[发明专利]存储元件和存储装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请包含与2011年3月18日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2011-61628中公开的相关主题并要求其优先权，将其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明涉及一种基于在包括离子源层和电阻变化层的存储层中观察到的电特性的任何变化而存储信息的存储元件和存储装置。

背景技术

常用于数据存储的半导体非易失性存储器为NOR型或NAND型闪存。关于这种半导体非易失性存储器，通过对其中的存储元件及驱动晶体管进行微细加工，已作出很多努力以增大其容量。然而已指出的是，考虑到需要高的写入和擦除电压以及注入浮动栅中的电子的数量限制，半导体非易失性存储器存在微细加工方面的限制。

为了克服这种对微细加工的限制，目前提出的下一代非易失性存储器为电阻变化型存储器，例如ReRAM(电阻式随机存取存储器)或PRAM(相变随机存取存储器)(例如，参照日本未审查专利申请2006-196537号公报以及Waser et.al.，Advanced Material，21，p2932(2009))。这些存储器各自为在两个电极间包括电阻变化层的简单构造。在日本未审查专利申请2006-196537号公报的存储器中，在第一电极和第二电极之间设有离子源层和氧化物膜(存储用薄膜)以替代电阻变化层。在每个所述电阻变化型存储器中都具有在热或电场作用下通过原子或离子的迁移而形成的导电路径，从而认为电阻值会发生变化。

然而，如果对非易失性存储器进行这种微细加工，则用于驱动存储元件的晶体管呈现出驱动电流下降的趋势。然而，由于占用面积减小，故存储元件呈现出电阻上升的趋势。这样，对非易失性存储器的微细加工使晶体管的驱动电流下降，而更小型的存储元件使写入电流和电压上升。这导致无法充分写入和擦除，从而出现元件特性下降的缺点。

发明内容

因此，期望提供一种在低电压和低电流下工作时可提高写入和擦除特性的存储元件和存储装置。

本发明的一个实施方式的存储元件依次包括第一电极、存储层和第二电极。存储层包括：电阻变化层，其设置于第一电极侧；离子源层，其设置于第二电极侧；中间层，其设置于电阻变化层和离子源层之间；以及阻挡层，其设置于离子源层和中间层之间以及/或者中间层和电阻变化层之间，并且阻挡层包含过渡金属或其氮化物。

本发明的另一实施方式的存储装置包括多个存储元件和脉冲施加部。所述存储元件每个都依次包括第一电极、存储层和第二电极，并且脉冲施加部选择性地对所述存储元件施加电压或电流脉冲。在存储装置中，所述存储元件每个都是根据本发明的实施方式的存储元件。

通过本发明的实施方式的存储元件(存储装置)，在形成存储层后，离子源层中的可移动离子(金属离子)扩散至中间层中，然后移动至第一电极上以进行氧化。经氧化的金属离子形成氧化物膜、即电阻变化层，从而将所生成的存储元件设为电阻高的初始状态、即高阻态。当对处于初始状态(高阻态)的元件施加“正方向”的电压或电流脉冲时(例如，第一电极侧处于负电位，而第二电极侧处于正电位)，第一电极用作阴极，并且离子源层或中间层中包含的金属离子移动至电阻变化层。然后，由于第一电极上的还原反应，金属离子与第一电极上的电阻变化层中的电子键合，从而变为接近金属态。或者，用于形成电阻变化层的氧化物膜本身被还原并导致缺陷，从而形成杂质能级。因此，在存储层中形成包含金属元素的低电阻部(导电路径)，从而降低了电阻变化层的电阻(记录状态)。当对处于低阻态的元件施加“负方向”的电流脉冲时(例如，第一电极侧处于正电位，而第二电极侧处于负电位)，第一电极用作阳极。于是，发生氧化反应，且由金属态下的金属元素形成的导电路径被电离，随后溶解于离子源层中。或者，在中间层和第一电极之间通过使活性金属元素与其附近的氧结合而形成氧化物膜，从而电阻变化层的电阻增大(初始状态或擦除状态)。

这里，通过将包含过渡金属或其氮化物的阻挡层设置于离子源层和中间层之间以及/或者中间层和电阻变化层之间，可抑制金属离子的任意过度移动。

根据本发明的实施方式的存储元件和存储装置，包含过渡金属或其氮化物的阻挡层设置于离子源层和中间层之间以及/或者中间层和电阻变化层之间。因此在形成存储层后或施加电压时，可抑制可移动离子过度移动，从而抑制电阻值的任意过度上升。换言之，有效提高了写入和擦除特性。

应当理解，前面的总体描述和下面的详细说明都是示例性的，且旨在对权利要求的技术作进一步阐述。

附图说明