專利名稱：電阻變化器件以及存儲器基元陣列的制作方法
技術領域：
本文中描述的實施例一般而言涉及電阻變化器件以及存儲器基元(memory cell)陣列。
背景技術：
在被夾在上下電極之間并包含鎳(Ni)和氧(0)且其中0的濃度從下電極朝向上電極增加的電阻切換金屬氧化物層中，電阻切換金屬氧化物層中的0在電流從上電極向下電 極流動時通過焦耳熱擴散，由此局部地形成重摻雜的Ni部分。在該結構中，由于電阻切換金屬氧化物中的0的濃度不均勻，因此難以控制電阻變化。

發(fā)明內容
概括而言，根據一個實施例，一種電阻變化器件包括包含金屬的第一電極；第二電極；以及在所述第一和第二電極之間的包含Si和0的非晶氧化物層，該層在從所述第一電極到所述第二電極的方向上具有0的濃度梯度及其第一峰值。一種存儲器基元陣列包括多個第一布線，其包含金屬并向第一方向延伸；多個第二布線，其向與所述第一方向相交的第二方向延伸；以及多個存儲器基兀，其被設置在所述第一和第二布線之間，所述存儲器基元中的每一個包括串聯(lián)連接的電阻變化元件和整流元件，其中，所述電阻變化元件包括包含Si和0的非晶氧化物層，并在與所述第一和第二方向相交的第三方向上具有0的濃度梯度及其第一峰值?！N電阻變化器件包括多個第一電極，每一個所述第一電極包含金屬且沿第一方向設置；多個第二電極，其沿所述第一方向設置，并在與所述第一方向相交的第二方向上逐一面向各所述第一電極；以及在所述第一電極與所述第二電極之間的包含Si和0的非晶氧化物層，該層在所述第二方向上具有0的濃度梯度及其第一峰值。


圖I示出了電阻變化元件；圖2A和2B示出了氧化物層的組成；圖3A和3B示出了電阻變化元件的工作原理；圖4A到4D示出了電阻變化元件的多值(multilevel)操作；圖5示出了電阻變化元件；圖6示出了金屬元素的離子半徑；圖7示出了存儲器基元陣列；
圖8示出了電阻變化器件；以及圖9和10示出了電阻變化存儲器。
具體實施例方式(第一實施例)圖I是示出了根據第一實施例的電阻變化元件10的視圖。在電阻變化元件10中，氧化物層I被夾在兩個 電極2和3之間。作為電極2，可以使用選自例如Ag、Ti、Ni、Co、Al、Cr、Cu、W、Hf、Ta和Zr的金屬。還以使用上述金屬中的任一種的氮化物或碳化物作為電極2。此外，可以使用包含這些金屬中的至少一種的合金。作為電極3，可以使用例如其中重摻雜B的Si。這是因為Si的電阻率可以通過重摻雜B而被設定到0. 005 Q cm或更小。電極3不限于例如其中重摻雜B的Si，并且還可以為摻雜其他雜質的Si。雜質的實例為As和P。還可以使用諸如Ti、Ta、W及其氮化物的公知電極材料。氧化物層I為非晶的并包含0和Si。在氧化物層I中，0的濃度從電極2朝向電極3增加，且存在其中0的濃度梯度具有峰值的至少一個區(qū)域。也就是，存在其中0的濃度梯度在氧化物層I的層疊方向上具有峰值的至少一個區(qū)域。換言之，氧化物層I包括其中0的濃度低的層和其中氧的濃度高的層，并且在其中0的濃度高的層與其中氧的濃度低的層之間的邊界中濃度梯度增大。即使在電極2和3之間施加電壓時，0的成分也幾乎不變。這是由于氧化物層I是非晶的，因而不具有晶體結構，或者Si通過共價鍵而強鍵合到O。氧化物層I的膜厚度為例如I (含I)到300nm。當電阻變化元件10的尺寸縮小時，氧化物層I的膜厚度優(yōu)選盡可能小。當考慮到這一點時，氧化物層I的膜厚度優(yōu)選為2 (含2)到50(含 50) nm。圖2A和2B為用于說明在氧化物層I中包含的0的濃度梯度的視圖。橫坐標(圖面中向右)表示濃度梯度的值，縱坐標(圖面中向下)表示從電極2到電極3的距離X。如圖2A所示，當氧化物層I包括例如具有成分SiOO.丨的層(第一層4)和具有成分SiO0.5的層(第二層5)時，0的成分在第一層4與第二層5之間的邊界中升高0. 4。在該狀態(tài)下，濃度梯度在第一層4與第二層5之間的邊界中具有峰值。在該情況下，第一層4和第二層5的膜厚度為例如50nm。同樣，當氧化物層I具有濃度梯度的兩個峰值時，存在第三層6，該第三層6的濃度高于第二層5的濃度，如圖2B所示。注意，在第三層6中的0的成分為0. 8。接下來，將在下面說明根據該實施例的電阻變化元件10的工作原理。圖3A和3B為用于說明根據該實施例的電阻變化元件10的工作原理的視圖。將通過采用其中氧化物層I中的0的濃度梯度具有一個峰值的設置作為實例來說明工作原理。通過假設氧化物層I包括第一層4和第二層5來進行說明。如圖3A所示，當施加使電阻變化元件10的電極2相對于電極3變?yōu)檎碾妷簳r，包含在電極2中的金屬改變?yōu)殡x子。在氧化物層I中，金屬離子朝向電極3擴散。以該方式形成絲極(filament)7。絲極7具有高導電性，這是因為其是由金屬形成。因此，第一層4的電阻減小。絲極7的形成在第一層4與第二層5之間的邊界中停止。這是因為第二層5中的O的濃度高于第一層4中的O的濃度，因此金屬離子擴散速度在第二層5中降低。注意，通過從電極2到電極3供應弱電流來讀取電阻的值。還應注意，如果絲極7僅僅形成到第一層4，則隧穿電流流過第二層5。如圖3B所示，當在該狀態(tài)下施加使電極2相對于電極3變負的電壓時，存在于第一層4中的形成絲極7的金屬離子從電極3朝向電極2擴散，因而絲極7消失。結果，第一層4的電阻增大。如圖3A所示，當再次施加使電阻變化元件10的電極2相對于電極3變正的電壓時，包含在電極2中的金屬變?yōu)殡x子，并且這些金屬離子在氧化物層中朝向電極3擴散，由此形成絲極7。也就是，通過施加使電極2相對于電極3變正或變負的電壓，可以在氧化物層I中形成絲極7或使絲極7從氧化物層I消滅。因此，通過將例如其中在氧化物層7中形成絲極7的狀態(tài)設定為‘I’且將其中沒有形成絲極7的狀態(tài)設定為‘0’，可以提供二值(binary)電阻變化元件10。由此在電阻變 化元件10中記錄信息。注意，由于絲極7被形成為不延伸到電極3，因此可以減少從電極2到電極3供應的電流的量。同樣，通過將絲極7延伸到電極3，并將其中絲極7形成到電極3的狀態(tài)設定為‘2’，可以獲得三值(多值)元件?！岸嘀怠北硎酒渲兄?level)的數(shù)目為三個或更多的狀態(tài)。在上述氧化物層I中，0的濃度從電極2朝向電極3增加，并且存在其中濃度梯度具有峰值的至少一個區(qū)域。因此，參考例如圖2A和2B說明的電阻變化元件10的第一層4和第二層5中的0的成分比是不同的。相應地，金屬離子從電極2擴散的擴散速度在第一層4和第二層5中是不同的?？梢酝ㄟ^使用金屬離子擴散速度之間的該差異而實現(xiàn)多值電阻變化元件10?，F(xiàn)在將說明將根據該實施例的電阻變化元件10的值的數(shù)目增加到三個或更多的方法(即，獲得多值元件的方法)。圖4A、4B、4C以及4D為示例圖，每個圖都示出了當施加使電極2相對于電極3變正的電壓時的電流-電壓特性，以及電阻變化元件10的對應結構。注意，通過假設氧化物層I包括第一層4、第二層5以及第三層6來進行說明。由于氧化物層I具有不同的0的成分比，金屬離子從電極2朝向電極3擴散的速度在各層間是變化的。圖4A為示出了其中電極2的金屬不在氧化物層I中擴散的狀態(tài)的圖。當在該狀態(tài)下將使電極2相對于電極3變正的電壓施加到電阻變化元件10并且達到給定電壓(Vl)時，電極2的金屬改變?yōu)殡x子，且這些金屬離子在第一層4中形成絲極7，如圖4B所示。在該狀態(tài)下，電流值突然升高，如圖4B的下半部中的實心圓所示。這是因為在第一層4中形成導電絲極7，且這大地減小了電阻變化元件10的電阻值。絲極7的形成在第一層4與第二層5之間的邊界中停止。這是因為第二層5中的0的濃度高于第一層4中的0的濃度，因而金屬離子擴散速度在第二層5中降低。然后，施加高于電壓Vl的電壓(V2)，以便電極2相對于電極3變正。因此，如圖4C所示，在第一層4中形成絲極7的金屬離子在第二層5中擴散，從而絲極7延伸。在該狀態(tài)下，電流值進一步升高(圖4C中的下半部的實心圓)。這是因為，導電絲極7的長度進一步增加。絲極7的形成在第二層5與第三層6之間的邊界中停止。這是因為在第三層6中的O的濃度高于在第二層5中的O的濃度，因而金屬離子擴散速度在第三層6中降低。隨后，施加高于電壓V2的電壓(V3)，以便電極2相對于電極3變正。因此，如圖4D所示，在第二電極5中形成絲極7的金屬離子在第三層6中擴散，從而絲極7延伸。在該狀態(tài)下，電流值進一步升高(圖4D中的下半部的實心圓)。這是因為，導電絲極7的長度進一步增加。由此,絲極7從電極2形成到電極3。如上所述，圖4A、4B、4C以及4D中示出的狀態(tài)關于具有特定閾值的電壓VI、V2以及V3而逐步改變。這可以實現(xiàn)多值電阻變化元件10。注意，通過例如0. I (含0. I)到15(含15) V的范圍限定電壓VI、V2以及V3的值。當電阻變化元件10的尺寸減小到例如約50nm的尺寸時，電壓V1、V2以及V3的值優(yōu)選由0.1 (含0.1)到6 (含6) V的范圍限定。同樣地，當在圖4B、4C以及4D中示出的狀態(tài)(即，其中在氧化物層I中形成絲極7的狀態(tài))下施加使電極2相對于電極3變負的電壓時，由于所施加的電場，形成絲極7的金屬離子從電極3朝向電極2擴散，因此絲極7可被消滅。也就是，可以通過施加使電極2相對于電極3變負或變正的電壓而在氧化物層I中形成絲極7或從氧化物層I消滅絲極7。 同樣，通過由例如-0.1 (含-0.1)到-15 (含-15) V的范圍限定使電極2相對于電極3變負的該電壓的值。當電阻變化元件10的尺寸減小到例如約50nm的尺寸時，該電壓值優(yōu)選由-0. I (含-0. I)到-6 (含-6) V的范圍限定。相應地，可以通過例如將其中在氧化物層I中沒有形成絲極7的狀態(tài)設定為‘0’，將其中絲極7形成直到第一層4的狀態(tài)設定為‘I’，將其中絲極7形成直到第二層5的狀態(tài)設定為‘2’，以及將其中絲極7形成直到第三層6的狀態(tài)設定為‘3’，提供多值電阻變化元件10。還可以通過控制閾值電壓以便氧化物層I中存在多個下述區(qū)域而提供具有更大的值數(shù)目的電阻變化元件在所述多個區(qū)域的每一個中濃度梯度都具有峰值。下面將說明獲得多值電阻變化元件10所需的在氧化物層I中包含的0的有利的量。為了簡化說明，通過假設如圖5所示在電極2和電極3之間形成具有不同氧濃度的兩個層(第一和第二層)而進行說明。也就是，在氧化物層I中存在一個濃度梯度峰值。如上所述，根據該實施例的電阻變化元件10的工作原理為通過在電極2和3之間施加電壓而使電極2的金屬作為離子在氧化物層I中擴散，由此在氧化物層I中形成絲極7。根據由本發(fā)明人進行的研究的結果，可以通過IOOns或更小的快電壓脈沖而形成絲極7。這表明，形成絲極的金屬離子并不以相對慢的擴散形式(例如，空位交換型或晶格替位型擴散形式)擴散而是以間隙插入型擴散形式擴散。也就是，形成絲極7的金屬離子在帶電狀態(tài)下擴散，因為金屬離子在氧化物層7中的晶格之間跳躍(hop)。在該狀態(tài)下，金屬離子在氧化物層I中的擴散的容易度通常由金屬離子的跳躍的容易度確定。也就是，金屬離子的跳躍率(hopping rate) v (S-1)由下式表示
f E、V = v0exp... (I)其中v JS—1)為跳躍的嘗試頻率(attempt frequency)和等價于大約德拜(Debye)頻率的值，Ea為跳躍所需的激活能量。形成絲極7的金屬通過電場而被推到氧化物層I內部。也就是，由于金屬因被電場推到氧化物層I中而移動，因此移動的容易度與金屬的離子半徑有緊密關系。也就是，離子半徑越大，間隙跳躍所需的激活能量越高。
圖6為示出了金屬的離子半徑的圖。將使用Ag和Cu作為這些金屬的代表來進行說明。下面將說明能夠實現(xiàn)多值操作的在氧化物層I中的0含量的條件。首選，將說明其中在氧化物層I中沒有形成絲極7的狀態(tài)(初始狀態(tài))。當在該狀態(tài)下在電極2和3之間施加電壓時，包含在電極2中的金屬因由下式指示的擴散通量Jtop(A)和Jmid(A)而在氧化物層I中擴散
權利要求
1.一種電阻變化器件，包括 包含金屬的第一電極； 第二電極；以及 在所述第一和第二電極之間的包含Si和O的非晶氧化物層，該層在從所述第一電極到所述第二電極的方向上具有O的濃度梯度及其第一峰值。
2.根據權利要求I的器件， 其中，所述氧化物層具有沿所述方向的所述濃度梯度的第二峰值。
3.根據權利要求I的器件， 其中，所述氧化物層具有沿所述方向的所述濃度梯度的包括所述第一峰值的多個峰值。
4.根據權利要求I的器件， 其中，所述器件通過將所述第一和第二電極之間的電壓改變到選自彼此不同的兩個或更多個值中的一個來存儲多值數(shù)據。
5.根據權利要求4的器件， 其中，所述多值數(shù)據的值由在所述第一和第二電極之間提供的且包含所述金屬的絲極的長度確定。
6.根據權利要求I的器件， 其中，所述金屬為Ag、Ti、Ni、Co、Al、Cr、Cu、W、Hf、Ta以及Zr中的一種。
7.根據權利要求I的器件， 其中，所述第二電極為摻雜有雜質的Si。
8.—種存儲器基兀陣列,包括 多個第一布線，其包含金屬并向第一方向延伸； 多個第二布線，其向與所述第一方向相交的第二方向延伸；以及多個存儲器基元，其被設置在所述第一和第二布線之間，所述多個存儲器基元中的每一個包括電阻變化元件， 其中，所述電阻變化元件包括包含Si和O的非晶氧化物層，并在與所述第一和第二方向相交的第三方向上具有O的濃度梯度及其第一峰值。
9.根據權利要求8的陣列， 其中，所述氧化物層具有沿所述第三方向的所述濃度梯度的第二峰值。
10.根據權利要求8的陣列， 其中，所述氧化物層具有沿所述第三方向的所述濃度梯度的包括所述第一峰值的多個峰值。
11.根據權利要求8的陣列， 其中，所述多個存儲器基元中的一個所選擇的存儲器基元通過將所述多個第一布線中的所選擇的第一布線與所述多個第二布線中的所選擇的第二布線之間的電壓改變到選自彼此不同的兩個或更多個值中的一個來存儲多值數(shù)據。
12.根據權利要求11的陣列， 其中，所述多值數(shù)據的值由在所述所選擇的第一布線和所述所選擇的第二布線之間提供的且包含所述金屬的絲極的長度確定。
13.根據權利要求8的陣列， 其中，所述金屬為Ag、Ti、Ni、Co、Al、Cr、Cu、W、Hf、Ta以及Zr中的一種。
14.根據權利要求8的陣列， 其中，所述第二布線為摻雜有雜質的Si。
15.一種電阻變化器件，包括 多個第一電極，每一個所述第一電極包含金屬且沿第一方向設置； 多個第二電極，其沿所述第一方向設置，并在與所述第一方向相交的第二方向上逐一面向各所述第一電極；以及 在所述第一電極與所述第二電極之間的包含Si和O的非晶氧化物層，該層在所述第二方向上具有O的濃度梯度及其第一峰值。
16.根據權利要求15的器件， 其中，所述氧化物層具有沿所述第二方向的所述濃度梯度的第二峰值。
17.根據權利要求15的器件， 其中，所述氧化物層具有沿所述第二方向的所述濃度梯度的包括所述第一峰值的多個峰值。
18.根據權利要求15的器件， 其中，所述器件通過將所述第一電極和所述第二電極之間的電壓改變到選自彼此不同的兩個或更多個值中的一個來在所述第一電極與所述第二電極之間的一部分中存儲多值數(shù)據。
19.根據權利要求18的器件， 其中，所述多值數(shù)據的值由在所述第一電極中的一個和所述第二電極中的一個之間提供的且包含所述金屬的絲極的長度確定。
20.根據權利要求15的器件， 其中，所述金屬為Ag、Ti、Ni、Co、Al、Cr、Cu、W、Hf、Ta以及Zr中的一種。
21.根據權利要求15的器件， 其中，所述第二電極為摻雜有雜質的Si。
全文摘要
根據一個實施例，一種電阻變化器件包括包含金屬的第一電極；第二電極；以及在所述第一和第二電極之間的包含Si和O的非晶氧化物層，該層在從所述第一電極到所述第二電極的方向上具有O的濃度梯度及其第一峰值。
文檔編號H01L45/00GK102782847SQ201180011998
公開日2012年11月14日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權日2010年3月26日
發(fā)明者三谷祐一郎, 松下大介, 藤井章輔 申請人:株式會社 東芝