非易失性半导体存储器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种非易失性半导体存储器件及其制造方法。本发明专利技术能够实现一种即使使用具有相对高电阻率的导电材料用于电极也高度可靠的电阻变化元件。一种非易失性半导体存储器件具有第一布线、第二布线和在一端处电耦合到第一布线且在另一端处电耦合到第二布线的存储单元。该存储单元具有：通过改变电阻值来存储信息的电阻变化层，和耦合在电阻变化层的两端且不包含贵金属的第一电极和第二电极。第一电极包括外部电极和形成在外部电极和电阻变化层之间的界面电极。界面电极的厚度比外部电极的厚度薄。界面电极的电阻率比外部电极的电阻率高。在低电阻状态，第一电极的电阻值比电阻变化层的电阻值低。

【技术实现步骤摘要】
非易失性半导体存储器件及其制造方法相关申请的交叉引用2011年9月9日提交的日本专利申请No.2011-197398的公开，包括说明书、附图和摘要，以其整体作为合并在这里。
本专利技术涉及一种非易失性半导体存储器件及其制造方法，具体地涉及一种电阻随机存取非易失性半导体存储器件及其制造方法。
技术介绍
在非易失性存储器领域中，已经积极研究了闪速存储器、FeRAM(FerroelectricRandomAccessMemory：铁电随机存取存储器)、MRAM(MagneticRandomAccessMemory：磁性随机存取存储器)、OUM(OvonicUnifiedMemory：奥弗辛斯基电效应统一存储器)、PRAM(PhasechangeRandomAccessMemory：相变随机存取存储器；专利文献1)等。近年来，已经提出了一种与该非易失性存储器不同的电阻随机存取非易失性存储器(ReRAM：resistancerandomaccessnonvolatilememory)(非专利文献1)。在这种电阻随机存取非易失性存储器中，通过施加电压脉冲并改变存储单元的电阻变化部分的电阻值来写入信息。电阻随机存取非易失性存储器能够无损地读写信息。另外，电阻随机存取非易失性存储器具有小元件面积，因而能够被多值化。从而，由于电阻随机存取非易失性存储器比现有的非易失性存储器具有更高的电位，所以期望其是有前景的。电阻随机存取非易失性存储器的电阻变化机制分为两种主要类型：电化学型和细丝型(filamenttype)。电化学型需要正电压和负电压来改变电阻，而细丝型使得单极操作成为可能。(非专利文献1和2)电阻变化元件具有通过在电极之间插入电阻变化层形成的结构。这意味着是两端子元件。通常使用诸如WOx(氧化钨)、NiOx(氧化镍)、TaOx(氧化钽)、ZrOx(氧化锆)、HfOx(氧化铪)等过渡金属氧化物作为细丝型电阻变化元件的电阻变化层的材料。在许多种情况下，初始状态处于绝缘态。通常使用诸如Pt(铂)、Ru(钌)、W(钨)、Al(铝)、Cu(铜)等单物质金属、尤其是贵金属作为电极的材料。图1是示出典型细丝型电阻变化元件的操作方法的实例的示意图。该电阻变化元件：具有通过堆叠上电极252、电阻变化层241和下电极251形成的结构；并且与电阻器250串联耦合。通过电极之间的介电击穿进行初始化。也就是，如(a)所示，将施加到上电极252的电压VT.E.、施加到下电极251的电压VB.E.和施加到晶体管250栅极的电压VG分别设定为2.5V、0V和2V。由此将介电击穿电压施加在上电极252和下电极251之间。结果，如(b)所示，在电阻变化层241的一部分中，在上电极252和下电极251之间形成(也称为“成型(forming)”)了类似桥的、称为细丝(filament)241a的低电阻导电路径。该状态称为低电阻状态(LRS)。在这种情况下，在介电击穿之后，通过经由外部电路(在图中未示出)来控制在细丝241a中流动的电流，控制细丝241a的电阻，使其不要太小。例如，调整流动的电流，使其具有1kW的电阻。通过切断细丝的一部分执行电阻增加。也就是，如(b)所示，将施加到上电极252的电压VT.E.、施加到下电极251的电压VB.E.和施加到晶体管250栅极的电压VG分别设定为1.0V、0V和5V。结果，如(c)所示，细丝的一部分被切断(也称为“复位(Reset)”)。这种状态称为高电阻状态(HRS)。通过对细丝241a提供不小于阈值的功率来使细丝241a切断。在这种情况下，必须将超过阈值的电压施加到细丝241a的两端(P＝V2/R,V>(RP)0.5)。已经知道，可以通过隧道势垒模式来解释细丝241a切断的部分。通过向细丝施加比电阻增加电压高的电压，并且由此使切断的细丝再次耦合来执行电阻减小。也就是，如(c)所示，将施加到上电极252的电压VT.E.、施加到下电极251的电压VB.E.和施加到晶体管250栅极的电压VG分别设定为2.5V、0V和2V。结果，如(b)所示，切断的细丝241a再次耦合(也称为“置位(Set)”)。该状态为低电阻状态(LRS)。通过隧道势垒的介电击穿使细丝241a再次耦合。[现有技术文献][专利文献][专利文献1]日本未审查专利公布No.2007-149170[非专利文献][非专利文献1]W.W.Zhuangetal.,"NovelColossalMagnetoresistiveThinFilmNonvolatileResistanceRandomAccessMemory(RRAM)",ElectronDevicesMeeting,2002.IEDM'02.Digest.International,pp.193-196(2002).[非专利文献2]Shimaetal."Resistanceswitchinginthemetaldeficient-typeoxides:NiOandCoO",Appl.Phys.Lett.91,012901(2007).[非专利文献3]G.S.Parketal.,"Observationofelectric-fieldinducedNifilamentchannelsinpolycrystallineNiOxfilm",Appl.Phys.Lett.91,222103(2007).[非专利文献4]C.Yoshidaetal.,"HighspeedresistiveswitchinginPt/TiO2/TiNfilmfornonvolatilememoryapplication",Appl.Phys.Lett.91,223510(2007).
技术实现思路
如上所述，通常使用贵金属作为在电阻变化元件中的电极的材料。一个原因是：当使用贵金属作为电极材料时，电极几乎不会被氧化，由此获得了良好的电阻变化特性。如果电极材料是容易氧化的材料，存储单元的可靠性就会受到如保持特性降低的不利影响。然而当使用贵金属时，也存在下面的问题。首先，贵金属几乎不能通过干法工艺处理。另外，贵金属本身非常昂贵。此外，贵金属的制造工艺关于其他制造工艺没有生产线的兼容性，因此增加了引入制造工艺的制造成本。而且，考虑到污染，与CMOS生产线的亲和性很差。为了避免上述问题，本专利技术人研究了使用诸如氮化钛的、具有高度生产线兼容性的现有材料作为电阻变化元件中的电极材料的方法。这里，基于在细丝型电阻变化元件中使用ZrOx(氧化锆)用于电阻变换层并且使用Ru(钌)或TiNx氮化钛(氮化钛)用于电极的情况进行说明。在这种情况下，MIM(金属/绝缘体/金属)部分，即电极/电阻变化元件/电极部分，是Ru/ZrOx/Ru或TiNx/ZrOx/TiNx。在使用Ru和使用TiNx用于电极的情况之间，元件的尺寸和每个膜的厚度是相同的。在使用Ru用于电极的情况下，当将大约0.5V的电压施加到MIM部分的两端上时，增加了电阻变化元件的电阻。其间，当将大约2.0V的电压施加到MIM部分的两端上时，电阻变化元件的电阻降低。已经发现，即使考虑到电压的变化，在电阻增加电压和电阻减小电压之间也存在大约1.5V的足够余量。因此，当使用Ru用于电极时，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非易失性半导体存储器件，包括：第一布线；第二布线；和存储单元，所述存储单元在一端电耦合到所述第一布线，在另一端电耦合到所述第二布线，其中所述存储单元包括：电阻变化层，所述电阻变化层通过改变电阻值来存储信息；和第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极耦合到所述电阻变化层的两端并且不包含贵金属，其中所述第一电极包括：第一外部电极；和第一界面电极，所述第一界面电极形成在所述第一外部电极和所述电阻变化层之间，其中所述第一界面电极的厚度比所述第一外部电极的厚度薄，其中所述第一界面电极的电阻率比所述第一外部电极的电阻率高，并且其中在低电阻状态中，所述第一电极的电阻值比所述电阻变化层的电阻值低。

【技术特征摘要】
2011.09.09 JP 2011-1973981.一种非易失性半导体存储器件，包括：第一布线；第二布线；和存储单元，所述存储单元在一端电耦合到所述第一布线，在另一端电耦合到所述第二布线，其中所述存储单元包括：电阻变化层，所述电阻变化层通过改变电阻值来存储信息；和第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极耦合到所述电阻变化层的两端并且不包含贵金属，其中所述第一电极包括：第一外部电极；和第一界面电极，所述第一界面电极形成在所述第一外部电极和所述电阻变化层之间，其中所述第一界面电极的厚度比所述第一外部电极的厚度薄，其中所述第一界面电极的电阻率比所述第一外部电极的电阻率高，并且其中在低电阻状态中，所述第一电极的电阻值比所述电阻变化层的电阻值低，其中所述非易失性半导体存储器件是导电细丝型电阻随机存储器件，其中所述第一界面电极的材料与在所述电阻变化层中包括的元素相比是难氧化的。2.根据权利要求1所述的非易失性半导体存储器件，其中所述第一界面电极包括过渡金属氮化物。3.根据权利要求2所述的非易失性半导体存储器件，其中所述第一界面电极包括氮化钛或氮化钽。4.根据权利要求1所述的非易失性半导体存储器件，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：迫坪行广，
申请(专利权)人：瑞萨电子株式会社，
类型：发明
国别省市：