JP2005229015A - Storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2つの電極間における電極間物質層の電気的特性を変化させることによってデータ(情報)の書き込みを行う記憶装置に関する。 The present invention relates to a storage device that writes data (information) by changing the electrical characteristics of an interelectrode material layer between two electrodes.
従来、簡単な構造で、容易に形成することができる記憶素子として、図6A,図6Bに示したようなマイクロエレクトロニックプログラマブル素子)が知られている(特許文献1)。この素子は、所定の電圧を印加することにより、2つの電極101,102間の電極間物質層103に含まれる銀(Ag)をイオン化し、これを移動させることで伝導径路(パス)104を形成し、これによって上記電極101,102間の電気抵抗を変化させることでデータの書き込みを行うものである。
Conventionally, a microelectronic programmable element as shown in FIGS. 6A and 6B is known as a memory element that can be easily formed with a simple structure (Patent Document 1). This element ionizes silver (Ag) contained in the
この素子においては、便宜上、電圧を印加する前の2つの電極101,102間が高抵抗である状態をデータ「0」の記憶状態、電圧が印加されて金属イオンが対向する電極方向に拡散した結果2つの電極101,102間が低抵抗となった状態をデータ「1」の記憶状態とし、素子を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させる動作が書き込み動作、低抵抗状態から高抵抗状態へと戻す動作が消去動作と呼ばれている。
しかしながら、この構造の従来の記憶素子においては、時間の経過に伴って抵抗値が変化し、書き込まれたデータを安定に保持できないという、素子特性上の問題があった。すなわち、図7のAは、上述の従来の記憶素子において、低抵抗状態として1KΩの抵抗値になるように書き込みを行った場合の、書き込み後の時間経過に対する抵抗値の変動状況を示したものであるが、このように、従来の記憶素子においては、書き込んだデータ、すなわち高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させた記憶素子の抵抗値が、書き込み後の時間経過と共に、高抵抗側へ遷移してしまう、つまり書き込みを行う前の状態に近付いていくという問題があった。 However, the conventional memory element having this structure has a problem in element characteristics that the resistance value changes with time and the written data cannot be stably held. That is, A in FIG. 7 shows the fluctuation state of the resistance value over time after writing when writing is performed so that the resistance value is 1 KΩ in the low resistance state in the above-described conventional memory element. As described above, in the conventional memory element, the written data, that is, the resistance value of the memory element changed from the high resistance state to the low resistance state is changed to the high resistance side as time passes after writing. There was a problem of transition, that is, approaching the state before writing.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、書き込まれたデータを安定に保持することができると共に、少ない電流でデータの書き込みまたは消去を行うことができる記憶装置およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a storage device capable of stably holding written data and writing or erasing data with a small current, and its manufacture. It is to provide a method.
本発明による記憶装置は、第1電極と、第1電極に対向配置された第2電極と、第1電極と第2電極との間に設けられた、電子またはイオンの伝導可能な電極間物質層と、第1電極と第2電極との間に所定の電圧を印加する電圧印加手段とを備えると共に、前記第1電極または前記第2電極または前記電極間物質層の内部若しくはその表面に酸化還元反応活性物質を含み、第1の電極および第2の電極への電圧印加により第1の電極と第2の電極との間の電気的な特性が変化し情報の記録が行われるものであって、第2電極と電極間物質層との間の界面領域に、電子またはイオンの伝導度が電極間物質層よりも小さな第1の領域と、電子またはイオンの伝導度が前記第1の領域よりも大きく電子またはイオンの授受可能な第2の領域とを有する電子等授受バリア層を備えた構成を有するものである。 The memory device according to the present invention includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and an interelectrode substance capable of conducting electrons or ions provided between the first electrode and the second electrode. And a voltage applying means for applying a predetermined voltage between the first electrode and the second electrode, and oxidizing the inside of the first electrode, the second electrode, or the inter-electrode material layer or on the surface thereof. It includes a reduction reaction active substance, and electrical characteristics between the first electrode and the second electrode are changed by voltage application to the first electrode and the second electrode, and information is recorded. Then, in the interface region between the second electrode and the interelectrode material layer, a first region in which the conductivity of electrons or ions is smaller than that of the interelectrode material layer, and the conductivity of electrons or ions in the first region And a second region where electrons or ions can be exchanged And it has a structure having an electron or the like transfer barrier layer.
また、本発明による記憶装置の製造方法は、第1電極と第2電極との間に電圧を印加し、第2電極と電極間物質層との界面全体に、電子またはイオンの伝導度が電極間物質層よりも小さな材料を成長させて電子等授受バリア層を形成する工程と、電子等授受バリア層に、電子またはイオンの伝導度が電極間物質層よりも小さな第1の領域と、電子またはイオンの伝導度が前記第1の領域よりも大きく、電子またはイオンの授受可能な第2の領域とを形成する工程とを含むものである。 In the method for manufacturing a memory device according to the present invention, a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, and the conductivity of electrons or ions is applied to the entire interface between the second electrode and the interelectrode material layer. A step of growing a material smaller than the intermetallic layer to form an electron exchange barrier layer, an electron exchange barrier layer having an electron or ion conductivity smaller than that of the interelectrode material layer, an electron; Or a step of forming a second region in which the conductivity of ions is larger than that of the first region and electrons or ions can be exchanged.
本発明による記憶装置では、データの書き込みまたは消去時に、第1電極および第2電極に所定の電圧を印加すると、酸化還元反応活性物質を含む電極間物質層または第1電極(溶出電極)側から活性種がイオン化して溶出し、第2電極(対向電極)方向へ移動した後、第2電極側から電子を受け取って析出し、その結果、第1電極と第2電極との間の電極間物質層中に低抵抗の伝導径路が形成される。この伝導径路は、電子等授受バリア層に設けられた第2の領域(ピンホール)に対応した狭い領域に形成され、電子等授受バリア層が存在しない従来構造に比べて、伝導径路の内部における酸化還元活性物質の析出濃度が高くなり、書き込み後の時間経過によらずほぼ一定の抵抗値を保持する。 In the memory device according to the present invention, when a predetermined voltage is applied to the first electrode and the second electrode at the time of writing or erasing data, the interelectrode material layer containing the redox active substance or the first electrode (eluting electrode) side is used. The active species are ionized and eluted, move in the direction of the second electrode (counter electrode), and then receive and deposit electrons from the second electrode side. As a result, the gap between the first electrode and the second electrode A low resistance conduction path is formed in the material layer. This conduction path is formed in a narrow region corresponding to the second region (pinhole) provided in the electron transfer barrier layer, and in the inside of the conduction path compared to the conventional structure in which no electron transfer barrier layer exists. The deposition concentration of the redox active substance is increased, and a substantially constant resistance value is maintained regardless of the elapsed time after writing.
本発明による記憶装置の製造方法では、第1電極および第2電極への電圧の印加状態に応じて、第2電極と前記電極間物質層との界面に電子等授受バリア層が形成されると共に、この電子等授受バリア層に電子またはイオンの授受可能な領域(第2の領域)が形成される。 In the method for manufacturing a memory device according to the present invention, an electron transfer barrier layer is formed at the interface between the second electrode and the interelectrode material layer according to the voltage application state to the first electrode and the second electrode. A region (second region) where electrons or ions can be transferred is formed in the electron transfer barrier layer.
本発明の記憶装置によれば、第2電極と電極間物質層との間の界面領域に電子等授受バリア層を設け、この電子等授受バリア層に局所的に電子またはイオンの授受可能な領域(第2領域)を設けるようにしたので、データの書き込みまたは消去時に、第1電極および第2電極に所定の電圧を印加することにより、第1電極と第2電極との間の電極間物質層中の、電子等授受バリア層に設けられた第2の領域に対応した狭い領域に、析出金属の密度が濃く、かつ化学的に安定な低抵抗の伝導径路が形成される。よって、電圧印加後の時間経過によらずほぼ一定の抵抗値を保持することができ、データを長時間安定して保持することができる。また、伝導径路の面積を低減できることから消費電力も逓減される。 According to the memory device of the present invention, an electron transfer barrier layer is provided in the interface region between the second electrode and the interelectrode material layer, and a region where electrons or ions can be transferred locally to the electron transfer barrier layer. Since the (second region) is provided, an interelectrode substance between the first electrode and the second electrode is applied by applying a predetermined voltage to the first electrode and the second electrode when writing or erasing data. A low resistance conduction path in which the density of the deposited metal is high and which is chemically stable is formed in a narrow region corresponding to the second region provided in the electron transfer barrier layer. Therefore, a substantially constant resistance value can be held regardless of the passage of time after voltage application, and data can be stably held for a long time. Further, since the area of the conduction path can be reduced, the power consumption is also gradually reduced.
また、本発明の記憶装置の製造方法によれば、第1電極と第2電極との間に電圧を印加し、第2電極と前記電極間物質層との界面に、電子またはイオンの伝導度の小さな材料を成長させて電子等授受バリア層を形成すると共に、この電子等授受バリア層に、電子またはイオンの授受可能な第2の領域を形成するようにしたので、上記本発明の記憶装置を容易に作製することができる。 In addition, according to the method for manufacturing a memory device of the present invention, a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, and the conductivity of electrons or ions at the interface between the second electrode and the interelectrode material layer. In addition to forming an electron transfer barrier layer by forming a small material, a second region capable of transferring electrons or ions is formed in the electron transfer barrier layer. Can be easily manufactured.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る記憶装置の要部構成を表すものである。この記憶装置は図示しないが例えばマトリックス状に配置された複数の記憶素子により構成されている。1つの記憶素子は、基板10上に、対向配置した一対の電極11(第1電極)および電極12(第2電極)の間に電極間物質層13を挟持した構造を有しており、また、電極11および電極12に対して所定の電圧を印加するための電圧印加手段(図示せず)を備えている。電極11と電極12との間において電極間物質層13の周囲は層間絶縁膜(図示せず)により囲まれている。なお、複数の記憶素子それぞれには、各素子への電気的アクセスを制御するための能動素子(トランジスタ)(図示せず)が対応して配置されており、これにより1のメモリセルが構成されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a main configuration of a storage device according to the first embodiment of the present invention. Although not shown, this storage device is composed of a plurality of storage elements arranged in a matrix, for example. One memory element has a structure in which an
一方の電極、例えば電極12と電極間物質層13との界面には電子等授受バリア層14が形成されている。電子等授受バリア層14は、例えば、電極間物質層13の酸化物、または酸化ニッケル(NiOx),酸化チタン(TiOx)若しくは酸化シリコン(SiOx)などの電極反応阻害物質により形成されており、電極11および電極12への電圧の印加の有無にかかわらず、第1電極11と第2電極12との間での、電子または電圧の印加により第1電極11の内部または表面若しくは近傍において生じたイオン若しくは電子(以下,電子等という)の授受を制限しまたは遮断する機能を有するものである。すなわち、この電子等授受バリア層14は、電極間物質層13あるいは電極11に含まれる銀が陽イオン化して溶出する反応が発生するような電位(正の電位)を電極11に与えても、イオン化した銀が対向する電極12から電子を受け取って析出する反応(析出反応)が発生しないようにする層である。
At one interface, for example, an interface between the
但し、この電子等授受バリア層14には局所的にピンホール(開口)14aが設けられており、このピンホール14a内部には電極間物質層13を構成する物質が充填されている。すなわち、このピンホール14aにおいては、他の領域において電子等の授受が制限されるのに対して、第1電極11と第2電極12との間で電子等の授受が可能となっている。以下、電極12と電極間物質層13との界面に沿った面において、電子等授受バリア層14のうちピンホール14aの占める領域(電子等の授受が可能な領域)を第2の領域、第2の領域を除く部分が占める領域(電子等の授受が制限される領域)を第1の領域と称する。なお、第1の領域は、電子等の授受が完全に遮断される領域でなくてもよく、第1の領域に比べて相対的に電子等の授受が制限されるものであればよい。
However, a pinhole (opening) 14a is locally provided in the electron
この電子等授受バリア層14のうち、ピンホール14aの占める第2の領域の面積は、後述のデータ保持の観点から極力狭く、少なくとも第1の領域の面積よりも小さいことが好ましい。具体的には、ピンホール14aは、例えば、直径100nmの円形またはそれと同等の面積の形状を有するものとする。
In the electron
電極11および電極12は、例えば膜厚100nmのチタンタングステン(TiW)層により形成されている。なお、電極11,12は、その他、銀(Ag)や銅(Cu)により形成されていてもよく、あるいは、アルミニウム(Al)等の電極母材に酸化・還元種を含むものであってもよい。電極11および電極12の各膜厚は、一般的な半導体装置に用いられる程度の膜厚でよいが、ここでは、例えば電極11は膜厚100nm、電極12は膜厚100nmである。
The
電極間物質層13は、電極11および電極12間にあってイオン伝導性若しくは電子伝導性を有する層であり、例えば、酸素(O),硫黄(S),セレン(Se),テルル(Te)などのカルコゲナイド材料と、ゲルマニウム(Ge),シリコン(Si),アンチモン(Sb)およびインジウム(In)からなる群のうち少なくとも1種とを含むアモルファス薄膜を母材とする物質、例えばGeSbTeGdにより形成されている。その膜厚は例えば70nmである。この電極間物質層13は、例えば蒸着により形成したものである。
The
電極間物質層13には酸化還元反応活性物質(レドックス活性種)15が含まれており、この酸化還元反応活性物質15が、データの書き込み(または消去)時に電極11および電極12への電圧の印加状態に応じて酸化あるいは還元され、その結果、後述のように、電極11と電極12との間に電子またはイオンの伝導径路16が形成され、あるいは消滅するようになっている。そして、この伝導径路16は、本実施の形態においては、電子等授受バリア層14のうちピンホール14aに対応する狭い領域に形成されるようになっている。
The
酸化還元反応活性物質15は、例えば、銀(Ag),銅(Cu),ニッケル(Ni)、コバルト(Co),クロム(Cr),チタン(Ti),タンタル(Ta),鉄(Fe),アルミニウム(Al),バナジウム(V)など金属や、シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)などの半導体が挙げられる。更に、酸化タングステン(WO3 )の還元体(HxWO3 )や、バナジウム(V)の酸化物も同様の機能を有するものであり、これらを酸化還元反応活性物質15としてもよい。以下、この物質15が酸化されて陽イオンとなったものを溶出イオンと呼ぶものとする。銀の場合には、陽イオン(溶出イオン)は1価のAg+ である。
The redox reaction
上記記憶装置は以下のようにして製造することができる。 The storage device can be manufactured as follows.
すなわち、電極11上に例えばGeSbTeGdにより電極間物質層13を形成した後、窒素と酸素の混合雰囲気中で例えば400℃の温度で加熱処理を行い、前記電極間物質層に含まれる物質の酸化物からなる電子等授受バリア層14を形成する。また別の実施の形態としては、電極間物質層13を例えば蒸着により形成した後、電子授受バリア層14を形成するための被酸化物質、例えばニッケル(Ni)若しくはチタン(Ti)若しくはシリコン(Si)を、例えば蒸着により形成し、さらにこの後で、例えば窒素と酸素の混合雰囲気中で加熱処理を行い、電子等授受バリア層14を形成する。さらに別の実施の形態としては、電極間物質層13を例えば蒸着により形成した後、例えば酸化ニッケル(NiOx)や酸化チタン(TiOx),酸化シリコン(SiOx)などの電子授受バリア層14を、例えば蒸着により形成する。その後、この電子等授受バリア層14上に例えば蒸着法により電極12を形成し、続いて、電極11と電極12との間に所定の電圧を印加し、電子等授受バリア層14に例えば500μAの電流を流すことによって電子等授受バリア層14を局所的に破壊し、電極12の表面での電子等の授受を可能にするためのピンホール14aを形成する。
That is, after the
本実施の形態の記憶装置では、電極11および電極12に所定の電圧を印加することにより、図3に示したように、電極11と電極12との間の、電子等授受バリア層14のピンホール14Aの大きさに対応した狭い領域に伝導径路16を形成してデータの書き込み(あるいは消去)が行われる。なお、その詳細な作用効果の説明については,第2実施の形態のそれと併せて後述する。
In the memory device of this embodiment, by applying a predetermined voltage to the
〔第2の実施の形態〕
図2は本発明の第2の実施の形態の構成を表すものである。上記第1の実施の形態では、銀(Ag)などの酸化還元反応活性物質15を電極11,12間の電極間物質層13内に含有させたものとしたが、本実施の形態では、酸化還元反応活性物質15を電極11中に固溶または分散させたものである。その他の構成、および作用効果は第1の実施の形態と同様である。
[Second Embodiment]
FIG. 2 shows the configuration of the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the redox reaction
上記第1の実施の形態の記憶装置を用いて、図7での評価と同様に、約1.0KΩの抵抗を形成する書き込み処理を行い(すなわち、電極11と電極12との間に低抵抗の伝導径路16を形成し)、書き込み後の時間経過に対する抵抗値の変化率を測定した。図4のBは、その評価結果を、図6で示した従来構造の記憶装置の場合の評価結果(図7のA)と共に表したものである。前述のように、従来構造の記憶装置の場合には、低抵抗状態となるように形成した伝導径路104における抵抗値が、書き込み後の時間経過と共に高抵抗値方向に遷移してしまった。これに対して、第1の実施の形態の記憶装置の場合には、書き込み後の時間経過による伝導径路16の抵抗値の変化がほとんど発生しなかった。これは第2の実施の形態の記憶装置においても同様であった。この原因は以下のように推察することができる。
Using the memory device of the first embodiment, a writing process for forming a resistance of about 1.0 KΩ is performed as in the evaluation in FIG. 7 (that is, a low resistance is provided between the
すなわち、第1,第2の実施の形態の構造の記憶装置の場合、酸化還元反応活性物質15を含む電極間物質層13または溶出電極(電極11)側から活性種がイオン化して溶出し、対向電極(電極12)方向へ移動した後、電極12側から電子を受け取って、再び析出する、若しくは電極12側から、2つの電極11と電極12との間にあって高抵抗状態となっている電極間物質層13を通って流れてくる電子と再結合して析出する。その結果、電極12側から電極11側へと電子またはイオンが伝導する伝導経路16が形成される。これは従来の記憶装置においても同様である。
That is, in the case of the memory device having the structure of the first and second embodiments, active species are ionized and eluted from the
ここで、従来構造の記憶装置では、溶出電極(電極101)側から溶出して、対向電極(電極102)方向に移動してきたイオンは、電極102全面のいかなる場所においても、電極102から電子を受け取って析出される。また、従来構造の記憶装置では、電極101側から高抵抗状態の電極間物質層103を通って電極102側へと流れる電子の流れは、電極102のほぼ全面において発生している。従って、上記のイオンが電極102側から流れて来る電子と再結合する領域すなわち伝導径路104も、図6(B)では比較的狭く描いているものの、実際には素子の断面積全体に渡っている。このため、一定の時間内に一定の電流を流してイオンの溶出および析出を行わせた場合、例えば電極101と電極102との間に1Vの電圧を印加し、2つの電極間に1mAの電流を流すことにより、1KΩの抵抗値の伝導経路104を形成させた場合、析出した酸化還元反応活性物質は、素子内部の比較的広い部分に分布してしまい、結果として、単位体積あたりの活性種密度は低いものとなる。すなわち、伝導経路104の内部における析出した酸化還元活性種の濃度が低く、かつ断面積の大きな伝導経路104が形成される。
Here, in the memory device having the conventional structure, ions that have been eluted from the elution electrode (electrode 101) side and moved in the direction of the counter electrode (electrode 102) can cause electrons to be emitted from the
従来構造の記憶装置において、書き込み後の時間経過と共に抵抗値が上昇してしまう現象は、上に述べた伝導経路104の形成メカニズムに基づいて説明される。すなわち、伝導経路104の内部において、析出した酸化還元活性種の濃度が低いということは、伝導経路104の内部における活性種の各原子の間の距離が大きく、このために、活性種の各原子間の結び付きが弱いと考えられる。その結果、書き込み後の時間経過と共に伝導経路104中の活性種が経路外部へと拡散する現象が発生し、電気抵抗が上昇したと説明できる。 In the memory device having the conventional structure, the phenomenon that the resistance value increases with the lapse of time after writing is explained based on the formation mechanism of the conduction path 104 described above. That is, the low concentration of the redox active species deposited inside the conduction path 104 means that the distance between each atom of the active species inside the conduction path 104 is large. The connection between them is considered weak. As a result, the phenomenon that the active species in the conduction path 104 diffuses to the outside of the path occurs with the passage of time after writing, and it can be explained that the electrical resistance has increased.
従来構造の記憶装置において、書き込みを行うために印加する電圧の印加時間を変化させた場合の、抵抗値の変化状態を図8に示した。書き込み時間が短くなるに従って書き込み直後の抵抗値が上述の1.0KΩよりさらに高くなっていった。この現象は、上に述べた伝導経路104の形成メカニズムによって説明される。すなわち、書き込みを行うための電圧印加時間が短い場合、特に伝導経路104の内部における析出した酸化還元活性種の濃度が低いため、伝導経路104の抵抗は十分な低抵抗にはならない。書き込みを行うための電圧印加時間を長くするにつれて、電子伝導経路104の内部で電子を受け取って析出するイオンの量が多くなるため、伝導経路104の内部での析出した活性種の濃度が高くなり、その結果伝導経路104は低抵抗な状態になったと説明できる。 FIG. 8 shows a change state of the resistance value when the application time of the voltage applied for writing in the memory device having the conventional structure is changed. As the writing time became shorter, the resistance value immediately after writing became higher than the above-mentioned 1.0 KΩ. This phenomenon is explained by the formation mechanism of the conduction path 104 described above. That is, when the voltage application time for writing is short, the resistance of the conduction path 104 is not sufficiently low because the concentration of the redox active species deposited inside the conduction path 104 is particularly low. As the voltage application time for writing is increased, the amount of ions that are deposited by receiving electrons inside the electron conduction path 104 increases, so that the concentration of the active species deposited inside the conduction path 104 increases. As a result, it can be explained that the conduction path 104 is in a low resistance state.
さらに、従来構造の記憶装置では、書き込み時間が短く、書き込み直後の抵抗値が高い状態のものほど、書き込み後の時間変化による抵抗値の変化率が大きかった。この現象も、上に述べたメカニズムによる説明できる。すなわち、書き込み直後の抵抗値が高い状態のものほど、伝導経路104の内部における活性種の濃度が低く、すなわち活性種各原子の間の距離が大きい。このため、書き込み直後の抵抗値が高い状態のものほど、活性種各原子間の結び付きが弱く、書き込み後の時間経過と共に伝導経路104中の活性種が経路外部へと拡散する現象がより多く発生し、電気抵抗がより大きく変化したものである。 Further, in a memory device having a conventional structure, the rate of change in resistance value due to the change in time after writing is larger as the writing time is shorter and the resistance value immediately after writing is higher. This phenomenon can also be explained by the mechanism described above. That is, the higher the resistance value immediately after writing, the lower the concentration of active species in the conduction path 104, that is, the greater the distance between each atom of the active species. For this reason, the higher the resistance value immediately after writing, the weaker the bond between the active species atoms, and the more the active species in the conduction path 104 diffuse to the outside of the path over time after writing. However, the electrical resistance has changed more greatly.
これに対して、第1,第2の実施の形態における記憶装置の場合、対向電極(電極12)と電極間物質層13との界面には、殆どの領域で電子等の授受が行われないように電子等授受バリア層14が形成されている。そして、おそらくは100nm未満と考えられるピンホール14Aの領域でのみ、電極間物質層13あるいは溶出電極(電極11)から移動してきたイオンが電子を受け取って析出することができる。また、電極12側から電極間物質層13を通って電極11側へ向かう電子の流れも、このピンホール14Aの領域からのみ発生する。従って、電極12側から電子を受け取ってのイオンの析出、および、電極12側からの電子電流との再結合によるイオンの析出とも、電極12上のピンホール14Aの領域から電極11へと向かう狭い領域で発生すると考えられる。このため、一定の時間内に一定の電流を流してイオンの溶出および析出を行わせた場合、例えば従来の記憶素子と同様に、電極11と電極12との間に1Vの電圧を印加し、2つの電極間に1mAの電流を流すことにより、1KΩの抵抗値の電子伝導経路16を形成させた場合、析出した酸化還元活性種は、ピンホール14Aから電極11へと向かう狭い経路の内部に集中して析出し、結果として、伝導径路16における単位体積あたりの活性種密度は高いものとなる。すなわち、内部における析出した酸化還元活性種の濃度が高くかつ断面積の小さな伝導経路16が形成されたと考えられる。
On the other hand, in the memory device in the first and second embodiments, electrons and the like are not exchanged in most areas at the interface between the counter electrode (electrode 12) and the
本実施の形態の記憶装置においても、書き込み後の時間経過によらずほぼ一定の抵抗値を保つ現象は、上述した伝導経路16の形成メカニズムに基づいて説明することができる。すなわち、伝導経路16の内部において、析出した酸化還元活性種の濃度が高いということは、伝導経路16の内部における活性種の各原子の間の距離が小さく、このために、活性種の各原子間の結び付きが強いと考えられる。その結果、書き込み後の時間経過と共に伝導経路16中の活性種が経路外部へと拡散する現象は発生し難く、ほぼ一定の抵抗値を保ったと考えられる。 Also in the memory device of this embodiment, the phenomenon of maintaining a substantially constant resistance value regardless of the passage of time after writing can be explained based on the formation mechanism of the conduction path 16 described above. That is, the high concentration of the redox active species deposited inside the conduction path 16 means that the distance between each atom of the active species in the conduction path 16 is small. There seems to be a strong connection between them. As a result, the phenomenon that the active species in the conduction path 16 diffuses to the outside of the path hardly occurs with the lapse of time after writing, and it is considered that a substantially constant resistance value was maintained.
図5のBは、本実施の形態において書き込み電圧の印加時間を変化させた場合の抵抗値の変化を、図6に示した従来構造の記憶装置のデータ(図7のA)と共に示したものであるが、本実施の形態では、書き込み電圧の印加時間を変化させても、伝導径路16における抵抗値はほぼ一定であった。この現象も上述した伝導経路16の形成メカニズムによって説明される。すなわち、電極11側から溶出した酸化還元活性種の析出する場所が、ピンホール14Aから電極11へと向かう狭い経路内部に限定されているため、電子伝導に寄与しない領域、つまり伝導経路16の外部に析出する活性種の量が少ない。このため、書き込み電圧の印加時間が短くても、少量の活性種で、上に述べた高濃度の伝導経路16が形成されたものである。このようにして、本実施の形態では、書き込みデータを長期間にわたり安定に保持できる記憶装置を実現することが可能になる。
FIG. 5B shows the change in resistance value when the write voltage application time is changed in this embodiment, together with the data (A in FIG. 7) of the memory device having the conventional structure shown in FIG. However, in this embodiment, even when the application time of the write voltage is changed, the resistance value in the conduction path 16 is almost constant. This phenomenon is also explained by the formation mechanism of the conduction path 16 described above. That is, the place where the redox active species eluted from the
なお、上記実施の形態においては、伝導径路16の形成をデータの書き込み動作として説明したが、伝導径路16の形成をデータの消去動作としてもよいことはいうまでもない。 In the above embodiment, the formation of the conduction path 16 has been described as a data writing operation. However, it goes without saying that the formation of the conduction path 16 may be a data erasing operation.
本発明の記憶装置は、例えばバッテリにより駆動され、消費電力が少ないことが要求される携帯コンピュータ等のデバイスに有効であり、特に不揮発性のプログラマブルデバイスに利用することができる。 The storage device of the present invention is effective for a device such as a portable computer that is driven by a battery and requires low power consumption, and can be used particularly for a nonvolatile programmable device.
11…電極(第1電極)、12…電極(第2電極)、13…電極間物質層、14…電子等授受バリア層、14A…ピンホール、15…酸化還元反応活性物質、16…伝導径路
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記第2電極と前記電極間物質層との間の界面領域に、電子またはイオンの伝導度が前記電極間物質層よりも小さな第1の領域と、電子またはイオンの伝導度が前記第1の領域よりも大きく電子またはイオンの授受可能な第2の領域とを有する電子等授受バリア層
を備えたことを特徴とする記憶装置。 A first electrode; a second electrode disposed opposite to the first electrode; an interelectrode material layer capable of conducting electrons or ions provided between the first electrode and the second electrode; A voltage applying means for applying a predetermined voltage between one electrode and the second electrode, and an oxidation-reduction reaction active substance in or on the surface of the first electrode, the second electrode, or the interelectrode substance layer A storage device that records information by changing electrical characteristics between the first electrode and the second electrode by applying a voltage to the first electrode and the second electrode. And
In the interface region between the second electrode and the interelectrode material layer, the first region in which the conductivity of electrons or ions is smaller than that of the interelectrode material layer and the conductivity of electrons or ions in the first electrode A storage device comprising an electron transfer barrier layer having a second region larger than the region and capable of transferring electrons or ions.
ことを特徴とする請求項1に記載の記憶装置。 2. The storage device according to claim 1, wherein an area of the second region in the electron transfer barrier layer is smaller than an area of the first region.
ことを特徴とする請求項1に記載の記憶装置。 The area of the second region is determined by forming the electron transfer barrier layer over the entire interface region between the second electrode and the interelectrode material layer, and then forming the first electrode and the second electrode. 2. The memory according to claim 1, having a size equivalent to a conduction path of electrons or ions formed by breaking the electron transfer barrier layer when a predetermined voltage is applied between apparatus.
ことを特徴とする請求項1に記載の記憶装置。 The storage device according to claim 1, wherein the second region has a circular shape with a diameter of 100 nm or less or a shape with an area equivalent to the circular shape.
ことを特徴とする請求項4に記載の記憶装置。 The said 2nd area | region is a pinhole which penetrates the said electron transfer barrier layer, and the said pinhole is filled with the substance which comprises the said interelectrode substance layer. Storage device.
ことを特徴とする請求項1記載の記憶装置。 The interelectrode material layer includes at least one of oxygen (O), sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) (chalcogenide material), germanium (Ge), silicon (Si), antimony ( The storage device according to claim 1, wherein an amorphous thin film containing at least one of Sb) and indium (In) is used as a base material.
ことを特徴とする請求項1記載の記憶装置。 A part of the electron transfer barrier layer is formed of an oxide of a material contained in the interelectrode material layer, nickel oxide (NiOx), titanium oxide (TiOx), or silicon oxide (SiOx). The storage device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1記載の記憶装置。 The storage device according to claim 1, wherein the oxidation-reduction reaction active substance is contained in the interelectrode substance layer.
ことを特徴とする請求項8記載の記憶装置。 The storage device according to claim 8, wherein the oxidation-reduction reaction active substance is silver (Ag) or copper (Cu).
ことを特徴とする請求項1記載の記憶装置。 The storage device according to claim 1, wherein the oxidation-reduction reaction active substance is contained in the first electrode.
ことを特徴とする請求項1に記載の記憶装置。 By applying a predetermined voltage to the first electrode and the second electrode, the conduction of electrons or ions between the first electrode and the second electrode corresponding to the second region in the electron transfer barrier layer. The storage device according to claim 1, wherein a path is formed.
前記第1電極と第2電極との間に電圧を印加し、第2電極と前記電極間物質層との界面に、電子またはイオンの伝導度が前記電極間物質層よりも小さな材料を成長させて電子等授受バリア層を形成する工程と、
前記電子等授受バリア層に、電子またはイオンの伝導度が前記電極間物質層よりも小さな第1の領域と、電子またはイオンの伝導度が前記第1の領域よりも大きく、電子またはイオンの授受可能な第2の領域とを形成する工程と
を含むことを特徴とする記憶装置の製造方法。 A first electrode; a second electrode disposed opposite to the first electrode; and an interelectrode material layer provided between the first electrode and the second electrode; and the first electrode or the first electrode Two electrodes or a redox reaction active substance in or on the surface of the interelectrode substance layer, and by applying a voltage to the first electrode and the second electrode, the first electrode and the second electrode A method of manufacturing a storage device in which electrical characteristics are changed and information is recorded,
A voltage is applied between the first electrode and the second electrode, and a material having electron or ion conductivity smaller than that of the interelectrode substance layer is grown on the interface between the second electrode and the interelectrode substance layer. Forming an electron transfer barrier layer,
A first region in which the conductivity of electrons or ions is smaller than that of the interelectrode material layer, and a conductivity of electrons or ions is larger than that in the first region, and the electrons or ions are transferred to and from the electron transfer barrier layer. Forming a possible second region. A method for manufacturing a memory device, comprising:
ことを特徴とする請求項12記載の記憶装置の製造方法。 After the electron exchange barrier layer is formed over the entire interface between the second electrode and the interelectrode material layer, a voltage is applied to the first electrode and the second electrode to locally dispose the electron exchange barrier layer. 13. The memory device manufacturing method according to claim 12, wherein the second region is formed by mechanical destruction or by changing the conductivity of electrons or ions to be larger than that of other regions. Method.
ことを特徴とする請求項13に記載の記憶装置の製造方法。
14. The storage device according to claim 13, wherein a pinhole penetrating the electron exchange barrier layer is formed as the second region by locally destroying and removing the electron exchange barrier layer. 14. Manufacturing method.
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