[发明专利]非易失性存储元件和非易失性存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及非易失性存储元件，尤其涉及电阻值根据所施加的电信号可逆地变化的电阻变化型的非易失性存储元件和具有非易失性存储元件的非易失性存储装置。

背景技术

近年来，随着电子设备中数字技术的发展，为了保存音乐、图像、信息等数据，对大容量且非易失性的存储器设备的要求提高了。作为应对这种要求的一种方法，电阻值根据所提供的电信号变化，并将持续保持其状态的非易失性存储元件用于存储器单元的非易失性存储器设备（下面，称作ReRAM）受到关注。这是因为非易失性存储元件的结构较为简单，且高密度化容易，并容易取得与现有技术的半导体工艺的匹配性等特征。

根据用于电阻变化层的材料（电阻变化材料），这种非易失性存储元件大致可分为两类。其中一类是专利文献1等中公开的将钙钛矿材料（Pr_1-xCa_xMnO₃（PCMO）、La_1-xSr_xMnO₃（LSMO）、GdBaCo_xO_y（GBCO）等）用于电阻变化材料的电阻变化型的非易失性存储元件。

另一类是将二元金属氧化物用于电阻变化材料的电阻变化型的非易失性存储元件。由于二元金属氧化物即使与上述钙钛矿材料相比，成分和结构也非常单纯，所以容易进行制造时的成分控制和成膜。除此之外，还有与半导体制造工艺的匹配性也较好的优点，近年来进行了很多研究。

对电阻变化的物理机制不清楚的地方还有很多，但是在近年来的研究中，将在二元金属氧化物中形成导电性的细丝（filament），由氧化还原引起的该细丝中的缺陷密度变化看作电阻变化的重要原因（例如，参考专利文献2和非专利文献1）。

图19是表示专利文献2中公开的现有技术的非易失性存储元件1800的结构的截面图。

对于由金属氧化物构成的电阻变化层1805被第1电极1803和第2电极1806夹持的原形结构（图19的（a）），通过向第1电极1803和第2电极1806之间施加电压（初始断开(break)电压），从而形成作为第1电极1803和第2电极1806间的电流路径（在第1电极1803和第2电极1806间流过的电流的电流密度局部变高的部分）的细丝1805c（图19的（b））。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6473332号说明书

专利文献2：日本特开2008-306157号公报

非专利文献

非专利文献1：R.Waser et al.,Advanced Materials,NO21,2009,pp.2632-2663

发明概要

发明要解决的技术问题

在如上述这种将金属氧化物用于电阻变化材料的现有技术的非易失性存储元件中，希望降低电阻变化特性的偏差。因此，本发明者们进行了刻苦研究后，结果发现了在现有技术的电阻变化元件中有如下这种问题。

使用了金属氧化物的现有技术的非易失性存储元件通过施加初始断开电压，在电阻变化层形成了细丝，从而变为电阻可变的状态。此时，在电阻变化层形成的细丝贯通电阻变化层以连接第1电极和第2电极。具有这种细丝的电阻变化元件存在电阻变化中电阻变化层的电阻值的偏差增大，电阻变化特性的偏差增大的问题。

发明内容

本发明为解决上述问题而作出，其所要解决的技术问题是提供一种电阻变化特性的偏差小的非易失性存储元件和非易失性存储装置。

用于解决技术问题的手段