[发明专利]存储元件和存储装置

说明书

相关申请的交叉参考

本申请包含与2010年7月7日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-155046所公开的内容相关的主题，因此将该日本优先权申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及存储元件，所述存储元件根据在存储层中观察到的电特性的变化来存储信息，所述存储层包括离子源层和电阻变化层。本发明还涉及存储装置。

背景技术

目前普遍采用NOR型或NAND型闪存作为用于数据存储的半导体非易失性存储器。然而，考虑到写入和擦除时需要高电平电压并且被注入至浮动栅极的电子的数量有限，这样的半导体非易失性存储器已经被指出在微细加工方面存在局限性。

为了克服在微细加工方面的这种局限性，目前提出的下一代非易失性存储器是诸如电阻式随机存取存储器(Resistance Random Access Memory，ReRAM)或相变式随机存取存储器(Phase-Change Random Access Memory，PRAM)等电阻变化型存储器(例如，见日本专利申请公开公报特开第2006-196537号以及Waser等人在2009年Advanced Materials，21，第2932页的报道)。这些存储器分别具有这样的简单结构：该结构包括设在两个电极之间的电阻变化层。在日本专利申请公开公报特开第2009-43757号的存储器中，替代上述电阻变化层的是，在第一电极与第二电极之间设置有离子源层和氧化物膜(存储用薄膜)。关于上述这些电阻变化型存储器，可以理解的是：原子或离子由于热量或电场而发生移动，由此形成了传导路径从而使电阻值发生变化。

这样的电阻变化型存储器包括两种类型，即：丝极型(filament type)和非丝极型(non-filament type)。对于丝极型存储器，阳离子根据热量或电场而发生移动，并且例如形成低电阻的传导路径(丝极)；对于非丝极型存储器，阴离子发生移动。在非丝极型存储器中，由电流或电压引起的电阻变化是缓和的，从而易于控制电阻值。然而，由于面积依赖性，即，低电阻区域的电阻根据单元尺寸而变化，因此在微细加工方面依然存在着局限性。另一方面，丝极型存储器由于形成了传导路径所以对单元尺寸没有依赖性。该传导路径是由通过阳离子的扩散和还原而在电极与电阻变化层之间的界面上析出的金属元素形成的。因此，期望将丝极型存储器用作在微细加工方面没有局限性的存储器。

本发明关注的是，这样的丝极型存储器在一定程度的电压下显示出急剧的电阻变化。因此，导致了如下的缺点：对由所施加的电压引起的电阻变化的可控性差，并且难以实现稳定操作。

发明内容

因此，本发明的目的是期望提供能够改善对由所施加的电压引起的电阻变化的可控性的存储元件和存储装置。

本发明实施方案的存储元件包括依次设置的第一电极、存储层和第二电极。所述存储层包括设置在所述第一电极侧的电阻变化层以及设置在所述第二电极侧的离子源层。所述离子源层的电阻值高于所述电阻变化层的电阻值。所述电阻变化层的电阻值响应于由施加到所述第一电极和所述第二电极上的电压引起的组分变化而变化。

本发明实施方案的存储装置包括脉冲施加单元和多个存储元件，各个所述存储元件均包括依次设置的第一电极、存储层和第二电极，所述脉冲施加单元选择性地向所述多个存储元件施加电压脉冲或电流脉冲。在所述存储装置中，各所述存储元件是本发明上述实施方案的存储元件。

对于本发明上述实施方案的存储元件(存储装置)而言，当向初始状态(高电阻状态)下的所述存储元件施加“正向”(例如，所述第一电极侧为负电位，而所述第二电极侧为正电位)电压脉冲或电流脉冲时，包含在所述离子源层中的金属元素被离子化并在所述电阻变化层中扩散，随后在所述第一电极处与电子结合而被析出，或者留在所述电阻变化层中并形成杂质能级。结果，在所述存储层内形成了含有金属元素的低电阻部(传导路径)，从而降低了所述电阻变化层的电阻(记录状态)。当在这种低电阻状态下向所述存储元件施加“负向”(例如，所述第一电极侧为正电位，而所述第二电极侧为负电位)电压脉冲时，已析出在所述第一电极上的所述金属元素被离子化，随后溶解到所述离子源层中。因此，由所述金属元素形成的所述传导路径消失，并且所述电阻变化层的电阻上升(初始状态或擦除状态)。

这里，通过增大所述离子源层的电阻值使得所述离子源层的电阻值高于所述电阻变化层的电阻值，当如上所述施加电压脉冲或电流脉冲时，可以对传导路径的形成速度进行控制。因此，这就使得所述电阻变化层的电阻值的变化是缓和的。