电阻变化器件以及存储器基元阵列制造技术

根据一个实施例，一种电阻变化器件包括：包含金属的第一电极；第二电极；以及在所述第一和第二电极之间的包含Si和O的非晶氧化物层，该层在从所述第一电极到所述第二电极的方向上具有O的浓度梯度及其第一峰值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文中描述的实施例一般而言涉及电阻变化器件以及存储器基元(memory cell)阵列。
技术介绍
在被夹在上下电极之间并包含镍(Ni)和氧(0)且其中0的浓度从下电极朝向上电极增加的电阻切换金属氧化物层中，电阻切换金属氧化物层中的0在电流从上电极向下电 极流动时通过焦耳热扩散，由此局部地形成重掺杂的Ni部分。在该结构中，由于电阻切换金属氧化物中的0的浓度不均匀，因此难以控制电阻变化。
技术实现思路
概括而言，根据一个实施例，一种电阻变化器件包括包含金属的第一电极；第二电极；以及在所述第一和第二电极之间的包含Si和0的非晶氧化物层，该层在从所述第一电极到所述第二电极的方向上具有0的浓度梯度及其第一峰值。一种存储器基元阵列包括多个第一布线，其包含金属并向第一方向延伸；多个第二布线，其向与所述第一方向相交的第二方向延伸；以及多个存储器基兀，其被设置在所述第一和第二布线之间，所述存储器基元中的每一个包括串联连接的电阻变化元件和整流元件，其中，所述电阻变化元件包括包含Si和0的非晶氧化物层，并在与所述第一和第二方向相交的第三方向上具有0的浓度梯度及其第一峰值。—种电阻变化器件包括多个第一电极，每一个所述第一电极包含金属且沿第一方向设置；多个第二电极，其沿所述第一方向设置，并在与所述第一方向相交的第二方向上逐一面向各所述第一电极；以及在所述第一电极与所述第二电极之间的包含Si和0的非晶氧化物层，该层在所述第二方向上具有0的浓度梯度及其第一峰值。附图说明图I示出了电阻变化元件；图2A和2B示出了氧化物层的组成；图3A和3B示出了电阻变化元件的工作原理；图4A到4D示出了电阻变化元件的多值(multilevel)操作；图5示出了电阻变化元件；图6示出了金属元素的离子半径；图7示出了存储器基元阵列；图8示出了电阻变化器件；以及图9和10示出了电阻变化存储器。具体实施例方式(第一实施例)图I是示出了根据第一实施例的电阻变化元件10的视图。在电阻变化元件10中，氧化物层I被夹在两个 电极2和3之间。作为电极2，可以使用选自例如Ag、Ti、Ni、Co、Al、Cr、Cu、W、Hf、Ta和Zr的金属。还以使用上述金属中的任一种的氮化物或碳化物作为电极2。此外，可以使用包含这些金属中的至少一种的合金。作为电极3，可以使用例如其中重掺杂B的Si。这是因为Si的电阻率可以通过重掺杂B而被设定到0. 005 Q cm或更小。电极3不限于例如其中重掺杂B的Si，并且还可以为掺杂其他杂质的Si。杂质的实例为As和P。还可以使用诸如Ti、Ta、W及其氮化物的公知电极材料。氧化物层I为非晶的并包含0和Si。在氧化物层I中，0的浓度从电极2朝向电极3增加，且存在其中0的浓度梯度具有峰值的至少一个区域。也就是，存在其中0的浓度梯度在氧化物层I的层叠方向上具有峰值的至少一个区域。换言之，氧化物层I包括其中0的浓度低的层和其中氧的浓度高的层，并且在其中0的浓度高的层与其中氧的浓度低的层之间的边界中浓度梯度增大。即使在电极2和3之间施加电压时，0的成分也几乎不变。这是由于氧化物层I是非晶的，因而不具有晶体结构，或者Si通过共价键而强键合到O。氧化物层I的膜厚度为例如I (含I)到300nm。当电阻变化元件10的尺寸缩小时，氧化物层I的膜厚度优选尽可能小。当考虑到这一点时，氧化物层I的膜厚度优选为2 (含2)到50(含 50) nm。图2A和2B为用于说明在氧化物层I中包含的0的浓度梯度的视图。横坐标(图面中向右)表示浓度梯度的值，纵坐标(图面中向下)表示从电极2到电极3的距离X。如图2A所示，当氧化物层I包括例如具有成分SiOO.丨的层(第一层4)和具有成分SiO0.5的层(第二层5)时，0的成分在第一层4与第二层5之间的边界中升高0. 4。在该状态下，浓度梯度在第一层4与第二层5之间的边界中具有峰值。在该情况下，第一层4和第二层5的膜厚度为例如50nm。同样，当氧化物层I具有浓度梯度的两个峰值时，存在第三层6，该第三层6的浓度高于第二层5的浓度，如图2B所示。注意，在第三层6中的0的成分为0. 8。接下来，将在下面说明根据该实施例的电阻变化元件10的工作原理。图3A和3B为用于说明根据该实施例的电阻变化元件10的工作原理的视图。将通过采用其中氧化物层I中的0的浓度梯度具有一个峰值的设置作为实例来说明工作原理。通过假设氧化物层I包括第一层4和第二层5来进行说明。如图3A所示，当施加使电阻变化元件10的电极2相对于电极3变为正的电压时，包含在电极2中的金属改变为离子。在氧化物层I中，金属离子朝向电极3扩散。以该方式形成丝极(filament)7。丝极7具有高导电性，这是因为其是由金属形成。因此，第一层4的电阻减小。丝极7的形成在第一层4与第二层5之间的边界中停止。这是因为第二层5中的O的浓度高于第一层4中的O的浓度，因此金属离子扩散速度在第二层5中降低。注意，通过从电极2到电极3供应弱电流来读取电阻的值。还应注意，如果丝极7仅仅形成到第一层4，则隧穿电流流过第二层5。如图3B所示，当在该状态下施加使电极2相对于电极3变负的电压时，存在于第一层4中的形成丝极7的金属离子从电极3朝向电极2扩散，因而丝极7消失。结果，第一层4的电阻增大。如图3A所示，当再次施加使电阻变化元件10的电极2相对于电极3变正的电压时，包含在电极2中的金属变为离子，并且这些金属离子在氧化物层中朝向电极3扩散，由此形成丝极7。也就是，通过施加使电极2相对于电极3变正或变负的电压，可以在氧化物层I中形成丝极7或使丝极7从氧化物层I消灭。因此，通过将例如其中在氧化物层7中形成丝极7的状态设定为‘I’且将其中没有形成丝极7的状态设定为‘0’，可以提供二值(binary)电阻变化元件10。由此在电阻变 化元件10中记录信息。注意，由于丝极7被形成为不延伸到电极3，因此可以减少从电极2到电极3供应的电流的量。同样，通过将丝极7延伸到电极3，并将其中丝极7形成到电极3的状态设定为‘2’，可以获得三值(多值)元件。“多值”表示其中值(level)的数目为三个或更多的状态。在上述氧化物层I中，0的浓度从电极2朝向电极3增加，并且存在其中浓度梯度具有峰值的至少一个区域。因此，参考例如图2A和2B说明的电阻变化元件10的第一层4和第二层5中的0的成分比是不同的。相应地，金属离子从电极2扩散的扩散速度在第一层4和第二层5中是不同的。可以通过使用金属离子扩散速度之间的该差异而实现多值电阻变化元件10。现在将说明将根据该实施例的电阻变化元件10的值的数目增加到三个或更多的方法(即，获得多值元件的方法)。图4A、4B、4C以及4D为示例图，每个图都示出了当施加使电极2相对于电极3变正的电压时的电流-电压特性，以及电阻变化元件10的对应结构。注意，通过假设氧化物层I包括第一层4、第二层5以及第三层6来进行说明。由于氧化物层I具有不同的0的成分比，金属离子从电极2朝向电极3扩散的速度在各层间是变化的。图4A为示出了其中电极2的金属不在氧化物层I中扩散的状态的图。当在该状态下将使电极2相对于电极3变正的电压施加到电阻变化元件10并且达到给定电压(Vl)时，电极2的金属改变为离子，且这些金属离子在第一层4中形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：藤井章辅，松下大介，三谷祐一郎，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：