[發明專利]非易失性存儲元件和非易失性存儲裝置及它們的制造方法

有效

• 申請號: 201180035067.3
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN103168359A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 姬野敦史;空田晴之;早川幸夫;三河巧
• 申請（專利權）人: 松下電器產業株式會社
• 主分類號: H01L27/105
• 分類號: H01L27/105;H01L45/00;H01L49/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 徐殿軍

技術領域

本發明涉及電阻變化型的非易失性存儲元件、使用多個該非易失性存儲元件的非易失性存儲裝置、以及它們的制造方法，所述非易失性存儲元件具有電阻值根據電壓脈沖的施加而變化的電阻變化元件。

背景技術

近年來，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實現了高功能化。伴隨這些電子設備的高功能化，所使用的半導體元件的細微化及高速化得到快速發展。其中，諸如以閃存為代表的大容量的非易失性存儲器的用途快速擴大。另外，作為替換該閃存的下一代的新型非易失性存儲器，正在推進使用電阻變化元件的電阻變化型存儲器（ReRAM：Resistive?Random?Access?Memory）的研發。其中，電阻變化元件是指具有電阻值根據電信號而可逆地變化的性質，并且能夠非易失性地存儲與該電阻值對應的信息的元件。

該電阻變化型存儲器使用電阻值變化的電阻變化層作為存儲元件，通過對該電阻變化層施加電脈沖（例如電壓脈沖），使其電阻值從高電阻狀態向低電阻狀態或者從低電阻狀態向高電阻狀態變化。由此，電阻變化型存儲器進行數據存儲。在這種情況下，需要明確區分低電阻狀態和高電阻狀態這兩個值，并且使在低電阻狀態與高電阻狀態之間快速地穩定變化，而且非易失性地保存這兩個值。

作為這種非易失性存儲元件的一例，提出了使用將含氧率不同的過渡金屬氧化物進行層疊得到的電阻變化層的非易失性存儲元件。例如，專利文獻1公開了通過有選擇地使在與含氧率較高的過渡金屬氧化物層接觸的電極界面產生氧化反應和還原反應，使電阻變化現象變穩定。

圖23是具有專利文獻1記載的非易失性存儲元件55的電阻變化型的非易失性存儲裝置50的截面圖。在圖23所示的非易失性存儲裝置50中，在基板60上形成有第1布線61，還形成有覆蓋該第1布線61的第1層間絕緣層62。并且，形成有貫通第1層間絕緣層62的與第1布線61連接的第1插塞64。另外，在第1層間絕緣層62上形成有覆蓋第1插塞64的非易失性存儲元件55。該非易失性存儲元件55由下部電極65、電阻變化層66及上部電極67構成。并且，形成有覆蓋該非易失性存儲元件55的第2層間絕緣層68。并且，形成有貫通該第2層間絕緣層68的第2插塞70。該第2插塞70將上部電極67和第2布線71相連接。

電阻變化層66是第1電阻變化層66x和第2電阻變化層66y的層疊構造。第1電阻變化層66x和第2電阻變化層66y由相同種類的過渡金屬氧化物構成。并且，形成第2電阻變化層66y的過渡金屬氧化物的含氧率高于形成第1電阻變化層66x的過渡金屬氧化物的含氧率。

通過形成這種構造，在對非易失性存儲元件55施加電壓的情況下，電壓幾乎都施加到含氧率較高、顯示出更高的電阻值的第2電阻變化層66y上。并且，在第2電阻變化層66y的附近存在大量能夠有助于反應的氧。因此，在上部電極67與第2電阻變化層66y的界面附近有選擇地產生氧化或者還原反應，因而能夠穩定地實現電阻變化。

另外，專利文獻1公開了由使用過渡金屬氧化物作為電阻變化層的1T1R（1晶體管1電阻）型存儲器單元構成的非易失性存儲器。過渡金屬氧化物薄膜通常是絕緣體。因此，在初始狀態下進行電阻變化層的擊穿（初始擊穿），由此形成能夠在高電阻狀態與低電阻狀態之間切換電阻值的導電路徑，以便使電阻值進行脈沖變化。另外，所謂“初始擊穿（initial?breakdown）”，是使制造后的電阻變化層變為能夠根據施加的電壓值（或者施加的電壓的極性）可逆地轉變為高電阻狀態和低電阻狀態的狀態的處理。具體地講，初始擊穿是指對具有極高的電阻值的制造后的電阻變化層或者包含電阻包含層的非易失性存儲元件施加大于寫入電壓的電壓（初始擊穿電壓）。通過該初始擊穿，電阻變化層能夠可逆地轉變為高電阻狀態和低電阻狀態，并且其電阻值降低。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：國際公開2008/149484號

專利文獻2：國際公開2008/059701號

非專利文獻

非專利文獻1：I.G.Baek等,IEDM2004,p.587

發明概要

發明要解決的問題

但是，在圖23所示的結構中，對于不經由插塞而直接將電阻變化元件的上部電極和上層布線連接的構造，存在將形成電流從上層布線不經由電阻變化元件的上部電極即直接流向電阻變化層的泄漏路徑的擔憂。