特許 5696260 抵抗変化素子及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5696260

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月8日

(54)【発明の名称】抵抗変化素子及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/105 20060101AFI20150319BHJP

   H01L 45/00 20060101ALI20150319BHJP

   H01L 49/00 20060101ALI20150319BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/10 448

   H01L45/00 Z

   H01L49/00 Z

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-534171(P2014-534171)

(86)(22)【出願日】2013年8月27日

(86)【国際出願番号】JP2013005044

(87)【国際公開番号】WO2014038152

(87)【国際公開日】20140313

【審査請求日】2014年4月11日

(31)【優先権主張番号】特願2012-194823(P2012-194823)

(32)【優先日】2012年9月5日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】100104215

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100117330

【弁理士】

【氏名又は名称】折居 章

(72)【発明者】

【氏名】福田 夏樹

(72)【発明者】

【氏名】福寿 和紀

(72)【発明者】

【氏名】西岡 浩

(72)【発明者】

【氏名】鄒 弘綱

【審査官】 上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／１２５７７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／０４６４５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１６９１９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００３８７９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５，４５／００，４９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、第１の抵抗率を有する第１の金属酸化物層と、
前記第１の金属酸化物層と前記第２の電極との間に配置され、前記第１の抵抗率よりも高い第２の抵抗率を有する第２の金属酸化物層と、
前記第１の電極と前記第１の金属酸化物層との間に配置され、前記第１の抵抗率よりも高く前記第２の抵抗率よりも低い第３の抵抗率を有する電流制限層と
を具備する抵抗変化素子。

【請求項2】

請求項１に記載の抵抗変化素子であって、
前記電流制限層は、金属酸化物で構成される
抵抗変化素子。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の抵抗変化素子であって、
前記電流制限層は、酸素欠損した金属酸化物で構成され、前記第１の電極に対してオーミック接合される
抵抗変化素子。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の抵抗変化素子であって、
前記第１の金属酸化物層は、酸素欠損した金属酸化物で構成され、
前記第２の金属酸化物層は、化学量論組成の金属酸化物で構成される
抵抗変化素子。

【請求項5】

第１の電極を形成し、
前記第１の電極の上に、第１の抵抗率よりも高く第２の抵抗率よりも低い第３の抵抗率を有する金属酸化物で構成された電流制限層を形成し、
前記電流制限層の上に、前記第１の抵抗率を有する第１の金属酸化物層を形成し、
前記第１の金属酸化物層の上に、前記第２の抵抗率を有する第２の金属酸化物層を形成し、
前記第２の金属酸化物層の上に、第２の電極を形成する
抵抗変化素子の製造方法。

【請求項6】

請求項５に記載の抵抗変化素子の製造方法であって、
前記電流制限層、前記第１の金属酸化物層及び前記第２の金属酸化物層は、酸素雰囲気中での反応性スパッタリング法によって形成される
抵抗変化素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば不揮発性メモリとして使用される抵抗変化素子及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体メモリには、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory ）などの揮発性メモリとフラッシュメモリなどの不揮発性メモリがある。不揮発性メモリとして、ＮＡＮＤ型のフラッシュメモリ等が知られているが、さらに微細化が可能なデバイスとして、抵抗変化素子（ＲｅＲＡＭ：Resistance RAM）が注目されている。

【0003】

抵抗変化素子は、電圧によって抵抗率が可逆的に変化する可変抵抗体を有し、その高抵抗状態と低抵抗状態とに対応したデータを不揮発的に記憶することが可能である。抵抗変化素子は、高速動作、低消費電力という特長を有する。

【0004】

一方、抵抗変化素子においては、スイッチング動作（例えば高抵抗状態から低抵抗状態への状態遷移）の際、過大電流が発生することがあり、これが原因で素子破壊が生じたり、素子の信頼性が低下したりするおそれがある。これを防止するため、スイッチング回路に外部抵抗を挿入し、過大電流が素子に流れることを阻止する技術が知られている。例えば下記特許文献１には、ダイオードを含む電流制限回路を備えた抵抗変化型不揮発性記憶装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第４６４３７６７号公報（段落[０２３１]、図２１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、スイッチング回路に外部抵抗を設置すると、素子サイズが大型化するという問題がある。また配線長の増加による時間的ロスが生じ、スイッチングの書き換え時間が長くなるという問題がある。

【0007】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、素子サイズの大型化を招くことなく過大電流から素子を保護することができる抵抗変化素子及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る抵抗変化素子は、第１の電極と、第２の電極と、第１の金属酸化物層と、第２の金属酸化物層と、電流制限層とを具備する。
上記第１の金属酸化物層は、上記第１の電極と上記第２の電極との間に配置され、第１の抵抗率を有する。
上記第２の金属酸化物層は、上記第１の金属酸化物層と上記第２の電極との間に配置され、上記第１の抵抗率よりも高い第２の抵抗率を有する。
上記電流制限層は、上記第１の電極と上記第１の金属酸化物層との間に配置され、上記第１の抵抗率よりも高く上記第２の抵抗率よりも低い第３の抵抗率を有する。

【0009】

本発明の一形態に係る抵抗変化素子の製造方法は、第１の電極を形成することを含む。
上記第１の電極の上に、第１の抵抗率よりも高く第２の抵抗率よりも低い第３の抵抗率を有する金属酸化物で構成された電流制限層が形成される。
上記電流制限層の上に、上記第１の抵抗率を有する第１の金属酸化物層が形成される。
上記第１の金属酸化物層の上に、上記第２の抵抗率を有する第２の金属酸化物層が形成される。
上記第２の金属酸化物層の上に、第２の電極が形成される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子の構成を示す概略側断面図である。

【図2】第１の比較例に係る抵抗変化素子の構成を示す概略側断面図である。

【図3】（Ａ）は第１の比較例に係る抵抗変化素子のスイッチング特性、（Ｂ）は本発明の一実施形態において用いられる電流制限層の電流−電圧特性、（Ｃ）は当該電流制限層を備えた抵抗変化素子のスイッチング特性をそれぞれ示す一実験結果である。

【図4】上記電流制限層の電流−電圧特性の評価に用いたサンプル構成図である。

【図5】第１の比較例に係る抵抗変化素子の層間のポテンシャル特性を示す概念図である。

【図6】第２の比較例に係る抵抗変化素子の構成を示す概略側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子は、第１の電極と、第２の電極と、第１の金属酸化物層と、第２の金属酸化物層と、電流制限層とを具備する。
上記第１の金属酸化物層は、上記第１の電極と上記第２の電極との間に配置され、第１の抵抗率を有する。
上記第２の金属酸化物層は、上記第１の金属酸化物層と上記第２の電極との間に配置され、上記第１の抵抗率よりも高い第２の抵抗率を有する。
上記電流制限層は、上記第１の電極と上記第１の金属酸化物層との間に配置され、上記第１の抵抗率よりも高く上記第２の抵抗率よりも低い第３の抵抗率を有する。

【0012】

上記抵抗変化素子においては、第１の電極と第２の電極との間に電流制限層が設けられているため、素子サイズを大きくすることなく、スイッチング動作時に発生し得る過大電流から素子を保護することができる。

【0013】

また上記抵抗変化素子においては、第１の電極と第１の金属酸化物層との間に電流制限層が設けられているため、第２の電極と第２の金属酸化物層との間に電流制限層を設ける場合と比較して、スイッチング動作の信頼性を確保することができる。

【0014】

上記電流制限層は、金属酸化物で構成されてもよい。
これにより第１及び第２の金属酸化物層と同様の成膜装置で電流制限層を形成することができ、生産性の低下を抑制することができる。

【0015】

上記電流制限層の抵抗率は、第１及び第２の金属酸化物層の抵抗率、第１及び第２の電極間に印加される電圧の大きさ等に応じて適宜設定可能であり、例えば、素子全体が１０ｋΩ以上５０ｋΩ以下となるような抵抗率に設定される。これにより、例えば高抵抗状態から低抵抗状態へのスイッチング動作時に生じ得る過大なリセット電流から素子を効果的に保護することができる。

【0016】

上記電流制限層は、酸素欠損した金属酸化物で構成されてもよい。これにより酸化度を調整することで所望とする抵抗率を有する電流制限層を形成することができる。
また上記電流制限層は、上記第１の電極に対してオーミック接合されることで、高抵抗状態と低抵抗状態との間の安定した状態遷移、すなわちスイッチング動作を確保することができる。

【0017】

上記第１の金属酸化物層は、酸素欠損した金属酸化物で構成されてもよい。この場合、上記第２の金属酸化物層は、化学量論組成の金属酸化物で構成されてもよい。
これにより抵抗率の異なる第１及び第２の金属酸化物層を容易に形成することができる。

【0018】

本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子の製造方法は、第１の電極を形成することを含む。
上記第１の電極の上に、第１の抵抗率よりも高く第２の抵抗率よりも低い第３の抵抗率を有する金属酸化物で構成された電流制限層が形成される。
上記電流制限層の上に、上記第１の抵抗率を有する第１の金属酸化物層が形成される。
上記第１の金属酸化物層の上に、上記第２の抵抗率を有する第２の金属酸化物層が形成される。
上記第２の金属酸化物層の上に、第２の電極が形成される。

【0019】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

【0020】

図１は本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を示す概略側断面図である。

【0021】

本実施形態の抵抗変化素子１は、基板２と、下部電極層３（第１の電極）と、電流制限層４と、酸化物半導体層５と、上部電極層６（第２の電極）とを有する。

【0022】

基板２は、例えばシリコン基板で構成されるが、これに限られず、ガラス基板等の他の基板材料で構成されてもよい。

【0023】

下部電極層３は、基板２上に配置され、本実施形態では白金（Pt）で形成される。なお材料はこれに限定されず、例えば、Hf，Zr，Ti，Al，Fe，Co，Mn，Sn，Zn，Cr，Ｖ，Ｗ等の遷移金属、あるいはこれらの合金（TaSi，WSi，TiSiなどのシリコン合金、TaN，WN，TiN，TiAlNなどの窒素化合物、TaCなどの炭素合金等）等を用いることができる。

【0024】

酸化物半導体層５は、第１の金属酸化物層５１と、第２の金属酸化物層５２とを有する。第１の金属酸化物層５１及び第２の金属酸化物層５２は、それぞれ同種の金属からなる酸化物材料で構成されているが、異種の金属からなる酸化物材料で構成されてもよい。

【0025】

第１の金属酸化物層５１及び第２の金属酸化物層５２のうち一方は、化学量論組成又はこれに近い酸化物材料（以下「化学量論組成材料」ともいう。）で構成され、他方は、酸素欠損を多数含む酸化物材料（以下「酸素欠損材料」ともいう。）で構成される。本実施形態では、第１の金属酸化物層５１が酸素欠損材料で構成され、第２の金属酸化物層５２が化学量論組成材料で構成される。したがって第２の金属酸化物層５２は、第１の金属酸化物層５１よりも高い抵抗率を有する。

【0026】

第１の金属酸化物層５１は、電流制限層４の上に配置され、本実施形態では酸化タンタル（TaOx）で形成されている。第１の金属酸化物層５１を構成するタンタル酸化物は酸素欠損材料で形成され、例えば、１Ω・ｃｍより大きく、１×１０⁵Ω・cm以下の抵抗率を有する。第１の金属酸化物層５１の厚みは特に限定されず、所望とする抵抗値が得られる大きさに適宜設定され、本実施形態では例えば４０ｎｍである。

【0027】

第１の金属酸化物層５１を構成する材料は上記に限られず、例えば、酸化ジルコニウム（ZrOx）、酸化ハフニウム（HfOx）、酸化チタン（TiOx）、酸化アルミニウム（AlOx）、酸化シリコン（SiOx）、酸化鉄（FeOx）、酸化ニッケル（NiOx）、酸化コバルト（CoOx）、酸化マンガン（MnOx）、酸化錫（SnOx）、酸化亜鉛（ZnOx）、酸化バナジウム（VOx）、酸化タングステン（WOx）、酸化銅（CuOx）、Pr（Ca，Mn）O3、LaAlO₃、SrTiO₃、La（Sr，Mn）O₃等の二元系あるいは三元系以上の金属酸化物材料が用いられる。

【0028】

第２の金属酸化物層５２は、第１の金属酸化物層５１の上に配置され、本実施形態では酸化タンタル（TaOx）で形成されている。第２の金属酸化物層５２に用いられる酸化タンタルは化学量論組成材料で構成され、第１の金属酸化物層５１を形成する酸化タンタルよりも高い抵抗率を有し、その値は、例えば３×１０⁶Ω・cmより大きいが、３×１０⁹Ω・ｃｍより大きく、３×１０¹¹Ω・ｃｍ以下の抵抗率を有するのがさらに好ましい。

【0029】

第２の金属酸化物層５２の厚みは特に限定されず、所望とする抵抗値が得られる大きさに適宜設定され、本実施形態では例えば４０ｎｍである。第２の金属酸化物層５２を構成する材料はこれに限られず、上述したような二元系あるいは三元系以上の金属酸化物材料が適用可能である。

【0030】

電流制限層４は、下部電極層３と第１の金属酸化物層５１との間に配置され、本実施形態では、酸化タンタル（TaOx）で形成されている。電流制限層４は、第１の金属酸化物層５１の抵抗率（第１の抵抗率）よりも大きく、第２の金属酸化物層５２の抵抗率（第２の抵抗率）よりも小さい抵抗率（第３の抵抗率）を有する。

【0031】

電流制限層４を構成するタンタル酸化物は酸素欠損材料で形成され、例えば、１×１０⁵Ω・cmより大きく、３×１０⁶Ω・cm以下の抵抗率、より好ましくは、３×１０⁵Ω・ｃｍより大きく、３×１０⁶Ω・ｃｍ以下の抵抗率を有する。電流制限層４の厚みは特に限定されず、所望とする抵抗値が得られる大きさに適宜設定され、本実施形態では例えば５ｎｍである。

【0032】

電流制限層４は、下部電極層３に対してオーミック接合されるのが好ましい。これにより電流制限層４と下部電極層３との間の電位障壁を低くすることができるため、抵抗変化素子１の低電圧駆動が可能となる。また、高抵抗状態と低抵抗状態との間の安定した状態遷移、すなわちスイッチング動作を確保することができる。

【0033】

オーミック接合を実現する方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
（１）金属酸化物ターゲットとＡｒなどの不活性ガスを用いた高周波スパッタ法により、金属酸化物層を形成する。
（２）Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴａＮなどの酸化耐性がある電極上にＡＬＤ法、ＣＶＤ法、酸化ガスによる反応性スパッタ法などにより、金属酸化物を多層積層する。
（３）ＩｒＯｘ，ＲｕＯｘ，ＳｒＲｕＯ₃，ＬａＮｉＯ₃，ＩＴＯなどの酸化物電気伝導体上にＡＬＤ法、ＣＶＤ法、酸化ガスによる反応性スパッタ法などにより、金属酸化物を堆積させる。
（４）ＴａＣ，ＷＳｉ，ＷＧｅのようなＳｉ，Ｃ，Ｇｅなどの還元力の強い元素が含まれる電気伝導体上にＡＬＤ法、ＣＶＤ法、酸化ガスによる反応性スパッタ法などにより、金属酸化物を堆積させる。
（５）電位障壁を形成しない金属材料と酸化物材料を組み合わせる。

【0034】

また、電流制限層４は、抵抗変化素子１が１０ｋΩ以上５０ｋΩ以下となるような抵抗率に設定される。これにより、例えば高抵抗状態から低抵抗状態へのスイッチング動作時に生じ得る過大なリセット電流から素子を効果的に保護することができる。

【0035】

上部電極層６は、第２の金属酸化物層５２上に配置され、本実施形態では白金（Pt）で形成される。なお材料はこれに限定されず、例えば、Hf，Zr，Ti，Al，Fe，Co，Mn，Sn，Zn，Cr，Ｖ，Ｗ等の遷移金属、あるいはこれらの合金（TaSi，WSi，TiSiなどのシリコン合金、TaN，WN，TiN，TiAlNなどの窒素化合物、TaCなどの炭素合金等）等を用いることができる。

【0036】

電流制限層４、第１の金属酸化物層５１及び第２の金属酸化物層５２は、例えば、プロセスガスとしてアルゴン（Ar）と酸素（O₂）を用いたの反応性スパッタリング法によって形成される。スパッタ方式は特に限定されず、例えば高周波スパッタ法、ＤＣスパッタ法等が採用可能である。本実施形態では、酸素が導入された真空チャンバにおいて金属（Ta）ターゲットのＤＣパルススパッタ法によって、酸化タンタルからなる電流制限層４及び金属酸化物層５１，５２が基板２（電流制限層４）上に順次形成される。電流制限層４及び各金属酸化物層５１，５２の酸化度は、真空チャンバに導入される酸素の流量（分圧）によって制御される。

【0037】

抵抗変化素子１の第２の金属酸化物層５２は、第１の金属酸化物層５１よりも酸化度が高いため、第１の金属酸化物層５１よりも高い抵抗率を有する。ここで、上部電極層６に負電圧、下部電極層３に正電圧をそれぞれ加えると、高抵抗である第２の金属酸化物層５２中の酸素イオン（Ｏ^2-）が低抵抗である第１の金属酸化物層５１中に拡散し、第２の金属酸化物層５２の抵抗が低下する（低抵抗状態）。一方、下部電極層３に負電圧、上部電極層６に正電圧をそれぞれ加えると、第１の金属酸化物層５１から第２の金属酸化物層５２へ酸素イオンが拡散し、再び第２の金属酸化物層５２の酸化度が高まり、抵抗が高くなる（高抵抗状態）。

【0038】

上述のように下部電極層３と上部電極層６との間の電圧を制御することにより、第２の金属酸化物層５２は、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的にスイッチングする。さらに、両電極層３，６間に電圧が印加されていなくても上記低抵抗状態及び高抵抗状態は保持されるため、高抵抗状態でデータの書き込み、低抵抗状態でデータの読み出しというように、抵抗変化素子１は不揮発性メモリ素子として利用可能となる。

【0039】

その一方で、一般に図２に示す抵抗変化素子は、スイッチング動作の際（例えば高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移する際）に一時的に過大な電流が発生し得る。このときその過大電流によって素子が破壊され、あるいは信頼性（例えば繰り返し書き換え耐性）が低下するおそれがあった。

【0040】

図２は第１の比較例に係る抵抗変化素子１１の構成を示す概略側断面図であり、基板２上に、下部電極層３、第１の金属酸化物層５１、第２の金属酸化物層５２、上部電極層６が順に積層された構造を有する。第１の比較例に係る抵抗変化素子１１のスイッチング特性を評価したところ、図３（Ａ）に示す電流−電圧特性が得られた。なお図２において図１と対応する部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。また各層３，５，６の接触面積はそれぞれ１００μｍ²とした。

【0041】

図３（Ａ）に示すように、データ書き込み時には、抵抗変化素子１１に約−１Ｖの電圧を印加することで、抵抗変化素子１１は高抵抗状態から低抵抗状態へ変化する。一方、データ消去時には、書き込み時と逆極性の電圧を印加することで、抵抗変化素子１１は低抵抗状態から高抵抗状態へ変化する。

【0042】

上記の例において、データの書き込み時においては、高抵抗状態において素子を流れる電流が微弱であるにもかかわらず、低抵抗状態への変化と同時に１００μＡ（絶対値）を越える過大なリセット電流が素子を流れることになる。リセット電流の大きさは金属酸化物層５１，５２の抵抗率によって変化するものの、素子設計によっては素子の破壊を招いたり、繰り返し書き込み耐性に悪影響を及ぼしたりするほどの大きな電流値になるおそれがある。

【0043】

そこで本実施形態の抵抗変化素子１は、下部電極層３と上部電極層６との間に上記構成の電流制限層４を設けることで、上記過大電流から素子を保護するようにしている。図３（Ｂ）は、電流制限層４の電流−電圧特性の一例を示している。図４は、その評価に用いたサンプル構成図であり、図１と対応する部分については同一の符号を付している。抵抗率が約３×１０⁶Ω・cmのTaOx層をTaターゲットの酸素リアクティブスパッタ法により、５ｎｍの厚みで成膜し、上下のPt電極層３，６との接触面積がそれぞれ１００μｍ²となるように形成した。

【0044】

図３（Ｂ）より、読み出し電圧（１Ｖ）時の電流制限層４の抵抗値は１９ｋΩであった。−１．５Ｖから１．５Ｖの電圧を印加したところ、電流値は最大でも約１００μＡであった。

【0045】

図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に示す電流−電圧特性を有する電流制限層４を用いて図１に示した本実施形態の抵抗変化素子１を作製したときのスイッチング特性を示している。各層３，４，５，６の接触面積はそれぞれ１００μｍ²とした。その結果、−１Ｖ印加時のリセット電流は、最大でも約５２μＡであった。

【0046】

以上のように、本実施形態においてはリセット電流に対して電流制限層４が抵抗成分となることで、抵抗変化素子１が過大電流から保護される。これにより当該過大電流から素子の破壊や繰り返し書き込み耐性の低下を防止することができる。

【0047】

本実施形態によれば、電流制限層４が素子内部に組み込まれているため、電流制限回路を素子の外部に設ける場合と比較して配線長を短くでき、これによりスイッチングの書き換え時間が長くなることを防止することができる。また素子サイズを大型化することなく、スイッチング動作時に発生し得る過大電流から素子を保護することができる。

【0048】

さらに本実施形態に係る抵抗変化素子１においては、下部電極層３と低抵抗の第１の金属酸化物層５１との間に電流制限層４が設けられているため、上部電極層６と高抵抗の第２の金属酸化物層５２との間に電流制限層を設ける場合（図６参照）と比較して、以下に説明するようにスイッチング動作の信頼性を確保することができる。

【0049】

図５は、図２に示した第１の比較例に係る抵抗変化素子１１の層間のポテンシャル特性を示す概念図である。一方、図６は、第２の比較例に係る抵抗変化素子１３の構成を示しており、この抵抗変化素子１３は、基板２上に、下部電極層３、第１の金属酸化物層５１、第２の金属酸化物層５２、電流制限層４０、上部電極層６が順に積層された構造を有する。図５において図１と対応する部分については同一の符号を付している。また電流制限層４０は、図１に示す電流制限層４と同様の構成を有しているため、その説明は省略する。

【0050】

抵抗変化素子１１が高抵抗状態のとき、図５に示すように上部電極層６（Te-Pt）と第２の金属酸化物層５２（TaOx）の界面におけるショットキー障壁は、図５において符号ｂ１で示すように高く、これにより抵抗変化素子１１は高い抵抗値を示す。一方、図６に示すように上部電極層６と第２の金属酸化物層５２との間に電流制限層４０をオーミック接合で挿入した場合、上記のショットキー障壁は、図５において符号ｂ２で示すように低くなる。この場合、図６に示す抵抗変化素子１３は、高抵抗状態における抵抗値が低くなり、安定した高抵抗状態を維持することが困難となる。

【0051】

また、図６に示す抵抗変化素子１３においては、データ書き込みのため上部電極層６に負電圧を印加した場合、電流制限層４０や第２の金属酸化物層５２の中の酸素イオンが第１の金属酸化物層５１側へ移動する。この場合、電流制限層４０がある分、抵抗変化させるのに必要な酸素イオンの量が多くなり、大きな電圧を印加しないと抵抗変化を示さなくなる。逆に、例えばデータ消去のため上部電極層６に正電圧を印加した場合、第２の金属酸化物層５２の酸素イオンが電流制限層４０に移動してしまい、正常なスイッチング動作では起こらない余計な動作が起こり、スイッチングの信頼性が低下する。

【0052】

これに対して本実施形態の抵抗変化素子１においては、下部電極層３（BE-Pt）と第１の金属酸化物層５１（TaOx）との間に電流制限層４が挿入されているため、上部電極層６と第２の金属酸化物層５２との間の高い電位障壁が確保される。これにより高抵抗状態を安定に維持することができるとともに、信頼性の高いスイッチング動作を確保することができる。

【0053】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

【0054】

例えば以上の実施形態では電流制限層４が金属酸化物層で構成される例を説明したが、電流制限層４は他の材料で構成されてもよく、例えば、下部電極層３の酸化膜で構成されてもよい。これにより上述の第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

【0055】

また以上の実施形態では、第１の金属酸化物層５１よりも抵抗率が高い第２の金属酸化物層５２を上部電極層６に接合したが、これに代えて、当該第２の金属酸化物層５２を下部電極層３に接合してもよい。この場合、電流制限層４は、第１の金属酸化物層５１と上部電極層６との間に配置される。

【符号の説明】

【0056】

１…抵抗変化素子
２…基板
３…下部電極層
４…電流制限層
５…酸化物半導体層
６…上部電極層
５１…第１の金属酸化物層
５２…第２の金属酸化物層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】