专利名称：电阻变化器件以及存储器基元阵列的制作方法
技术领域：
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。
背景技术：
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。
发明内容
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。
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中形成丝极7，如图4B所示。在该状态下，电流值突然升高，如图4B的下半部中的实心圆所示。这是因为在第一层4中形成导电丝极7，且这大地减小了电阻变化元件10的电阻值。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0的浓度高于第一层4中的0的浓度，因而金属离子扩散速度在第二层5中降低。然后，施加高于电压Vl的电压(V2)，以便电极2相对于电极3变正。因此，如图4C所示，在第一层4中形成丝极7的金属离子在第二层5中扩散，从而丝极7延伸。在该状态下，电流值进一步升高(图4C中的下半部的实心圆)。这是因为，导电丝极7的长度进一步增加。丝极7的形成在第二层5与第三层6之间的边界中停止。这是因为在第三层6中的O的浓度高于在第二层5中的O的浓度，因而金属离子扩散速度在第三层6中降低。随后，施加高于电压V2的电压(V3)，以便电极2相对于电极3变正。因此，如图4D所示，在第二电极5中形成丝极7的金属离子在第三层6中扩散，从而丝极7延伸。在该状态下，电流值进一步升高(图4D中的下半部的实心圆)。这是因为，导电丝极7的长度进一步增加。由此,丝极7从电极2形成到电极3。如上所述，图4A、4B、4C以及4D中示出的状态关于具有特定阈值的电压VI、V2以及V3而逐步改变。这可以实现多值电阻变化元件10。注意，通过例如0. I (含0. I)到15(含15) V的范围限定电压VI、V2以及V3的值。当电阻变化元件10的尺寸减小到例如约50nm的尺寸时，电压V1、V2以及V3的值优选由0.1 (含0.1)到6 (含6) V的范围限定。同样地，当在图4B、4C以及4D中示出的状态(即，其中在氧化物层I中形成丝极7的状态)下施加使电极2相对于电极3变负的电压时，由于所施加的电场，形成丝极7的金属离子从电极3朝向电极2扩散，因此丝极7可被消灭。也就是，可以通过施加使电极2相对于电极3变负或变正的电压而在氧化物层I中形成丝极7或从氧化物层I消灭丝极7。 同样，通过由例如-0.1 (含-0.1)到-15 (含-15) V的范围限定使电极2相对于电极3变负的该电压的值。当电阻变化元件10的尺寸减小到例如约50nm的尺寸时，该电压值优选由-0. I (含-0. I)到-6 (含-6) V的范围限定。相应地，可以通过例如将其中在氧化物层I中没有形成丝极7的状态设定为‘0’，将其中丝极7形成直到第一层4的状态设定为‘I’，将其中丝极7形成直到第二层5的状态设定为‘2’，以及将其中丝极7形成直到第三层6的状态设定为‘3’，提供多值电阻变化元件10。还可以通过控制阈值电压以便氧化物层I中存在多个下述区域而提供具有更大的值数目的电阻变化元件在所述多个区域的每一个中浓度梯度都具有峰值。下面将说明获得多值电阻变化元件10所需的在氧化物层I中包含的0的有利的量。为了简化说明，通过假设如图5所示在电极2和电极3之间形成具有不同氧浓度的两个层(第一和第二层)而进行说明。也就是，在氧化物层I中存在一个浓度梯度峰值。如上所述，根据该实施例的电阻变化元件10的工作原理为通过在电极2和3之间施加电压而使电极2的金属作为离子在氧化物层I中扩散，由此在氧化物层I中形成丝极7。根据由本发明人进行的研究的结果，可以通过IOOns或更小的快电压脉冲而形成丝极7。这表明，形成丝极的金属离子并不以相对慢的扩散形式(例如，空位交换型或晶格替位型扩散形式)扩散而是以间隙插入型扩散形式扩散。也就是，形成丝极7的金属离子在带电状态下扩散，因为金属离子在氧化物层7中的晶格之间跳跃(hop)。在该状态下，金属离子在氧化物层I中的扩散的容易度通常由金属离子的跳跃的容易度确定。也就是，金属离子的跳跃率(hopping rate) v (S-1)由下式表示
f E、V = v0exp... (I)其中v JS—1)为跳跃的尝试频率(attempt frequency)和等价于大约德拜(Debye)频率的值，Ea为跳跃所需的激活能量。形成丝极7的金属通过电场而被推到氧化物层I内部。也就是，由于金属因被电场推到氧化物层I中而移动，因此移动的容易度与金属的离子半径有紧密关系。也就是，离子半径越大，间隙跳跃所需的激活能量越高。
图6为示出了金属的离子半径的图。将使用Ag和Cu作为这些金属的代表来进行说明。下面将说明能够实现多值操作的在氧化物层I中的0含量的条件。首选，将说明其中在氧化物层I中没有形成丝极7的状态(初始状态)。当在该状态下在电极2和3之间施加电压时，包含在电极2中的金属因由下式指示的扩散通量Jtop(A)和Jmid(A)而在氧化物层I中扩散
权利要求
1.一种电阻变化器件，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。
2.根据权利要求I的器件， 其中，所述氧化物层具有沿所述方向的所述浓度梯度的第二峰值。
3.根据权利要求I的器件， 其中，所述氧化物层具有沿所述方向的所述浓度梯度的包括所述第一峰值的多个峰值。
4.根据权利要求I的器件， 其中，所述器件通过将所述第一和第二电极之间的电压改变到选自彼此不同的两个或更多个值中的一个来存储多值数据。
5.根据权利要求4的器件， 其中，所述多值数据的值由在所述第一和第二电极之间提供的且包含所述金属的丝极的长度确定。
6.根据权利要求I的器件， 其中，所述金属为Ag、Ti、Ni、Co、Al、Cr、Cu、W、Hf、Ta以及Zr中的一种。
7.根据权利要求I的器件， 其中，所述第二电极为掺杂有杂质的Si。
8.—种存储器基兀阵列,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；以及多个存储器基元，其被设置在所述第一和第二布线之间，所述多个存储器基元中的每一个包括电阻变化元件， 其中，所述电阻变化元件包括包含Si和O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O的浓度梯度及其第一峰值。
9.根据权利要求8的阵列， 其中，所述氧化物层具有沿所述第三方向的所述浓度梯度的第二峰值。
10.根据权利要求8的阵列， 其中，所述氧化物层具有沿所述第三方向的所述浓度梯度的包括所述第一峰值的多个峰值。
11.根据权利要求8的阵列， 其中，所述多个存储器基元中的一个所选择的存储器基元通过将所述多个第一布线中的所选择的第一布线与所述多个第二布线中的所选择的第二布线之间的电压改变到选自彼此不同的两个或更多个值中的一个来存储多值数据。
12.根据权利要求11的阵列， 其中，所述多值数据的值由在所述所选择的第一布线和所述所选择的第二布线之间提供的且包含所述金属的丝极的长度确定。
13.根据权利要求8的阵列， 其中，所述金属为Ag、Ti、Ni、Co、Al、Cr、Cu、W、Hf、Ta以及Zr中的一种。
14.根据权利要求8的阵列， 其中，所述第二布线为掺杂有杂质的Si。
15.一种电阻变化器件，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O的非晶氧化物层，该层在所述第二方向上具有O的浓度梯度及其第一峰值。
16.根据权利要求15的器件， 其中，所述氧化物层具有沿所述第二方向的所述浓度梯度的第二峰值。
17.根据权利要求15的器件， 其中，所述氧化物层具有沿所述第二方向的所述浓度梯度的包括所述第一峰值的多个峰值。
18.根据权利要求15的器件， 其中，所述器件通过将所述第一电极和所述第二电极之间的电压改变到选自彼此不同的两个或更多个值中的一个来在所述第一电极与所述第二电极之间的一部分中存储多值数据。
19.根据权利要求18的器件， 其中，所述多值数据的值由在所述第一电极中的一个和所述第二电极中的一个之间提供的且包含所述金属的丝极的长度确定。
20.根据权利要求15的器件， 其中，所述金属为Ag、Ti、Ni、Co、Al、Cr、Cu、W、Hf、Ta以及Zr中的一种。
21.根据权利要求15的器件， 其中，所述第二电极为掺杂有杂质的Si。
全文摘要
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。
文档编号H01L45/00GK102782847SQ201180011998
公开日2012年11月14日 申请日期2011年3月11日 优先权日2010年3月26日
发明者三谷祐一郎, 松下大介, 藤井章辅 申请人:株式会社 东芝