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特開2024-136413記憶装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136413

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】記憶装置

(51)【国際特許分類】

H10B 61/00 20230101AFI20240927BHJP

H10B 63/00 20230101ALI20240927BHJP

H10N 50/10 20230101ALI20240927BHJP

H10N 70/00 20230101ALI20240927BHJP

H10N 99/00 20230101ALI20240927BHJP

H10B 63/10 20230101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H10B61/00

H10B63/00

H10N50/10 Z

H10N70/00 Z

H10N99/00

H10B63/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】26

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023047523

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119035

【弁理士】

【氏名又は名称】池上徹真

(74)【代理人】

【識別番号】100141036

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤章

(74)【代理人】

【識別番号】100178984

【弁理士】

【氏名又は名称】高下雅弘

(72)【発明者】

【氏名】佐藤裕也

(72)【発明者】

【氏名】後藤正和

(72)【発明者】

【氏名】東悠介

(72)【発明者】

【氏名】趙丹丹

(72)【発明者】

【氏名】グエンビェットバオ

(72)【発明者】

【氏名】野村幸寛

(72)【発明者】

【氏名】村上俊也

(72)【発明者】

【氏名】山本和彦

【テーマコード（参考）】

4M119

5F083

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119AA01

4M119AA17

4M119BB01

4M119DD37

4M119DD42

4M119EE22

4M119EE27

5F083FZ10

5F083GA05

5F083GA11

5F083JA36

5F083JA37

5F083JA38

5F083JA39

5F083JA40

5F083JA43

5F083JA44

5F083JA60

5F083KA01

5F083KA05

5F083LA10

5F083LA12

5F083LA16

5F092AA04

5F092AB07

5F092AC11

5F092BC03

5F092BC04

5F092BC43

5F092DA01

5F092EA04

(57)【要約】

【課題】特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を提供する。
【解決手段】実施形態の記憶装置は、第１の導電層と第３の導電層との間のスイッチング層と、第３の導電層と第２の導電層との間の抵抗変化層と、を含むメモリセルを備える。スイッチング層は、第１の領域と、第１の領域と第３の導電層との間の第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間の第３の領域と、を含む。第１の領域は、Ｚｎ及びＳｎからなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素と、Ｏと、を含み、第２の領域は、Ｚｎ及びＳｎからなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の元素と、Ｏと、を含み、第３の領域は、Ｔａ、Ｎｂ、及び、Ｖからなる群から選ばれる少なくとも一つの第３の元素と、Ｏと、を含み、第１の導電層及び第３の導電層は、Ｃ、Ｃｏ、Ａｕ、及び、Ｎｉからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の導電層と、
第２の導電層と、
前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に設けられた第３の導電層と、
前記第１の導電層と前記第３の導電層との間に設けられたスイッチング層と、
前記第３の導電層と前記第２の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、を含むメモリセルを備え、
前記スイッチング層は、
第１の領域と、前記第１の領域と前記第３の導電層との間の第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の第３の領域と、を含み、
前記第１の領域は、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素と、酸素（Ｏ）と、を含み、
前記第２の領域は、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の元素と、酸素（Ｏ）と、を含み、
前記第３の領域は、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及び、バナジウム（Ｖ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第３の元素と、酸素（Ｏ）と、を含み、
前記第１の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、
前記第３の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む、記憶装置。

【請求項2】

前記第３の領域の前記第１の導電層から前記第２の導電層に向かう第１の方向の厚さは、
前記第１の領域の前記第１の方向の厚さ、及び、前記第２の領域の前記第１の方向の厚さよりも厚い、請求項１記載の記憶装置。

【請求項3】

前記第３の領域の前記第１の方向の厚さは、２．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であり、
前記第１の領域の前記第１の方向の厚さ、及び、前記第２の領域の前記第１の方向の厚さは、１．６ｎｍ以上２．４ｎｍ以下である、請求項２記載の記憶装置。

【請求項4】

前記第１の領域は前記第１の元素の酸化物である第１の酸化物を含み、
前記第２の領域は前記第２の元素の酸化物である第２の酸化物を含み、
前記第３の領域は前記第３の元素の酸化物である第３の酸化物を含み、
前記第３の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さく、
前記第３の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい、請求項１記載の記憶装置。

【請求項5】

第４の酸化物を含む第１の側壁と、
第５の酸化物を含む第２の側壁と、
を更に備え、
前記第１の導電層から前記第２の導電層に向かう第１の方向に垂直な第２の方向において、前記第１の領域は前記第１の側壁と前記第２の側壁との間に設けられ、
前記第２の方向において、前記第２の領域は前記第１の側壁と前記第２の側壁との間に設けられ、
前記第１の領域は前記第１の元素の酸化物である第１の酸化物を含み、
前記第２の領域は前記第２の元素の酸化物である第２の酸化物を含み、
前記第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、
前記第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、
前記第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、
前記第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい、請求項１記載の記憶装置。

【請求項6】

第６の酸化物を含む第３の側壁と、
第７の酸化物を含む第４の側壁と、
を更に備え、
前記第２の方向において、前記第３の側壁は、前記第１の領域と前記第１の側壁との間に設けられ、
前記第２の方向において、前記第３の側壁は、前記第２の領域と前記第１の側壁との間に設けられ、
前記第２の方向において、前記第４の側壁は、前記第１の領域と前記第２の側壁との間に設けられ、
前記第２の方向において、前記第４の側壁は、前記第２の領域と前記第２の側壁との間に設けられ、
前記第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、
前記第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、
前記第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さく、
前記第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、
前記第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、
前記第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい、請求項５記載の記憶装置。

【請求項7】

前記第１の側壁は前記第１の導電層又は前記第３の導電層と離隔し、
前記第２の側壁は前記第１の導電層又は前記第３の導電層と離隔する、請求項５記載の記憶装置。

【請求項8】

前記第１の領域の前記第２の方向に位置する前記第１の側壁の前記第２の方向の厚さは、前記第２の領域の前記第２の方向に位置する前記第１の側壁の前記第２の方向の厚さと異なり、
前記第１の領域の前記第２の方向に位置する前記第２の側壁の前記第２の方向の厚さは、前記第２の領域の前記第２の方向に位置する前記第２の側壁の前記第２の方向の厚さと異なる、請求項５記載の記憶装置。

【請求項9】

前記第１の導電層と前記第３の導電層との間に設けられ、前記第１の領域及び前記第２の領域のいずれか一方に接する、第４の領域を、更に備え、
前記第４の領域は、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、及び、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素組み合わせを含む、請求項１記載の記憶装置。

【請求項10】

前記第４の領域の前記第１の導電層から前記第２の導電層に向かう第１の方向の厚さは、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、請求項９記載の記憶装置。

【請求項11】

前記第１の導電層と前記第１の領域との間に設けられ、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び、ロジウム（Ｒｈ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の金属元素と、酸素（Ｏ）を含む第１の層と、
前記第３の導電層と前記第２の領域との間に設けられ、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び、ロジウム（Ｒｈ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の金属元素と、酸素（Ｏ）を含む第２の層と、
の少なくともいずれか一方を更に備える請求項１記載の記憶装置。

【請求項12】

前記第１の層は、前記少なくとも一つの第１の金属元素の第１の金属酸化物を含み、
前記第２の層は、前記少なくとも一つの第２の金属元素の第２の金属酸化物を含み、
前記第１の領域は前記少なくとも一つの第１の元素の酸化物である第１の酸化物を含み、
前記第２の領域は前記少なくとも一つの第２の元素の酸化物である第２の酸化物を含み、
前記第１の金属酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、
前記第２の金属酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、前記第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい、請求項１１記載の記憶装置。

【請求項13】

前記抵抗変化層は磁気トンネル接合を含む、請求項１記載の記憶装置。

【請求項14】

前記抵抗変化層は、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化し、
前記スイッチング層は、特定の閾値電圧で電流が立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する、請求項１記載の記憶装置。

【請求項15】

複数の第１の配線と、
前記複数の第１の配線と交差する複数の第２の配線と、を更に備え、
前記複数の第１の配線の一つと、前記複数の第２の配線の一つが交差する領域に前記メモリセルが設けられる、請求項１記載の記憶装置。

【請求項16】

第１の導電層と、
第２の導電層と、
前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に設けられた第３の導電層と、
前記第１の導電層と前記第３の導電層との間に設けられたスイッチング層と、
前記第３の導電層と前記第２の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、を含むメモリセルを備え、
前記スイッチング層は、
第１の領域と、前記第１の領域と前記第３の導電層との間の第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の第３の領域と、を含み、
前記第１の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の金属酸化物を含み、
前記第２の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の金属酸化物を含み、
前記第３の領域は、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、アルミン酸銅、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、ケイ酸ハフニウム、チタン酸バリウム、炭化珪素、酸化ゲルマニウム、酸化銅、酸化マグネシウム、及び、窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む、記憶装置。

【請求項17】

前記少なくとも一つの物質の電子親和力は、前記少なくとも一つの第１の金属酸化物の電子親和力よりも小さく、
前記少なくとも一つの物質の電子親和力は、前記少なくとも一つの第２の金属酸化物の電子親和力よりも小さい、請求項１６記載の記憶装置。

【請求項18】

前記第１の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、
前記第３の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む、請求項１６記載の記憶装置。

【請求項19】

前記抵抗変化層は磁気トンネル接合を含む、請求項１６記載の記憶装置。

【請求項20】

前記抵抗変化層は、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化し、
前記スイッチング層は、特定の閾値電圧で電流が立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する、請求項１６記載の記憶装置。

【請求項21】

複数の第１の配線と、
前記複数の第１の配線と交差する複数の第２の配線と、を更に備え、
前記複数の第１の配線の一つと、前記複数の第２の配線の一つが交差する領域に前記メモリセルが設けられる、請求項１６記載の記憶装置。

【請求項22】

第１の導電層と、
第２の導電層と、
前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に設けられた第３の導電層と、
前記第１の導電層と前記第３の導電層との間に設けられたスイッチング層と、
前記第３の導電層と前記第２の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、を含むメモリセルを備え、
前記スイッチング層は、
第１の領域と、前記第１の領域と前記第３の導電層との間の第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の第３の領域と、を含み、
前記第１の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の金属酸化物を含み、
前記第２の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の金属酸化物を含み、
前記第３の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第３の金属酸化物を含み、
前記第３の金属酸化物の電子親和力は、前記第１の金属酸化物の電子親和力よりも小さく、
前記第３の金属酸化物の電子親和力は、前記第２の金属酸化物の電子親和力よりも小さい、記憶装置。

【請求項23】

前記第１の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、
前記第３の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む、請求項２２記載の記憶装置。

【請求項24】

前記抵抗変化層は磁気トンネル接合を含む、請求項２２記載の記憶装置。

【請求項25】

前記抵抗変化層は、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化し、
前記スイッチング層は、特定の閾値電圧で電流が立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する、請求項２２記載の記憶装置。

【請求項26】

複数の第１の配線と、
前記複数の第１の配線と交差する複数の第２の配線と、を更に備え、
前記複数の第１の配線の一つと、前記複数の第２の配線の一つが交差する領域に前記メモリセルが設けられる、請求項２２記載の記憶装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、記憶装置に関する。

【背景技術】

【0002】

大容量の不揮発性記憶装置として、クロスポイント型の２端子の記憶装置がある。クロスポイント型の２端子の記憶装置は、メモリセルの微細化・高集積化が容易である。

【0003】

クロスポイント型の２端子の記憶装置のメモリセルは、例えば、抵抗変化素子とスイッチング素子を有する。メモリセルがスイッチング素子を有することで、選択メモリセル以外のメモリセルに流れる電流が抑制される。

【0004】

スイッチング素子には、低いリーク電流、高いオン電流、及び高い信頼性など、優れた特性を備えることが要求される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許第９０２９１８７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の一実施形態では、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態の記憶装置は、第１の導電層と、第２の導電層と、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に設けられた第３の導電層と、前記第１の導電層と前記第３の導電層との間に設けられたスイッチング層と、前記第３の導電層と前記第２の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、を含むメモリセルを備える。前記スイッチング層は、第１の領域と、前記第１の領域と前記第３の導電層との間の第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の第３の領域と、を含む。前記第１の領域は、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素と、酸素（Ｏ）と、を含み、前記第２の領域は、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の元素と、酸素（Ｏ）と、を含み、前記第３の領域は、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及び、バナジウム（Ｖ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第３の元素と、酸素（Ｏ）と、を含む。前記第１の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、前記第３の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施形態の記憶装置のブロック図。

【図2】第１の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図3】第１の実施形態の記憶装置の課題の説明図。

【図4】第１の実施形態のスイッチング素子の電流電圧特性の説明図。

【図5】第１の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図。

【図6】第１の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図。

【図7】第２の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図8】第２の実施形態の第１の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図9】第２の実施形態の第２の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図10】第２の実施形態の第３の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図11】第３の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図12】第３の実施形態の第１の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図13】第３の実施形態の第２の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図14】第３の実施形態の第３の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図15】第４の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図16】第５の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図17】第５の実施形態のスイッチング素子のバンド構造を示す図。

【図18】第５の実施形態の比較例の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図19】第５の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図。

【図20】第５の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図。

【図21】第５の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図。

【図22】第５の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図。

【図23】第６の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【図24】第６の実施形態のスイッチング素子のバンド構造を示す図。

【図25】第６の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図。

【図26】第７の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する。

【0010】

本明細書中の記憶装置を構成する化学組成の定性分析及び定量分析は、例えば、ラザフォード後方散乱分光法（ＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄＢａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＲＢＳ）、二次イオン質量分析法（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ－ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）、電子エネルギー損失分光法（ＥｌｅｃｔｒｏｎＥｎｅｒｇｙＬｏｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＥＬＳ）などにより行うことが可能である。また、記憶装置を構成する部材の厚さ、部材間の距離等の測定には、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いることが可能である。また、記憶装置を構成する部材の構成物質の同定、構成物質の存在割合の計測には、例えば、Ｘ線光電子分光法（Ｘ－ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＸＰＳ）、硬Ｘ線光電子分光法（ＨａｒｄＸ－ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＨＡＸＰＥＳ）、ＥＥＬＳを用いることが可能である。

【0011】

（第１の実施形態）
第１の実施形態の記憶装置は、第１の導電層と、第２の導電層と、第１の導電層と第２の導電層との間に設けられた第３の導電層と、第１の導電層と第３の導電層との間に設けられたスイッチング層と、第３の導電層と第２の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、を含むメモリセルを備える。スイッチング層は、第１の領域と、第１の領域と第３の導電層との間の第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間の第３の領域と、を含む。第１の領域は、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素と、酸素（Ｏ）と、を含み、第２の領域は、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の元素と、酸素（Ｏ）と、を含み、第３の領域は、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及び、バナジウム（Ｖ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第３の元素と、酸素（Ｏ）と、を含む。第１の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、第３の導電層は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。

【0012】

また、第１の実施形態の記憶装置は、複数の第１の配線と、複数の第１の配線と交差する複数の第２の配線と、を更に備える。そして、複数の第１の配線の一つと、複数の第２の配線の一つが交差する領域に上記メモリセルが設けられる。

【0013】

図１は、第１の実施形態の記憶装置のブロック図である。

【0014】

第１の実施形態の記憶装置のメモリセルアレイ１００は、例えば、半導体基板１０１上に絶縁層を介して、複数のワード線１０２と、ワード線１０２と交差する複数のビット線１０３とを備える。ビット線１０３は、例えば、ワード線１０２の上層に設けられる。ワード線１０２は、ビット線１０３の上層に設けられてもよい。また、メモリセルアレイ１００の周囲には、周辺回路として、第１の制御回路１０４、第２の制御回路１０５、センス回路１０６が設けられる。

【0015】

ワード線１０２は第１の配線の一例である。また、ビット線１０３は、第２の配線の一例である。

【0016】

ワード線１０２と、ビット線１０３が交差する領域に、複数のメモリセルＭＣが設けられる。第１の実施形態の記憶装置は、クロスポイント構造を備える二端子の磁気抵抗メモリである。

【0017】

複数のワード線１０２は、それぞれ、第１の制御回路１０４に接続される。また、複数のビット線１０３は、それぞれ、第２の制御回路１０５に接続される。センス回路１０６は、第１の制御回路１０４及び第２の制御回路１０５に接続される。

【0018】

第１の制御回路１０４及び第２の制御回路１０５は、例えば、所望のメモリセルＭＣを選択し、そのメモリセルＭＣへのデータの書き込み、メモリセルＭＣのデータの読み出し、メモリセルＭＣのデータの消去等を行う機能を備える。データの読み出し時に、メモリセルＭＣのデータは、ワード線１０２と、ビット線１０３との間に流れる電流量、又はビット線１０３の電位変化として読み出される。センス回路１０６は、その電流量を判定して、データの極性を判断する機能を備える。例えば、データの“０”、“１”を判定する。

【0019】

第１の制御回路１０４、第２の制御回路１０５、及び、センス回路１０６は、例えば、半導体基板１０１上に形成される半導体デバイスを用いた電子回路で構成される。

【0020】

図２は、第１の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図２は、図１のメモリセルアレイ１００中の、例えば点線の円で示される一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0021】

メモリセルＭＣは、図２に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、及び、抵抗変化層５０を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0022】

下部電極１０は、第１の導電層の一例である。上部電極２０は、第２の導電層の一例である。中間電極３０は、第３の導電層の一例である。下部領域４１は、第１の領域の一例である。上部領域４２は第２の領域の一例である。中間領域４３は、第３の領域の一例である。

【0023】

下部電極１０、スイッチング層４０、及び中間電極３０が、メモリセルＭＣのスイッチング素子を構成する。中間電極３０、抵抗変化層５０、及び上部電極２０が、メモリセルＭＣの抵抗変化素子を構成する。

【0024】

下部電極１０はワード線１０２に接続される。下部電極１０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。下部電極１０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。下部電極１０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、又は、ニッケル（Ｎｉ）である。

【0025】

下部電極１０はワード線１０２の一部であっても構わない。

【0026】

上部電極２０はビット線１０３に接続される。上部電極２０は、例えば金属である。上部電極２０は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。

【0027】

上部電極２０はビット線１０３の一部であっても構わない。

【0028】

中間電極３０は、下部電極１０と上部電極２０との間に設けられる。中間電極３０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。中間電極３０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。中間電極３０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、又は、ニッケル（Ｎｉ）である。

【0029】

スイッチング層４０は、下部電極１０と中間電極３０との間に設けられる。スイッチング層４０の下部電極１０から上部電極２０に向かう第１の方向の厚さは、例えば、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

【0030】

スイッチング層４０は、半選択セルに流れる半選択リーク電流の増加を抑制する機能を有する。スイッチング層４０は、特定の閾値電圧で電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。

【0031】

スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３を含む。上部領域４２は、下部領域４１と中間電極３０との間に設けられる。中間領域４３は、下部領域４１と上部領域４２との間に設けられる。

【0032】

下部領域４１は、例えば、下部電極１０に接する。下部領域４１は、例えば、中間領域４３に接する。上部領域４２は、例えば、中間電極３０に接する。上部領域４２は、例えば、例えば、中間領域４３に接する。

【0033】

スイッチング層４０の下部領域４１は、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の元素と、酸素（Ｏ）と、を含む。下部領域４１は、例えば、第１の元素の酸化物である第１の酸化物を含む。

【0034】

第１の酸化物は、例えば、酸化亜鉛、又は、酸化スズである。下部領域４１は、例えば、酸化亜鉛、又は、酸化スズである。

【0035】

下部領域４１に含まれる酸化亜鉛は、例えば、ＺｎＯで表される化学組成を有する。下部領域４１に含まれる酸化スズは、例えば、ＳｎＯ_２で表される化学組成を有する。

【0036】

下部領域４１の第１の方向の厚さは、例えば、１．６ｎｍ以上２．４ｎｍ以下である。

【0037】

スイッチング層４０の上部領域４２は、亜鉛（Ｚｎ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の元素と、酸素（Ｏ）と、を含む。上部領域４２は、例えば、第２の元素の酸化物である第２の酸化物を含む。

【0038】

第１の元素と第２の元素は、例えば、同一の元素である。第１の酸化物と第２の酸化物は、例えば、同一の酸化物である。

【0039】

第２の酸化物は、例えば、酸化亜鉛、又は、酸化スズである。上部領域４２は、例えば、酸化亜鉛、又は、酸化スズである。

【0040】

上部領域４２に含まれる酸化亜鉛は、例えば、ＺｎＯで表される化学組成を有する。上部領域４２に含まれる酸化スズは、例えば、ＳｎＯ_２で表される化学組成を有する。

【0041】

上部領域４２の第１の方向の厚さは、例えば、１．６ｎｍ以上２．４ｎｍ以下である。

【0042】

スイッチング層４０の中間領域４３は、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及び、バナジウム（Ｖ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第３の元素と、酸素（Ｏ）と、を含む。中間領域４３は、例えば、第３の元素の酸化物である第３の酸化物を含む。

【0043】

第３の酸化物は、例えば、酸化タンタル、酸化ニオブ、又は、酸化バナジウムである。中間領域４３は、例えば酸化タンタル、酸化ニオブ、又は、酸化バナジウムである。

【0044】

中間領域４３に含まれる酸化タンタルは、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化ニオブは、例えば、Ｎｂ_２Ｏ_５で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化バナジウムは、例えば、Ｖ_２Ｏ_５で表される化学組成を有する。

【0045】

中間領域４３の第１の方向の厚さは、例えば、２．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下である。

【0046】

中間領域４３の第１の方向の厚さは、例えば、下部領域４１の第１の方向の厚さよりも厚い。また、中間領域４３の第１の方向の厚さは、例えば、上部領域４２の第１の方向の厚さよりも厚い。

【0047】

中間領域４３に含まれる第３の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、例えば、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい。中間領域４３に含まれる第３の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、例えば、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい。なお、標準生成ギブズエネルギーが負の値である場合は、標準生成ギブズエネルギーが小さいとは、標準生成ギブズエネルギーの絶対値が大きいことを意味する。

【0048】

例えば、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）の標準生成ギブズエネルギー、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）の標準生成ギブズエネルギー、及び、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）の標準生成ギブズエネルギーは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の標準生成ギブズエネルギー、及び、酸化スズ（ＳｎＯ_２）の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい。

【0049】

なお、第１の酸化物、第２の酸化物、及び、第３の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第１の酸化物、第２の酸化物、及び、第３の酸化物が特定できれば、それらの物性値として特定できる。

【0050】

中間領域４３に含まれる第３の酸化物の電子親和力は、例えば、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の電子親和力より小さい。また、中間領域４３に含まれる第３の酸化物の電子親和力は、例えば、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の電子親和力より小さい。

【0051】

中間領域４３に含まれる第３の酸化物の誘電率は、例えば、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の誘電率より大きい。また、中間領域４３に含まれる第３の酸化物の誘電率は、例えば、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の誘電率より大きい。

【0052】

抵抗変化層５０は、中間電極３０と上部電極２０との間に設けられる。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を有する。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３で構成される磁気トンネル接合を含む。

【0053】

抵抗変化層５０は、抵抗変化によりデータを記憶する機能を有する。抵抗変化層５０は、例えば、所定の電圧の印加により電気抵抗が変化する特性を有する。

【0054】

固定層５１は、強磁性体である。固定層５１では、所定の書き込み電圧に対して磁化方向が変化せず、磁化方向が特定の方向に固定される。

【0055】

トンネル層５２は、絶縁体である。トンネル層５２では、電子がトンネル効果によって通過する。

【0056】

自由層５３は、強磁性体である。自由層５３では、所定の書き込み電圧に対して磁化方向が変化する。自由層５３の磁化方向は、固定層５１の磁化方向と平行な状態、及び、固定層５１の磁化方向と反平行な状態のどちらの状態もとることが可能である。例えば、中間電極３０と上部電極２０との間に、電圧を印加し電流を流すことにより、自由層５３の磁化方向を変化させることが可能となる。

【0057】

自由層５３の磁化方向を変化させることで、抵抗変化層５０の電気抵抗が変化する。自由層５３の磁化方向が固定層５１の磁化方向と反平行な状態になる場合、電流が流れにくい高抵抗状態となる。一方、自由層５３の磁化方向が固定層５１の磁化方向と平行な状態になる場合、電流が流れやすい低抵抗状態となる。なお、固定層５１と自由層５３の配置は逆でも良い。つまり、中間電極３０、自由層５３、トンネル層５２、固定層５１、上部電極２０の順に積層されていても良い。

【0058】

次に、第１の実施形態の記憶装置の作用及び効果について説明する。

【0059】

第１の実施形態の記憶装置は、上述のように、自由層５３の磁化方向を変化させることで、抵抗変化層５０の抵抗が変化する。自由層５３の磁化方向が固定層５１の磁化方向と反平行な状態になる場合、電流が流れにくい高抵抗状態となる。一方、自由層５３の磁化方向が固定層５１の磁化方向と平行な状態になる場合、電流が流れやすい低抵抗状態となる。

【0060】

例えば、抵抗変化層５０の高抵抗状態をデータ“１”、低抵抗状態をデータ“０”と定義する。メモリセルＭＣは異なる抵抗状態を維持できることで、“０”と“１”の１ビットデータを記憶することが可能となる。１つのメモリセルＭＣの書き込みは、そのメモリセルＭＣに接続されたビット線１０３とワード線１０２との間に電圧を印加し電流を流すことで行う。

【0061】

図３は、第１の実施形態の記憶装置の課題の説明図である。図３は、メモリセルアレイ内の１個のメモリセルＭＣを書き込み動作のために選択した際に、メモリセルＭＣに印加される電圧を示している。ワード線とビット線の交点が、各メモリセルＭＣを表している。

【0062】

選択されたメモリセルＭＣはメモリセルＡ（選択セル）である。メモリセルＡにつながるワード線には書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅが印加される。また、メモリセルＡにつながるビット線には、０Ｖが印加される。

【0063】

以下、メモリセルＡと接続されないワード線及びビット線には、書き込み電圧の半分の電圧（Ｖｗｒｉｔｅ／２）が印加される場合を例に説明する。

【0064】

メモリセルＡと接続されないワード線及びビット線に接続されたメモリセルＣ（非選択セル）に印加される電圧は０Ｖである。すなわち、電圧は印加されない。

【0065】

一方、メモリセルＡと接続されたワード線又はメモリセルＡと接続されたビット線に接続されたメモリセルＢ（半選択セル）には、書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅの半分の電圧（Ｖｗｒｉｔｅ／２）が印加される。したがって、メモリセルＢ（半選択セル）には、半選択リーク電流が流れることになる。

【0066】

なお、上記以外の印加方式として、メモリセルＡにつながるワード線に書き込み電圧の半分の電圧（Ｖｗｒｉｔｅ／２）を、ビット線に書き込み電圧の半分の負電圧（－Ｖｗｒｉｔｅ／２）を、メモリセルＡにつながらないワード線及びビット線に０Ｖを印加する方式を使用しても良い。

【0067】

図４は、第１の実施形態のスイッチング素子の電流電圧特性の説明図である。横軸がスイッチング素子に印加される電圧、縦軸がスイッチング素子に流れる電流である。

【0068】

スイッチング素子は閾値電圧Ｖｔｈで電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。閾値電圧Ｖｔｈは、例えば、０．５Ｖ以上３Ｖ以下である。

【0069】

第１の実施形態のスイッチング素子では、書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅが閾値電圧Ｖｔｈより高く、書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅの半分の電圧（Ｖｗｒｉｔｅ／２）が閾値電圧より低くなるように、書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅは設定される。書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅを印加した時にスイッチング素子に流れる電流がオン電流（図４中のＩｏｎ）である。書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅの半分の電圧（Ｖｗｒｉｔｅ／２）を印加した時にスイッチング素子に流れる電流が半選択リーク電流（図４中のＩｈａｌｆ）である。

【0070】

なお、メモリセルＭＣの読み出し電圧Ｖｒｅａｄは、例えば、図４に示すように、閾値電圧Ｖｔｈより高く、書き込み電圧Ｖｗｒｉｔｅより低い電圧に設定される。したがって、メモリセルＭＣの読み出しの際に、半選択セルに流れる半選択リーク電流も抑制できる。

【0071】

半選択リーク電流が大きいと、例えば、チップの消費電力の増大を招く。また、例えば、配線での電圧降下が増加して選択セルに十分高い電圧が印加されなくなり、メモリセルＭＣへの書き込み動作が不安定となる。また、オン電流が小さいと、例えば、選択セルに流れる電流が不足し、メモリセルＭＣへの書き込み不足が生じる。したがって、スイッチング素子の電流電圧特性には、低い半選択リーク電流と高いオン電流を両立することが要求される。

【0072】

図５（ａ）、図５（ｂ）、及び、図５（ｃ）は、第１の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図である。図５（ａ）、図５（ｂ）、及び、図５（ｃ）は、第１の実施形態のスイッチング素子の電流電圧特性の説明図である。図５（ａ）、図５（ｂ）、及び、図５（ｃ）は、下部電極１０、下部領域４１、中間領域４３、上部領域４２、及び、中間電極３０のバンド構造を示す。

【0073】

図５（ａ）は、下部電極１０と中間電極３０との間に電圧が印加されていない場合を示す。図５（ｂ）は、下部電極１０と中間電極３０との間に書き込み電圧（Ｖｗｒｉｔｅ）の半分の電圧（Ｖｗｒｉｔｅ／２）が印加された場合を示す。図５（ｃ）は、下部電極１０と中間電極３０との間に書き込み電圧（Ｖｗｒｉｔｅ）が印加された場合を示す。

【0074】

図５（ａ）に示すように、中間領域４３の電子親和力（Ｅａ３）は、下部領域４１の電子親和力（Ｅａ１）、及び、上部領域４２の電子親和力（Ｅａ２）よりも小さい。したがって、図５（ａ）に示すように、第１の実施形態のスイッチング素子は、中央部の電子障壁が高いバンド構造を有する。第１の実施形態のスイッチング素子は、いわゆるＣｒｅｓｔｅｄ型のバンド構造を有するスイッチング素子である。

【0075】

下部電極１０と中間電極３０との間に書き込み電圧（Ｖｗｒｉｔｅ）の半分の電圧（Ｖｗｒｉｔｅ／２）が印加された場合、図５（ｂ）に示すように、中央部の電子障壁が高いため、流れる電流は小さい。いいかえれば、半選択リーク電流が低く抑えられる。

【0076】

下部電極１０と中間電極３０との間に書き込み電圧（Ｖｗｒｉｔｅ）が印加された場合、図５（ｃ）に示すように、中央部の電子障壁の実効高さが低くなり、大きなトンネル電流が流れる。いいかえれば、高いオン電流が流れる。

【0077】

図６は、第１の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図である。図６は、第１の実施形態のスイッチング素子のバンド構造を示す図である。

【0078】

スイッチング素子の下部電極１０と中間電極３０との間を流れる電流量は、図６に示すようなバンド構造のパラメータを特定することにより、算出することができる。具体的には、下部領域４１の第１の障壁高さφｂ１、上部領域４２の第２の障壁高さφｂ２、中間領域４３の第３の障壁高さφｂ３、下部領域４１を構成する材料の第１の誘電率ε１、上部領域４２を構成する材料の第２の誘電率ε２、中間領域４３を構成する材料の第３の誘電率ε３、下部領域４１の膜厚ｔ１、上部領域４２の膜厚ｔ２、及び、中間領域４３の膜厚ｔ３を特定することで、電流量を算出することができる。

【0079】

第１の障壁高さφｂ１は、下部電極１０を構成する材料の第１の仕事関数φｍ１と、下部領域４１を構成する材料の電子親和力（Ｅａ１）との差分である。第２の障壁高さφｂ２は、中間電極３０を構成する材料の第２の仕事関数φｍ２と、上部領域４２を構成する材料の電子親和力（Ｅａ２）との差分である。第３の障壁高さφｂ３は、下部電極１０を構成する材料の第１の仕事関数φｍ１又は中間電極３０を構成する材料の第２の仕事関数φｍ２と、中間領域４３を構成する材料の電子親和力（Ｅａ３）との差分である。

【0080】

第１の誘電率ε１、第２の誘電率ε２、第３の誘電率ε３、膜厚ｔ１、膜厚ｔ２、及び、膜厚ｔ３から、下部領域４１、上部領域４２、及び、中間領域４３のそれぞれに印加される電圧が算出される。

【0081】

発明者らは、Ｃｒｅｓｔｅｄ型のスイッチング素子のバンド構造の上記パラメータを変化させて、スイッチング素子に流れる半選択リーク電流とオン電流を計算した。そして、低い半選択リーク電流と高いオン電流を両立することができる、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、下部電極１０、及び、中間電極３０を構成する材料の組み合わせを見出した。

【0082】

第１の実施形態の記憶装置のスイッチング素子は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、下部電極１０、及び、中間電極３０に適切な材料を含むことで、低い半選択リーク電流と高いオン電流を両立することができる。

【0083】

第１の実施形態の記憶装置のスイッチング素子において、下部領域４１は上記第１の元素の酸化物である第１の酸化物を含み、上部領域４２は上記第２の元素の酸化物である第２の酸化物を含み、中間領域４３は上記第３の元素の酸化物である第３の酸化物を含む場合を考える。この場合、第３の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さく、第３の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さいことが好ましい。

【0084】

中間領域４３は上述のように電子障壁が高く、リーク電流を抑制する機能を有する。中間領域４３に含まれる第３の酸化物の標準生成ギブズエネルギーが大きい場合、第３の酸化物から酸素が脱離し、酸素空孔が形成されるおそれがある。中間領域４３の酸素空孔が多くなると、酸素空孔を介した電流が流れ、半選択リーク電流が増大するおそれがある。

【0085】

中間領域４３に含まれる第３の酸化物の標準生成ギブズエネルギーを、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギー、及び、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さくすることで、中間領域４３からの酸素の脱離が抑制され、半選択リーク電流の増大が抑制される。

【0086】

低い半選択リーク電流と高いオン電流を両立する観点から、中間領域４３の第１の方向の厚さは、下部領域４１の第１の方向の厚さ、及び、上部領域４２の第１の方向の厚さよりも厚いことが好ましい。

【0087】

低い半選択リーク電流と高いオン電流を両立する観点から、下部領域４１の第１の方向の厚さ、及び、上部領域４２の第１の方向の厚さは、１．６ｎｍ以上２．４ｎｍ以下であることが好ましい。低い半選択リーク電流と高いオン電流を両立する観点から、中間領域４３の第１の方向の厚さは、２．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であることが好ましい。

【0088】

以上、第１の実施形態によれば、低い半選択リーク電流、及び、高いオン電流、という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。さらに、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置が実現できる。

【0089】

（第２の実施形態）
第２の実施形態の記憶装置は、第４の酸化物を含む第１の側壁と、第５の酸化物を含む第２の側壁と、を更に備える点で、第１の実施形態の記憶装置と異なる。そして、第１の導電層から第２の導電層に向かう第１の方向に垂直な第２の方向において、第１の領域は第１の側壁と第２の側壁との間に設けられ、第２の方向において、第２の領域は第１の側壁と第２の側壁との間に設けられる。第１の領域は第１の元素の酸化物である第１の酸化物を含み、第２の領域は第２の元素の酸化物である第２の酸化物を含み、第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。以下、第１の実施形態の記憶装置と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。

【0090】

図７は、第２の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図７は、第１の実施形態の図２に対応する図である。図７は、一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0091】

メモリセルＭＣは、図７に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、抵抗変化層５０、第１の側壁６１、及び、第２の側壁６２を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0092】

【0093】

【0094】

下部電極１０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。

【0095】

上部電極２０は、例えば金属である。上部電極２０は、例えば、炭素、窒化炭素、タングステン、炭化タングステン、及び窒化タングステンからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。

【0096】

中間電極３０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。

【0097】

【0098】

【0099】

【0100】

【0101】

【0102】

下部電極１０から上部電極２０に向かう第１の方向に垂直な方向を第２の方向と定義する。

【0103】

第２の方向において、第１の側壁６１と第２の側壁６２との間に、スイッチング層４０が設けられる。第２の方向において、下部領域４１は、第１の側壁６１と第２の側壁６２との間に設けられる。第２の方向において、上部領域４２は、第１の側壁６１と第２の側壁６２との間に設けられる。第２の方向において、中間領域４３は、第１の側壁６１と第２の側壁６２との間に設けられる。第１の側壁６１と第２の側壁６２は分離されていても良いが、例えば、第１の方向に垂直な断面において、第１の側壁６１と第２の側壁６２が接続し、スイッチング層４０を取り囲んでいても良い。

【0104】

第１の側壁６１及び第２の側壁６２は、例えば、下部領域４１、上部領域４２、及び、中間領域４３に接する。

【0105】

第２の方向において、第１の側壁６１と第２の側壁６２との間に、例えば、下部電極１０及び中間電極３０が設けられる。第１の側壁６１及び第２の側壁６２は、例えば、下部電極１０及び中間電極３０に接する。

【0106】

第１の側壁６１は、第４の酸化物を含む。第２の側壁６２は、第５の酸化物を含む。

【0107】

第１の側壁６１に含まれる第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。また、第１の側壁６１に含まれる第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。

【0108】

第１の側壁６１に含まれる第４の酸化物は、例えば、酸化タングステン、酸化ゲルマニウム、酸化マンガン、酸化コバルト、又は、酸化ビスマスである。第１の側壁６１に含まれる酸化タングステンは、例えば、ＷＯ_３又はＷＯ_２で表される化学組成を有する。第１の側壁６１に含まれる酸化ゲルマニウムは、例えば、ＧｅＯ_２で表される化学組成を有する。第１の側壁６１に含まれる酸化マンガンは、例えば、ＭｎＯ_２で表される化学組成を有する。第１の側壁６１に含まれる酸化コバルトは、例えば、Ｃｏ_３Ｏ_４又はＣｏＯで表される化学組成を有する。第１の側壁６１に含まれる酸化ビスマスは、例えば、Ｂｉ_２Ｏ_３で表される化学組成を有する。

【0109】

第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。また、第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。

【0110】

第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物は、例えば、酸化タングステン、酸化ゲルマニウム、酸化マンガン、酸化コバルト、又は、酸化ビスマスである。第２の側壁６２に含まれる酸化タングステンは、例えば、ＷＯ_３又はＷＯ_２で表される化学組成を有する。第２の側壁６２に含まれる酸化ゲルマニウムは、例えば、ＧｅＯ_２で表される化学組成を有する。第２の側壁６２に含まれる酸化マンガンは、例えば、ＭｎＯ_２で表される化学組成を有する。第２の側壁６２に含まれる酸化コバルトは、例えば、Ｃｏ_３Ｏ_４又はＣｏＯで表される化学組成を有する。第２の側壁６２に含まれる酸化ビスマスは、例えば、Ｂｉ_２Ｏ_３で表される化学組成を有する。

【0111】

以下、酸化物の標準生成ギブズエネルギーの大小関係の一例を示す。一群の酸化物を標準生成ギブズエネルギーが大きい酸化物から小さい酸化物へと例示列挙する。標準生成ギブズエネルギーが大きい方から小さい方へ、順に、酸化パラジウム（ＰｄＯ）、酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）、酸化コバルト（Ｃｏ_３Ｏ_４）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ_２）、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）、酸化タングステン（ＷＯ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_２）、酸化タングステン（ＷＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_４）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化ニオブ（ＮｂＯ_２）、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_３）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化バナジウム（ＶＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）である。

【0112】

第１の側壁６１の第２の方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。第２の側壁６２の第２の方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

【0113】

次に、第２の実施形態の記憶装置の作用及び効果について説明する。

【0114】

仮に、第２の実施形態のメモリセルＭＣにおいて、第１の側壁６１及び第２の側壁６２が設けられない場合を考える。この場合、例えば、スイッチング素子のオン電流が低くなるおそれがある。

【0115】

スイッチング素子のオン電流が低くなるのは、例えば、下部領域４１から下部電極１０へ酸素が引き抜かれ、下部領域４１に酸素空孔ができるためと考えられる。下部領域４１に酸素空孔ができることで、下部電極１０のフェルミレベルが下部領域４１にピニングされ、下部電極１０と下部領域４１との間の第１の障壁高さφｂ１（図６参照）が大きくなるためと考えられる。

【0116】

また、スイッチング素子のオン電流が低くなるのは、例えば、上部領域４２から中間電極３０へ酸素が引き抜かれ、上部領域４２に酸素空孔ができるためと考えられる。上部領域４２に酸素空孔ができることで、中間電極３０のフェルミレベルが上部領域４２にピニングされ、中間電極３０と上部領域４２との間の第２の障壁高さφｂ２（図６参照）が大きくなるためと考えられる。

【0117】

第２の実施形態のメモリセルＭＣには、第１の側壁６１が設けられる。そして、第１の側壁６１に含まれる第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第１の側壁６１に含まれる第４の酸化物の中の酸素は、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第１の側壁６１から酸素が脱離し、下部領域４１に供給され、下部領域４１の酸素空孔が埋められる。したがって、下部電極１０のフェルミレベルピニングが抑制され、第１の障壁高さφｂ１の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0118】

また、第１の側壁６１に含まれる第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第１の側壁６１に含まれる第４の酸化物の中の酸素は、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第１の側壁６１から酸素が脱離し、上部領域４２に供給され、上部領域４２の酸素空孔が埋められる。したがって、中間電極３０のフェルミレベルピニングが抑制され、第２の障壁高さφｂ２の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0119】

第２の実施形態のメモリセルＭＣには、第２の側壁６２が設けられる。そして、第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物の中の酸素は、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第２の側壁６２から酸素が脱離し、下部領域４１に供給され、下部領域４１の酸素空孔が埋められる。したがって、下部電極１０のフェルミレベルピニングが抑制され、第１の障壁高さφｂ１の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0120】

また、第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物の中の酸素は、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第２の側壁６２から酸素が脱離し、上部領域４２に供給され、上部領域４２の酸素空孔が埋められる。したがって、中間電極３０のフェルミレベルピニングが抑制され、第２の障壁高さφｂ２の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0121】

また、第１の側壁６１及び第２の側壁６２を設けることで、スイッチング素子の半選択リーク電流の低減も期待できる。例えば、スイッチング層４０を反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）で加工した場合、エッチングダメージにより、スイッチング層４０の側面に酸素空孔が形成される。この場合、酸素空孔に起因するリーク電流が流れ、半選択リーク電流が増加するおそれがある。

【0122】

第１の側壁６１及び第２の側壁６２から酸素がスイッチング層４０の側面に供給することで、エッチングダメージにより生じた酸素空孔が埋められる。したがって、半選択リーク電流を低減することが可能となる。

【0123】

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高いオン電流、という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。また、フェルミレベルピニングが抑制され、更にスイッチング素子のオン電流が高くなる。

【0124】

（第１の変形例）
第２の実施形態の第１の変形例の記憶装置は、第６の酸化物を含む第３の側壁と、第７の酸化物を含む第４の側壁と、を更に備え、第２の方向において、第３の側壁は、第１の領域と第１の側壁との間に設けられ、第２の方向において、第３の側壁は、第２の領域と第１の側壁との間に設けられ、第２の方向において、第４の側壁は、第１の領域と第２の側壁との間に設けられ、第２の方向において、第４の側壁は、第２の領域と第２の側壁との間に設けられ、第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さく、第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きく、第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい点で、第２の実施形態の記憶装置と異なる。

【0125】

図８は、第２の実施形態の第１の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図８は、第２の実施形態の図７に対応する図である。図８は、一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0126】

メモリセルＭＣは、図８に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、抵抗変化層５０、第１の側壁６１、第２の側壁６２、第３の側壁６３、及び、第４の側壁６４を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0127】

【0128】

第２の方向において、第３の側壁６３は、下部領域４１と第１の側壁６１との間に設けられる。第２の方向において、第３の側壁６３は、上部領域４２と第１の側壁６１との間に設けられる。第２の方向において、第４の側壁６４は、下部領域４１と第２の側壁６２との間に設けられる。第２の方向において、第４の側壁６４は、上部領域４２と第２の側壁６２との間に設けられる。第３の側壁６３と第４の側壁６４は分離されていても良いが、例えば、第１の方向に垂直な断面において、第３の側壁６３と第４の側壁６４が接続し、スイッチング層４０を取り囲んでいても良い。

【0129】

第３の側壁６３及び第４の側壁６４は、例えば、下部領域４１、上部領域４２、及び、中間領域４３に接する。

【0130】

第２の方向において、第３の側壁６３と第４の側壁６４との間に、例えば、下部電極１０及び中間電極３０が設けられる。第３の側壁６３及び第４の側壁６４は、例えば、下部電極１０及び中間電極３０に接する。

【0131】

第１の側壁６１は、例えば、第３の側壁６３に接する。第２の側壁６２は、例えば、第４の側壁６４に接する。

【0132】

第１の側壁６１は、第４の酸化物を含む。第２の側壁６２は、第５の酸化物を含む。第３の側壁６３は、第６の酸化物を含む。第４の側壁６４は、第７の酸化物を含む。

【0133】

【0134】

【0135】

第３の側壁６３に含まれる第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。また、第３の側壁６３に含まれる第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。また、第３の側壁６３に含まれる第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第１の側壁１６に含まれる第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい。

【0136】

第４の側壁６４に含まれる第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。また、第４の側壁６４に含まれる第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。また、第４の側壁６４に含まれる第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい。

【0137】

第３の側壁６３の第２の方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。第４の側壁６４の第２の方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

【0138】

仮に、第２の実施形態の第１の変形例のメモリセルＭＣにおいて、第３の側壁６３及び第４の側壁６４が設けられない場合を考える。この場合、例えば、下部電極１０と中間電極３０との間に、リーク電流が流れ、半選択リーク電流が高くなるおそれがある。

【0139】

第２の実施形態で説明したように、第１の側壁６１から酸素が脱離し、下部領域４１及び上部領域４２に供給され、下部領域４１及び上部領域４２の酸素空孔が埋められる。この時、酸素が脱離した第１の側壁６１の中には、酸素空孔が形成される。第１の側壁６１の酸素空孔が多くなると、酸素空孔を介したリーク電流が流れる。例えば、第１の側壁６１と、下部電極１０及び中間電極３０とが接していると、下部電極１０と中間電極３０との間に、リーク電流が流れる。

【0140】

同様に、第２の側壁６２から酸素が脱離し、下部領域４１及び上部領域４２に供給され、下部領域４１及び上部領域４２の酸素空孔が埋められる。この時、酸素が脱離した第２の側壁６２の中には、酸素空孔が形成される。第２の側壁６２の酸素空孔が多くなると、酸素空孔を介したリーク電流が流れる。例えば、第２の側壁６２と、下部電極１０及び中間電極３０とが接していると、下部電極１０と中間電極３０との間に、リーク電流が流れる。

【0141】

第２の実施形態の第１の変形例のメモリセルＭＣには、第１の側壁６１と、下部電極１０及び中間電極３０との間に、第３の側壁６３が設けられる。このため、第１の側壁６１は下部電極１０及び中間電極３０と離隔している。したがって、第１の側壁６１を通って、下部電極１０と中間電極３０との間にリーク電流が流れることが抑制される。

【0142】

そして、第３の側壁６３に含まれる第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第３の側壁６３に含まれる第６の酸化物の中の酸素は、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第３の側壁６３から酸素が脱離し、下部領域４１に供給され、下部領域４１の酸素空孔が埋められる。

【0143】

また、第３の側壁６３に含まれる第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第３の側壁６３に含まれる第６の酸化物の中の酸素は、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第３の側壁６３から酸素が脱離し、上部領域４２に供給され、上部領域４２の酸素空孔が埋められる。

【0144】

また、第２の実施形態の第１の変形例のメモリセルＭＣには、第２の側壁６２と、下部電極１０及び中間電極３０との間に、第４の側壁６４が設けられる。このため、第２の側壁６２は下部電極１０及び中間電極３０と離隔している。したがって、第２の側壁６２を通って、下部電極１０と中間電極３０との間にリーク電流が流れることが抑制される。

【0145】

そして、第４の側壁６４に含まれる第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第４の側壁６４に含まれる第７の酸化物の中の酸素は、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第４の側壁６４から酸素が脱離し、下部領域４１に供給され、下部領域４１の酸素空孔が埋められる。

【0146】

また、第４の側壁６４に含まれる第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第４の側壁６４に含まれる第７の酸化物の中の酸素は、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第４の側壁６４から酸素が脱離し、上部領域４２に供給され、上部領域４２の酸素空孔が埋められる。

【0147】

したがって、第２の実施形態と同様、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0148】

酸素が脱離した第３の側壁６３の中には、酸素空孔が形成される。しかし、第３の側壁６３に含まれる第６の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第１の側壁６１に含まれる第４の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい。いいかえれば、第１の側壁６１に含まれる第４の酸化物の中の酸素は、第３の側壁６３に含まれる第６の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第１の側壁６１から酸素が脱離し、第３の側壁６３に供給され、第３の側壁６３の酸素空孔が埋められる。したがって、第３の側壁６３を通って、下部電極１０と中間電極３０との間にリーク電流が流れることが抑制される。

【0149】

酸素が脱離した第４の側壁６４の中には、酸素空孔が形成される。しかし、第４の側壁６４に含まれる第７の酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも小さい。いいかえれば、第２の側壁６２に含まれる第５の酸化物の中の酸素は、第４の側壁６４に含まれる第７の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第２の側壁６２から酸素が脱離し、第４の側壁６４に供給され、第４の側壁６４の酸素空孔が埋められる。したがって、第４の側壁６４を通って、下部電極１０と中間電極３０との間にリーク電流が流れることが抑制される。

【0150】

したがって、第２の実施形態の第１の変形例によれば、半選択リーク電流が高くなることが抑制される。

【0151】

（第２の変形例）
第２の実施形態の第２の変形例の記憶装置は、第１の側壁は第１の導電層又は第３の導電層と離隔し、第２の側壁は第１の導電層又は第３の導電層と離隔する点で、第２の実施形態の記憶装置と異なる。

【0152】

図９は、第２の実施形態の第２の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図９は、第２の実施形態の図７に対応する図である。図９は、一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0153】

メモリセルＭＣは、図９に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、抵抗変化層５０、第１の側壁６１、及び、第２の側壁６２を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0154】

第１の側壁６１は、中間電極３０と離隔する。また、第２の側壁６２は、中間電極３０と離隔する。

【0155】

【0156】

【0157】

第２の実施形態の第２の変形例のメモリセルＭＣには、第１の側壁６１と中間電極３０は離隔する。また、第２の側壁６２と中間電極３０は離隔する。

【0158】

したがって、第１の側壁６１を通って、下部電極１０と中間電極３０との間にリーク電流が流れることが抑制される。また、第２の側壁６２を通って、下部電極１０と中間電極３０との間にリーク電流が流れることが抑制される。

【0159】

よって、第２の実施形態の第２の変形例によれば、半選択リーク電流が高くなることが抑制される。

【0160】

なお、第１の側壁６１と下部電極１０が離隔し、第２の側壁６２と下部電極１０が離隔する形態とすることも可能である。また、第１の側壁６１と中間電極３０及び下部電極１０とが離隔し、第２の側壁６２と中間電極３０及び下部電極１０とが離隔する形態とすることも可能である。

【0161】

（第３の変形例）
第２の実施形態の第３の変形例の記憶装置は、第１の領域の第２の方向に位置する第１の側壁の第２の方向の厚さは、第２の領域の第２の方向に位置する第１の側壁の第２の方向の厚さと異なり、第１の領域の第２の方向に位置する第２の側壁の第２の方向の厚さは、第２の領域の第２の方向に位置する第２の側壁の第２の方向の厚さと異なる点で、第２の実施形態の記憶装置と異なる。

【0162】

図１０は、第２の実施形態の第３の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図１０は、第２の実施形態の図７に対応する図である。図１０は、一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0163】

メモリセルＭＣは、図１０に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、抵抗変化層５０、第１の側壁６１、及び、第２の側壁６２を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0164】

第１の側壁６１は、テーパ形状を有する。下部領域４１の第２の方向に位置する第１の側壁６１の第２の方向の第１の厚さ（図１０中のｔｘ１）は、上部領域４２の第２の方向に位置する第１の側壁６１の第２の方向の第２の厚さ（図１０中のｔｘ２）と異なる。

【0165】

第１の側壁６１の第１の厚さｔｘ１は、第１の側壁６１の第２の厚さｔｘ２より厚い。第１の厚さｔｘ１は、例えば、第２の厚さｔｘ２の１０倍以上１００倍以下である。

【0166】

第２の側壁６２は、テーパ形状を有する。下部領域４１の第２の方向に位置する第２の側壁６２の第２の方向の第３の厚さ（図１０中のｔｙ１）は、上部領域４２の第２の方向に位置する第２の側壁６２の第２の方向の第４の厚さ（図１０中のｔｙ２）と異なる。

【0167】

第２の側壁６２の第２の厚さｔｙ１は、第２の側壁６２の第４の厚さｔｙ２より厚い。第２の厚さｔｙ１は、例えば、第４の厚さｔｙ２の１０倍以上１００倍以下である。

【0168】

【0169】

【0170】

第２の実施形態の第３の変形例のメモリセルＭＣでは、第１の側壁６１及び第２の側壁６２がテーパ形状を有し、厚さの薄い領域を有する。第１の側壁６１及び第２の側壁６２の厚さの薄い領域は高抵抗となる。

【0171】

したがって、第１の側壁６１を通って、下部電極１０と中間電極３０との間に流れるリーク電流が抑制される。また、第２の側壁６２を通って、下部電極１０と中間電極３０との間にリ流れるリーク電流が抑制される。

【0172】

したがって、第２の実施形態の第３の変形例によれば、半選択リーク電流が高くなることが抑制される。

【0173】

なお、第１の側壁６１及び第２の側壁６２が逆テーパ形状を有する形態とすることも可能である。この場合、第１の側壁６１の第１の厚さｔｘ１は、第１の側壁６１の第２の厚さｔｘ２より薄くなる。また、第２の側壁６２の第２の厚さｔｙ１は、第２の側壁６２の第４の厚さｔｙ２より薄くなる。

【0174】

以上、第２の実施形態及び変形例によれば、低い半選択リーク電流、及び、高いオン電流、という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。さらに、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置が実現できる。

【0175】

（第３の実施形態）
第３の実施形態の記憶装置は、第１の導電層と第３の導電層との間に設けられ、第１の領域及び第２の領域のいずれか一方に接する、第４の領域を、更に備え、第４の領域は、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、及び、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素組み合わせを含む点で、第１の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。

【0176】

図１１は、第３の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図１１は、第１の実施形態の図２に対応する図である。図１１は、一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0177】

メモリセルＭＣは、図１１に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、及び、抵抗変化層５０を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、第１の導電領域４４、及び、第２の導電領域４５を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0178】

下部電極１０は、第１の導電層の一例である。上部電極２０は、第２の導電層の一例である。中間電極３０は、第３の導電層の一例である。下部領域４１は、第１の領域の一例である。上部領域４２は第２の領域の一例である。中間領域４３は、第３の領域の一例である。第１の導電領域４４は、第４の領域の一例である。第２の導電領域４５は、第４の領域の一例である。

【0179】

【0180】

下部電極１０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。

【0181】

【0182】

中間電極３０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。

【0183】

スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、第１の導電領域４４、及び、第２の導電領域４５を含む。上部領域４２は、下部領域４１と中間電極３０との間に設けられる。中間領域４３は、下部領域４１と上部領域４２との間に設けられる。第１の導電領域４４は、下部電極１０と下部領域４１との間に設けられる。第２の導電領域４５は、中間電極３０と上部領域４２との間に設けられる。

【0184】

第１の導電領域４４は、例えば、下部電極１０に接する。第１の導電領域４４は、例えば、下部領域４１に接する。下部領域４１は、例えば、中間領域４３に接する。第２の導電領域４５は、例えば、中間電極３０に接する。第２の導電領域４５は、例えば、上部領域４２に接する。上部領域４２は、例えば、中間領域４３に接する。

【0185】

【0186】

【0187】

【0188】

第１の導電領域４４は、導電性を有する。第１の導電領域４４は、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、及び、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素組み合わせを含む。第１の導電領域４４は、例えば、酸化インジウムスズ、酸化ガリウムスズ、ガリウム添加酸化亜鉛、又は、アルミニウム添加酸化亜鉛を含む。第１の導電領域４４は、例えば、酸化インジウムスズ、酸化ガリウムスズ、ガリウム添加酸化亜鉛、又は、アルミニウム添加酸化亜鉛である。

【0189】

第２の導電領域４５は、導電性を有する。第２の導電領域４５は、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせ、及び、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、酸素（Ｏ）の元素組み合わせからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素組み合わせを含む。第２の導電領域４５は、例えば、酸化インジウムスズ、酸化ガリウムスズ、ガリウム添加酸化亜鉛、又は、アルミニウム添加酸化亜鉛を含む。第２の導電領域４５は、例えば、酸化インジウムスズ、酸化ガリウムスズ、ガリウム添加酸化亜鉛、又は、アルミニウム添加酸化亜鉛である。

【0190】

第１の導電領域４４の第１の方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。また、第２の導電領域４５の第１の方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

【0191】

次に、第３の実施形態の記憶装置の作用及び効果について説明する。

【0192】

仮に、第３の実施形態のメモリセルＭＣにおいて、第１の導電領域４４及び第２の導電領域４５が設けられない場合を考える。この場合、例えば、スイッチング素子のオン電流が低くなるおそれがある。

【0193】

【0194】

【0195】

第３の実施形態のメモリセルＭＣには、第１の導電領域４４が設けられる。第１の導電領域４４は、酸素を放出する機能を有する。第１の導電領域４４から放出される酸素が、下部領域４１に供給され、下部領域４１の酸素空孔が埋められる。したがって、下部電極１０のフェルミレベルピニングが抑制され、第１の障壁高さφｂ１の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0196】

第３の実施形態のメモリセルＭＣには、第２の導電領域４５が設けられる。第２の導電領域４５は、酸素を放出する機能を有する。第２の導電領域４５から放出される酸素が、上部領域４２に供給され、上部領域４２の酸素空孔が埋められる。したがって、中間電極３０のフェルミレベルピニングが抑制され、第２の障壁高さφｂ２の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0197】

（第１の変形例）
第３の実施形態の第１の変形例の記憶装置は、第４の領域は第１の導電層と第１の領域との間にのみ設けられる点で、第３の実施形態の記憶装置と異なる。

【0198】

図１２は、第３の実施形態の第１の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図１２は、第３の実施形態の図１１に対応する図である。図１２は、一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0199】

メモリセルＭＣは、図１２に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、及び、抵抗変化層５０を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、及び、第１の導電領域４４を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0200】

下部電極１０は、第１の導電層の一例である。上部電極２０は、第２の導電層の一例である。中間電極３０は、第３の導電層の一例である。下部領域４１は、第１の領域の一例である。上部領域４２は第２の領域の一例である。中間領域４３は、第３の領域の一例である。第１の導電領域４４は、第４の領域の一例である。

【0201】

スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、及び、第１の導電領域４４を含む。上部領域４２は、下部領域４１と中間電極３０との間に設けられる。中間領域４３は、下部領域４１と上部領域４２との間に設けられる。第１の導電領域４４は、下部電極１０と下部領域４１との間に設けられる。

【0202】

第１の導電領域４４は、例えば、下部電極１０に接する。第１の導電領域４４は、例えば、下部領域４１に接する。下部領域４１は、例えば、中間領域４３に接する。上部領域４２は、例えば、中間電極３０に接する。上部領域４２は、例えば、例えば、中間領域４３に接する。

【0203】

第３の実施形態の第１の変形例のメモリセルＭＣには、第１の導電領域４４が設けられる。第１の導電領域４４は、酸素を放出する機能を有する。第１の導電領域４４から放出される酸素が、下部領域４１に供給され、下部領域４１の酸素空孔が埋められる。したがって、下部電極１０のフェルミレベルピニングが抑制され、第１の障壁高さφｂ１の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0204】

（第２の変形例）
第３の実施形態の第２の変形例の記憶装置は、第４の領域は第３の導電層と第２の領域との間にのみ設けられる点で、第３の実施形態の記憶装置と異なる。

【0205】

図１３は、第３の実施形態の第２の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図１３は、第３の実施形態の図１１に対応する図である。図１３は、一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0206】

メモリセルＭＣは、図１３に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、及び、抵抗変化層５０を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、及び、第２の導電領域４５を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0207】

下部電極１０は、第１の導電層の一例である。上部電極２０は、第２の導電層の一例である。中間電極３０は、第３の導電層の一例である。下部領域４１は、第１の領域の一例である。上部領域４２は第２の領域の一例である。中間領域４３は、第３の領域の一例である。第２の導電領域４５は、第４の領域の一例である。

【0208】

スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、及び、第２の導電領域４５を含む。上部領域４２は、下部領域４１と中間電極３０との間に設けられる。中間領域４３は、下部領域４１と上部領域４２との間に設けられる。第２の導電領域４５は、中間電極３０と上部領域４２との間に設けられる。

【0209】

下部領域４１は、例えば、下部電極１０に接する。下部領域４１は、例えば、中間領域４３に接する。第２の導電領域４５は、例えば、中間電極３０に接する。第２の導電領域４５は、例えば、上部領域４２に接する。上部領域４２は、例えば、例えば、中間領域４３に接する。

【0210】

第３の実施形態の第２の変形例のメモリセルＭＣには、第２の導電領域４５が設けられる。第２の導電領域４５は、酸素を放出する機能を有する。第２の導電領域４５から放出される酸素が、上部領域４２に供給され、上部領域４２の酸素空孔が埋められる。したがって、中間電極３０のフェルミレベルピニングが抑制され、第２の障壁高さφｂ２の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0211】

（第３の変形例）
第３の実施形態の第３の変形例の記憶装置は、第４の領域は第１の領域と第３の領域の間に設けられる点で、第３の実施形態の記憶装置と異なる。

【0212】

図１４は、第３の実施形態の第３の変形例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図１４は、第３の実施形態の図１１に対応する図である。図１４は、一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0213】

メモリセルＭＣは、図１４に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、及び、抵抗変化層５０を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、及び、第１の導電領域４４を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0214】

【0215】

スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３、及び、第１の導電領域４４を含む。上部領域４２は、下部領域４１と中間電極３０との間に設けられる。中間領域４３は、下部領域４１と上部領域４２との間に設けられる。第１の導電領域４４は、下部領域４１と中間領域４３の間に設けられる。

【0216】

下部領域４１は、例えば、下部電極１０に接する。第１の導電領域４４は、例えば、下部領域４１及び中間領域４３に接する。上部領域４２は、例えば、中間電極３０に接する。上部領域４２は、例えば、中間領域４３に接する。

【0217】

第３の実施形態の第３の変形例のメモリセルＭＣには、第１の導電領域４４が設けられる。第１の導電領域４４は、酸素を放出する機能を有する。第１の導電領域４４から放出される酸素が、下部領域４１に供給され、下部領域４１の酸素空孔が埋められる。したがって、下部電極１０のフェルミレベルピニングが抑制され、第１の障壁高さφｂ１の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0218】

なお、第１の導電領域４４は、上部領域４２と中間領域４３との間に設けられてもかまわない。また、第１の導電領域４４は、下部領域４１と中間領域４３との間、上部領域４２と中間領域４３との間の両方に設けられてもかまわない。

【0219】

以上、第３の実施形態及び変形例によれば、低い半選択リーク電流、及び、高いオン電流、という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。さらに、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置が実現できる。

【0220】

（第４の実施形態）
第４の実施形態の記憶装置は、第１の導電層と第１の領域との間に設けられ、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び、ロジウム（Ｒｈ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の金属元素と、酸素（Ｏ）を含む第１の層と、第３の導電層と第２の領域との間に設けられ、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び、ロジウム（Ｒｈ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の金属元素と、酸素（Ｏ）を含む第２の層と、の少なくともいずれか一方を更に備える点で、第１の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。

【0221】

図１５は、第４の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図１５は、第１の実施形態の図２に対応する図である。図１５は、一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0222】

メモリセルＭＣは、図１５に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、抵抗変化層５０、第１の金属酸化物層８１、及び、第２の金属酸化物層８２を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、及び、中間領域４３を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0223】

下部電極１０は、第１の導電層の一例である。上部電極２０は、第２の導電層の一例である。中間電極３０は、第３の導電層の一例である。下部領域４１は、第１の領域の一例である。上部領域４２は第２の領域の一例である。中間領域４３は、第３の領域の一例である。第１の金属酸化物層８１は、第１の層の一例である。第２の金属酸化物層８２は、第２の層の一例である。

【0224】

下部電極１０、第１の金属酸化物層８１、スイッチング層４０、第２の金属酸化物層８２、及び中間電極３０が、メモリセルＭＣのスイッチング素子を構成する。中間電極３０、抵抗変化層５０、及び上部電極２０が、メモリセルＭＣの抵抗変化素子を構成する。

【0225】

下部電極１０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。

【0226】

【0227】

中間電極３０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。

【0228】

【0229】

下部領域４１は、例えば、中間領域４３に接する。上部領域４２は、例えば、例えば、中間領域４３に接する。

【0230】

【0231】

【0232】

【0233】

第１の金属酸化物層８１は、下部電極１０と下部領域４１との間に設けられる。第１の金属酸化物層８１は、例えば、下部電極１０に接する。第１の金属酸化物層８１は、例えば、下部領域４１に接する。

【0234】

第１の金属酸化物層８１は、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び、ロジウム（Ｒｈ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の金属元素と、酸素（Ｏ）を含む。第１の金属酸化物層８１は、例えば、第１の金属元素の第１の金属酸化物を含む。

【0235】

第１の金属酸化物は、例えば、酸化銀、酸化イリジウム、酸化オスミウム、酸化ルテニウム、又は、酸化ロジウムである。

【0236】

第１の金属酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、例えば、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。

【0237】

第１の金属酸化物層８１は、導電性を有する。

【0238】

第２の金属酸化物層８２は、中間電極３０と上部領域４２との間に設けられる。第２の金属酸化物層８２は、例えば、中間電極３０に接する。第２の金属酸化物層８２は、例えば、上部領域４２に接する。

【0239】

第２の金属酸化物層８２は、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び、ロジウム（Ｒｈ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の金属元素と、酸素（Ｏ）を含む。第２の金属酸化物層８２は、例えば、第２の金属元素の第２の金属酸化物を含む。

【0240】

第２の金属酸化物は、例えば、酸化銀、酸化イリジウム、酸化オスミウム、酸化ルテニウム、又は、酸化ロジウムである。

【0241】

第２の金属酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、例えば、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。

【0242】

第２の金属酸化物層８２は、導電性を有する。

【0243】

第１の金属酸化物層８１の第１の方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。第２の金属酸化物層８２の第１の方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

【0244】

次に、第４の実施形態の記憶装置の作用及び効果について説明する。

【0245】

仮に、第４の実施形態のメモリセルＭＣにおいて、第１の金属酸化物層８１及び第２の金属酸化物層８２が設けられない場合を考える。この場合、例えば、スイッチング素子のオン電流が低くなるおそれがある。

【0246】

【0247】

【0248】

第４の実施形態のメモリセルＭＣには、第１の金属酸化物層８１が設けられる。そして、第１の金属酸化物層８１に含まれる第１の金属酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第１の金属酸化物層８１に含まれる第１の金属酸化物の中の酸素は、下部領域４１に含まれる第１の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第１の金属酸化物層８１から酸素が脱離し、下部領域４１に供給され、下部領域４１の酸素空孔が埋められる。したがって、下部電極１０のフェルミレベルピニングが抑制され、第１の障壁高さφｂ１の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0249】

また、第４の実施形態のメモリセルＭＣには、第２の金属酸化物層８２が設けられる。そして、第２の金属酸化物層８２に含まれる第２の金属酸化物の標準生成ギブズエネルギーは、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の標準生成ギブズエネルギーよりも大きい。いいかえれば、第２の金属酸化物層８２に含まれる第２の金属酸化物の中の酸素は、上部領域４２に含まれる第２の酸化物の中の酸素よりも抜けやすい。このため、第２の金属酸化物層８２から酸素が脱離し、上部領域４２に供給され、上部領域４２の酸素空孔が埋められる。したがって、中間電極３０のフェルミレベルピニングが抑制され、第２の障壁高さφｂ２の変化が抑制される。よって、スイッチング素子のオン電流が低くなることが抑制できる。

【0250】

例えば、下部電極１０が、炭素（Ｃ）の場合、第１の金属酸化物層８１の熱伝導率は下部電極１０の熱伝導率よりも小さい。したがって、第１の金属酸化物層８１は、スイッチング層４０の中に熱を閉じ込める機能を有する。スイッチング層４０の中に熱を閉じ込められることで、スイッチング素子の動作が安定する。

【0251】

同様に、例えば、中間電極３０が、炭素（Ｃ）の場合、第２の金属酸化物層８２の熱伝導率は中間電極３０の熱伝導率よりも小さい。したがって、第２の金属酸化物層８２は、スイッチング層４０の中に熱を閉じ込める機能を有する。スイッチング層４０の中に熱を閉じ込められることで、スイッチング素子の動作が安定する。

【0252】

以上、第４の実施形態によれば、低い半選択リーク電流、及び、高いオン電流、という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。さらに、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置が実現できる。

【0253】

（第５の実施形態）
第５の実施形態の記憶装置は、第１の導電層と、第２の導電層と、第１の導電層と第２の導電層との間に設けられた第３の導電層と、第１の導電層と第３の導電層との間に設けられたスイッチング層と、第３の導電層と第２の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、を含むメモリセルを備える。スイッチング層は、第１の領域と、第１の領域と第３の導電層との間の第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間の第３の領域と、を含む。第１の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の金属酸化物を含み、第２の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の金属酸化物を含み、第３の領域は、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、アルミン酸銅、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、ケイ酸ハフニウム、チタン酸バリウム、炭化珪素、酸化ゲルマニウム、酸化銅、酸化マグネシウム、及び、窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。

【0254】

また、第５の実施形態の記憶装置は、複数の第１の配線と、複数の第１の配線と交差する複数の第２の配線と、を更に備える。そして、複数の第１の配線の一つと、複数の第２の配線の一つが交差する領域に上記メモリセルが設けられる。

【0255】

第５の実施形態の記憶装置は、スイッチング素子の構成が異なる点で、第１の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。

【0256】

第５の実施形態の記憶装置は、第１の実施形態の図１のブロック図に示した構成と同様の構成を備える。

【0257】

図１６は、第５の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図１６は、例えば、図１のメモリセルアレイ１００中の、例えば点線の円で示される一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0258】

メモリセルＭＣは、図１６に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、及び、抵抗変化層５０を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0259】

【0260】

【0261】

下部電極１０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。下部電極１０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。下部電極１０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、又は、ニッケル（Ｎｉ）である。

【0262】

下部電極１０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、及び、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素を含む。下部電極１０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、及び、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。下部電極１０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）である。

【0263】

下部電極１０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、及び、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と窒素（N）を含む。下部電極１０は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化鉄、窒化銅、及び、窒化パラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。下部電極１０は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化鉄、窒化銅、又は、窒化パラジウムである。

【0264】

下部電極１０は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）を含む。下部電極１０は、例えば、酸化インジウムスズを含む。下部電極１０は、例えば、酸化インジウムスズである。

【0265】

【0266】

中間電極３０は、下部電極１０と上部電極２０との間に設けられる。

【0267】

中間電極３０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。中間電極３０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。中間電極３０は、例えば、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、又は、ニッケル（Ｎｉ）である。

【0268】

中間電極３０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、及び、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素を含む。中間電極３０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、及び、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。中間電極３０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）である。

【0269】

中間電極３０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、及び、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と窒素（N）を含む。中間電極３０は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化鉄、窒化銅、及び、窒化パラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。中間電極３０は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化鉄、窒化銅、又は、窒化パラジウムである。

【0270】

中間電極３０は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）を含む。中間電極３０は、例えば、酸化インジウムスズを含む。中間電極３０は、例えば、酸化インジウムスズである。

【0271】

【0272】

【0273】

【0274】

【0275】

スイッチング層４０の下部領域４１は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の金属酸化物を含む。下部領域４１は、例えば、第１の金属酸化物である。

【0276】

下部領域４１に含まれる酸化ニオブは、例えば、ＮｂＯ_２で表される化学組成を有する。下部領域４１に含まれる酸化バナジウムは、例えば、ＶＯ_２で表される化学組成を有する。下部領域４１に含まれるクロム添加酸化バナジウムは、例えば、（Ｖ_ｘＣｒ_１－ｘ）_２Ｏ_２で表される化学組成を有する。下部領域４１に含まれる酸化ニッケルは、例えば、ＮｉＯで表される化学組成を有する。下部領域４１に含まれるチタン酸ランタンは、例えば、ＬａＴｉＯ_３で表される化学組成を有する。下部領域４１に含まれるストロンチウム添加マンガン酸ランタンは、例えば、Ｌａ_１－ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３で表される化学組成を有する。下部領域４１に含まれる酸化鉄は、例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４で表される化学組成を有する。

【0277】

下部領域４１に含まれる第１の金属酸化物は、Ｍｏｔｔ絶縁体である。Ｍｏｔｔ絶縁体は、Ｍｏｔｔ転移が生じる材料である。Ｍｏｔｔ転移は、金属絶縁体転移である。Ｍｏｔｔ絶縁体は、例えば、電圧を印加することで、絶縁相から金属相へ相転移する。なお、Ｍｏｔｔ転移は可逆的であり、例えば、電圧の印加を停止することで、金属相から絶縁相へ相転移する。

【0278】

下部領域４１の第１の方向の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

【0279】

スイッチング層４０の上部領域４２は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の金属酸化物を含む。上部領域４２は、例えば、第２の金属酸化物である。

【0280】

上部領域４２に含まれる酸化ニオブは、例えば、ＮｂＯ_２で表される化学組成を有する。上部領域４２に含まれる酸化バナジウムは、例えば、ＶＯ_２で表される化学組成を有する。上部領域４２に含まれるクロム添加酸化バナジウムは、例えば、（Ｖ_ｘＣｒ_１－ｘ）_２Ｏ_２で表される化学組成を有する。上部領域４２に含まれる酸化ニッケルは、例えば、ＮｉＯで表される化学組成を有する。上部領域４２に含まれるチタン酸ランタンは、例えば、ＬａＴｉＯ_３で表される化学組成を有する。上部領域４２に含まれるストロンチウム添加マンガン酸ランタンは、例えば、Ｌａ_１－ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３で表される化学組成を有する。上部領域４２に含まれる酸化鉄は、例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４で表される化学組成を有する。

【0281】

上部領域４２に含まれる第１の金属酸化物は、Ｍｏｔｔ絶縁体である。

【0282】

第１の金属酸化物と第２の金属酸化物は、例えば、同一の金属酸化物である。

【0283】

上部領域４２の第１の方向の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

【0284】

スイッチング層４０の中間領域４３は、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、アルミン酸銅、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、ケイ酸ハフニウム、チタン酸バリウム、炭化珪素、酸化ゲルマニウム、酸化銅、酸化マグネシウム、及び、窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。中間領域４３は、例えば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、アルミン酸銅、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、ケイ酸ハフニウム、チタン酸バリウム、炭化珪素、酸化ゲルマニウム、酸化銅、酸化マグネシウム、又は、窒化アルミニウムである。

【0285】

中間領域４３に含まれる酸化ジルコニウムは、例えば、ＺｒＯ_２で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる窒化シリコンは、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれるチタン酸ストロンチウムは、例えば、ＳｒＴｉＯ_３で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化チタンは、例えば、ＴｉＯ_２で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化タンタルは、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化ハフニウムは、例えば、ＨｆＯ_２で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれるアルミン酸銅は、例えば、ＣｕＡｌＯ_２で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化ランタンは、例えば、Ｌａ_２Ｏ_３で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化イットリウムは、例えば、Ｙ_２Ｏ_３で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化アルミニウムは、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれるケイ酸ハフニウムは、例えば、ＨｆＳｉＯ_４で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれるチタン酸バリウムは、例えば、ＢａＴｉＯ_３で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる炭化珪素は、例えば、ＳｉＣで表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化ゲルマニウムは、例えば、ＧｅＯ_２で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化銅は、例えば、Ｃｕ_２Ｏで表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化マグネシウムは、例えば、ＭｇＯで表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる窒化アルミニウムは、例えば、ＡｌＮで表される化学組成を有する。

【0286】

中間領域４３に含まれる物質は、非Ｍｏｔｔ絶縁体である。非Ｍｏｔｔ絶縁体は、Ｍｏｔｔ転移が生じない材料である。

【0287】

中間領域４３の第１の方向の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

【0288】

図１７は、第５の実施形態のスイッチング素子のバンド構造を示す図である。

【0289】

中間領域４３に含まれる物質の電子親和力（図１７中のＥａ３）は、例えば、下部領域４１に含まれる第１の金属酸化物の電子親和力（図１７中のＥａ１）より小さい。また、中間領域４３に含まれる物質の電子親和力（図１７中のＥａ３）は、例えば、上部領域４２に含まれる第２の金属酸化物の電子親和力（図１７中のＥａ２）より小さい。

【0290】

中間領域４３に含まれる物質の電子親和力（図１７中のＥａ３）は、例えば、３．０ｅＶ以下である。

【0291】

中間領域４３に含まれる物質の誘電率（図１７中のε３）は、例えば、下部領域４１に含まれる第１の金属酸化物の誘電率（図１７中のε１）より大きい。また、中間領域４３に含まれる物質の誘電率は、例えば、上部領域４２に含まれる第２の金属酸化物の誘電率（図１７中のε２）より大きい。

【0292】

中間領域４３に含まれる物質の電子親和力（図１７中のＥａ３）は、例えば、下部電極１０に含まれる物質の仕事関数（図１７中のφｍ１）より小さい。中間領域４３に含まれる物質の電子親和力（図１７中のＥａ３）は、例えば、中間電極３０に含まれる物質の仕事関数（図１７中のφｍ２）より小さい。

【0293】

また、中間領域４３に含まれる物質の電荷中性準位（図１７中のＥｘ）は、例えば、下部電極１０に含まれる物質の仕事関数（図１７中のφｍ１）より小さい。中間領域４３に含まれる物質の電荷中性準位（図１７中のＥｘ）は、例えば、中間電極３０に含まれる物質の仕事関数（図１７中のφｍ２）より小さい。電荷中性準位Ｅｘは、フェルミレベルピニングが生ずるエネルギーレベルと真空準位とのエネルギー差である。

【0294】

中間領域４３に含まれる物質のピニング係数（ｐｉｎｎｉｎｇｆａｃｔｏｒ）は、例えば、０．５以下である。ピニング係数は、物質に対するフェルミレベルピニングの生じやすさを示す物性値である。ピニング係数が小さいほど、フェルミレベルピニングが生じやすい。

【0295】

なお、物質の誘電率、電子親和力、仕事関数、電荷中性準位、ピニング係数は、当該物質が特定できれば、その物性値として特定できる。

【0296】

【0297】

【0298】

次に、第５の実施形態の記憶装置の作用及び効果について説明する。

【0299】

図１８は、第５の実施形態の比較例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図１８は、第５の実施形態の図１６に対応する図である。

【0300】

比較例の記憶装置のメモリセルＭＣは、スイッチング層４０が、Ｍｏｔｔ絶縁体領域９１のみで形成される点で、第５の実施形態の記憶装置のメモリセルＭＣと異なる。

【0301】

スイッチング層４０のＭｏｔｔ絶縁体領域９１は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属酸化物を含む。Ｍｏｔｔ絶縁体領域９１は、例えば、上記金属酸化物である。

【0302】

Ｍｏｔｔ絶縁体領域９１に含まれる金属酸化物は、Ｍｏｔｔ絶縁体である。

【0303】

図１９は、第５の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図である。図１９は、比較例の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図１９は、比較例のスイッチング素子がオン状態の場合を示す。

【0304】

スイッチング素子に電圧が印加され、所定の電圧に達すると、Ｍｏｔｔ絶縁体領域９１の少なくとも一部が絶縁相９１ｘから金属相９１ｙに相転移する。例えば、下部電極１０と中間電極３０との間で、金属相９１ｙがつながり、高いオン電流が流れる。スイッチング素子は閾値電圧Ｖｔｈで電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。

【0305】

Ｍｏｔｔ絶縁体領域９１に金属相９１ｙが形成されることで、スイッチング素子のオン電流が高くなる。しかし、半選択リーク電流が十分に低くならないおそれがある。例えば、電圧の印加を停止した後の金属相９１ｙから絶縁相９１ｘの回復が完全ではなく、Ｍｏｔｔ絶縁体領域９１に欠陥が残り、半選択リーク電流が十分に低くならないおそれがある。

【0306】

第５の実施形態の記憶装置のスイッチング素子は、Ｍｏｔｔ絶縁体の下部領域４１と、Ｍｏｔｔ絶縁体の上部領域４２との間に、非Ｍｏｔｔ絶縁体を含む中間領域４３を備える。

【0307】

図２０、図２１（ａ）、図２１（ｂ）は、第５の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図である。

【0308】

図２０は、第５の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図２０は、第５の実施形態のスイッチング素子がオン状態の場合を示す。

【0309】

図２１（ａ）、図２１（ｂ）は、第５の実施形態のスイッチング素子のバンド構造を示す図である。図２１（ａ）はスイッチング素子がオフ状態のバンド構造、図２１（ｂ）がスイッチング素子がオン状態のバンド構造である。

【0310】

図２０に示すように、スイッチング素子がオン状態では、Ｍｏｔｔ絶縁体の下部領域４１と、Ｍｏｔｔ絶縁体の上部領域４２には、金属相９１ｙが形成される。一方、非Ｍｏｔｔ絶縁体を含む中間領域４３には、金属相９１ｙは形成されない。

【0311】

図２１（ａ）に示すように、スイッチング素子のオフ状態では、下部電極１０とＭｏｔｔ絶縁体の下部領域４１の間の第１の障壁高さφｂ１、中間電極３０と上部領域４２との間の第２の障壁高さφｂ２、及び、下部電極１０及び中間電極３０と中間領域４３との間の第３の障壁高さφｂ３によって、電流が抑制されている。

【0312】

仮に、Ｍｏｔｔ絶縁体の下部領域４１と、Ｍｏｔｔ絶縁体の上部領域４２に半選択リーク電流の原因となる欠陥が残存しても、非Ｍｏｔｔ絶縁体を含む中間領域４３で形成される障壁によって、半選択リーク電流の増加を抑制できる。

【0313】

なお、図２１（ｂ）に示すように、スイッチング素子がオン状態では、中間領域４３をトンネリングすることで、高いオン電流が流れる。オン状態では、下部領域４１と上部領域４２は、Ｍｏｔｔ転移により金属化する。このため、下部電極１０のフェルミレベルと下部領域４１のフェルミレベルが一致し、中間電極３０のフェルミレベルと上部領域４２のフェルミレベルが一致する。

【0314】

半選択リーク電流を低減する観点から、第３の障壁高さφｂ３は高いことが好ましい。したがって、中間領域４３に含まれる物質の、電子親和力（図１７中のＥａ３）は小さいことが好ましい。中間領域４３に含まれる物質の、電子親和力Ｅａは、３．０ｅＶ以下であることが好ましい。

【0315】

また、Ｍｏｔｔ絶縁体の下部領域４１及びＭｏｔｔ絶縁体の上部領域４２に有効に電界を印加し、Ｍｏｔｔ転移を促進させる観点から、中間領域４３に含まれる物質の誘電率は大きいことが好ましい。

【0316】

図２２は、第５の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図である。図２２は、第５の実施形態のスイッチング素子のバンド構造を示す図である。図２２はスイッチング素子がオン状態のバンド構造である。

【0317】

スイッチング素子がオン状態の時、フェルミピニングが生じると、例えば、下部電極１０と下部領域４１の仕事関数が、第１の仕事関数（図２２中のφｍ１）から第１の実効仕事関数（図２２中のφｍ１＿ｅｆｆ）に変化する。第１の実効仕事関数φｍ１＿ｅｆｆは、中間領域４３に含まれる物質の電荷中性準位Ｅｘと一致する。

【0318】

フェルミピニングが生じた後の、第１の実効仕事関数φｍ１＿ｅｆｆが小さくなると、トンネル電流が流れやすくなり、スイッチング素子のオン電流が高くなる。したがって、中間領域４３に含まれる物質の電荷中性準位Ｅｘは小さいことが好ましく、ピニング係数は小さいことが好ましい。

【0319】

電子親和力が小さく、誘電率が大きく、中性電荷準位が小さく、ピニング係数が小さい物質という観点から、中間領域４３に含まれる物質は、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、アルミン酸銅、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、又は、ケイ酸ハフニウムであることが好ましく、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、又は、アルミン酸銅であることがより好ましく、酸化ジルコニウム又は窒化シリコンであることが更に好ましい。

【0320】

第３の障壁高さ（図１７中のφｂ３）を高くし、半選択リーク電流を抑制する観点から、中間領域４３に含まれる物質の電子親和力（図１７中のＥａ３）は、下部領域４１に含まれる第１の金属酸化物の電子親和力（図１７中のＥａ１）より小さいことが好ましい。また、中間領域４３に含まれる物質の電子親和力（図１７中のＥａ３）は、上部領域４２に含まれる第２の金属酸化物の電子親和力（図１７中のＥａ２）より小さいことが好ましい。

【0321】

第１の障壁高さ（図１７中のφｂ１）、第２の障壁高さ（図１７中のφｂ２）、及び、第３の障壁高さ（図１７中のφｂ３）を高くし、半選択リーク電流を抑制する観点から、下部電極１０の第１の仕事関数（図１７中のφｍ１）、及び、中間電極３０の第２の仕事関数（図１７中のφｍ２）は大きいことが好ましい。

【0322】

上記観点から、下部電極１０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。また、下部電極１０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含むことが好ましい。また、下部電極１０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）であることが好ましい。

【0323】

上記観点から、中間電極３０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。また、中間電極３０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含むことが好ましい。また、中間電極３０は、炭素（Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）であることが好ましい。

【0324】

以上、第５の実施形態によれば、低い半選択リーク電流、及び、高いオン電流、という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。さらに、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置が実現できる。

【0325】

（第６の実施形態）
第６の実施形態の記憶装置は、第１の導電層と、第２の導電層と、第１の導電層と第２の導電層との間に設けられた第３の導電層と、第１の導電層と第３の導電層との間に設けられたスイッチング層と、第３の導電層と第２の導電層との間に設けられた抵抗変化層と、を含むメモリセルを備える。スイッチング層は、第１の領域と、第１の領域と第３の導電層との間の第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間の第３の領域と、を含む。第１の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第１の金属酸化物を含み、第２の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第２の金属酸化物を含み、第３の領域は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第３の金属酸化物を含む。第３の金属酸化物の電子親和力は、第１の金属酸化物の電子親和力よりも小さく、第３の金属酸化物の電子親和力は、第２の金属酸化物の電子親和力よりも小さい。

【0326】

また、第６の実施形態の記憶装置は、複数の第１の配線と、複数の第１の配線と交差する複数の第２の配線と、を更に備える。そして、複数の第１の配線の一つと、複数の第２の配線の一つが交差する領域に上記メモリセルが設けられる。

【0327】

第６の実施形態の記憶装置は、スイッチング素子の構成が異なる点で、第１の実施形態の記憶装置と異なる。また、第６の実施形態の記憶装置は、中間領域４３にＭｏｔｔ絶縁体が含まれる点で、第５の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第１の実施形態又は第５の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。

【0328】

第６の実施形態の記憶装置は、第１の実施形態の図１のブロック図に示した構成と同様の構成を備える。

【0329】

図２３は、第６の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図２３は、例えば、図１のメモリセルアレイ１００中の、例えば点線の円で示される一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0330】

メモリセルＭＣは、図２３に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、及び、抵抗変化層５０を備える。スイッチング層４０は、下部領域４１、上部領域４２、中間領域４３を含む。抵抗変化層５０は、固定層５１、トンネル層５２、及び自由層５３を含む。

【0331】

【0332】

【0333】

【0334】

【0335】

下部電極１０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、及び、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と窒素（N）を含む。下部電極１０は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化鉄、窒化銅、及び、窒化パラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。下部電極１０は、例えば、チ窒化チタン、窒化タングステン、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化鉄、窒化銅、又は、窒化パラジウムである。

【0336】

【0337】

【0338】

中間電極３０は、下部電極１０と上部電極２０との間に設けられる。

【0339】

【0340】

【0341】

中間電極３０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、及び、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素と窒素（N）を含む。中間電極３０は、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化鉄、窒化銅、及び、窒化パラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一つの物質を含む。中間電極３０は、例えば、チ窒化チタン、窒化タングステン、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化鉄、窒化銅、又は、窒化パラジウムである。

【0342】

中間電極３０は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、及び、酸素（Ｏ）を含む。下部電極１０は、例えば、酸化インジウムスズを含む。中間電極３０は、例えば、酸化インジウムスズである。

【0343】

【0344】

【0345】

【0346】

【0347】

【0348】

【0349】

下部領域４１に含まれる第１の金属酸化物は、Ｍｏｔｔ絶縁体である。

【0350】

下部領域４１の第１の方向の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

【0351】

【0352】

【0353】

上部領域４２に含まれる第１の金属酸化物は、Ｍｏｔｔ絶縁体である。

【0354】

第１の金属酸化物と第２の金属酸化物は、例えば、同一の金属酸化物である。

【0355】

上部領域４２の第１の方向の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

【0356】

スイッチング層４０の中間領域４３は、酸化ニオブ、酸化バナジウム、クロム添加酸化バナジウム、酸化ニッケル、チタン酸ランタン、ストロンチウム添加マンガン酸ランタン、及び、酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも一つの第３の金属酸化物を含む。中間領域４３は、例えば、第３の金属酸化物である。

【0357】

中間領域４３に含まれる酸化ニオブは、例えば、ＮｂＯ_２で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化バナジウムは、例えば、ＶＯ_２で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれるクロム添加酸化バナジウムは、例えば、（Ｖ_ｘＣｒ_１－ｘ）_２Ｏ_２で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化ニッケルは、例えば、ＮｉＯで表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれるチタン酸ランタンは、例えば、ＬａＴｉＯ_３で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれるストロンチウム添加マンガン酸ランタンは、例えば、Ｌａ_１－ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３で表される化学組成を有する。中間領域４３に含まれる酸化鉄は、例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４で表される化学組成を有する。

【0358】

中間領域４３に含まれる第１の金属酸化物は、Ｍｏｔｔ絶縁体である。

【0359】

第３の金属酸化物と、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物は、異なる金属酸化物である。

【0360】

中間領域４３の第１の方向の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

【0361】

図２４は、第６実施形態のスイッチング素子のバンド構造を示す図である。

【0362】

中間領域４３に含まれる第３の金属酸化物の電子親和力（図２４中のＥａ３）は、下部領域４１に含まれる第１の金属酸化物の電子親和力（図２４中のＥａ１）より小さい。また、中間領域４３に含まれる第３の金属酸化物の電子親和力（図２４中のＥａ３）は、上部領域４２に含まれる第２の金属酸化物の電子親和力（図２４中のＥａ２）より小さい。

【0363】

例えば、第３の金属酸化物が酸化ニッケル（ＮｉＯ）であり、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物が酸化ニオブ（ＮｂＯ_２）である場合、第３の金属酸化物の電子親和力Ｅａは、第１の金属酸化物の電子親和力Ｅａ１及び第２の金属酸化物の電子親和力Ｅａ２よりも小さい。

【0364】

【0365】

【0366】

次に、第６の実施形態の記憶装置の作用及び効果について説明する。

【0367】

図２５は、第６の実施形態の記憶装置の作用及び効果の説明図である。図２５は、第６の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図２５は、第６の実施形態のスイッチング素子がオン状態の場合を示す。

【0368】

図２５に示すように、スイッチング素子に電圧が印加され、所定の電圧に達すると、Ｍｏｔｔ絶縁体の下部領域４１、Ｍｏｔｔ絶縁体の上部領域４２、及び、Ｍｏｔｔ絶縁体の中間領域４３が絶縁相９１ｘから金属相９１ｙに相転移する。スイッチング素子がオン状態では、Ｍｏｔｔ絶縁体の下部領域４１、Ｍｏｔｔ絶縁体の上部領域４２、及び、Ｍｏｔｔ絶縁体の中間領域４３に、金属相９１ｙが形成される。例えば、下部電極１０と中間電極３０との間で、金属相９１ｙがつながり、スイッチング素子に高いオン電流が流れる。スイッチング素子は閾値電圧Ｖｔｈで電流が急峻に立ち上がる非線形な電流電圧特性を有する。

【0369】

第６の実施形態の記憶装置のスイッチング素子は、電子親和力の小さい第３の金属酸化物を含む中間領域４３を備える。このため、中間領域４３が、下部領域４１で形成される第１の障壁高さ（図２４中のφｂ１）、及び、上部領域４２で形成される第２の障壁高さ（図２４中のφｂ２）よりも高い第３の障壁高さ（図２４中のφｂ３）を備える。

【0370】

仮に、高い障壁を形成する中間領域４３が設けられない場合、障壁が低いためスイッチング素子の半選択リーク電流が増加するおそれがある。第６の実施形態の記憶装置のスイッチング素子は、電子親和力の小さい第３の金属酸化物を含む中間領域４３を備えることで、半選択リーク電流を低くすることができる。

【0371】

第１の障壁高さ（図２４中のφｂ１）、第２の障壁高さ（図２４中のφｂ２）、及び、第３の障壁高さ（図２４中のφｂ３）を高くする観点から、下部電極１０の第１の仕事関数（図２４中のφｍ１）、中間電極３０の第２の仕事関数（図２４中のφｍ２）は大きいことが好ましい。

【0372】

【0373】

【0374】

以上、第６の実施形態によれば、低い半選択リーク電流、及び、高いオン電流、という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。さらに、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置が実現できる。

【0375】

（第７の実施形態）
第７の実施形態の記憶装置は、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）である点で、第１の実施形態の記憶装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については記述を一部省略する。

【0376】

図２６は、第７の実施形態の記憶装置のメモリセルの模式断面図である。図２６は、図１のメモリセルアレイ１００中の、例えば点線の円で示される一個のメモリセルＭＣの断面を示す。

【0377】

メモリセルＭＣは、図２６に示すように、下部電極１０、上部電極２０、中間電極３０、スイッチング層４０、及び、抵抗変化層５０を備える。抵抗変化層５０は、高抵抗層５０ｘ及び低抵抗層５０ｙを含む。

【0378】

下部電極１０は、第１の導電層の一例である。上部電極２０は、第２の導電層の一例である。中間電極３０は、第３の導電層の一例である。

【0379】

【0380】

スイッチング素子の構成は、第１の実施形態の記憶装置と同様である。

【0381】

抵抗変化層５０は、高抵抗層５０ｘと低抵抗層５０ｙを含む。

【0382】

高抵抗層５０ｘは、例えば、金属酸化物である。高抵抗層５０ｘは、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、又は、酸化ニオブである。

【0383】

低抵抗層５０ｙは、例えば、金属酸化物である。低抵抗層５０ｙに含まれる金属酸化物は、高抵抗層５０ｘに含まれる金属酸化物と異なる。低抵抗層５０ｙは、例えば、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、又は、酸化タングステンである。

【0384】

【0385】

抵抗変化層５０に電圧を印加することで、抵抗変化層５０が高抵抗状態から低抵抗状態へ、或いは、低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。抵抗変化層５０への電圧の印加により、高抵抗層５０ｘと低抵抗層５０ｙとの間で、酸素イオンが移動し、低抵抗層５０ｙの中の酸素欠損量（酸素空孔量）が変化する。低抵抗層５０ｙの中の酸素欠損量に伴い抵抗変化層５０の導電性が変化する。低抵抗層５０ｙは、いわゆる、空孔変調伝導性酸化物（ＶａｃａｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＯｘｉｄｅ）である。

【0386】

例えば、高抵抗状態をデータ“１”、低抵抗状態をデータ“０”と定義する。メモリセルＭＣは“０”と“１”の１ビットデータを記憶することが可能となる。

【0387】

以上、第７の実施形態の記憶装置によれば、第１の実施形態と同様、低い半選択リーク電流、及び、高い信頼性という優れた特性を備えたスイッチング素子が実現できる。よって、第７の実施形態によれば、特性の優れたスイッチング素子を有する記憶装置を実現できる。

【0388】

第１ないし第６の実施形態では２端子の記憶装置として磁気抵抗メモリ、第７の実施形態では２端子の記憶装置として抵抗変化型メモリを例に説明したが、その他の２端子の記憶装置に本発明を適用することが可能である。例えば、相変化メモリ（ＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＭｅｍｏｒｙ：ＰＣＭ）、又は、強誘電体メモリ（ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ：ＦｅＲＡＭ）に本発明を適用することが可能である。

【0389】

また、第７の実施形態では記憶装置として第１の実施形態のスイッチング素子を有する抵抗変化型メモリを例に説明したが、第２ないし第６の実施形態のスイッチング素子を有する抵抗変化型メモリとすることも可能である。

【0390】

第１ないし第７の実施形態では、スイッチング素子が抵抗変化素子の下に設けられる場合を例に説明したが、スイッチング素子を抵抗変化素子の上に設ける構成とすることも可能である。

【0391】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0392】

１０下部電極（第１の導電層）
２０上部電極（第２の導電層）
３０中間電極（第３の導電層）
４０スイッチング層
４１下部領域（第１の領域）
４２上部領域（第２の領域）
４３中間領域（第３の領域）
４４第１の導電領域（第４の領域）
４５第２の導電領域（第４の領域）
５０抵抗変化層
６１第１の側壁
６２第２の側壁
６３第３の側壁
６４第４の側壁
８１第１の金属酸化物層（第１の層）
８２第２の金属酸化物層（第２の層）
１０２ワード線（第１の配線）
１０３ビット線（第２の配線）
ＭＣメモリセル

【図1】