is eliminated, the resistance value is kept high. As a result, the recorded information can be erased.

このような過程を繰り返すことにより、記憶素子10に情報の記録(書き込み)と記録された情報の消去を繰り返し行うことができる。   By repeating such a process, it is possible to repeatedly record (write) information on the storage element 10 and erase the recorded information.

そして、例えば、抵抗値の高い状態を「0」の情報に、抵抗値の低い状態を「1」の情報に、それぞれ対応させると、正電圧の印加による情報の記録過程で「0」から「1」に変え、負電圧の印加による情報の消去過程で「1」から「0」に変えることができる。   For example, if a state with a high resistance value is associated with information “0” and a state with a low resistance value is associated with information “1”, the information recording process by applying a positive voltage changes from “0” to “ It can be changed from “1” to “0” in the process of erasing information by applying a negative voltage.

なお、希土類酸化物薄膜4は、記録前の初期状態及び消去後の状態において、高い抵抗値を示す材料がよい。   The rare earth oxide thin film 4 is preferably made of a material that exhibits a high resistance value in an initial state before recording and a state after erasing.

記録後の抵抗値は、記憶素子10のセルサイズ及び希土類酸化物薄膜4の材料組成よりも、記録時に印加される電圧パルス或いは電流パルスの幅や電流量等の記録条件に依存し、初期抵抗値が100kΩ以上の場合には、およそ50Ω〜50kΩの範囲となる。
記録されたデータを復調するためには、初期の抵抗値と記録後の抵抗値との比が、およそ、2倍以上であれば充分であるので、記録前の抵抗値が100Ωで、記録後の抵抗値が50Ω、或いは、記録前の抵抗値が100kΩ、記録後の抵抗値が50kΩといった状況であれば充分であり、希土類酸化物薄膜4の初期の抵抗値はそのような条件を満たすように設定される。希土類酸化物薄膜4の抵抗値は、例えば、酸素濃度、膜厚、面積、さらには、不純物材料の添加によって調整することが可能である。
The resistance value after recording depends on the recording conditions such as the voltage pulse or current pulse width and current amount applied during recording rather than the cell size of the memory element 10 and the material composition of the rare earth oxide thin film 4, and the initial resistance. When the value is 100 kΩ or more, the range is approximately 50Ω to 50 kΩ.
In order to demodulate the recorded data, it is sufficient that the ratio of the initial resistance value and the resistance value after recording is approximately twice or more. Therefore, the resistance value before recording is 100Ω, and after recording, It is sufficient if the resistance value is 50 Ω, or the resistance value before recording is 100 kΩ and the resistance value after recording is 50 kΩ, and the initial resistance value of the rare earth oxide thin film 4 satisfies such a condition. Set to The resistance value of the rare earth oxide thin film 4 can be adjusted by, for example, oxygen concentration, film thickness, area, and addition of impurity materials.

上述の形態の記憶素子10の構成によれば、下部電極2と上部電極6との間に、Ag,Cu,Znを含むイオン源層3と、酸素と希土類元素より成る希土類酸化物薄膜4とが挟まれた構成とすることにより、例えば、Ag,Cu,Znを含むイオン源層3側に正電圧(+電位)を印加して、上部電極5側が負になるようにした場合に、希土類酸化物薄膜4内に、Ag,Cu,Znを多量に含む電流パスが形成されて、或いは希土類酸化物薄膜4内に、Ag,Cu,Znによる欠陥が多数形成されることによって、希土類酸化物薄膜4の抵抗値が低くなり、記憶素子10全体の抵抗値が低くなる。そして、正電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が低くなった状態が保持され、情報を記録することが可能になる。このような構成は、例えばPROM等の一度だけ記録が可能な記憶装置に用いることができる。   According to the configuration of the memory element 10 of the above-described form, the ion source layer 3 containing Ag, Cu, and Zn, the rare earth oxide thin film 4 made of oxygen and rare earth elements are provided between the lower electrode 2 and the upper electrode 6. For example, when a positive voltage (+ potential) is applied to the ion source layer 3 side containing Ag, Cu, and Zn so that the upper electrode 5 side becomes negative, the rare earth element By forming a current path containing a large amount of Ag, Cu, Zn in the oxide thin film 4 or by forming many defects due to Ag, Cu, Zn in the rare earth oxide thin film 4, the rare earth oxide The resistance value of the thin film 4 becomes low, and the resistance value of the entire memory element 10 becomes low. Then, by stopping the application of the positive voltage so that no voltage is applied to the memory element 10, the state in which the resistance value is low is maintained, and information can be recorded. Such a configuration can be used for a storage device capable of recording only once, such as a PROM.

そして、記憶素子10の抵抗値の変化、特に希土類酸化物薄膜4の抵抗値の変化を利用して情報の記憶を行っているため、記憶素子10を微細化していった場合にも、情報の記録や記録した情報の保存が容易になる。   Since information is stored by utilizing the change in resistance value of the memory element 10, particularly the change in resistance value of the rare earth oxide thin film 4, even when the memory element 10 is miniaturized, the information Recording and storing of recorded information becomes easy.

また、例えば、RAMやEEPROM等の記録に加えて消去が可能な記憶装置に用いるような場合は、上述した記録後の状態の記憶素子10に対して、例えば、Ag,Cu,Znを含むイオン源層3に負電圧(−電位)を印加して、上部電極5側が正になるようにする。これにより、希土類酸化物薄膜4内に形成されていた、Ag,Cu,Znによる電流パス、或いは欠陥が消滅して、希土類酸化物薄膜4の抵抗値が高くなり、記憶素子10全体の抵抗値が高くなる。そして、負電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が高くなった状態が保持され、記録されていた情報を消去することが可能になる。   Further, for example, when used in a storage device that can be erased in addition to recording such as RAM or EEPROM, the storage element 10 in the state after recording described above includes, for example, ions containing Ag, Cu, and Zn. A negative voltage (−potential) is applied to the source layer 3 so that the upper electrode 5 side becomes positive. As a result, the current path or defect due to Ag, Cu, Zn formed in the rare earth oxide thin film 4 disappears, the resistance value of the rare earth oxide thin film 4 increases, and the resistance value of the entire memory element 10 increases. Becomes higher. Then, by stopping the application of the negative voltage so that no voltage is applied to the memory element 10, the state in which the resistance value is increased is maintained, and the recorded information can be erased.

さらに、本形態の記憶素子10によれば、下部電極2、イオン源層3、希土類酸化物薄膜4、上部電極5を、いずれもスパッタリングが可能な材料で構成することが可能である。例えば、各層の材料に適応した組成からなるターゲットを用いて、スパッタリングを行えばよい。
また、同一のスパッタリング装置内で、ターゲットを交換することにより、連続して成膜することも可能である。
Furthermore, according to the memory element 10 of this embodiment, the lower electrode 2, the ion source layer 3, the rare earth oxide thin film 4, and the upper electrode 5 can all be made of a material that can be sputtered. For example, sputtering may be performed using a target having a composition suitable for the material of each layer.
In addition, it is possible to continuously form a film by exchanging the target in the same sputtering apparatus.

なお、希土類酸化物薄膜4の形成方法は、希土類元素の金属膜を予め形成した後に、酸素プラズマもしくは酸素を含んだ混合ガスのプラズマによりプラズマ酸化で形成する方法や、酸化物のスパッタリングターゲットを用いる方法や、金属ターゲットを用いて、スパッタリング中に導入ガスとしてアルゴン等の不活性ガスと共に酸素を導入する方法、いわゆる反応性スパッタリング等の方法を用いることが可能である。
さらに、スパッタリングの他、CVD法、或いは蒸着法等の方法によっても、希土類酸化物薄膜4を形成することが可能である他、成膜時には金属状態であって、その後に、熱酸化或いは薬品処理等の手法によって希土類酸化物薄膜4を形成することも可能である。
The rare earth oxide thin film 4 is formed by a method in which a rare earth metal film is formed in advance and then formed by plasma oxidation using oxygen plasma or plasma of a mixed gas containing oxygen, or an oxide sputtering target is used. It is possible to use a method, a method of introducing oxygen together with an inert gas such as argon as an introduction gas during sputtering using a metal target, a method such as so-called reactive sputtering.
Further, in addition to sputtering, the rare earth oxide thin film 4 can be formed by a CVD method, a vapor deposition method, or the like. In addition, the film is in a metal state at the time of film formation, and is then subjected to thermal oxidation or chemical treatment. It is also possible to form the rare earth oxide thin film 4 by such a method.

なお、上述した形態の記憶素子10では、イオン源層3にAg,Cu,Znを含み、上部電極5には含まない構成としたが、下部電極2のみにイオン源のAg,Cu,Znを含む構成や、下部電極2及び上部電極5にイオン源のAg,Cu,Znを含む構成としても良い。また、下部電極2として、イオン源層3をそのまま用いることも可能である。   In the memory element 10 of the above-described form, the ion source layer 3 contains Ag, Cu, Zn and is not included in the upper electrode 5. However, only the lower electrode 2 contains Ag, Cu, Zn of the ion source. Alternatively, the lower electrode 2 and the upper electrode 5 may include an ion source of Ag, Cu, or Zn. Further, the ion source layer 3 can be used as it is as the lower electrode 2.

上述した形態の記憶素子10を、多数マトリクス状に配置することにより、記憶装置(メモリ装置)を構成することができる。
各記憶素子10に対して、その下部電極2側に接続された配線と、その上部電極5側に接続された配線とを設け、例えばこれらの配線の交差点付近に各記憶素子10が配置されるようにすればよい。
A memory device (memory device) can be configured by arranging a large number of the memory elements 10 in the above-described form in a matrix.
For each storage element 10, a wiring connected to the lower electrode 2 side and a wiring connected to the upper electrode 5 side are provided. For example, each storage element 10 is arranged near the intersection of these wirings. What should I do?

具体的には、例えば下部電極2を行方向のメモリセルに共通して形成し、上部電極5に接続された配線を列方向のメモリセルに共通して形成し、電位を印加して電流を流す下部電極2と配線とを選択することにより、記録を行うべきメモリセルを選択して、このメモリセルの記憶素子10に電流を流して、情報の記録や記録した情報の消去を行うことができる。   Specifically, for example, the lower electrode 2 is formed in common in the memory cell in the row direction, the wiring connected to the upper electrode 5 is formed in common in the memory cell in the column direction, and a current is applied by applying a potential. By selecting the lower electrode 2 and the wiring to be flown, a memory cell to be recorded is selected, and a current is passed through the memory element 10 of this memory cell to record information or erase the recorded information. it can.

そして、上述した形態の記憶素子10は、容易に情報の記録及び情報の読み出しを行うことができ、特に、書き込み及び消去電圧閾値のばらつきが少ないという優れた特性を有する。
また、上述した形態の記憶素子10は、微細化していった場合においても、情報の記録や記録した情報の保持が容易になる。
従って、上述した形態の記憶素子10を用いて記憶装置を構成することにより、記憶装置の集積化(高密度化)や小型化を図ることができる。
The memory element 10 having the above-described form can easily record and read information, and has an excellent characteristic that variation in write and erase voltage thresholds is particularly small.
Further, even when the memory element 10 having the above-described form is miniaturized, it becomes easy to record information and hold recorded information.
Therefore, by configuring the memory device using the memory element 10 having the above-described form, the memory device can be integrated (densified) or downsized.

続いて、本発明の記憶素子の製造方法の一実施の形態として、図1に示した形態の記憶素子10を製造する方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the memory element 10 having the configuration shown in FIG. 1 will be described as an embodiment of the method for manufacturing the memory element of the present invention.

まず、基板1上に、下部電極2、例えばW膜を堆積する。
次に、イオン源層3、例えばCu膜を形成する。
First, a lower electrode 2, for example, a W film is deposited on the substrate 1.
Next, an ion source layer 3, for example, a Cu film is formed.

その後、記憶用薄膜となる希土類酸化物薄膜4、例えばGd膜を形成する。この希土類酸化膜4を形成するには、まず、希土類金属膜をDCマグネトロンスパッタ等で形成し、その後に、酸素プラズマもしくは酸素とアルゴンの混合ガスのプラズマ等で酸化する。 Thereafter, a rare earth oxide thin film 4, for example, a Gd 2 O 3 film, which becomes a memory thin film is formed. In order to form the rare earth oxide film 4, first, a rare earth metal film is formed by DC magnetron sputtering or the like, and then oxidized by oxygen plasma or plasma of a mixed gas of oxygen and argon.

次に、上部電極5として、例えばW膜を成膜する。これにより、下部電極2・イオン源層3・希土類酸化物薄膜(記憶用薄膜)4・上部電極5の積層膜が形成される。   Next, as the upper electrode 5, for example, a W film is formed. Thereby, a laminated film of the lower electrode 2, the ion source layer 3, the rare earth oxide thin film (memory thin film) 4, and the upper electrode 5 is formed.

その後、下部電極2から上部電極5までの積層膜を、例えばプラズマエッチング等によりパターニングする。プラズマエッチングの他には、イオンミリング、RIE(反応性イオンエッチング)等のエッチング方法を用いてパターニングを行うことができる。
さらに、パターニングを行った積層膜の周囲に、絶縁層6を埋め込む。
このようにして、図1に示した記憶素子10を製造することができる。
Thereafter, the laminated film from the lower electrode 2 to the upper electrode 5 is patterned by, for example, plasma etching. Besides plasma etching, patterning can be performed using an etching method such as ion milling or RIE (reactive ion etching).
Further, an insulating layer 6 is embedded around the patterned laminated film.
In this way, the memory element 10 shown in FIG. 1 can be manufactured.

本実施の形態では、特に、下部電極2から上部電極5までの積層膜を、上部電極5を成膜するまで、希土類酸化物薄膜4の界面が大気に暴露されないようにする。例えば、内部が真空の成膜装置内で連続して成膜を行って、下部電極2から上部電極5までの積層膜を形成する。
このようにして記憶素子10の製造を行うことにより、希土類酸化物薄膜4の変化を抑制することができる。これにより、記憶用薄膜の希土類酸化物薄膜4の不均一性を低減することができる。
In the present embodiment, in particular, the laminated film from the lower electrode 2 to the upper electrode 5 is made such that the interface of the rare earth oxide thin film 4 is not exposed to the atmosphere until the upper electrode 5 is formed. For example, a film is continuously formed in a film forming apparatus having a vacuum inside, and a laminated film from the lower electrode 2 to the upper electrode 5 is formed.
By manufacturing the memory element 10 in this way, changes in the rare earth oxide thin film 4 can be suppressed. Thereby, the nonuniformity of the rare earth oxide thin film 4 of the memory thin film can be reduced.

そして、本実施の形態に係る記憶素子10において、印加電圧によって励起されるイオン化挙動やイオンの動作によって、抵抗値が変化する際の閾値電圧は、希土類酸化物薄膜4の厚さや酸化状態に大きく依存することから、希土類酸化物薄膜4の不均一性を低減することにより、記憶素子10の書き込み及び消去における閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になる。   In the memory element 10 according to the present embodiment, the threshold voltage when the resistance value changes due to the ionization behavior excited by the applied voltage and the operation of the ions is large depending on the thickness and oxidation state of the rare earth oxide thin film 4. Therefore, by reducing the non-uniformity of the rare earth oxide thin film 4, it is possible to suppress variations in threshold voltage during writing and erasing of the memory element 10.

また、本実施の形態に係る記憶素子10は、通常のMOS論理回路の製造プロセスに用いられる材料や製造方法により、製造することが可能である。
従って、本実施の形態の製造方法により、適正な特性の記憶素子及び記憶装置を安いコストで製造することができ、安価な記憶装置を提供することが可能になる。
Further, the memory element 10 according to the present embodiment can be manufactured by a material or a manufacturing method used in a normal MOS logic circuit manufacturing process.
Therefore, with the manufacturing method of this embodiment, a storage element and a storage device with appropriate characteristics can be manufactured at low cost, and an inexpensive storage device can be provided.

従って、記憶素子10の書き込み及び消去における閾値電圧のばらつきを抑制することが可能になることにより、適正な特性の記憶素子10及び記憶装置を安定して歩留まり良く製造することができる。   Accordingly, it becomes possible to suppress variation in threshold voltage in writing and erasing of the memory element 10, and thus the memory element 10 and the memory device having appropriate characteristics can be manufactured stably and with high yield.

また、より好ましくは、希土類酸化物薄膜4を形成するための希土類金属膜(Gd膜等)を、0.5nm〜3.0nmの範囲内の膜厚で成膜する。
これにより、書き込み電圧及び消去電圧の閾値のばらつきを、大幅に低減することができる。
なお、酸化の条件によって、得られる希土類酸化物薄膜4の膜厚も異なるが、Gd膜を上述の範囲内の膜厚で成膜することにより、膜厚10nm以下の希土類酸化物薄膜4を形成することができる。
More preferably, a rare earth metal film (Gd film or the like) for forming the rare earth oxide thin film 4 is formed with a film thickness in the range of 0.5 nm to 3.0 nm.
As a result, variation in thresholds of the write voltage and the erase voltage can be greatly reduced.
Although the film thickness of the rare earth oxide thin film 4 obtained varies depending on the oxidation conditions, the rare earth oxide thin film 4 having a film thickness of 10 nm or less is formed by forming the Gd film with a film thickness within the above range. can do.

特に、記憶素子10を高速に動作させるためには、書き込み及び消去の閾値電圧を低減することが有利である。
そこで、記憶用薄膜の膜厚を薄くすることにより、閾値電圧を低減する。例えば、膜厚を数nm以下とする。これにより、動作電圧を低減することができることから、記憶素子10及び記憶装置の消費電力を低減することが可能になり、また動作による発熱を低減することができるため、高い信頼性を有する記憶装置を実現することができる。
さらに、個々の記憶素子10の消費電力を低減することができるため、記憶素子10を多数有する記憶装置の集積化(高密度化)や小型化を図ることができる。
In particular, in order to operate the memory element 10 at high speed, it is advantageous to reduce the threshold voltage for writing and erasing.
Therefore, the threshold voltage is reduced by reducing the thickness of the memory thin film. For example, the film thickness is set to several nm or less. Accordingly, since the operating voltage can be reduced, the power consumption of the memory element 10 and the memory device can be reduced, and the heat generated by the operation can be reduced, so that the memory device having high reliability can be obtained. Can be realized.
Further, since power consumption of each memory element 10 can be reduced, integration (high density) and miniaturization of a memory device having a large number of memory elements 10 can be achieved.

そして、このように記憶用薄膜を構成する希土類酸化物薄膜4の膜厚を小さく(薄く)すると、不純物等の不均一性に素子特性がより敏感に影響されることになるため、上述したように、希土類酸化物薄膜4の界面が大気に暴露されないようにして記憶素子10の積層膜を形成すると、閾値電圧のばらつきが少なく、閾値電圧が充分に低い記憶素子10を、安定して歩留まり良く製造することができる。   In addition, when the thickness of the rare earth oxide thin film 4 constituting the memory thin film is reduced (thinned) in this way, the element characteristics are more sensitively affected by non-uniformity of impurities and the like. In addition, when the stacked film of the memory elements 10 is formed so that the interface of the rare earth oxide thin film 4 is not exposed to the atmosphere, the memory elements 10 with a small threshold voltage variation and a sufficiently low threshold voltage can be stably obtained with a high yield. Can be manufactured.

なお、積層膜のパターニングを、図1に示した記憶素子10のように下部電極2と基板1との界面まで行う代わりに、積層膜の一部だけをパターニングしても構わない。
例えば、下部電極2の上層の界面又は下部電極2の上部のみをパターニングして、下部電極2が配線を兼ねる構成とすることも可能である。
また、例えば、上部電極5のみをパターニングして、下部電極2・イオン源層3・希土類酸化物薄膜(記憶用薄膜)4を、複数のメモリセルの記憶素子で共有させて記憶装置(メモリ装置)を構成することも可能である。
Instead of patterning the laminated film up to the interface between the lower electrode 2 and the substrate 1 as in the memory element 10 shown in FIG. 1, only a part of the laminated film may be patterned.
For example, it is possible to pattern only the upper layer interface of the lower electrode 2 or the upper part of the lower electrode 2 so that the lower electrode 2 also serves as a wiring.
Further, for example, only the upper electrode 5 is patterned, and the lower electrode 2, the ion source layer 3, and the rare earth oxide thin film (memory thin film) 4 are shared by the memory elements of a plurality of memory cells. ) Can also be configured.

上述した形態の記憶素子10では、記憶用薄膜4を希土類元素の酸化物により構成したが、本発明では、記憶用薄膜4にその他の酸化物を用いることも可能である。
例えば、タンタル酸化物、ニオブ酸化物、アルミニウム酸化物等の酸化物が挙げられる。
これらの酸化物を記憶用薄膜4に用いた場合でも、記憶用薄膜4を含む下部電極から上部電極までの積層膜を、真空成膜装置内で連続して形成することにより、書き込み電圧及び消去電圧の閾値のばらつきを低減することができる。
In the memory element 10 of the above-described form, the memory thin film 4 is composed of an oxide of a rare earth element. However, in the present invention, other oxides can be used for the memory thin film 4.
Examples thereof include oxides such as tantalum oxide, niobium oxide, and aluminum oxide.
Even when these oxides are used for the memory thin film 4, a stacked film from the lower electrode to the upper electrode including the memory thin film 4 is continuously formed in a vacuum film forming apparatus, so that a write voltage and an erasure can be obtained. Variation in voltage threshold can be reduced.

(実施例)
次に、上述した形態の記憶素子10を実際に作製して、特性を調べた。
(Example)
Next, the memory element 10 having the above-described configuration was actually manufactured and the characteristics were examined.

<サンプル1〜サンプル9;実施例>
まず、基板1として、300nmの熱酸化膜が形成されたシリコン基板上に、スパッタリングにより、下部電極2としてW膜を20nmの膜厚で堆積した。
次いで、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、Cu膜を4nmの膜厚で形成し、さらにCuGeTeGd膜を20nmの膜厚で堆積して、これらの積層膜から成るイオン源層3を形成した。
引き続き、Gd膜を成膜した後に、投入電力500W、酸素圧力1mTorrの酸素プラズマによるプラズマ酸化を30秒間行って、Gd膜を酸化してアモルファスガドリニウム酸化膜(アモルファスGd酸化膜)を形成し、記憶用薄膜4とした。
次いで、上部電極5としてW膜を20nmの膜厚で成膜した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成1)として、記憶素子10を構成する積層膜を作製した。
膜構成1:W(20nm)/Cu(4nm)/CuGeTeGd(20nm)/GdO/W(20nm)
<Sample 1 to Sample 9; Examples>
First, a W film having a thickness of 20 nm was deposited as a lower electrode 2 on a silicon substrate on which a 300 nm thermal oxide film was formed as a substrate 1 by sputtering.
Next, using a magnetron sputtering apparatus, a Cu film was formed to a thickness of 4 nm, and a CuGeTeGd film was deposited to a thickness of 20 nm to form an ion source layer 3 composed of these laminated films.
Subsequently, after forming the Gd film, plasma oxidation with oxygen plasma with an input power of 500 W and an oxygen pressure of 1 mTorr is performed for 30 seconds to oxidize the Gd film to form an amorphous gadolinium oxide film (amorphous Gd oxide film), and memory Thin film 4 was obtained.
Next, a W film having a thickness of 20 nm was formed as the upper electrode 5.
That is, the laminated film which comprises the memory element 10 was produced by making the material and film thickness of each layer into the following structure (film structure 1).
Film configuration 1: W (20 nm) / Cu (4 nm) / CuGeTeGd (20 nm) / GdO / W (20 nm)

続いて、この積層膜を用いて、図2に断面構造を示す記憶素子を作製した。
まず、熱処理炉で160℃・4時間の熱処理を行った。
Subsequently, a memory element having a cross-sectional structure shown in FIG.
First, heat treatment was performed at 160 ° C. for 4 hours in a heat treatment furnace.

次に、下部電極を兼ねるワード線WLの部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線WL以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線WL(下部電極2のW膜)を形成した。この際に、ワード線WL部分以外は、基板の深さ5nmまでエッチングされた。   Next, after masking the portion of the word line WL which also serves as the lower electrode by photolithography, selective etching is performed by Ar plasma on the laminated film other than the word line WL, whereby the word line WL (of the lower electrode 2) W film) was formed. At this time, except for the word line WL portion, the substrate was etched to a depth of 5 nm.

その後、記憶素子10のパターンのマスクを形成して、積層膜に対して選択エッチングを行ってパターニングすることにより、記憶素子10を形成した。記憶素子10部分以外は、下部電極2の深さ10nmまでエッチングした。即ち、W膜のうち、選択エッチングによってパターニングされた上層の部分を下部電極2として、下層の部分をワード線WLとした。   Then, the memory element 10 was formed by forming a mask of the pattern of the memory element 10 and performing patterning by performing selective etching on the laminated film. Except for the memory element 10 portion, the lower electrode 2 was etched to a depth of 10 nm. That is, in the W film, the upper layer portion patterned by selective etching was used as the lower electrode 2, and the lower layer portion was used as the word line WL.

次に、記憶素子10部分以外を、厚さ100nm程度のAlをスパッタリングによって堆積することにより、絶縁層6を形成して、記憶素子10の積層膜を絶縁した。
その後、リフトオフにより記憶素子10の上面のコンタクトを形成した。
次に、Cr(20nm)/Cu(100nm)/Au(100nm)を、順次スパッタリング法によって堆積して、上部電極5に接続される配線層11を形成した。
そして、この配線層11を、フォトリソグラフィを用いてパターニングすることにより、ビット線BL及び測定用のパッド部分を形成した。
このようにして、記憶素子10の試料を作製した。
Next, an insulating layer 6 was formed by depositing Al 2 O 3 having a thickness of about 100 nm by sputtering except for the portion of the memory element 10 to insulate the stacked film of the memory element 10.
Thereafter, a contact on the upper surface of the memory element 10 was formed by lift-off.
Next, Cr (20 nm) / Cu (100 nm) / Au (100 nm) were sequentially deposited by a sputtering method to form the wiring layer 11 connected to the upper electrode 5.
The wiring layer 11 was patterned using photolithography to form the bit line BL and a measurement pad portion.
In this way, a sample of the memory element 10 was produced.

そして、上記膜構成1において、それぞれ酸化によってアモルファスガドリニウム酸化膜となるGd膜の膜厚を変えた、サンプル1〜サンプル9の記憶素子10の各試料を作製した。
サンプル1は、Gd膜の膜厚を0.4nmとした。
サンプル2は、Gd膜の膜厚を0.6nmとした。
サンプル3は、Gd膜の膜厚を1.0nmとした。
サンプル4は、Gd膜の膜厚を1.4nmとした。
サンプル5は、Gd膜の膜厚を1.8nmとした。
サンプル6は、Gd膜の膜厚を2.2nmとした。
サンプル7は、Gd膜の膜厚を2.8nmとした。
サンプル8は、Gd膜の膜厚を3.0nmとした。
サンプル9は、Gd膜の膜厚を3.2nmとした。
And each sample of the memory element 10 of Sample 1 to Sample 9 was manufactured by changing the film thickness of the Gd film that becomes an amorphous gadolinium oxide film by oxidation in the above film configuration 1.
In sample 1, the thickness of the Gd film was 0.4 nm.
In sample 2, the thickness of the Gd film was 0.6 nm.
In sample 3, the thickness of the Gd film was 1.0 nm.
In Sample 4, the thickness of the Gd film was 1.4 nm.
In Sample 5, the thickness of the Gd film was 1.8 nm.
In Sample 6, the thickness of the Gd film was 2.2 nm.
In Sample 7, the thickness of the Gd film was 2.8 nm.
In Sample 8, the thickness of the Gd film was set to 3.0 nm.
In Sample 9, the thickness of the Gd film was 3.2 nm.

<サンプル10;比較例>
本発明に対する比較例として、図3の断面図に示す構成の記憶素子50を作製した。
まず、300nmの熱酸化膜が形成されたシリコン基板1上に、スパッタリングにより、下部電極2としてW膜を20nmの膜厚で堆積した。
次いで、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、Cu膜を4nmの膜厚で形成し、さらにCuGeTeGd膜を20nmの膜厚で堆積して、これらの積層膜から成るイオン源層3を形成した。
引き続き、Gd膜を1.4nmの膜厚で成膜した後に、投入電力500W、酸素圧力1mTorrの酸素プラズマによるプラズマ酸化を30秒間行って、Gd膜を酸化してアモルファスガドリニウム酸化膜(アモルファスGd酸化膜)を形成し、記憶用薄膜4とした。
<Sample 10; Comparative Example>
As a comparative example for the present invention, a memory element 50 having the configuration shown in the cross-sectional view of FIG. 3 was produced.
First, a W film having a thickness of 20 nm was deposited as the lower electrode 2 on the silicon substrate 1 on which the 300 nm thermal oxide film was formed by sputtering.
Next, using a magnetron sputtering apparatus, a Cu film was formed to a thickness of 4 nm, and a CuGeTeGd film was deposited to a thickness of 20 nm to form an ion source layer 3 composed of these laminated films.
Subsequently, after forming a Gd film with a thickness of 1.4 nm, plasma oxidation with oxygen plasma at an input power of 500 W and an oxygen pressure of 1 mTorr is performed for 30 seconds to oxidize the Gd film to form an amorphous gadolinium oxide film (amorphous Gd oxide). Film) to form a memory thin film 4.

次に、記憶用薄膜4を覆ってフォトレジストを形成し、その後フォトリソグラフィ技術により、露光と現像を行って記憶用薄膜4上のフォトレジストに開口(スルーホール)を形成した。
なお、現像の際には、試料を成膜装置から外に出すため、開口に臨む部分の記憶用薄膜4は大気に暴露されることになる。
Next, a photoresist was formed so as to cover the memory thin film 4, and thereafter, exposure and development were performed by a photolithography technique to form an opening (through hole) in the photoresist on the memory thin film 4.
In developing, since the sample is taken out of the film forming apparatus, the portion of the memory thin film 4 facing the opening is exposed to the atmosphere.

その後、真空中280℃においてアニール処理を行い、フォトレジストを変質させて、温度やエッチング等に対して安定なハードキュアレジストとして絶縁層6を形成した。
次いで、絶縁層6の開口を埋めて記憶用薄膜4に接続するように、上部電極5としてW膜を20nmの膜厚で成膜した。
その後、フォトリソグラフィ技術により、プラズマエッチング装置を用いて、ハードキュアレジストから成る絶縁層6上に堆積したW膜をパターニングして、ビット線及び測定用のパッド部分を形成した。
このようにして、サンプル10の記憶素子50の試料を作製した。
Thereafter, annealing was performed at 280 ° C. in vacuum to alter the photoresist, and the insulating layer 6 was formed as a hard cure resist that is stable with respect to temperature and etching.
Next, a W film having a thickness of 20 nm was formed as the upper electrode 5 so as to fill the opening of the insulating layer 6 and connect it to the memory thin film 4.
Thereafter, the W film deposited on the insulating layer 6 made of a hard-cure resist was patterned by a photolithography technique using a plasma etching apparatus to form a bit line and a pad portion for measurement.
In this way, a sample of the memory element 50 of Sample 10 was manufactured.

即ち、このサンプル10の記憶素子50の部分の積層膜の膜構成は、前述したサンプル1〜サンプル9の記憶素子10の膜構成1と同じであり、Gd膜の膜厚はサンプル4と同一になっている。   That is, the film configuration of the laminated film in the memory element 50 portion of the sample 10 is the same as the film configuration 1 of the memory element 10 of the sample 1 to the sample 9, and the film thickness of the Gd film is the same as that of the sample 4. It has become.

(特性評価)
まず、サンプル4の記憶素子の試料に対して、ワード線WLに接続されている下部電極2をグランド電位に接地し、ビット線BLに接続されている上部電極5に負の電位を加えた。
そして、上部電極5に印加する負電位を0Vから−1.5Vまで減少させて、電流の変化を測定した。
また、上部電極5に印加した負電位が−1.5Vに達した状態から、上部電極5に印加する負電位を0Vまで減少させていき、電流の変化を測定した。
引き続き、今度は、逆に上部電極5に正電位を印加し、上部電極5と下部電極2の間の電圧が1.0Vの電圧となるまで正電圧の印加を増加させた後に、再び0電位に戻す操作を行った。
また、この記録消去動作を合計3回繰り返した。
このようにして得られたサンプル4の記憶素子の試料のI−V特性の測定結果を、図4に示す。
(Characteristic evaluation)
First, with respect to the sample of the memory element of Sample 4, the lower electrode 2 connected to the word line WL was grounded to the ground potential, and a negative potential was applied to the upper electrode 5 connected to the bit line BL.
Then, the negative potential applied to the upper electrode 5 was decreased from 0V to −1.5V, and the change in current was measured.
Further, from the state where the negative potential applied to the upper electrode 5 reached −1.5 V, the negative potential applied to the upper electrode 5 was decreased to 0 V, and the change in current was measured.
Subsequently, this time, conversely, a positive potential is applied to the upper electrode 5, and the application of the positive voltage is increased until the voltage between the upper electrode 5 and the lower electrode 2 becomes a voltage of 1.0 V. The operation to return to was performed.
This recording / erasing operation was repeated three times in total.
FIG. 4 shows the measurement results of the IV characteristics of the sample of the memory element of Sample 4 obtained in this way.

図4より、初期は抵抗値が高く、記憶素子がOFF状態であり、電圧が負方向に増加することにより、ある閾値電圧(Vth)以上のところで急激に電流が増加する。
即ち、抵抗値が低くなって記憶素子がON状態へと遷移することがわかる。これにより、情報が記録される。
一方、その後、電圧を減少させても、一定の抵抗値を保ったままである。即ち、記憶素子がON状態で保たれ、記録された情報が保持されることがわかる。また、その後に2回(合計3回)の記録消去を行っても、同様の動作が行われている。
As shown in FIG. 4, the resistance value is initially high, the memory element is in the OFF state, and the voltage increases in the negative direction, so that the current increases rapidly at a certain threshold voltage (Vth) or higher.
That is, it can be seen that the resistance value decreases and the memory element transitions to the ON state. Thereby, information is recorded.
On the other hand, even if the voltage is decreased thereafter, a constant resistance value is maintained. That is, it can be seen that the storage element is kept in the ON state and the recorded information is held. The same operation is performed even if the recording / erasing is performed twice (total three times) thereafter.

また、同図に示されるように、上述とは逆極性の電圧V、即ち上部電極5に正電位(+電位)を印加し、下部電極2側を接地電位(グランド電位)に接続して、V=0.3V以上の正電位を印加した後に、再び0Vに戻すことにより、記憶素子10の抵抗値が初期のOFF状態の高抵抗の状態に戻ることが確認された。
即ち、記憶素子10に記録した情報を、負電圧の印加により消去できることがわかる。
Further, as shown in the figure, a voltage V having a polarity opposite to that described above, that is, a positive potential (+ potential) is applied to the upper electrode 5, and the lower electrode 2 side is connected to a ground potential (ground potential). It was confirmed that the resistance value of the memory element 10 returned to the initial high-resistance state by turning it back to 0 V after applying a positive potential of V = 0.3 V or more.
That is, it can be seen that the information recorded in the memory element 10 can be erased by applying a negative voltage.

次に、サンプル1〜サンプル10の各試料について、同一基板上に形成した10個の素子について、同様の測定を行った。
まず、測定結果の一例として、サンプル4の試料の10素子のI−V特性の測定結果を重ね合わせて、図5に示す。
Next, for each of Samples 1 to 10, the same measurement was performed on 10 elements formed on the same substrate.
First, as an example of the measurement results, the measurement results of the IV characteristics of 10 elements of the sample 4 are superimposed and shown in FIG.

次に、初回のI−V特性のループから、初回の書き込み電圧の閾値と消去電圧の閾値とを求めて、それぞれのばらつきを求めた。
同様に、2回目のI−V特性のループから、2回目の書き込み電圧の閾値と消去電圧の閾値とを求めて、それぞれのばらつきを求めた。
そして、10素子の電圧の閾値の標準偏差を求めて、それを平均値で割って得られた値をばらつきの値(%)とした。書き込み電圧及び消去電圧の閾値のばらつきの値を表1に示す。また、それぞれの閾値の測定値を表2に示す
Next, the initial write voltage threshold and the erase voltage threshold were obtained from the initial IV characteristic loop, and the respective variations were obtained.
Similarly, the second write voltage threshold and the erase voltage threshold were obtained from the second IV characteristic loop, and the respective variations were obtained.
Then, the standard deviation of the threshold value of the voltage of 10 elements was obtained, and the value obtained by dividing the standard deviation was defined as the variation value (%). Table 1 shows values of variations in thresholds of the write voltage and the erase voltage. Table 2 shows the measured values of each threshold.

Figure 0004552752
Figure 0004552752
Figure 0004552752
Figure 0004552752

まず、表1に示すように、本発明に対する比較例の構成(図3)であるサンプル10は、電圧の閾値のばらつきが大きくなっている。
サンプル10の試料では、Gd酸化膜から成る記憶用薄膜4を形成した後に、コンタクトホールを形成するために大気及び、フォトレジスト、及び現像液に触れている。
これに対して、図1及び図2に示した構成とした、本発明に係る構成であるサンプル1〜サンプル9は、電圧の閾値のばらつきがサンプル10よりも大幅に小さくなっている。
従って、サンプル1〜サンプル9のように、大気やその他に曝すことなく、記憶素子の積層膜を形成するのが望ましい。
First, as shown in Table 1, the sample 10 which is the configuration of the comparative example (FIG. 3) of the present invention has a large variation in the threshold voltage.
In the sample 10, after the memory thin film 4 made of the Gd oxide film is formed, the atmosphere, photoresist, and developer are touched to form contact holes.
On the other hand, Sample 1 to Sample 9 having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 and having the configuration according to the present invention have significantly smaller variations in voltage threshold than sample 10.
Therefore, it is desirable to form a stacked film of memory elements without being exposed to the atmosphere or the like as in samples 1 to 9.

また、図1及び図2に示した構成とした試料(サンプル1〜サンプル9)のうち、サンプル2〜サンプル8においては、閾値電圧のばらつきが10%以下であり、良好なばらつき特性が得られている。
一方、Gd膜の膜厚を0.4nmまで薄くしたサンプル1においては、これらサンプル2〜サンプル8よりもばらつきが大きくなっている。
同様に、Gdの膜厚を3.2nmと厚くしたサンプル9においては、サンプル2〜サンプル8よりもばらつきが大きくなっている。そして、初回の書き込み閾値電圧が−1.0Vを超えているので、高速動作しづらくなっている。
従って、Gd膜の膜厚を、サンプル2〜サンプル8を含む、前述した0.5nm〜3.0nmの範囲内とすることが望ましいことがわかる。
Further, among the samples (sample 1 to sample 9) having the configuration shown in FIGS. 1 and 2, in samples 2 to 8, the variation in threshold voltage is 10% or less, and good variation characteristics are obtained. ing.
On the other hand, in Sample 1 in which the thickness of the Gd film is reduced to 0.4 nm, the variation is larger than those in Samples 2 to 8.
Similarly, in sample 9 in which the thickness of Gd is as thick as 3.2 nm, the variation is larger than in samples 2 to 8. Since the initial write threshold voltage exceeds −1.0 V, it is difficult to operate at high speed.
Therefore, it can be seen that it is desirable that the thickness of the Gd film is within the range of 0.5 nm to 3.0 nm as described above, including Sample 2 to Sample 8.

前述した実施の形態等に示したような、本発明に係る記憶素子を用いて、記憶素子を多数、例えば列状やマトリクス状に配列することにより、記憶装置(メモリ装置)を構成することができる。
このとき、各記憶素子に、必要に応じて、素子の選択用のMOSトランジスタ、或いはダイオードを接続してメモリセルを構成する。
さらに、必要に応じて、記憶素子を、配線を介して、センスアンプ、アドレスレコーダー、記録・消去・読み出し回路等に接続する。
A memory device (memory device) can be configured by arranging a large number of memory elements, for example, in a column shape or a matrix shape, using the memory element according to the present invention as shown in the above-described embodiments and the like. it can.
At this time, a memory cell is configured by connecting a MOS transistor or a diode for selecting the element to each memory element as necessary.
Further, if necessary, the storage element is connected to a sense amplifier, an address recorder, a recording / erasing / reading circuit, etc. via a wiring.

本発明に係る記憶素子は、各種のメモリ装置に適用することができる。例えば、一度だけ書き込みが可能な、いわゆるPROM(プログラマブルROM)、電気的に消去が可能なEEPROM(Electrically Erasable ROM)、或いは、高速に記録・消去・再生が可能な、いわゆるRAM(ランダム・アクセス・メモリ)等、いずれのメモリ形態でも適用することが可能である。   The memory element according to the present invention can be applied to various memory devices. For example, a so-called PROM (programmable ROM) that can be written only once, an electrically erasable EEPROM (electrically erasable ROM), or a so-called RAM (random access memory) that can be recorded / erased / reproduced at high speed. It is possible to apply any memory form such as (memory).

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

本発明の製造方法に係る記憶素子の一形態の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of one form of the memory element which concerns on the manufacturing method of this invention. 作製した記憶素子の試料の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the sample of the produced memory element. 比較例の記憶素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory element of a comparative example. サンプル4の記憶素子の試料のI−V特性の測定結果である。4 is a measurement result of IV characteristics of a sample of a memory element of Sample 4. サンプル4の記憶素子の試料の10素子のI−V特性曲線を重ね合わせた図である。It is the figure which superimposed the IV characteristic curve of 10 elements of the sample of the memory | storage element of the sample 4. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板、2 下部電極、3 イオン源層、4 記憶用薄膜(希土類酸化物薄膜)、5 上部電極、6 絶縁層、10 記憶素子、WL ワード線、BL ビット線
1 substrate, 2 lower electrode, 3 ion source layer, 4 memory thin film (rare earth oxide thin film), 5 upper electrode, 6 insulating layer, 10 memory element, WL word line, BL bit line

Claims (4)

第1の電極及び第2の電極の間に、記憶用薄膜が挟まれて構成され、
前記記憶用薄膜が、酸化物層を含んで成り、
前記記憶用薄膜内、もしくは、前記記憶用薄膜と接している層に、Ag,Cu,Znから選ばれる、いずれかの元素が含まれていて、
前記記憶用薄膜に、電圧パルスもしくは電流パルスを印加することにより、前記記憶用薄膜のインピーダンスが変化して、情報の記録が行われる構成である記憶素子を製造する方法であって、
Gd膜を成膜した後、前記Gd膜を、酸素を含むプラズマに曝すことにより、アモルファスGd酸化膜から成る、前記酸化物層を形成し、
前記記憶用薄膜の界面を大気に露出させることなく、前記記憶素子を構成する積層膜を形成する
記憶素子の製造方法。
A memory thin film is sandwiched between the first electrode and the second electrode,
The memory thin film comprises an oxide layer;
Any element selected from Ag, Cu, Zn is contained in the memory thin film or in the layer in contact with the memory thin film ,
A method of manufacturing a memory element having a configuration in which information is recorded by changing the impedance of the memory thin film by applying a voltage pulse or a current pulse to the memory thin film ,
After forming the Gd film, the Gd film is exposed to plasma containing oxygen to form the oxide layer made of an amorphous Gd oxide film,
A method for manufacturing a memory element, comprising forming a laminated film constituting the memory element without exposing an interface of the memory thin film to the atmosphere.
前記Gd膜を、膜厚0.5nm〜3.0nmの範囲内で成膜する請求項1に記載の記憶素子の製造方法。 The method for manufacturing a memory element according to claim 1 , wherein the Gd film is formed in a thickness range of 0.5 nm to 3.0 nm. 第1の電極及び第2の電極の間に、記憶用薄膜が挟まれて構成され、前記記憶用薄膜が、酸化物層を含んで成り、前記記憶用薄膜内、もしくは、前記記憶用薄膜と接している層に、Ag,Cu,Znから選ばれる、いずれかの元素が含まれていて、前記記憶用薄膜に、電圧パルスもしくは電流パルスを印加することにより、前記記憶用薄膜のインピーダンスが変化して、情報の記録が行われる構成である記憶素子と、
前記第1の電極側に接続された配線と、
前記第2の電極側に接続された配線とを有し、
前記記憶素子が多数配置されて成る記憶装置を製造する方法であって、
Gd膜を成膜した後、前記Gd膜を、酸素を含むプラズマに曝すことにより、アモルファスGd酸化膜から成る、前記酸化物層を形成し、
前記記憶用薄膜の界面を大気に露出させることなく、前記記憶素子を構成する積層膜を形成する
記憶装置の製造方法。
A memory thin film is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the memory thin film includes an oxide layer, and the memory thin film or the memory thin film The contacting layer contains any element selected from Ag, Cu, and Zn, and the impedance of the memory thin film is changed by applying a voltage pulse or a current pulse to the memory thin film. A storage element that is configured to record information ;
Wiring connected to the first electrode side;
A wiring connected to the second electrode side,
A method of manufacturing a storage device in which a large number of the storage elements are arranged,
After forming the Gd film, the Gd film is exposed to plasma containing oxygen to form the oxide layer made of an amorphous Gd oxide film,
A method for manufacturing a memory device, comprising forming a laminated film constituting the memory element without exposing an interface of the memory thin film to the atmosphere.
前記Gd膜を、膜厚0.5nm〜3.0nmの範囲内で成膜する請求項3に記載の記憶装置の製造方法。The method for manufacturing a memory device according to claim 3, wherein the Gd film is formed in a thickness range of 0.5 nm to 3.0 nm.
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