[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9月10日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-203475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测到的电特性的任何变化来存储信息，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，考虑到在写入和擦除时需要高的电压并且能够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化加工方面存在局限性。

为了克服在微细化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2005-197634号和第2009-164467号)。这些存储器(存储元件)分别被配置成包括位于上部电极与下部电极之间的存储层。所述存储层包括电阻变化层和离子源层。通过向上部电极和下部电极施加电压来向存储层施加电场，使得可移动原子在与该电场的方向对应的方向上移动。可移动原子的这种迁移导致了电极之间的电阻变化，从而进行数据的写入和擦除。具体来说，在数据写入期间，大量的可移动原子从离子源层被引入到电阻变化层中，从而减小了电阻变化层的电阻。在数据擦除期间，通过施加与在数据写入期间所施加的电压相反的电压，已被引入到电阻变化层中的可移动原子移动至离子源层侧。在此时的电阻变化层中，电传导路径被完全擦除，从而使得电阻变化层恢复到数据写入前的状态。

目前存在的问题是：实际上，施加擦除电压几乎不能解决将电阻变化层的电阻恢复到施加前述电压之前的值(初始状态)。这是因为，尽管通过施加擦除电压使得电阻变化层中大多数可移动原子移动至离子源层侧，但是仍有一部分可移动原子残留在电阻变化层内部，或者，可移动原子的移动导致了像原子空位一样的局部不均匀结构，即，导致了定域格点(localized sites)的形成(例如，参见非专利文献1(Momida，Ohno，Nigo，et al.，Proceedings of 56-th Conference on Applied Physical Chemistry，Spring 2009)。当在擦除状态下电阻值变得不稳定时，写入状态(低电阻状态)与擦除状态(高电阻状态)之间的电阻值差异有所减小，从而导致了所得到的存储装置的功能减弱的缺点。

发明内容

因此，本发明的目的是期望提供通过对形成在电阻变化层内部的定域格点进行去活化(deactivation)来使擦除状态保持稳定的存储元件和存储装置。

本发明实施例的存储元件包括依次设置的第一电极、存储层和第二电极。所述存储层包括电阻变化层和离子源层。所述电阻变化层设置在所述第一电极侧，并且所述电阻变化层包含n型掺杂剂或p型掺杂剂。所述离子源层设置在所述第二电极侧。

本发明另一实施例的存储装置包括脉冲施加部和多个存储元件，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，所述脉冲施加部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例的存储元件。

在本发明实施例的存储元件(存储装置)中，当在初始状态(高电阻状态)下向所述存储元件施加“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，所述离子源层中所包含的任何金属元素被离子化并且扩散于所述电阻变化层中，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所述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(写入状态)。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增大(初始状态或者擦除状态)。

这里，通过将n型掺杂剂或p型掺杂剂引入到所述电阻变化层中，使形成在所述电阻变化层内部的定域格点去活化，从而保持所述擦除状态(即，高电阻状态)。