存儲元件和存儲裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開設(shè)及一種通過包含離子源層的存儲層的電氣特性的變化來儲存信息的存 儲元件和存儲裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] NOR或NAND閃存通常用作數(shù)據(jù)存儲用的半導體非易失性存儲器。該些半導體非易 失性存儲器通過使存儲元件和驅(qū)動晶體管微型化實現(xiàn)了容量的增大；然而，由于寫入和擦 除必需使用高電壓，并且注入浮動柵中的電子的數(shù)量受限，所W已指出了微型化的限制。
[0003] 目前，作為能夠超越微型化的限制的下一代非易失性存儲器，已提出了諸如 ReRAM(電阻隨機存取存儲器）和PRAM(相變化隨機存取存儲器）等電阻變化存儲器（例 如，參照PTL1和NP化1)。該些存儲器具有其中在兩個電極之間設(shè)置有電阻變化層的簡單 構(gòu)造，并且認為原子或離子是通過熱或電場移動W形成傳導路徑，因而改變電阻變化層的 電阻值，從而進行寫入和擦除的。更具體地，已提出了一種利用過渡金屬元素、硫族元素和 往往會引起離子傳導的銅（化）的存儲元件（例如，參照PTL2)。
[0004] 除了上述的存儲器的微型化之外，存儲器的多值化是實現(xiàn)通過電阻變化進行寫入 和擦除的存儲器的容量增大的另一種方法。當能夠?qū)崿F(xiàn)存儲器的多值化（即，能夠?qū)崿F(xiàn)每 個元件2位（4值）和3位巧值）等的多值記錄）時，容量增大到兩倍或=倍。
[000引 引用文獻列表
[0006] 專利文獻
[0007] ?化1 ;日本未審查專利申請公開No.2006-196537 [000引？化2 ;日本未審查專利申請公開No.2005-322942
[0009] 非專利文獻
[0010]NPH1 ;Waser等，AdvancedMaterial，21，p2932 (2009)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為了實現(xiàn)多值化，必需在當電阻變化層的電阻值處在低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)之 間的水平（中間電阻值）時進行寫入，并且必需保持中間電阻值。然而，由于上述存儲元件 不具有足夠的熱和化學穩(wěn)定性，所W很難長時間保持中間電阻值。另外，寫入時形成的氧缺 陷往往會重復產(chǎn)生和消失，因此，存在在每次讀出時都很可能發(fā)生電阻變動（隨機電報噪 聲）的問題。該是因為氧缺陷周圍的電荷偏差很難穩(wěn)定存在。
[0012] 因此，期望提供一種能夠提高在低電流下進行寫入時的中間電阻值的保持性能的 存儲元件和存儲裝置。另外，期望提供一種能夠降低隨機電報噪聲的存儲元件和存儲裝置。
[0013] 本技術(shù)一個實施方案的存儲元件按順序設(shè)置有第一電極、存儲層和第二電極，所 述存儲層包括：離子源層，所述離子源層含有選自蹄（Te)、硫（巧和砸（Se)中的一種或多 種硫族元素W及選自元素周期表的第4族元素、第5族元素和第6族元素中的一種或多種 過渡金屬元素；和電阻變化層，所述電阻變化層含有棚炬）和氧（0)。
[0014] 本技術(shù)另一個實施方案的存儲元件按順序設(shè)置有第一電極、存儲層和第二電極， 所述存儲層包括：離子源層，所述離子源層含有選自蹄（Te)、硫（巧和砸（Se)中的一種或 多種硫族元素W及選自元素周期表的第4族元素、第5族元素和第6族元素中的一種或多 種過渡金屬元素；和電阻變化層，所述電阻變化層含有選自元素周期表的第4族元素、第5 族元素和第6族元素中的一種或多種過渡金屬元素和氧（0)。
[0015] 在本技術(shù)實施方案的存儲元件中，當向初始狀態(tài)（高電阻狀態(tài)）下的元件施加" 正向"（例如，在第一電極側(cè)為負電位和在第二電極側(cè)為正電位）電壓脈沖或電流脈沖時， 包含在離子源層中的金屬元素（例如，過渡金屬元素）被電離而擴散到存儲層中（例如，電 阻變化層中），或者氧離子移動，從而在電阻變化層中產(chǎn)生氧缺陷。因此，在存儲層中形成低 氧化狀態(tài)的低電阻部（傳導路徑），從而減小電阻變化層的電阻（記錄狀態(tài)）。當向低電阻 狀態(tài)下的元件施加"負向"（例如，在第一電極側(cè)為正電位和在第二電極側(cè)為負電位）電壓 脈沖時，電阻變化層中的金屬離子移動到離子源層中，或者氧離子從離子源層移動，從而減 少傳導路徑部分的氧缺陷。因此，含有金屬元素的傳導路徑消失，并且電阻變化層的電阻變 成高電阻狀態(tài)（初始狀態(tài)或擦除狀態(tài)）。
[0016] 本技術(shù)一個實施方案的存儲裝置設(shè)置有多個存儲元件和脈沖施加裝置，所述各存 儲元件按順序包括第一電極、存儲層和第二電極，所述脈沖施加裝置構(gòu)造成選擇性地向所 述多個存儲元件施加電壓或電流的脈沖，并且本技術(shù)實施方案的存儲元件用作所述各存儲 元件。
[0017] 本技術(shù)另一個實施方案的存儲裝置設(shè)置有多個存儲元件和脈沖施加裝置，所述各 存儲元件按順序包括第一電極、存儲層和第二電極，所述脈沖施加裝置構(gòu)造成選擇性地向 所述多個存儲元件施加電壓或電流的脈沖，并且本技術(shù)其他實施方案的存儲元件用作所述 各存儲元件。
[001引在本技術(shù)一個實施方案的存儲元件或本技術(shù)一個實施方案的存儲裝置中，作為電 阻變化層的構(gòu)成材料，使用棚炬）和氧（0)來形成0和B之間的結(jié)合，從而提高傳導路徑的 熱和化學穩(wěn)定性。
[0019] 在本技術(shù)其他實施方案的存儲元件或本技術(shù)其他實施方案的存儲裝置中，硫族元 素和元素周期表中的第4、5和6族過渡金屬元素用于離子源層，并且與離子源層一樣，元素 周期表中的第4、5和6族過渡金屬元素用于電阻變化層。因此，使在寫入時形成的氧缺陷 周圍的電荷偏差穩(wěn)定化。
[0020] 根據(jù)本技術(shù)一個實施方案的存儲元件或本技術(shù)一個實施方案的存儲裝置，棚炬） 和氧（0)用作電阻變化層的構(gòu)成材料。因此，形成具有大的結(jié)合能的B和0之間的結(jié)合，并 且提高了傳導路徑的熱和化學穩(wěn)定性。因此，可W提高在電阻變化層的低電流下寫入時的 中間電阻值的保持性能。
[0021] 根據(jù)本技術(shù)其他實施方案的存儲元件或本技術(shù)其他實施方案的存儲裝置，具有大 的相對介電常數(shù)的硫族元素用于離子源層，并且離子源層和電阻變化層包含同種金屬元素 (元素周期表中的第4、5和6族過渡金屬元素）。因此，可W使在寫入時形成的氧缺陷周圍 的電荷偏差穩(wěn)定化，并且可W降低隨機電報噪聲。
【附圖說明】
[0022] 圖1是示出根據(jù)本公開一個實施方案的存儲元件的構(gòu)成的斷面圖。
[0023] 圖2是示出使用圖1的存儲元件的存儲單元陣列的構(gòu)成的斷面圖。
[0024] 圖3是同一個存儲單元陣列的平面圖。
[0025] 圖4是示出根據(jù)本公開變形例1的存儲元件的斷面圖。
[0026] 圖5是示出根據(jù)本公開另一個實施方案的存儲元件的構(gòu)成的斷面圖。
[0027] 圖6是示出根據(jù)本公開變形例2的存儲元件的斷面圖。
[002引圖7是示出在本公開的實驗例1中溫度加速保持試驗前后的電阻值變化的特性 圖。
[0029] 圖8是作為用于判斷本公開實驗結(jié)果的標準的寫入電流和保持成功率的特性圖。
[0030] 圖9是示出在本公開的實驗例2中進行讀出時電阻值的變動的特性圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面參照附圖按W下順序詳細說明本公開的一些實施方案。
[003引1.第一實施方案（其中電阻變化層含有棚做和氧做的例子）
[0033] 1-1.存儲元件
[0034] 1-2.存儲裝置
[0035] 2.變形例1 (其中電阻變化層具有層疊構(gòu)造的例子）
[0036] 3.第二實施方案（其中離子源層和電阻變化層都含有過渡金屬元素的例子）
[0037] 4.變形例2 (其中電阻變化層具有層疊構(gòu)造的例子）
[00測 5.實施例
[0039] (1.第一實施方案）
[0040] (1-1.存儲元件）
[0041] 圖1示出了根據(jù)本公開第一實施方案的存儲元件1的斷面構(gòu)成。該種存儲元件1 按順序包括下部電極10 (第一電極）、含有離子源層21的存儲層20和上部電極30 (第二電 極）。
[0042] 例如，如后所述的（圖2)，下部電極10設(shè)置在可W由娃制成并且可W在其中形成 CMOS(互補金屬氧化物半導體）電路的基板41上，并且可W充當與CMOS電路的連接部。該 種下部電極10可W由半導體工藝中使用的配線材料（例如，鶴（W)、氮化鶴（WN)、銅（化)、 侶（A1)、鋼（Mo)、粗（Ta)和娃化物