[发明专利]非易失性存储元件、非易失性存储装置、非易失性半导体装置和非易失性存储元件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及非易失性存储元件、非易失性存储装置、非易失性半导体装置和非易失性存储元件的制造方法，特别是涉及电阻值根据施加的电信号而改变的电阻变化型的装置。

背景技术

近年来，伴随着数字技术的发展，便携式信息设备以及信息家电等电子设备更进一步高功能化。因此，对非易失性存储元件的大容量化、写入电力的降低、写入/读出时间的高速化和长寿命化的要求逐渐提高。

对于这样的要求，认为现有的使用浮栅(floating gate)的闪存(flash memory)的微细化是有极限的。另一方面，在使用电阻变化层作为存储部的材料的非易失性存储元件(电阻变化型存储器)时，因为能够由用一对电极夹着电阻变化层而形成的简单结构的存储元件构成，所以期待能够进一步微细化、高速化和低耗电化。

在使用电阻变化层作为存储部时，例如，根据脉冲的输入等，使电阻变化层从高电阻状态向低电阻状态变化，或从低电阻状态向高电阻状态变化。在这种情况下，明确地将低电阻状态和高电阻状态的两种状态进行区分，并且在低电阻状态和高电阻状态之间高速且稳定地变化，需要将这两种状态保持为非易失性。以这样的存储器特性的稳定和存储元件的细微化为目的，一直以来提出了各种方案。

作为这样的提案之一，已知使用钽氧化物作为构成电阻变化层的电阻变化材料的非易失性存储元件(例如，参照专利文献1)。由于该钽氧化物是二元物系(binary system)，所以组成控制和成膜比较容易。此外，其与半导体制造工艺的匹配性也较好。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第二008/059701号

发明内容

发明要解决的问题

然而，在使用上述钽氧化物作为电阻变化材料的非易失性存储元件中，作为电极材料，使用铂(Pt)(白金)、铱(Ir)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)等。其中铂由于在作为电极材料使用时非易失性存储元件可在低电压下动作(电阻变化)，所以可以说是适合的电极材料。

但是，使用铂作为电极材料时，存在非易失性存储元件的电阻变化特性产生偏差的问题。

本发明是为了解决该问题而完成的，其目的是提供一种使用钽氧化物作为电阻变化材料且使用铂作为电极材料，并能够降低其电阻变化特性的偏差的非易失性存储元件，并且提供使用该非易失性存储元件的非易失性存储装置和非易失性半导体装置以及该非易失性存储元件的制造方法。

解决问题的手段

为了解决上述课题，本发明人等对使用铂作为电极材料的非易失性存储元件的电阻变化特性的偏差的原因进行了深入的研究，其结果是得到以下结论。即，有报告说在铂电极膜产生被称为小丘(hillock)的微小的突起物。在使用铂作为电极材料的非易失性存储元件中，当产生于电极的小丘较大时，夹着电阻变化层的一对电极可能相互接触而产生漏电流。此外，当小丘到达电阻变化层时，铂元素可能向电阻变化层扩散。进而，虽然假设电场集中于小丘，但是当小丘对每个非易失性存储元件不规则地出现时，在非易失性存储元件之间，电阻变化现象中的电阻值和电流值产生偏差。

基于上述情况而得出结论，即，使用铂作为电极材料的非易失性存储元件的电阻变化特性的偏差的原因是在由铂形成的电极产生的小丘。

然而，使用钽氧化物作为电阻变化层的电阻变化材料的非易失性存储元件的电阻变化的机理，如后面详细说明的那样，认为是：通过对电极施加电压，氧集中在电阻变化层的与该电极的界面附近部分或者从此处分散，由此，该界面附近部分的电阻值或变高、或变低，与此对应电阻变化层整体的电阻值或变高、或变低。

此外，本发明人等根据其他途径、实验等得到以下知识和见解：构成电极的材料(以下称为电极材料)的标准电极电位相对于构成电阻变化层的过渡金属氧化物的该过渡金属(在此为钽)的标准电极电位而言相对越高，越容易引起电阻变化。在专利文献1中公开的电极材料中，铂是标准电极电位相对于钽而言相对最高的电极材料，因此该特性非常有助于使用铂作为电极材料的非易失性存储元件在低电压下动作的情况。然而，在电极存在小丘时，由于电场集中于该小丘，产生于电阻变化层的电场强度变高，所以该小丘的存在也非常有助于使用铂作为电极材料的非易失性存储元件在低电压下动作。

于是，认为为了消除使用铂作为电极材料的非易失性存储元件的电阻变化特性中的偏差，而使得在电极完全不产生小丘也并不是有利的对策。因此，考虑通过使用铂和其他金属的合金作为电极材料来控制小丘的产生程度，但是这种情况下需要考虑该合金相对于钽的相对标准电极电位。