存储元件和存储装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本公开设及一种通过包含离子源层的存储层的电气特性的变化来储存信息的存 储元件和存储装置。
【背景技术】
[0002] NOR或NAND闪存通常用作数据存储用的半导体非易失性存储器。该些半导体非易 失性存储器通过使存储元件和驱动晶体管微型化实现了容量的增大；然而，由于写入和擦 除必需使用高电压，并且注入浮动栅中的电子的数量受限，所W已指出了微型化的限制。
[0003] 目前，作为能够超越微型化的限制的下一代非易失性存储器，已提出了诸如 ReRAM(电阻随机存取存储器）和PRAM(相变化随机存取存储器）等电阻变化存储器（例 如，参照PTL1和NP化1)。该些存储器具有其中在两个电极之间设置有电阻变化层的简单 构造，并且认为原子或离子是通过热或电场移动W形成传导路径，因而改变电阻变化层的 电阻值，从而进行写入和擦除的。更具体地，已提出了一种利用过渡金属元素、硫族元素和 往往会引起离子传导的铜（化）的存储元件（例如，参照PTL2)。
[0004] 除了上述的存储器的微型化之外，存储器的多值化是实现通过电阻变化进行写入 和擦除的存储器的容量增大的另一种方法。当能够实现存储器的多值化（即，能够实现每 个元件2位（4值）和3位巧值）等的多值记录）时，容量增大到两倍或=倍。
[000引 引用文献列表
[0006] 专利文献
[0007] ?化1 ;日本未审查专利申请公开No.2006-196537 [000引？化2 ;日本未审查专利申请公开No.2005-322942
[0009] 非专利文献
[0010]NPH1 ;Waser等，AdvancedMaterial，21，p2932 (2009)
【发明内容】
[0011] 为了实现多值化，必需在当电阻变化层的电阻值处在低电阻状态和高电阻状态之 间的水平（中间电阻值）时进行写入，并且必需保持中间电阻值。然而，由于上述存储元件 不具有足够的热和化学稳定性，所W很难长时间保持中间电阻值。另外，写入时形成的氧缺 陷往往会重复产生和消失，因此，存在在每次读出时都很可能发生电阻变动（随机电报噪 声）的问题。该是因为氧缺陷周围的电荷偏差很难稳定存在。
[0012] 因此，期望提供一种能够提高在低电流下进行写入时的中间电阻值的保持性能的 存储元件和存储装置。另外，期望提供一种能够降低随机电报噪声的存储元件和存储装置。
[0013] 本技术一个实施方案的存储元件按顺序设置有第一电极、存储层和第二电极，所 述存储层包括：离子源层，所述离子源层含有选自蹄（Te)、硫（巧和砸（Se)中的一种或多 种硫族元素W及选自元素周期表的第4族元素、第5族元素和第6族元素中的一种或多种 过渡金属元素；和电阻变化层，所述电阻变化层含有棚炬）和氧（0)。
[0014] 本技术另一个实施方案的存储元件按顺序设置有第一电极、存储层和第二电极， 所述存储层包括：离子源层，所述离子源层含有选自蹄（Te)、硫（巧和砸（Se)中的一种或 多种硫族元素W及选自元素周期表的第4族元素、第5族元素和第6族元素中的一种或多 种过渡金属元素；和电阻变化层，所述电阻变化层含有选自元素周期表的第4族元素、第5 族元素和第6族元素中的一种或多种过渡金属元素和氧（0)。
[0015] 在本技术实施方案的存储元件中，当向初始状态（高电阻状态）下的元件施加" 正向"（例如，在第一电极侧为负电位和在第二电极侧为正电位）电压脉冲或电流脉冲时， 包含在离子源层中的金属元素（例如，过渡金属元素）被电离而扩散到存储层中（例如，电 阻变化层中），或者氧离子移动，从而在电阻变化层中产生氧缺陷。因此，在存储层中形成低 氧化状态的低电阻部（传导路径），从而减小电阻变化层的电阻（记录状态）。当向低电阻 状态下的元件施加"负向"（例如，在第一电极侧为正电位和在第二电极侧为负电位）电压 脉冲时，电阻变化层中的金属离子移动到离子源层中，或者氧离子从离子源层移动，从而减 少传导路径部分的氧缺陷。因此，含有金属元素的传导路径消失，并且电阻变化层的电阻变 成高电阻状态（初始状态或擦除状态）。
[0016] 本技术一个实施方案的存储装置设置有多个存储元件和脉冲施加装置，所述各存 储元件按顺序包括第一电极、存储层和第二电极，所述脉冲施加装置构造成选择性地向所 述多个存储元件施加电压或电流的脉冲，并且本技术实施方案的存储元件用作所述各存储 元件。
[0017] 本技术另一个实施方案的存储装置设置有多个存储元件和脉冲施加装置，所述各 存储元件按顺序包括第一电极、存储层和第二电极，所述脉冲施加装置构造成选择性地向 所述多个存储元件施加电压或电流的脉冲，并且本技术其他实施方案的存储元件用作所述 各存储元件。
[001引在本技术一个实施方案的存储元件或本技术一个实施方案的存储装置中，作为电 阻变化层的构成材料，使用棚炬）和氧（0)来形成0和B之间的结合，从而提高传导路径的 热和化学稳定性。
[0019] 在本技术其他实施方案的存储元件或本技术其他实施方案的存储装置中，硫族元 素和元素周期表中的第4、5和6族过渡金属元素用于离子源层，并且与离子源层一样，元素 周期表中的第4、5和6族过渡金属元素用于电阻变化层。因此，使在写入时形成的氧缺陷 周围的电荷偏差稳定化。
[0020] 根据本技术一个实施方案的存储元件或本技术一个实施方案的存储装置，棚炬） 和氧（0)用作电阻变化层的构成材料。因此，形成具有大的结合能的B和0之间的结合，并 且提高了传导路径的热和化学稳定性。因此，可W提高在电阻变化层的低电流下写入时的 中间电阻值的保持性能。
[0021] 根据本技术其他实施方案的存储元件或本技术其他实施方案的存储装置，具有大 的相对介电常数的硫族元素用于离子源层，并且离子源层和电阻变化层包含同种金属元素 (元素周期表中的第4、5和6族过渡金属元素）。因此，可W使在写入时形成的氧缺陷周围 的电荷偏差稳定化，并且可W降低随机电报噪声。
【附图说明】
[0022] 图1是示出根据本公开一个实施方案的存储元件的构成的断面图。
[0023] 图2是示出使用图1的存储元件的存储单元阵列的构成的断面图。
[0024] 图3是同一个存储单元阵列的平面图。
[0025] 图4是示出根据本公开变形例1的存储元件的断面图。
[0026] 图5是示出根据本公开另一个实施方案的存储元件的构成的断面图。
[0027] 图6是示出根据本公开变形例2的存储元件的断面图。
[002引图7是示出在本公开的实验例1中温度加速保持试验前后的电阻值变化的特性 图。
[0029] 图8是作为用于判断本公开实验结果的标准的写入电流和保持成功率的特性图。
[0030] 图9是示出在本公开的实验例2中进行读出时电阻值的变动的特性图。
【具体实施方式】
[0031] 下面参照附图按W下顺序详细说明本公开的一些实施方案。
[003引1.第一实施方案（其中电阻变化层含有棚做和氧做的例子）
[0033] 1-1.存储元件
[0034] 1-2.存储装置
[0035] 2.变形例1 (其中电阻变化层具有层叠构造的例子）
[0036] 3.第二实施方案（其中离子源层和电阻变化层都含有过渡金属元素的例子）
[0037] 4.变形例2 (其中电阻变化层具有层叠构造的例子）
[00測 5.实施例
[0039] (1.第一实施方案）
[0040] (1-1.存储元件）
[0041] 图1示出了根据本公开第一实施方案的存储元件1的断面构成。该种存储元件1 按顺序包括下部电极10 (第一电极）、含有离子源层21的存储层20和上部电极30 (第二电 极）。
[0042] 例如，如后所述的（图2)，下部电极10设置在可W由娃制成并且可W在其中形成 CMOS(互补金属氧化物半导体）电路的基板41上，并且可W充当与CMOS电路的连接部。该 种下部电极10可W由半导体工艺中使用的配线材料（例如，鹤（W)、氮化鹤（WN)、铜（化)、 侣（A1)、钢（Mo)、粗（Ta)和娃化物