[发明专利]非易失性存储元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及非易失性半导体元件、其制造方法、以及非易失性存储元件的设计支持方法，尤其涉及电阻值通过电压脉冲的施加而变化的电阻变化型的非易失性半导体存储元件及其制造方法等。

背景技术

近年来，随着数字技术的发展，便携式信息设备和信息家电等电子设备进一步实现了高功能化。因此，对电阻变化元件的大容量化、写入功率的降低、写入/读出时间的高速化、以及长寿命化的要求愈发高涨。

针对这些要求，可以说已有的采用浮栅(floating gate)的闪存的细微化是有界限的。与此相对，在存储部的材料采用电阻变化层的电阻变化元件（电阻变化型存储器）中，能够利用由两端子的电阻变化元件构成的单纯构造的存储元件（非易失性存储元件）构成，因而能够期待更进一步的细微化、高速化和低功耗化。在存储部的材料采用电阻变化层的情况下，例如通过电脉冲的输入等，使其电阻值从高电阻向低电阻、或者从低电阻向高电阻变化。在这种情况下，明确区分低电阻和高电阻这两种值，在低电阻和高电阻之间实现快速且稳定地变化，以及非易失性地保存这两种值，从稳定存储器特性的角度来说是必要的。

为此，关于非易失性存储元件提出了以存储器特性的稳定和存储元件的细微化为目的的各种方案。作为构成这种非易失性存储元件的电阻变化元件的一例，提出了将含氧率不同的过渡金属氧化物进行层叠并用作电阻变化层的电阻变化元件。例如，在专利文献1中公开了这样的电阻变化元件，使在与含氧率高的电阻变化层接触的电极界面上有选择地产生氧化/还原反应，使电阻变化变稳定。该电阻变化元件具有下部电极和电阻变化层和上部电极，通过进行二维或者三维配置来构成存储器阵列。并且，该电阻变化元件的电阻变化层由第1电阻变化层和第2电阻变化层的层叠构造构成，第1电阻变化层和第2电阻变化层利用相同种类的过渡金属氧化物构成。并且，形成第2电阻变化层的过渡金属氧化物的含氧率高于形成第1电阻变化层的过渡金属氧化物的含氧率。通过形成这种构造，在对电阻变化元件施加电压的情况下，电压几乎都施加给了含氧率高、而且表现出更高的电阻值的第2电阻变化层。并且，在该界面附近含有丰富的能够有助于反应的氧。因此，在上部电极与第2电阻变化层的界面中有选择地产生氧化/还原的反应，能够稳定地实现电阻变化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开2008/149484号公报

专利文献2：国际公开2008/126365号公报

发明概要

发明要解决的问题

但是，在如上所述的现有技术的非易失性存储元件中存在如下问题。

在电阻变化层采用缺氧型的氧化钽层等过渡金属氧化物的情况下，通过利用含氧率高的层（高浓度层）和含氧率低的层（低浓度层）的层叠构造构成电阻变化层，能够实现稳定的动作。其中，所谓缺氧型的金属氧化物，是指含氧量比具有化学计量（Stoichiometry）组分的金属氧化物的含氧量少的金属氧化物，对于上述的氧化钽，在用TaO_x表示其组分时，具有化学计量组分的氧化钽为TaO_2.5（即Ta₂O₅），因而缺氧型的氧化钽的x的值为0<x<2.5。x的范围因该过渡金属具有的价数的值而异。通常具有化学计量组分的金属氧化物显示出绝缘性，而缺氧型的金属氧化物显示出半导体的特性。

但是，在电阻变化层构成为这种高浓度层（高电阻层）和低浓度层（低电阻层）的层叠构造的情况下，最初施加电信号时的初期电阻值通过初期状态的高电阻层而高于通常的电阻变化时的高电阻状态的电阻值，在这种状态维持不变的情况下即使提供电信号（通常的电脉冲），电阻也不变化，因而不能得到电阻变化特性。

为了得到电阻变化特性，需要对初期状态的电阻变化层施加高电压的电脉冲，使在高电阻层内形成电路径（使高电阻层击穿）。这种处理被称为初期击穿。该高电压的电脉冲的电压（初期击穿电压）高于使作为存储器的电阻变化层从低电阻状态变为高电阻状态或者从高电阻状态变为低电阻状态所需要的通常的电脉冲的电压，需要用于产生这种高电压的电脉冲的特殊电路。即，存在除了用于产生通常的电脉冲的电路之外，还需要用于产生高电压的电脉冲的特殊电路的问题。