[发明专利]电阻变化元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及电阻变化元件，特别涉及根据施加的电信号而电阻值可逆地变化的电阻变化型的电阻变化元件及其制造方法。

背景技术

近年来，随着电气设备的数字技术的进展，为了保存音乐、图像、信息等数据，对于大容量且非易失性的存储器件的要求提高。作为对应这样的要求的一个对策，在存储单元中使用了电阻值根据被施加的电信号而变化、并持续保持该状态的电阻变化元件的非易失性存储器件（以下称作ReRAM）受到关注。这是因为，电阻变化元件具有结构比较简单且容易高密度化、容易取得与以往的半导体工艺的相容性等特征。

作为一例，在专利文献1、2、3中，公开了这样一种电阻变化元件，其具有两个电极和被这些电极夹着的电阻变化层，该电阻变化层的电阻状态可逆地变化。图8、图9、图10是表示在上述专利文献1、2、3中公开的以往的电阻变化元件的结构的剖视图。

图8表示在专利文献1中记载的以往的电阻变化元件800的结构。电阻变化元件800具有由第1电极807和第2电极805夹着由金属氧化物层构成的电阻变化层806的原型结构（图8上段）。对于原型结构的电阻变化元件800，通过在第1电极807及第2电极805间施加规定的电压，形成作为第1电极807及第2电极805间的电流路径（在两电极间流过的电流的电流密度局部变大的部分）的纤丝（filament）806c（图8下段）。以下，将初次形成纤丝806c的处理称作初始击穿，将初始击穿所需的施加电压称作初始击穿电压。

图9表示在专利文献2中记载的以往的电阻变化元件900的结构。电阻变化元件900具备带有纳米针905a的第2电极905。电阻变化层906邻接于纳米针905a。第1电极907邻接于电阻变化层906。纳米针905a有导电性，通过仅设在第2电极905上而形成非对称型的电极构造。从第2电极905的表面部分的1平方微米生长的纳米针的数量通常超过100。

通常，纳米针905a的密度越高，通过施加恒压脉冲而变化的电阻变化层906的高电阻状态与低电阻状态的电阻值的差越大。此外，通过由纳米针905a形成的不均匀的电场，使电阻变化元件900的动作特性改善。纳米针905a的顶端处的电场比整体的平均电场强很多。因此，能够使用低电压且较弱的电脉冲使电阻变化层906的电阻值变化。

图10表示在专利文献3中记载的以往的电阻变化元件1000的结构。电阻变化元件1000具备衬底1001、形成在该衬底1001上的氧化物层1002、形成在该氧化物层1002上的第1电极1007、具有多个针1005a的第2电极1005、以及被第1电极1007及第2电极1005夹着的电阻变化层1006。这里，电阻变化层1006由氧不足型金属氧化物形成，由氧不足度大的第1金属氧化物含有层（以下称作“第1金属氧化物层”）1006a、和形成在该第1金属氧化物层1006a上的氧不足度小的第2金属氧化物含有层（以下称作“第2金属氧化物层”）1006b构成。

第2金属氧化物层1006b的膜厚t比针1005a的高度h大。从针1005a的顶端到第1金属氧化物层1006a的距离为t－h，小于从没有针1005a的部分的第2电极1005到第1金属氧化物层1006a的距离t。多个针1005a通过将第2电极1005加热而形成。通过形成多个针1005a，电场集中在针1005a的顶端附近，所以容易形成发生电阻变化现象的纤丝区域。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008－306157号公报

专利文献2：日本特开2006－203178号公报

专利文献3：国际公开第2010/086916号

发明概要

发明要解决的问题

但是，在专利文献1、2、3的结构中，规定发生电阻变化现象的纤丝区域及纤丝区域的位置的针在电极的与衬底平行的面内随机地发生。此外，构成电阻变化层的金属氧化物的组成在与衬底平行的面内不均匀。具体而言，电阻变化元件的侧壁附近与中心部分相比，更容易受到蚀刻伤害、层间绝缘层形成时的氧化等的影响，所以在电阻变化元件的中心部分和侧壁附近，金属氧化物中的氧的含有量不同。

因此，电阻变化元件的特性、特别是初始击穿电压和动作时的电阻值根据纤丝区域发生在电阻变化元件的中心部分及侧壁附近的哪里而不同，因而，有多个电阻变化元件的动作特性偏差的问题。这样的动作特性的偏差损害了使用电阻变化元件而构成的半导体存储装置的动作稳定性及可靠性。此外，需要对电阻变化元件的设计尺寸加上作为这样的偏差的对策的余量，所以妨碍了存储装置的细微化、大容量化。