[發明專利]電阻變化元件及其制造方法

無效

• 申請號: 200980111679.9
• 申請日: 2009-07-22
• 公開（公告）號: CN101981695A
• 公開（公告）日: 2011-02-23
• 發明（設計）人: 三谷覺;村岡俊作;神澤好彥;片山幸治;宮永良子;藤井覺;高木剛
• 申請（專利權）人: 松下電器產業株式會社
• 主分類號: H01L27/10
• 分類號: H01L27/10;H01L45/00;H01L49/00
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322
• 代理人: 龍淳

技術領域

本發明涉及電阻變換元件，特別是，涉及電阻值與施加的電信號相應地變化的電阻變化型的電阻變化元件及其制造方法。

背景技術

近年來，伴隨著數字技術的發展，便攜式信息設備和信息家電等電子設備進一步多功能化。因此，電阻變化元件的大容量化、寫入電力的降低、寫入/讀出時間的高速化和長壽命化方面的要求變高。

對應于這樣的要求，現有的使用浮置柵的閃存在微細化方面存在極限。另一方面，使用電阻變化層作為存儲部的材料的電阻變化元件(電阻變化型存儲器)的情況下，由于能夠由包括可變電阻元件的簡單構造的存儲元件構成，因此能夠期待進一步微細化、高速化和低耗電化。

使用電阻變化層作為存儲部的材料的情況下，例如，通過電脈沖的輸入等，能夠使其電阻值從高電阻變成低電阻或者從低電阻變成高電阻。這種情況下，需要明確區分低電阻和高電阻這2個值，而且在低電阻和高電阻之間高速穩定地變化，并將這2個值非易失性地保持。以這樣的存儲器特性的穩定和元件的微細化為目的，目前提出了各種方案。

作為上述提案之一，專利文獻1中公開了一種存儲元件，其中，存儲器單元包括電阻變化元件，該電阻變化元件具有2個電極和夾在該電極之間的記錄層，以可逆地改變該記錄層的電阻值的方式構成。圖17是表示上述現有的存儲元件的結構的截面圖。

如圖17所示，這種存儲元件通過將構成存儲器單元的多個電阻變化元件10呈陣列狀地配置而成。電阻變化元件10以在下部電極1和上部電極4之間夾著高電阻膜2和離子源層3的方式構成。存儲層由該高電阻膜2和離子源層3構成，通過該存儲層能夠將信息記錄在各個存儲器單元的電阻變化元件10中。

另外，各個電阻變化元件10配設于形成在半導體基板11上的MOS晶體管18的上方。該MOS晶體管18包括由在被半導體基板11內的元件分離層12分離的區域形成的源極/漏極區域13、柵極電極14。另外，柵極電極14兼作為存儲元件的一個地址配線的字線。

MOS晶體管18的源極/漏極區域13的一方和電阻變化元件10的下部電極1經由插塞(plug)層15、金屬配線層16和插塞層17電連接。另外，MOS晶體管18的源極/漏極區域13的另一方經由插塞層15與金屬配線層16連接。該金屬配線層16與作為存儲元件的另一個地址配線的位(bit)線連接。

通過在如上述構成的電阻變化元件10的下部電極1和上部電極4之間施加極性不同的電位，使構成記錄層的離子源層3的離子源向高電阻層2移動。另外，使該離子源從高電阻層2向上部電極4移動。由此，電阻變化元件10的電阻值從高電阻狀態向低電阻狀態過渡，或者從低電阻狀態向高電阻狀態過渡，從而能夠記錄信息。

但是，作為與專利文獻1中所示的可變電阻材料不同的材料，報告有使用了二元過渡金屬氧化物的例子。例如，在專利文獻2中，作為可變電阻材料，公開了NiO、V₂O₅、ZnO、Nb₂O₅、TiO₂、WO₃、CoO。這些材料由于是二元系，所以組成控制和成膜比較容易。而且，也具有與半導體制造工藝的比較良好的整合性。

現有技術文獻

專利文獻1：日本特開2006-40946號公報

專利文獻2：日本特開2004-363604號公報

發明內容

然而，在如上所述現有的用2個電極夾著用于可變電阻材料的過渡金屬氧化物構成的電阻變化元件中，存在如下問題。

首先，使用NiO等過渡金屬氧化物的情況下，初始電阻非常高，為了得到可變電阻特性，需要對初始狀態的可變電阻元件施加電脈沖，在電阻變化層內形成電通路(path)。這樣的處理被稱為成形(forming)。該電脈沖的電壓大于為了使可變電阻材料從低電阻狀態變化到高電阻狀態或者從高電阻狀態變化到低電阻狀態來作為存儲器所需要的電脈沖的電壓，因此存在需要用于產生高電壓的特殊電路的問題。

本發明是鑒于以上問題而提出的，其目的在于提供一種能夠降低成形需要的電脈沖的電壓具有可逆且穩定的重寫特性的電阻變化元件，與半導體制造工藝親和性高的該電阻變化元件的制造方法，以及該電阻變化元件。