專利名稱：電子元件、存儲(chǔ)裝置及半導(dǎo)體集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用了電阻值根據(jù)被施加的脈沖電壓而變化的狀態(tài)可 變材料的電子元件、存儲(chǔ)裝置及半導(dǎo)體集成電路。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著電子機(jī)器中的數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，為了存儲(chǔ)圖像等數(shù)據(jù)， 對(duì)非易失性存儲(chǔ)器件的要求越來(lái)越多。而且，對(duì)增加存儲(chǔ)器件的容量、減 低為寫(xiě)入工作所需的功率、縮短讀出及寫(xiě)入時(shí)間、以及延長(zhǎng)器件使用期限
這些技術(shù)的要求越來(lái)越高。為了滿足這些要求，在美國(guó)專利第6,204,139 號(hào)公報(bào)中，有人公開(kāi)了一種使用電阻值根據(jù)被施加的電脈沖而變化的鈣鈦 礦材料(例如，Pr(i-x)CaxMnOs (PCMO)、 LaSrMn03 (LSMO)、 GdBaCoxOy (GBCO)等等)的非易失性存儲(chǔ)器件的形成技術(shù)。根據(jù)該專 利文獻(xiàn)所公開(kāi)的技術(shù)，在所述材料(以下，通常將該材料稱為"可變電阻 材料")上施加規(guī)定電脈沖，以增加或減少所述材料的電阻值。由于該務(wù)P中 的施加而變化了的電阻值，是為了儲(chǔ)存相互不同的值使用?；谠摷夹g(shù)方 案，用所述材料作為存儲(chǔ)器件。
美國(guó)專利第6,673,691號(hào)公報(bào)公開(kāi)了通過(guò)使電脈沖的脈沖寬度變化， 來(lái)使可變電阻材料的電阻值變化的方法。美國(guó)專利第6,673，691號(hào)公報(bào)還 公開(kāi)了 1D1R ( —個(gè)二極管及一個(gè)電阻器)式存儲(chǔ)單元陣列的例子，在該 存儲(chǔ)單元陳列中，存儲(chǔ)單元是使用所述可變電阻材料而構(gòu)成的，并且用二 極管作為存儲(chǔ)單元選擇器件。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是與包括用作存儲(chǔ)單元選擇 器件的晶體管的結(jié)構(gòu)相比，存儲(chǔ)單元的尺寸更小。
圖17，表示在美國(guó)專利第6,673,691號(hào)公報(bào)中所公開(kāi)的、使用了現(xiàn)有 可變電阻材料的存儲(chǔ)裝置(1D1R式非易失性存儲(chǔ)裝置)900。在該現(xiàn)有 例中，存儲(chǔ)裝置900包括襯底901，形成在襯底901上的PN結(jié)二極管
(N型硅(Si)區(qū)域902、 P型硅區(qū)域903-1及903-2)，形成在二極管的 P型硅區(qū)域903-1上的下部電極904-1 ，形成在二極管的P型硅區(qū)域903-2 上的下部電極904-2，形成在二極管的N型硅區(qū)域902上的接觸插塞905， 形成在下部電極904-1及904-2上的可變電阻材料層906，以及形成在可 變電阻材料層906上的上部電極907-1及907-2。在該現(xiàn)有例中，下部電 極904-1及904-2、和上部電極907-1及907-2由鉑(Pt)構(gòu)成，可變電 阻材料層906由Po.7Cao.3Mn03構(gòu)成。
在圖17所示的存儲(chǔ)裝置900中，當(dāng)在上部電極907-1與下部電極 904-1之間施加規(guī)定脈沖時(shí)，可變電阻材料層906中位于上部電極907-1 與下部電極904-1之間的部分(可變區(qū)域906a)的電阻值變化；當(dāng)在上 部電極907-2與下部電極904-2之間施加規(guī)定脈沖時(shí)，可變電阻材料層906 中位于上部電極907-2與下部電極904-2之間的部分(可變區(qū)域906yS) 的電阻值變化。就是說(shuō)，在該存儲(chǔ)裝置中，用可變區(qū)域906a;及可變區(qū)域 906 A分別作為 一個(gè)存儲(chǔ)單元。
在圖17所示的存儲(chǔ)裝置900中，用形成在村底901上的PN結(jié)二極 管作為用以選擇存儲(chǔ)單元的二極管。因此，電流從上部電極907-1 (907-2) 流向下部電極904-1 (904-2)(正方向)，^旦不從下部電極904-1 (904-2) 流向上部電極907-1 (907-2)(反方向)，也不在上部電極907-1與上部電 極907-2之間流動(dòng)。
圖18，表示圖17的存儲(chǔ)裝置900的等效電路。在圖18中，字線Wl 對(duì)應(yīng)于上部電極907-1;字線W2對(duì)應(yīng)于上部電極907-2;位線Bl對(duì)應(yīng)于 接觸插塞905。存儲(chǔ)單元MC911對(duì)應(yīng)于可變區(qū)域906a; 二極管D911 對(duì)應(yīng)于二極管(N型硅區(qū)域902、 P型硅區(qū)域903-1);存儲(chǔ)單元MC912 對(duì)應(yīng)于可變區(qū)域906/3 ; 二極管D912對(duì)應(yīng)于二極管(N型硅區(qū)域902、 P 型硅區(qū)域903-2)。 (工作)
下面，參照?qǐng)D18，對(duì)圖17所示的存儲(chǔ)裝置900的工作情況進(jìn)行說(shuō)明。 在此說(shuō)明的是，對(duì)存儲(chǔ)單元MC911進(jìn)行的處理步驟。 (到位(set)(存儲(chǔ))或復(fù)位) 在存儲(chǔ)步驟中，使字線W2和位線Bl接地，再在字線W1上施加規(guī)
定電脈沖。其結(jié)果是，存儲(chǔ)單元MC911的電阻值變化到低電阻狀態(tài)(復(fù) 位)或高電阻狀態(tài)(到位)。在美國(guó)專利第6,673,691號(hào)公報(bào)所公開(kāi)的現(xiàn)有 例中，當(dāng)施加電壓值+ 4V、脈沖寬度100nsec的脈沖電壓時(shí)，存儲(chǔ)單元 MC911的電阻值從高電阻狀態(tài)變化到低電阻狀態(tài)。當(dāng)施加電壓值+ 2.5V、 脈沖寬度10//sec的脈沖電壓時(shí)，存儲(chǔ)單元MC911的電阻值從低電阻狀 態(tài)變化到高電阻狀態(tài)。 (再生)
在再生步驟中，讓字線W2和位線B1接地，在字線W1上施加規(guī)定 再生電壓(例如，電壓值為+0.5V的電壓)。其結(jié)果是，流過(guò)存儲(chǔ)單元 MC911的電流流出到位線Bl中。另一方面，沒(méi)有電流流過(guò)存儲(chǔ)單元 MC912。因?yàn)橄鄬?duì)存儲(chǔ)單元MC912設(shè)置有二極管D912 (圖17中的N 型硅區(qū)域902和P型硅區(qū)域903-2)，所以沒(méi)有電流從字線Wl流向字線 W2。因此，能僅檢測(cè)出存儲(chǔ)單元MC911的電阻值。
根據(jù)所述技術(shù)方案，現(xiàn)有存儲(chǔ)裝置(1D1R式非易失性存儲(chǔ)裝置)900 對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行存儲(chǔ)工作或再生工作。
然而，在使用二極管的裝置(1D1R式非易失性存儲(chǔ)裝置)中，需要 在村底901上形成PN結(jié)二極管。為了形成存儲(chǔ)單元，還需要在該二極管 上形成下部電極904-1及904-2、和可變電阻材料層906。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu) 需要復(fù)雜的制造工序，所以不適于實(shí)際使用。應(yīng)該進(jìn)一步注意的是，在圖 17所示的存儲(chǔ)裝置900中，因?yàn)樾纬捎卸O管，所以即使以上部電極907-1 (907-2)相對(duì)下部電極904-1 (904-2)成為負(fù)極(—)的方式在可變區(qū) 域906a (906/3)上施加脈沖電壓，也不意味著在可變區(qū)域906a; (906 /3)上施加了規(guī)定脈沖電壓。就是說(shuō)，在圖17所示的存儲(chǔ)裝置900中， 如果要讓可變區(qū)域906 a (906 /3 )的電阻值變化，就需要以上部電極907-1 (907-2)相對(duì)下部電極904-1 (904-2)成為正極(+ )的方式施加脈沖 電壓。這樣，施加在可變電阻材料上的脈沖電壓的極性受限制。
在圖17所示的存儲(chǔ)裝置900中，為讓存儲(chǔ)單元的電阻狀態(tài)從高電阻 狀態(tài)變化到低電阻狀態(tài)(使電阻狀態(tài)到位)所需要的時(shí)間是100nsec;為 讓存儲(chǔ)單元的電阻狀態(tài)從低電阻狀態(tài)變化到高電阻狀態(tài)(使電阻狀態(tài)復(fù)位) 所需要的時(shí)間是10/zsec。如果要快速進(jìn)行該存儲(chǔ)單元的到位或復(fù)位工作，
就需要使所施加的脈沖電壓的脈沖寬度變窄。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)局面， 一種電子元件，包括第一電極，第二電極，
以及連接在所述第一電極與所述第二電極之間、并且具有二極管特性和可 變電阻特性的層。所述層，在從所述笫一電極及所述第二電極中的一個(gè)電 極向另一個(gè)電極延伸的正方向上，傳導(dǎo)與和所述正方向相反的反方向相比
電流量更多的電流；所述層在所述正方向上的電阻值，根據(jù)被施加在所述 第一電極與所述第二電極之間的規(guī)定脈沖電壓而增加或減少。
因?yàn)樗鲭娮釉哂?二極管特性"，所以能在未為此使用二極管元 件的狀態(tài)下，決定電流的方向。而且，電子元件具有"可變電阻特性"，從 而能用該電子元件例如作為1D1R式非易失性存儲(chǔ)器。在這樣使用的情況 下，不需要設(shè)置二極管，因而與現(xiàn)有1D1R式非易失性存儲(chǔ)器相比，制造 工序簡(jiǎn)化。而且，因?yàn)槲丛O(shè)置二極管，所以施加在可變電阻材料上的脈沖 電壓的極性不受限制。因此，無(wú)論是正(+ )極性的脈沖電壓還是負(fù)(一) 極性的脈沖電壓，都能施加在狀態(tài)可變材料層上。在這樣的》1c沖施加方法 (電阻值根據(jù)脈沖電壓的極性而變化的方法)中，與現(xiàn)有脈沖施加方法(通 過(guò)調(diào)整脈沖電壓的脈沖寬度來(lái)使可變電阻材料的電阻值變化的方法)相比， 被施加的脈沖電壓的脈沖寬度更窄。就是說(shuō)，能夠縮短為存儲(chǔ)或復(fù)位所需 要的時(shí)間。
最好是這樣的，所述第一電極的功函數(shù)，與所述第二電極的功函數(shù)不同。
在所述電子元件中，在第一電極和第二電極具有相互不同的功函數(shù)時(shí)， 狀態(tài)可變材料具有二極管特性和可變電阻特性。因此，能通過(guò)設(shè)第一電極 的功函數(shù)和第二電極的功函數(shù)為相互不同的值，來(lái)形成狀態(tài)可變材料具有 "二極管特性"和"可變電阻特性"的電子元件。 最好是這樣的，所述層的結(jié)晶性不均勻。
在所述電子元件中，狀態(tài)可變材料層的結(jié)晶性不均勻時(shí)，該狀態(tài)可變 材料層具有二極管特性和可變電阻特性。因此，能通過(guò)使?fàn)顟B(tài)可變材料層 的結(jié)晶性不均勻，來(lái)形成狀態(tài)可變材料具有"二極管特性"和"可變電阻
特性"的電子元件。
最好是這樣的，通過(guò)在所述第一電極與所述第二電極之間施加規(guī)定的 脈沖電壓，使所述正方向上的電阻值變化，來(lái)讓所述電子元件儲(chǔ)存一位或 多位信息。
在所述電子元件中，與現(xiàn)有脈沖電壓相比，為存儲(chǔ)或復(fù)位所施加的脈 沖電壓的脈沖寬度更窄。就是說(shuō)，能夠縮短為存儲(chǔ)或復(fù)位所需要的時(shí)間。
最好是這樣的，通過(guò)在所述第一電極與所述第二電極之間施加規(guī)定的 脈沖電壓，使電流根據(jù)所述層的電阻值沿所述正方向流動(dòng)，來(lái)從所述電子 元件中讀出一位或多位信息。
因?yàn)樗鲭娮釉哂?二極管特性"，所以能在未為此使用二極管元
件的狀態(tài)下，決定電流的方向。這樣，就能用電子元件例如作為1D1R式
非易失性存儲(chǔ)器。在這樣使用的情況下，不需要設(shè)置二極管，因而與現(xiàn)有
1D1R式非易失性存儲(chǔ)器相比，制造工序簡(jiǎn)化。
根據(jù)本發(fā)明的別的局面， 一種存儲(chǔ)裝置，包括排成矩陣狀的、權(quán)利 要求1所述的多個(gè)電子元件，多條字線，用來(lái)將規(guī)定的電壓施加在所述多 條字線上的驅(qū)動(dòng)字線部，多條位線，以及用來(lái)將規(guī)定的電壓施加在所迷多 條位線上的驅(qū)動(dòng)位線部。在所述多個(gè)電子元件的每個(gè)中，所述第一電極連 接在所述多條字線中的任一條上，所述第二電極連接在所述多條位線中的 任一條上。
因?yàn)樵谒龃鎯?chǔ)裝置中，電子元件具有"二極管特性"，所以沒(méi)有電流 從字線流向別的字線。這樣，就能在不另外設(shè)置二極管元件的情況下，制 作存儲(chǔ)裝置。
最好是這樣的，為了將信息儲(chǔ)存在所述多個(gè)電子元件的任一個(gè)中，所 述驅(qū)動(dòng)字線部，在所述多條字線中的連接在要儲(chǔ)存所述信息的電子元件上 的那一條字線上施加第一脈沖電壓，所述驅(qū)動(dòng)位線部，在所述多條位線中 的連接在要儲(chǔ)存所述信息的電子元件上的那一條位線上施加第二脈沖電 壓。
在所述存儲(chǔ)裝置中，在將規(guī)定脈沖電壓未施加在其他電子元件上的狀 態(tài)下，在要儲(chǔ)存信息的電子元件上施加該規(guī)定脈沖電壓。其結(jié)果是，能僅 使要儲(chǔ)存信息的電子元件的電阻狀態(tài)變化。就是說(shuō)，能夠任意選出電子元
件，將信息儲(chǔ)存在該選出的電子元件中。
最好是這樣的，為了再生已儲(chǔ)存在所述多個(gè)電子元件的任一個(gè)中的信 息，所述驅(qū)動(dòng)字線部，在所述多條字線中的連接在要讀出所述信息的電子 元件上的那一條字線上施加再生電壓，所述驅(qū)動(dòng)位線部，在所述多條位線 中的連接在要讀出所述信息的電子元件上的那一條位線之外的位線上施加 所述再生電壓。
在所述存儲(chǔ)裝置內(nèi)，在其他電子元件中沒(méi)有電流沿正方向流動(dòng)的狀態(tài) 下，在要讀出信息的電子元件中，電流沿正方向流動(dòng)。這樣，就能僅讀出 流過(guò)要讀出信息的電子元件的電流。就是說(shuō)，能夠任意選出電子元件，讀 出已儲(chǔ)存在該選出的電子元件中的信息。
最好是這樣的，所述電子元件，包括對(duì)應(yīng)于所述第二電極、形成在 襯底上的下部電極，和對(duì)應(yīng)于所述第一電極、形成在所述層上的上部電極； 所述層形成在所述下部電極上；所述層，包含位于所述上部電極與所述下 部電極之間的區(qū)域，具有二極管特性和可變電阻特性。
最好是這樣的，所述上部電極對(duì)應(yīng)于第一上部電極，所述區(qū)域?qū)?yīng)于 第一區(qū)域，所述電子元件還包括形成在所述層上的第二上部電極。所述層， 包含介于所述第二上部電極與所述下部電極之間的第二區(qū)域；所述第二區(qū) 域，在從所述第二上部電極及所述下部電極中的一個(gè)電極向另一個(gè)電極延 伸的正方向上，傳導(dǎo)與和所述正方向相反的反方向相比電流量更多的電流； 所述第二區(qū)域在所述正方向上的電阻值，根據(jù)被施加在所述第二上部電極 與所述下部電極之間的規(guī)定^c沖電壓而增加或減少。
在所述電子元件中，因?yàn)殡娏鞯姆较蛞褯Q定，所以電流不會(huì)從第一上 部電極流過(guò)下部電極后流向第二上部電極。因此，能在不另外形成二極管 的狀態(tài)下，制作存儲(chǔ)裝置。
最好是這樣的，所述電子元件還包括驅(qū)動(dòng)電壓部；所述驅(qū)動(dòng)電壓部， 以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式在所述第一電極與所述 第二電極之間施加務(wù)P中電壓，以增加所述層在所述正方向上的電阻值；所 述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所迷第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式在所述 第 一 電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以減少所述層在所迷正方向 上的電阻值。
最好是這樣的，為了測(cè)定所述層在所述正方向上的電阻值，所述電子 元件還包括用來(lái)以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式在所述 第一電極與所述第二電極之間施加測(cè)定電壓的驅(qū)動(dòng)電壓部。
最好是這樣的，所述多個(gè)電子元件中的每個(gè)，構(gòu)成為起到二極管作用。
圖l，是表示電子元件的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖2,是表示要施加的脈沖電壓的波形的圖。
圖3 (a)，是表示在電子元件上施加具有第一極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電阻值變化情況的圖。
圖3 (b)，是表示在電子元件上施加具有第二極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電阻值變化情況的圖。
圖4 (a)，是表示在電子元件上施加具有第一極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電流一電壓特性的圖。
圖4 (b)，是表示在電子元件上施加具有第二極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電流一電壓特性的圖。
圖5 (a)，是表示在電子元件上施加具有第一極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電流一電壓特性的圖。
圖5 (b)，是表示在電子元件上施加具有第二極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電流一 電壓特性的圖。
圖6，是表示在電子元件上施加脈沖電壓時(shí)所發(fā)生的電阻值變化情況 的圖。
圖7 (a)，是表示在電子元件上施加具有第一極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電流一電壓特性的圖。
圖7 (b)，是表示在電子元件上施加具有第二極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電流一電壓特性的圖。
圖8 (a)，是表示在電子元件上施加具有第一極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電阻值變化情況的圖。
圖8 (b)，是表示在電子元件上施加具有第二極性的脈沖電壓時(shí)所發(fā) 生的電阻值變化情況的圖。
圖9，是表示在電子元件上施加脈沖電壓時(shí)所發(fā)生的電阻值變化情況 的圖。
圖10，是表示電子元件的圖形符號(hào)的圖。
圖11，是表示基于本發(fā)明的第二實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。
圖12，是表示基于本發(fā)明的第三實(shí)施例的半導(dǎo)體集成電路的整體結(jié)構(gòu)圖。
圖13，是表示基于本發(fā)明的第四實(shí)施例的半導(dǎo)體集成電路的整體結(jié)構(gòu)圖。
圖14，是表示基于本發(fā)明的第五實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖15，是表示圖14所示的存儲(chǔ)裝置的等效電路的圖。
圖16，是表示圖14所示的存儲(chǔ)裝置的等效電路的圖。
圖17，是表示現(xiàn)有存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖18，是表示圖17所示的存儲(chǔ)裝置的等效電路的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。在本說(shuō)明書(shū)中，用相同 的參照符號(hào)表示相同的結(jié)構(gòu)因素，該結(jié)構(gòu)因素的說(shuō)明不反復(fù)進(jìn)行。 (電子元件的基本結(jié)構(gòu)和基本特性) 對(duì)在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的電子元件的基本結(jié)構(gòu)和基本特性進(jìn)行說(shuō)明。
圖1，表示電子元件的基本結(jié)構(gòu)。電子元件包含襯底4，形成在村 底4上的下部電極3，形成在下部電極3上的狀態(tài)可變材料層2，以及形 成在狀態(tài)可變材料層2上的上部電極1。電源5，在上部電極l與下部電 極3之間施加規(guī)定的電壓。
根據(jù)本發(fā)明，狀態(tài)可變材料層2的狀態(tài)可變材料，具有下述特性，即 電流容易沿正方向流動(dòng)，而不易沿反方向流動(dòng)(二極管特性)；通過(guò)施加規(guī) 定脈沖電壓，電阻值增加或減少(可變電阻特性)。該層2的狀態(tài)可變材 料，是具有尖晶石結(jié)構(gòu)的金屬氧化物材料、被添加了具有鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的金 屬的鐵電氧化物、或者至少具有CMR (超巨磁阻)特性及高溫超導(dǎo)特性 中的一種特性的、具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料。具體而言，該層2的狀態(tài)可變 材料，能從下述材料中選出，即CoFe204、 CuFe204、 NiCr204、 Fe304、 CrSrTi03、 SrLiNb03、 Mg.LiNb03、 Pr(1-x)CaxMn03 (0<X<0.5)、 LaSrMn03、 GdBaCoxOy (0<X<2、 0<Y<7)等等。
下面，對(duì)用以實(shí)現(xiàn)具有上迷特性(可變電阻特性和二極管特性)的狀 態(tài)可變材料層2的方法進(jìn)行說(shuō)明。 (第一實(shí)施例)
為了實(shí)現(xiàn)具有上述特性(可變電阻特性和二極管特性)的狀態(tài)可變材 料層2，用功函數(shù)相互不同的不同材料構(gòu)成了圖l所示的電子元件中的上 部電極1和下部電極3。下面說(shuō)明其理由。 (實(shí)驗(yàn)的對(duì)象)
本案發(fā)明人對(duì)下述三種電子元件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
樣品(A):上部電極1的功函數(shù)小于下部電極3的功函數(shù)的電子元件。 樣品(B):上部電極1的功函數(shù)大于下部電極3的功函數(shù)的電子元件。 樣品(C):上部電極1的功函數(shù)等于下部電極3的功函數(shù)的電子元件。 在形成樣品(A)、樣品(B)及樣品(C)后，通過(guò)以上部電極1相 對(duì)下部電極3成為正極(+ )的方式在狀態(tài)可變材料層2上施加脈沖電壓 (電壓值+ 3V、脈沖寬度10//sec)，來(lái)使?fàn)顟B(tài)可變材料層2的電阻值初 始化為略略小于在剛形成后測(cè)定出的電阻值(約1MQ)的十分之一的電 阻值。(該初始化，是按照日本專利申請(qǐng)?zhí)卦?003-421374號(hào) (PCT/JP2004/019291)的文獻(xiàn)所迷的方法進(jìn)行的，在此參照該文獻(xiàn)引進(jìn) 了該方法。)
(實(shí)-驗(yàn)內(nèi)容)
在第一實(shí)施例中，本案發(fā)明人對(duì)樣品(A)、樣品(B)及樣品(C) 進(jìn)行了下述實(shí)驗(yàn)。 (第一實(shí)驗(yàn))
以每次施加一個(gè)脈沖的方式在狀態(tài)可變材料層2上交替施加了下述脈 沖電壓，即上部電極1相對(duì)下部電極3成為正極(+ )的脈沖電壓(以 下，將該脈沖電壓稱為"正(+ )脈沖電壓")，和上部電極l相對(duì)下部電 極3成為負(fù)極(一)的脈沖電壓(以下，將該脈沖電壓稱為"負(fù)(一)脈 沖電壓")(參照?qǐng)D2)。每次施加完脈沖電壓的一個(gè)脈沖以后，在狀態(tài)可變 材料層2上施加了上部電極1相對(duì)下部電極3成為正極(+ )的電壓(以 下，將該電壓稱為"正(+ )測(cè)定電壓")，以測(cè)定狀態(tài)可變材料層2的電 阻值。
(第二實(shí)驗(yàn))
以每次施加一個(gè)脈沖的方式在狀態(tài)可變材料層2上交替施加了正(+ ) 脈沖電壓和負(fù)(一)脈沖電壓(參照?qǐng)D2)。每次施加完脈沖電壓的一個(gè)脈 沖以后，在狀態(tài)可變材料層2上施加了上部電極1相對(duì)下部電極3成為負(fù) 極(—)的電壓(以下，將該電壓稱為"負(fù)(一)測(cè)定電壓")，以測(cè)定狀 態(tài)可變材料層2的電阻值。 (第三實(shí)驗(yàn))
以每次施加一個(gè)脈沖的方式在狀態(tài)可變材料層2上交替施加了正(+ ) 脈沖電壓和負(fù)(_)脈沖電壓(參照?qǐng)D2)。每次施加完脈沖電壓的一個(gè)脈 沖以后，測(cè)定了狀態(tài)可變材料層2的電流一電壓特性。 在所述實(shí)驗(yàn)中施加了下述電壓。 正(+ )脈沖電壓電壓值+ 3V、脈沖寬度50nsec 負(fù)(一)脈沖電壓電壓值一3V、脈沖寬度50nsec 正(+ )測(cè)定電壓電壓值+ 0.5V 負(fù)(一)測(cè)定電壓電壓值一0.5V (對(duì)樣品(A)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)) 首先，參照?qǐng)D3 (a)、圖3 (b)、圖4 (a)及圖4 (b),說(shuō)明對(duì)樣品 (A)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。在圖3 (a)和圖3 (b)中，縱軸表示通過(guò)根據(jù)在剛初 始化后測(cè)定出的電阻值RO將測(cè)定值R規(guī)格化而得到的值(圖6、圖8(a)、 圖8 (b)及圖9也一樣)。 (使用的材料)
上部電極l:銀(Ag)(厚度約0.2//m、功函數(shù)4.3eV( = electron volts: 電子伏特))
狀態(tài)可變材料層2: CuFe204 (厚度約0.1/zm) 下部電極3: 4白(厚度約0.2/zm、功函數(shù)5.7eV)
(第一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果) 對(duì)樣品(A)進(jìn)行了第一實(shí)驗(yàn)。圖3 (a)表示該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在施加
正(+ )脈沖電壓后，測(cè)定出的值從高電阻狀態(tài)(與另一個(gè)狀態(tài)相比電阻 值更高的狀態(tài))變化到低電阻狀態(tài)(與另一個(gè)狀態(tài)相比電阻值更低的狀態(tài))。 在施加負(fù)(—)脈沖電壓后，測(cè)定出的值從低電阻狀態(tài)變化到高電阻狀態(tài)。 由此可見(jiàn)，從上部電極1向下部電極3延伸的方向上的電阻值(狀態(tài)可變 材料層2的電阻值)，根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少。 (第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
對(duì)樣品(A)進(jìn)行了第二實(shí)驗(yàn)。圖3 (b)表示該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。即使是 在施加正(+ )脈沖電壓后，測(cè)定出的值也保持為高電阻狀態(tài)。由此可見(jiàn)， 從下部電極3向上部電極1延伸的方向上的電阻值(狀態(tài)可變材料層2的 電阻值)，總是處于高電阻狀態(tài)，與被施加的脈沖電壓無(wú)關(guān)。 (第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
對(duì)樣品(A)進(jìn)行了第三實(shí)驗(yàn)。圖4 (a)表示在施加正(+ )脈沖電 壓后測(cè)定出的電流一電壓特性。如圖4 (a)所示，在施加正(+ )脈沖電 壓后，電流在施加正(+ )測(cè)定電壓時(shí)容易流動(dòng)，而在施加負(fù)(一)測(cè)定 電壓時(shí)不易流動(dòng)。由此可見(jiàn)，在施加正(+ )》、沖電壓后，電流(流過(guò)^j犬 態(tài)可變材料層2的電流)容易沿著從上部電極l向下部電極3延伸的方向 流動(dòng)，而電流不易沿著從下部電極3向上部電極1延伸的方向流動(dòng)。
圖4 (b)表示在施加負(fù)(—)脈沖電壓后測(cè)定出的電流一電壓特性。 如圖4 (b)所示，在施加負(fù)(一)脈沖電壓后，即使是在施加正(+ )測(cè) 定電壓時(shí)，電流也不易流動(dòng)。由此可見(jiàn)，在施加負(fù)(一)脈沖電壓后，與 在施加正(+ )務(wù)"中電壓后流動(dòng)的電流相比，電流更不易沿著從上部電極 1向下部電極3延伸的方向流動(dòng)。 (驗(yàn)證的結(jié)果)
由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，樣品(A)具有下述特性。
一、將從上部電極1向下部電極3延伸的方向設(shè)為正方向、并且將從 下部電極3向上部電極1延伸的方向設(shè)為反方向的二極管特性。
二 、正方向上的電阻值根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少的特性(可 變電阻特性)。明確地說(shuō)，正方向上的電阻^^于應(yīng)于正(+ )脈沖電壓的施 力口而減少；該電阻值對(duì)應(yīng)于負(fù)(一)脈沖電壓的施加而增加。 (對(duì)樣品(B)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn))
下面，參照?qǐng)D3 (a)、圖3 (b)、圖5 (a)及圖5 (b)，說(shuō)明對(duì)樣品 (B)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 (使用的材料)
上部電極l:鉑(厚度約0.2^m、功函數(shù)5.7eV)
狀態(tài)可變材料層2: CuFe204 (厚度約0.1"m)
下部電極3:鈦(Ti)(厚度約0.2/zm、功函數(shù)4.3eV) (實(shí)驗(yàn)的結(jié)果) (第一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
對(duì)樣品(B)進(jìn)行了第一實(shí)驗(yàn)。圖3 (b)表示該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。無(wú)論是 在施加正(+ )脈沖電壓后還是在施加負(fù)(一)脈沖電壓后，測(cè)定出的值 都保持為高電阻狀態(tài)。由此可見(jiàn)，從上部電極1向下部電極3延伸的方向 上的電阻值(狀態(tài)可變材料層2的電阻值)，總是處于高電阻狀態(tài)，與被 施加的務(wù)乂沖電壓無(wú)關(guān)。 (第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
對(duì)樣品(B)進(jìn)行了第二實(shí)驗(yàn)。圖3 (a)表示該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在施加 正(+ )脈沖電壓后，測(cè)定出的值從高電阻狀態(tài)(與另一個(gè)狀態(tài)相比電阻 值更高的狀態(tài))變化到低電阻狀態(tài)(與另一個(gè)狀態(tài)相比電阻值更低的狀態(tài))。 在施加負(fù)(一)脈沖電壓后，測(cè)定出的值從低電阻狀態(tài)變化到高電阻狀態(tài)。 由此可見(jiàn)，從下部電極3向上部電極1延伸的方向上的電阻值(狀態(tài)可變 材料層2的電阻值)，根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少。 (第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
對(duì)樣品(B)進(jìn)行了第三實(shí)驗(yàn)。圖5 (a)表示在施加正(+ )脈沖電 壓后測(cè)定出的電流一電壓特性。如圖5 (a)所示，在施加正(+ )脈沖電 壓后，電流在施加正(+ )測(cè)定電壓時(shí)不易流動(dòng)，而在施加負(fù)(一)測(cè)定 電壓時(shí)容易流動(dòng)。由此可見(jiàn)，在施加正(+ )脈沖電壓后，電流(流過(guò)狀 態(tài)可變材料層2的電流)不易沿著從上部電極l向下部電極3延伸的方向 流動(dòng)，而電流容易沿著從下部電極3向上部電極1延伸的方向流動(dòng)。
圖5 (b)表示在施加負(fù)(一)脈沖電壓后測(cè)定出的電流一電壓特性。 如圖5 (b)所示，在施加負(fù)(一)脈沖電壓后，即使是在施加負(fù)(一)測(cè) 定電壓時(shí)，電流也不易流動(dòng)。由此可見(jiàn)，在施加負(fù)(一)脈沖電壓后，與 在施加正(+ )脈沖電壓后流動(dòng)的電流相比，電流更不易沿著從下部電極 3向上部電極1延伸的方向流動(dòng)。 (驗(yàn)證的結(jié)果)
由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，樣品(B)具有下述特性。
一、將從下部電極3向上部電極1延伸的方向設(shè)為正方向、并且將從 上部電極1向下部電極3延伸的方向設(shè)為反方向的二極管特性。
二 、正方向上的電阻值根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少的特性(可 變電阻特性)。明確地說(shuō)，正方向上的電阻值對(duì)應(yīng)于正(+ )〗詠沖電壓的施 加而減少；該電阻值對(duì)應(yīng)于負(fù)(一)脈沖電壓的施加而增加。 (對(duì)樣品(C)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn))
下面，參照?qǐng)D6、圖7 (a)及圖7 (b)，說(shuō)明對(duì)樣品(C)進(jìn)行的實(shí) 驗(yàn)結(jié)果。
(使用的材料) 上部電極l:柏(厚度約0.2〃m、功函數(shù)5.7eV) 狀態(tài)可變材料層2: CuFe204 (厚度約0.1"m) 下部電極3:鉑(厚度約0.2/zm、功函數(shù)5.7eV) (實(shí)驗(yàn)的結(jié)果) (第一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果) 對(duì)樣品(C)進(jìn)行了第一實(shí)驗(yàn)。圖6表示該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在施加正(+ ) 脈沖電壓后，測(cè)定出的值從高電阻狀態(tài)變化到低電阻狀態(tài)。在施加負(fù)(一) 脈沖電壓后，測(cè)定出的值從低電阻狀態(tài)變化到高電阻狀態(tài)。這樣，從上部
根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少。 (第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
對(duì)樣品(C)進(jìn)行了第二實(shí)驗(yàn)。圖6表示該實(shí)驗(yàn)的結(jié)杲。如圖6所示， 從下部電極3向上部電極1延伸的方向上電阻值(狀態(tài)可變材料層2的電 阻值)，根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少。 (第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
對(duì)樣品(C)進(jìn)行了第三實(shí)驗(yàn)。圖7 (a)表示在施加正(+ )脈沖電 壓后測(cè)定出的電流一電壓特性；圖7 (b)表示在施加負(fù)(一)脈沖電壓后
測(cè)定出的電流一電壓特性。將圖7 (a)所示的情況和圖7 (b)所示的情 況比較起來(lái)，可見(jiàn)與施加負(fù)(一)脈沖電壓后相比，在施加正(+ )脈沖 電壓后，電流更容易流動(dòng)(狀態(tài)可變材料層2的電阻值較小)。 (驗(yàn)證的結(jié)果)
由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，樣品(C)具有下述特性。 一、電阻4直對(duì)應(yīng)于正(+ )》1c沖電壓的施加而減少、并且該電阻^直對(duì) 應(yīng)于負(fù)(一)脈沖電壓的施加而增加的特性(可變電阻特性)。 (結(jié)論)
在樣品(A)中，上部電極1的功函數(shù)小于下部電極3的功函數(shù)。在 樣品(B)中，上部電極1的功函數(shù)大于下部電極3的功函數(shù)。由對(duì)樣品 (A)、樣品(B)及樣品(C)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，狀態(tài)可變材料層2 具有下述特性。
一 、將從功函數(shù)較小的電極向功函數(shù)較大的電極延伸的方向設(shè)為正方 向、并且將從功函數(shù)較大的電極向功函數(shù)較小的電極延伸的方向設(shè)為反方 向的二極管特性。
二 、正方向上的電阻值根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少的特性(可 變電阻特性)。明確地說(shuō)，以上部電極1相對(duì)下部電極3成為正極(+ ) 的方式在上部電極1與下部電極3之間施加務(wù)夂沖電壓時(shí)，正方向上的電阻 值減少；以上部電極1相對(duì)下部電極3成為負(fù)極(一)的方式在上部電極 1與下部電極3之間施加^c沖電壓時(shí)，正方向上的電阻值增加。
在樣品(A)、樣品(B)及樣品(C)中，通過(guò)在形成各樣品后，以 上部電極1相對(duì)下部電極3成為正極(+ )的方式在狀態(tài)可變材料層2上 施加脈沖電壓，來(lái)將狀態(tài)可變材料層2的電阻值初始化為略略小于在剛形 成后測(cè)定出的電阻值(約1M。)的十分之一的電阻值。其間，本案發(fā)明 人也準(zhǔn)備了樣品(A，)、樣品(B，)及樣品(C')。該樣品(A，)、樣品(B，) 及樣品(C'),是通過(guò)在形成各樣品后，以上部電極1相對(duì)下部電極3成 為負(fù)極(一)的方式在狀態(tài)可變材料層2上施加脈沖電壓(電壓值一3V、 脈沖寬度10" sec)，來(lái)將狀態(tài)可變材料層2的電阻值初始化為略略小于在 剛形成后測(cè)定出的電阻值(約1MQ)的十分之一的電阻值的。除了這個(gè) 事情以外，該樣品(A')、樣品(B')及樣品(C，)，就分別與樣品(A)、
樣品(B)及樣品(C) 一樣。
對(duì)樣品(A，)、樣品(B，)及樣品(C，)也進(jìn)行了對(duì)樣品(A)、樣品(B) 及樣品(C)進(jìn)行的上述實(shí)驗(yàn)(第一到第三實(shí)驗(yàn))。 (對(duì)樣品(A，)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn))
參照?qǐng)D8 (a)、圖8 (b)、圖4 (a)及圖4 (b)，說(shuō)明對(duì)樣品(A')進(jìn) 行的實(shí)驗(yàn)。
(第一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果) 圖8 (a)表示對(duì)樣品(A，)進(jìn)行的第一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在施加正(+ ) 脈沖電壓后，測(cè)定出的值從低電阻狀態(tài)變化到高電阻狀態(tài)。在施加負(fù)(一) 脈沖電壓后，測(cè)定出的值從高電阻狀態(tài)變化到低電阻狀態(tài)。由此可見(jiàn)，從 上部電極1向下部電極3延伸的方向上的電阻值(狀態(tài)可變材料層2的電 阻值)，根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少。 (第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
圖8 (b)表示對(duì)樣品(A，)進(jìn)行的第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。即使是在施加負(fù) (一)脈沖電壓后，測(cè)定出的值也保持為高電阻狀態(tài)。由此可見(jiàn)，從下部 電極3向上部電極1延伸的方向上的電阻值，總是處于高電阻狀態(tài)，與被 施加的務(wù)乂沖電壓無(wú)關(guān)。 (第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
下面，說(shuō)明對(duì)樣品(A，)進(jìn)行的第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在施加正(+ )脈 沖電壓后測(cè)定出的電流一電壓特性，呈圖4(b)所示的樣子；在施加負(fù)(一) 脈沖電壓后測(cè)定出的電流—電壓特性，呈圖4 (a)所示的樣子。 (對(duì)樣品(B，)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)) 參照?qǐng)D8 (a)、圖8 (b)、圖5 (a)及圖5 (b)，說(shuō)明對(duì)樣品(B，) 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
(第一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
圖8 (b)表示對(duì)樣品(B')進(jìn)行的第一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。由此可見(jiàn)，從上 部電極1向下部電極3延伸的方向上的電阻值，總是處于高電阻狀態(tài)，與
被施加的脈沖電壓無(wú)關(guān)o
(第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
圖8 (a)表示對(duì)樣品(B，)進(jìn)行的第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。由此可見(jiàn)，從下
部電極3向上部電極1延伸的方向上的電阻值，根據(jù)被施加的脈沖電壓而 增力口或減少。
(第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果) 下面，說(shuō)明對(duì)樣品(B')進(jìn)行的第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在施加正(+ )脈
沖電壓后測(cè)定出的電流一電壓特性，呈圖5(b)所示的樣子；在施加負(fù)(—) 脈沖電壓后測(cè)定出的電流一 電壓特性，呈圖5 (a)所示的樣子。
(對(duì)樣品(C，)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn))
(第一實(shí)驗(yàn)和第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)
圖9表示對(duì)樣品(C，)進(jìn)行了第一實(shí)驗(yàn)和第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。由此可見(jiàn)， 從上部電極1向下部電極3延伸的方向上的電阻值、和從下部電極3向上 部電極1延伸的方向上的電阻值，都根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少。 (第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果) 下面，說(shuō)明對(duì)樣品(C，)進(jìn)行的第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在施加正(+ )脈 沖電壓后測(cè)定出的電流一電壓特性，呈圖7(b)所示的樣子；在施加負(fù)(一) 脈沖電壓后測(cè)定出的電流一電壓特性，呈圖7 (a)所示的樣子。 (結(jié)論)
由對(duì)樣品(A，)、樣品(B，)及樣品(C，)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，狀態(tài) 可變材料層2具有下述特性。
一 、將從功函數(shù)較小的電極向功函數(shù)較大的電極延伸的方向設(shè)為正方 向、并且將從功函數(shù)較大的電極向功函數(shù)較小的電極延伸的方向設(shè)為反方 向的二極管特性。
二 、正方向上的電阻值根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少的特性(可 變電阻特性)。明確地說(shuō)，以上部電極1相對(duì)下部電極3成為正極(+ ) 的方式在上部電極1與下部電極3之間施加務(wù)乂沖電壓時(shí)，正方向上的電阻 值增加；以上部電極1相對(duì)下部電極3成為負(fù)極(一)的方式在上部電極 1與下部電極3之間施加l^沖電壓時(shí)，正方向上的電阻^直減少。
由對(duì)上述樣品(樣品(A)到(C)、和樣品(A')到樣品(C，))進(jìn)行 的上迷實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，狀態(tài)可變材料層2具有下述特性。
一、在上部電極1和下部電極3的功函數(shù)相互不同的情況下，將從一 個(gè)電極向另一個(gè)電極延伸的方向(第一方向)設(shè)為正方向、并且將從所述
另一個(gè)電極向所述一個(gè)電極延伸的方向設(shè)為反方向(與所述第一方向相反 的第二方向)的二極管特性。
二、在施加規(guī)定脈沖電壓時(shí)，二極管特性的正方向上的電阻值增加或 減少的特性(可變電阻特性)。
另外，也確認(rèn)到了下述事情，即關(guān)于用來(lái)使電阻值變化的脈沖電壓， 第一實(shí)施例的脈沖電壓的脈沖寬度(50nsec)，比現(xiàn)有例的脈沖電壓的脈 沖寬度(大于或等于l"sec)窄。
因?yàn)榇_認(rèn)到了上述特性，所以用功函數(shù)相互不同的兩種材料作為上部
電極1和下部電極3，來(lái)制作了圖1所示的電子元件。 (第二實(shí)施例)
為了實(shí)現(xiàn)具有上述特性(可變電阻特性和二極管特性)的狀態(tài)可變材 料層2，用結(jié)晶性不均勻的狀態(tài)可變材料作為圖l所示的電子元件中的狀 態(tài)可變材料層2。下面說(shuō)明其理由。 (狀態(tài)可變材料的結(jié)晶性) (狀態(tài)可變材料層的第一形成方法)
將已形成了下部電極3的襯底4的溫度加熱到接近了用作層2的狀態(tài) 可變材料的結(jié)晶溫度的溫度(例如是CuFe204，就設(shè)為600°C)，以形成 狀態(tài)可變材料層2。對(duì)這樣形成的狀態(tài)可變材料層2進(jìn)行了 X射線衍射分 析，以調(diào)查結(jié)晶結(jié)構(gòu)的扭曲。由其結(jié)果可見(jiàn)，狀態(tài)可變材料層2在表示結(jié) 晶平面間距D的位置上具有尖銳的衍射峰(強(qiáng)度大的衍射峰)。就是說(shuō)， 由上述結(jié)果可見(jiàn)，這樣形成的狀態(tài)可變材料層2的結(jié)晶性，基本上在膜厚 度方向上很均勻。
(狀態(tài)可變材料層的第二形成方法) 在未將已形成了下部電極3的襯底4的溫度加熱到接近了用作層2的 狀態(tài)可變材料的結(jié)晶溫度的溫度的狀態(tài)下，形成了狀態(tài)可變材料層2。對(duì) 這樣形成的狀態(tài)可變材料層2進(jìn)行了 X射線衍射分析，以調(diào)查結(jié)晶結(jié)構(gòu) 的扭曲。由其結(jié)果可見(jiàn)，在狀態(tài)可變材料層2的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，平面間距不 規(guī)則(就是說(shuō)，狀態(tài)可變材料層2具有強(qiáng)度小并且寬度較寬的衍射峰)。 就是說(shuō)，由上述結(jié)果可見(jiàn)，這樣形成的狀態(tài)可變材料層2具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的 扭曲。
(狀態(tài)可變材料層的第三形成方法)
在使已形成了下部電極3的襯底4的溫度從約600。C逐漸降低的狀態(tài) 下，形成了狀態(tài)可變材料層2。接著，在狀態(tài)可變材料層2上形成了上部 電極l。用透射電子顯微鏡對(duì)這樣形成的狀態(tài)可變材料層2進(jìn)行了電子衍 射分析。其結(jié)果是，在狀態(tài)可變材料層2中位于下部電極3附近的部分， 觀測(cè)到了結(jié)晶性良好的電子衍射圖形(具有某個(gè)周期的斑點(diǎn)圖形)，而在狀 態(tài)可變材料層2中位于上部電極1附近的部分，觀測(cè)到了結(jié)晶性不好(近 似于非晶形狀態(tài))的電子衍射圖形(暈斑(halo pattern))。就是說(shuō)，在 狀態(tài)可變材料層2中位于下部電極3附近的部分，結(jié)晶平面間距具有實(shí)質(zhì) 上均勾的值。由此可見(jiàn)，狀態(tài)可變材料層2中位于下部電極3附近的部分， 具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的扭曲很少的、良好的結(jié)晶性。另一方面，在狀態(tài)可變材料 層2中位于上部電極1附近的部分，呈與下部電極3附近的部分相比結(jié)晶 平面間距更不規(guī)則的分布情況。由此可見(jiàn)，狀態(tài)可變材料層2中位于上部 電極l附近的部分具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的扭曲很多的、不好的結(jié)晶性。
另外，用透射電子顯微鏡對(duì)狀態(tài)可變材料層2進(jìn)行了橫截面TEM(透 射電子顯微鏡)觀察，以測(cè)量狀態(tài)可變材料層2的結(jié)晶粒度。狀態(tài)可變材 料層2中位于下部電極3附近的部分的結(jié)晶粒度，有狀態(tài)可變材料層2中 位于上部電極1附近的部分的結(jié)晶粒度的兩倍或兩倍以上的大小。這樣， 確認(rèn)到了下述事情，即與狀態(tài)可變材料層2中位于上部電極1附近的部 分相比，位于下部電極3附近的部分的結(jié)晶性更為良好。
由上述內(nèi)容可見(jiàn)，在使已形成了下部電極3的襯底4的溫度從約600 。C逐漸降低的狀態(tài)下形成了狀態(tài)可變材料層2時(shí)，狀態(tài)可變材料層2具有 不均勾的結(jié)晶性，位于下部電極3附近的部分的結(jié)晶性良好，而位于上部 電極1附近的部分的結(jié)晶性不好。 (對(duì)樣品(D)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn))
按照上述狀態(tài)可變材料層的第三形成方法，在下部電極3上形成了狀 態(tài)可變材料層2，然后在狀態(tài)可變材料層2上形成了上部電極1，這樣來(lái) 制作了樣品(D)。 (樣品(D))
上部電極l:鉑(厚度約0.2/zm、功函數(shù)5.7eV)
狀態(tài)可變材料層2: CuFe204 (厚度約0.1"m)
下部電極3:鉑(厚度約0.2wm、功函數(shù)5.7eV)
應(yīng)該注意一下，在形成樣品(D)后，通過(guò)以上部電極1相對(duì)下部電 極3成為正極(+ )的方式在狀態(tài)可變材料層2上施加脈沖電壓(電壓值 + 3V、脈沖寬度10//see),來(lái)將狀態(tài)可變材料層2的電阻值初始化為略 略小于在剛形成后測(cè)定出的電阻值(約1MD)的十分之一的電阻值。 (第一到第三實(shí)驗(yàn))
對(duì)樣品(D)進(jìn)行了第一實(shí)施例的上述實(shí)驗(yàn)(第一到第三實(shí)驗(yàn))。這些 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，與第一實(shí)施例中的樣品(A)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣(參照?qǐng)D3 (a)、 圖3 (b)、圖4 (a)及圖4 (b))。由對(duì)樣品(D)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)， 狀態(tài)可變材料層2具有下述特性。
一 、將從結(jié)晶性不好的區(qū)域向結(jié)晶性良好的區(qū)域延伸的方向設(shè)為正方 向、并且將從結(jié)晶性良好的區(qū)域向結(jié)晶性不好的區(qū)域延伸的方向設(shè)為反方 向的二極管特性。
二、正方向上的電阻值根據(jù)被施加的脈沖電壓而增加或減少的特性(可 變電阻特性)。明確地說(shuō)，在以上部電極1相對(duì)下部電極3成為正極(+ ) 的方式在上部電極1與下部電極3之間施加脈沖電壓時(shí)，正方向上的電阻 值減少；以上部電極1相對(duì)下部電極3成為負(fù)極(一)的方式在上部電極 1與下部電極3之間施力。脈沖電壓時(shí)，正方向上的電阻值增加。
其間，本案發(fā)明人還準(zhǔn)備了樣品(D，)。該樣品(D')，是通過(guò)在形成 該樣品(D，)后，以上部電極1相對(duì)下部電極3成為負(fù)極(一)的方式在 狀態(tài)可變材料層2上施加脈沖電壓(電壓值一3V、脈沖寬度10"sec)， 來(lái)將狀態(tài)可變材料層2的電阻值初始化為略略小于在剛形成后測(cè)定出的電 阻值(約1MQ)的十分之一的電阻值的。除了這個(gè)事情以外，該樣品(D') 就與樣品(D) —樣。
對(duì)樣品(D，)也進(jìn)行了對(duì)樣品(D)進(jìn)行的上述實(shí)驗(yàn)(第一到第三實(shí)驗(yàn))。
(對(duì)樣品(D')進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)) 對(duì)樣品(D')進(jìn)行的第一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，呈圖8 (a)所示的樣子；對(duì)樣 品(D')進(jìn)行的第二實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，呈圖8 (b)所示的樣子。另外，也確認(rèn)
到了下述事情，即對(duì)樣品(D，)進(jìn)行的第三實(shí)驗(yàn)的結(jié)果(電流—電壓特 性)，是在施加正(+ )脈沖電壓后呈圖4 (b)所示的樣子，而在施加負(fù) (_)脈沖電壓后呈圖4 (a)所示的樣子。由對(duì)樣品(D')進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果可見(jiàn)，狀態(tài)可變材料層2具有下述特性。
一 、將從結(jié)晶性不好的區(qū)域向結(jié)晶性良好的區(qū)域延伸的方向設(shè)為正方 向、并且將從結(jié)晶性良好的區(qū)域向結(jié)晶性不好的區(qū)域延伸的方向設(shè)為反方 向的二極管特性。
二 、正方向上的電阻值根據(jù)纟皮施加的脈沖電壓而增加或減少的特性(可 變電阻特性)。明確地說(shuō)，在以上部電極1相對(duì)下部電極3成為正極(+ ) 的方式在上部電極1與下部電極3之間施加務(wù)、沖電壓時(shí)，正方向上的電阻 值增加；在以上部電極1相對(duì)下部電極3成為負(fù)極(一)的方式在上部電 極1與下部電極3之間施加脈沖電壓時(shí)，正方向上的電阻值減少。
由對(duì)上述樣品(樣品(D)和樣品(D'))進(jìn)行的上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)， 狀態(tài)可變材料層2具有下述特性。
一、 在狀態(tài)可變材料層2的結(jié)晶性不均勻的情況下，將從一個(gè)電極向 另一個(gè)電極延伸的方向(第一方向)設(shè)為正方向、并且將從所述另一個(gè)電 極向所述一個(gè)電極延伸的方向設(shè)為反方向(與所述第一方向相反的第二方 向)的二極管特性。
二、 在施加規(guī)定脈沖電壓時(shí)，二極管特性的正方向上的電阻值增加或 減少的特性(可變電阻特性)。
另外，也確認(rèn)到了下述事情，即關(guān)于為變化電阻值所施加的脈沖電 壓，第二實(shí)施例的脈沖電壓的務(wù)1c沖寬度(50nsec)，比現(xiàn)有例的務(wù)^沖電壓 的脈沖寬度(大于或等于1/zsec)窄。
因?yàn)榇_認(rèn)到了上述特性，所以用結(jié)晶性不均勻的狀態(tài)可變材料作為狀 態(tài)可變材料層2，來(lái)制作了圖1所示的電子元件。
在第一及第二實(shí)施例中，用具有尖晶石結(jié)構(gòu)的金屬氧化物材料即 CuFe204作為狀態(tài)可變材料層2。但是，本發(fā)明并不限于此。本案發(fā)明人 確認(rèn)了即使使用下述材料中的哪個(gè)材料也都能夠?qū)崿F(xiàn)上述特性，所述材料 是具有尖晶石結(jié)構(gòu)的其他金屬氧化物材料、被添加了具有鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的 金屬的鐵電氧化物、以及具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CMR (超巨磁阻)材料或高
溫超導(dǎo)材料。具體而言，本案發(fā)明人確認(rèn)到了能用從下述材料中選出的材
料來(lái)實(shí)現(xiàn)上述特性，所述材料，例如是CoFe204、 NiCr204、 Fe304、 CrSrTi03、 SrLiNb03、 Mg-LiNb03、 Pr(1-x)CaxMnO3、 LaSrMnOs、 以及GdBaCoxOy。
也可以是這樣的，用別的電極材料作為上部電極1和下部電極3。 (第一實(shí)施形態(tài)) (圖形符號(hào)的定義)
對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)的電子元件進(jìn)行說(shuō)明。本案發(fā)明人給第一實(shí) 施形態(tài)的電子元件的圖形符號(hào)下了如圖IO所示的定義。在圖IO所示的電 子元件102中，在以端子101-1相對(duì)端子101-2成為正極(+ )的方式在 端子101-1與端子101-2之間施加脈沖電壓時(shí)，電子元件102的電阻值減 少；在以端子101-1相對(duì)端子101-2成為負(fù)極(—)的方式在端子101-1 與端子101-2之間施加脈沖電壓時(shí)，電子元件102的電阻值增加。而且， 圖IO所示的電子元件102，具有將從端子101-1向端子101-2延伸的方 向設(shè)為"正方向"、并且將從端子101-2向端子101-1延伸的方向設(shè)為"反 方向"的二極管特性。 (工作)
下面，對(duì)圖10所示的電子元件102的工作情況進(jìn)行說(shuō)明。在此，電 子元件102被用作處理一位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。假設(shè)電子元件102的電阻值(狀 態(tài)可變材料層2的電阻值)已被初始化為高電阻狀態(tài)。還假設(shè)在電子元件 102的電阻值處于"高電阻狀態(tài)"時(shí)，邏輯值是"0";在電子元件102的 電阻值處于"低電阻狀態(tài)"時(shí)，邏輯值是"1"。 (存儲(chǔ))
為了將表示"1"的一位數(shù)據(jù)寫(xiě)入到電子元件102中，讓端子101-2 接地，在端子101-1上施加存儲(chǔ)電壓。該存儲(chǔ)電壓，例如為電阻值+ 3V、 脈沖寬度50nsec的脈沖電壓(正(+ )脈沖電壓)。因?yàn)樵陔娮釉?02 上施加了正(+ )脈沖電壓，所以電子元件102的電阻值(狀態(tài)可變材料 的電阻值)變到低電阻狀態(tài)。這樣，來(lái)將表示"1"的一位數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到電 子元件102中。 (復(fù)位)
為了使電子元件102的存儲(chǔ)狀態(tài)復(fù)位到初始狀態(tài)，讓端子101-2接地， 在端子101-1上施加復(fù)位電壓。該復(fù)位電壓，例如為電阻值一3V、脈沖寬 度50nsec的脈沖電壓(負(fù)(一)脈沖電壓)。因?yàn)樵陔娮釉?02上施加 了負(fù)(一)脈沖電壓，所以電子元件102的電阻值變到高電阻狀態(tài)。這樣， 來(lái)使電子元件102的存儲(chǔ)狀態(tài)復(fù)位到初始狀態(tài)。 (再生)
為了從電子元件102讀出數(shù)據(jù)，讓端子101-2接地，在端子101-1上 施加再生電壓。該再生電壓，例如為電阻值+ 0.5V的電壓。因?yàn)樵陔娮釉?件102上施加了再生電壓(=正(+ )測(cè)定電壓)，所以具有根據(jù)電子元 件102的電阻值而決定的電流值的電流，從端子101-1流向101-2 (正方 向)。在此，若假設(shè)在電子元件102的電阻值處于"高電阻狀態(tài)"時(shí)流動(dòng) 的電流對(duì)應(yīng)于"0"，并且在電子元件102的電阻值處于"低電阻狀態(tài)"時(shí) 流動(dòng)的電流對(duì)應(yīng)于"1"，上述電流的流動(dòng)就意味著再生了已儲(chǔ)存在電子元 件102中的一位數(shù)據(jù)。
這樣，如上所述，能用電子元件102作為存儲(chǔ)器。 (效果)
如上所述，因?yàn)殡娮釉哂?二極管特性"，所以能在未為此使用二 極管元件的狀態(tài)下，決定電流的方向。而且，該電子元件具有"可變電阻 特性"，從而能用該電子元件例如作為1D1R式非易失性存儲(chǔ)器。在這樣 使用的情況下，不需要設(shè)置二極管，從而與現(xiàn)有1D1R式非易失性存儲(chǔ)器 相比，能使制造工序簡(jiǎn)化。
因?yàn)槲丛O(shè)置二極管，所以用來(lái)施加在可變電阻材料上的脈沖電壓的極 性不受限制。因此，無(wú)論是正(+ )極性的脈沖電壓還是負(fù)(一)極性的 脈沖電壓，都能施加在狀態(tài)可變材料層上。在這樣的脈沖施加方法(電阻 值根據(jù)脈沖電壓的極性而變化的方法)中，與現(xiàn)有脈沖施加方法(通過(guò)調(diào) 整脈沖電壓的脈沖寬度來(lái)使可變電阻材料的電阻值變化的方法)相比，被 施加的脈沖電壓的脈沖寬度更窄(在第一實(shí)施形態(tài)中，為50nsec)。就是 說(shuō)，能夠縮短為存儲(chǔ)或復(fù)位所需要的時(shí)間。
102的狀態(tài)可變材料層2時(shí)，也都能實(shí)現(xiàn)上述效果，所述材料是具有尖
晶石結(jié)構(gòu)的CuFe204、 CoFe204、 NiCr204或Fe304，被添加了具有鈦鐵 礦結(jié)構(gòu)的金屬的鐵電氧化物，以及具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CMR (超巨磁阻) 材料或高溫超導(dǎo)材料等等。具體而言，即使使用Cr-SrTi03、 Sr-LiNbOs、 Mg-LiNb03、 Pr(i-x)CaxMn03、 LaSrMnOs、 GdBaCoxOy等材料，也能 夠?qū)崿F(xiàn)上迷效果。
在CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工序中，最好是膜形成溫度低于 或等于450。C，以免因高溫而造成損傷等。為了形成具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材 料的膜， 一般需要設(shè)襯底溫度為700。C或700。C以上。另一方面，為了形 成具有尖晶石結(jié)構(gòu)的材料的膜，村底溫度只要約有400。C就足夠了 。因此， 在用具有尖晶石結(jié)構(gòu)的材料作為圖1所示的狀態(tài)可變材料層2時(shí)，能設(shè)膜 形成溫度為較低的溫度。這樣，與具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料相比，具有尖晶 石結(jié)構(gòu)的材料更適于半導(dǎo)體工序。
一般來(lái)說(shuō)，高溫超導(dǎo)材料和CMR材料，是包含堿金屬或堿土金屬的、 或者包含堿金屬及堿土金屬的氧化物。在用這樣的材料形成圖l所示的電 子元件時(shí)，在半導(dǎo)體工序的清洗步驟中，堿金屬或堿土金屬、或者堿金屬 及堿土金屬溶解出來(lái)，從而電子元件的作為存儲(chǔ)單元的特性惡化。為了防 止該特性惡化，最好是用不包括堿金屬及堿土金屬的材料作為狀態(tài)可變材 料層2。
在第一實(shí)施形態(tài)中，用相互不同的兩種狀態(tài)，即高電阻狀態(tài)和低電阻 狀態(tài)，表示一位數(shù)據(jù)，這樣來(lái)用電子元件作為存儲(chǔ)器。然而，也可以是這 樣的，即用電子元件作為使電脈沖的寬度和振幅變化而生成4種或更多 種電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)單元，這樣來(lái)儲(chǔ)存兩位信息、三位信息或更多
位信息。
(第二實(shí)施形態(tài))
(整體結(jié)構(gòu))
圖11，表示基于本發(fā)明的第二實(shí)施形態(tài)的存儲(chǔ)裝置200的整體結(jié)構(gòu)。 存儲(chǔ)裝置200，包含存儲(chǔ)器陣列201，地址緩沖器202，控制部203， 行譯碼器204，驅(qū)動(dòng)字線器205，列譯碼器206，以及驅(qū)動(dòng)位線器207。
存儲(chǔ)器陣列201，包含字線W1及W2，位線B1及B2，以及存儲(chǔ) 單元MC211、 MC212、 MC221及MC222。存儲(chǔ)單元MC211、 MC212、
MC221及MC222中的各個(gè)存儲(chǔ)單元，是圖10所示的電子元件102。存 儲(chǔ)單元MC211的一端，連接在字線W1上；存儲(chǔ)單元MC211的另一端， 連接在位線B1上(正方向W1—Bl)。存儲(chǔ)單元MC212的一端，連接 在字線W2上；存儲(chǔ)單元MC212的另一端，連接在位線Bl上(正方向 W2—B1)。存儲(chǔ)單元MC221的一端，連接在字線Wl上；存儲(chǔ)單元MC221 的另一端，連接在位線B2上(正方向W1—B2)。存儲(chǔ)單元MC222的 一端，連接在字線W2上；存儲(chǔ)單元MC222的另一端，連接在位線B2 上(正方向W2—B2)。
地址緩沖器202，接收從存儲(chǔ)裝置200的外部被提供的地址信號(hào) ADDRESS,再向行譯碼器204輸出行地址信號(hào)ROW，并且向列譯碼器 206輸出列地址信號(hào)C0LUMN。地址信號(hào)ADDRESS,表示從存儲(chǔ)單元 MC211、 MC212、 MC221及MC222中選出的存儲(chǔ)單元的地址。行地址 信號(hào)R0W，表示由地址信號(hào)ADDRESS表示的地址中的行地址。列地址 信號(hào)COLUMN,表示由地址信號(hào)ADDRESS表示的地址中的列地址。
控制部203，根據(jù)從存儲(chǔ)裝置200的外部被提供的模式選擇信號(hào) MODE,開(kāi)始存儲(chǔ)模式、復(fù)位模式及再生模式中的任一種模式。在存儲(chǔ)模 式中，控制部203，根據(jù)從存儲(chǔ)裝置200的外部被提供的輸入數(shù)據(jù)Din， 向驅(qū)動(dòng)字線器205和驅(qū)動(dòng)位線器207輸出指示"存儲(chǔ)電壓的施加"的控制 信號(hào)CONT。在再生模式中，控制部203向驅(qū)動(dòng)字線器205和驅(qū)動(dòng)位線 器207輸出指示"再生電壓的施加"的控制信號(hào)CONT。在再生模式中， 控制部203還向外部裝置輸出輸出數(shù)據(jù)Dout,該輸出數(shù)據(jù)Dout表示根據(jù)
從驅(qū)動(dòng)位線器207接收的信號(hào)lREAD而決定的位值。信號(hào)lREAD表示流過(guò)
位線Bl或B2的電流的電流值。在復(fù)位模式中，控制部203檢查存儲(chǔ)單 元MC211、 MC212、 MC221及MC222的存儲(chǔ)狀態(tài)，再根據(jù)檢出的存儲(chǔ) 狀態(tài)向驅(qū)動(dòng)字線器205和驅(qū)動(dòng)位線器207輸出指示"復(fù)位電壓的施加"的 控制信號(hào)CONT。
行譯碼器204，根據(jù)從地址緩沖器202接收的行地址信號(hào)ROW，選 出字線Wl及W2中的任一條字線。
在從控制部203接收了指示"存儲(chǔ)電壓的施加"的控制信號(hào)CONT 時(shí)，驅(qū)動(dòng)字線器205在被行譯碼器204選出的字線上施加存儲(chǔ)電壓
VlwRITE。在從控制部203接收了指示"再生電壓的施加"的控制信號(hào)
CONT時(shí)，驅(qū)動(dòng)字線器205在被行譯碼器204選出的字線上施加再生電 壓V1READ。在從控制部203接收了指示"復(fù)位電壓的施加"的控制信號(hào) CONT時(shí)，驅(qū)動(dòng)字線器205在被行譯碼器204選出的字線上施加復(fù)位電 壓V1reseto
列譯碼器206，根據(jù)從地址緩沖器202接收的列地址信號(hào)COLUMN, 選出位線Bl及B2中的任一條位線。
在從控制部203接收了指示"存儲(chǔ)電壓的施加"的控制信號(hào)CONT 時(shí)，驅(qū)動(dòng)位線器207在被列譯碼器206選出的位線上施加存儲(chǔ)電壓 V2write。在從控制部203接收了指示"再生電壓的施加"的控制信號(hào) CONT時(shí)，驅(qū)動(dòng)位線器207在被列譯碼器206選出的位線之外的其他位 線上施加再生電壓V2read，然后向控制部203輸出表示流過(guò)位線Bl或 B2的電流的電流值的信號(hào)Iread。在從控制部203接收了指示"復(fù)位電壓 的施加"的控制信號(hào)CONT時(shí)，驅(qū)動(dòng)位線器207在被列譯碼器206選出 的位線上施加復(fù)位電壓V2reset。
存儲(chǔ)電壓V1write，例如是電壓值+1.5V、脈沖寬度50nsec的脈沖 電壓；存儲(chǔ)電壓V2write，例如是電壓值一1.5V、脈沖寬度50nsec的脈 沖電壓。在此，存儲(chǔ)電壓VIwrite與存儲(chǔ)電壓V2write之間的電位差為3V。
再生電壓VlREAD和再生電壓V2READ的電壓值，例如分別為+0.5V。 在此，再生電壓VlREAD和再生電壓V2reAD相等。
復(fù)位電壓V1reset，例如是電壓值一1.5V、脈沖寬度50nsec的脈沖電 壓；復(fù)位電壓V2RESET，例如是電壓值+ 1.5V、脈沖寬度50nsec的脈沖電
壓。在此，復(fù)位電壓VlRESET與復(fù)位電壓V2RESET之間的電位差為3V。
(工作)
下面，說(shuō)明圖11所示的存儲(chǔ)裝置200的工作情況。存儲(chǔ)裝置200的 工作模式包含將輸入數(shù)據(jù)Din寫(xiě)入在存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)模式，讓已寫(xiě)入 在存儲(chǔ)單元中的信息復(fù)位的復(fù)位模式，以及作為輸出數(shù)據(jù)Dout輸出(再 生)已寫(xiě)入在存儲(chǔ)單元中的信息的再生模式。在此，假設(shè)存儲(chǔ)單元MC211、 MC212、 MC221及MC222已被初始化為高電阻狀態(tài)。還假設(shè)地址信號(hào) ADDRESS表示存儲(chǔ)單元MC211的地址。
(存儲(chǔ)模式) 首先，說(shuō)明存儲(chǔ)模式時(shí)的工作情況。
在輸入數(shù)據(jù)Din表示"1"時(shí)，控制部203向驅(qū)動(dòng)字線器205和驅(qū)動(dòng) 位線器207輸出指示"存儲(chǔ)電壓的施加"的控制信號(hào)CONT。在輸入數(shù)據(jù) Din表示"0"時(shí)，控制部203不輸出控制信號(hào)CONT。
在從控制部203接收了指示"存儲(chǔ)電壓的施加"的控制信號(hào)CONT 時(shí)，驅(qū)動(dòng)位線器207在被列譯碼器206逸出的位線Bl上施加存儲(chǔ)電壓 V2write，讓其他位線B2 (未被選出的位線)接地。
其間，在從控制部203接收了指示"存儲(chǔ)電壓的施加"的控制信號(hào) CONT時(shí)，驅(qū)動(dòng)字線器205在被行譯碼器204選出的字線上施加存儲(chǔ)電 壓V1WRITE，讓其他字線W2 (未被選出的字線)接地。
因?yàn)樵诖鎯?chǔ)單元MC211中被施加了電壓值+ 3V、脈沖寬度50nsec 的脈沖電壓(正(+ )脈沖電壓)，所以存儲(chǔ)單元MC211的電阻值變到低 電阻狀態(tài)。
雖然在存儲(chǔ)單元MC212中，施加了電壓值一1.5V、脈沖寬度50nsec 的脈沖電壓(負(fù)(一)脈沖電壓)，但因?yàn)楸皇┘恿说拿}沖電壓的電壓值未 達(dá)到規(guī)定電平(在此，為"—3V")，所以存儲(chǔ)單元MC212的電阻狀態(tài)不 變化。
雖然在存儲(chǔ)單元MC221中，施加了電壓值+1.5V、脈沖寬度50nsec 的脈沖電壓(正(+ )脈沖電壓)，但因?yàn)楸皇┘恿说拿}沖電壓的電壓值未 達(dá)到規(guī)定電平(在此，為"+ 3V"),所以存儲(chǔ)單元MC221的電阻狀態(tài)不 變化。
因?yàn)榇鎯?chǔ)單元MC222的兩端之間的電位差為0V，所以存儲(chǔ)單元 MC222的電阻狀態(tài)不變化。
這樣，因?yàn)閮H存儲(chǔ)單元MC211的電阻狀態(tài)變?yōu)?低電阻狀態(tài)"，所以 表示"1"的一位數(shù)據(jù)就被寫(xiě)入在存儲(chǔ)單元MC211中。
在將數(shù)據(jù)寫(xiě)入在存儲(chǔ)單元MC211中的工作完成后，新地址信號(hào) ADDRESS被輸入在地址緩沖器202中，上述存儲(chǔ)模式時(shí)的工作被反復(fù)進(jìn) 行。
(再生模式)
下面，說(shuō)明再生模式時(shí)的工作情況。
控制部203,向驅(qū)動(dòng)字線器205和驅(qū)動(dòng)位線器207輸出指示"再生電 壓的施加"的控制信號(hào)CONT。
在從控制部203接收了指示"再生電壓的施加"的控制信號(hào)CONT 時(shí)，驅(qū)動(dòng)位線器207在被列譯碼器206選出的位線以外的其他位線上施加 再生電壓V2READ，讓別的位線B1 (被選出的位線)接地。
其間，在從控制部203接收了指示"再生電壓的施加"的控制信號(hào) CONT時(shí)，驅(qū)動(dòng)字線器205在被行譯碼器204選出的字線上施加再生電 壓VlREAD，讓其他字線W2 (未被選出的字線)接地。
因?yàn)樵诖鎯?chǔ)單元MC211中，被施加了正(+ )測(cè)定電壓，所以具有 根據(jù)存儲(chǔ)單元MC211的電阻值而決定的電流值的電流流過(guò)存儲(chǔ)單元 MC211，再流出到位線B1中。
因?yàn)榇鎯?chǔ)單元MC212的兩端之間的電位差為0V，所以沒(méi)有電流流過(guò) 存儲(chǔ)單元MC212。因?yàn)樵诖鎯?chǔ)單元MC212中，從位線B1向字線W2延 伸的方向是"反方向"，所以沒(méi)有可能流過(guò)位線B1的電流流入字線W2中。
因?yàn)榇鎯?chǔ)單元MC221的兩端之間的電位差為0V，所以沒(méi)有電流流過(guò) 存儲(chǔ)單元MC221。
因?yàn)樵诖鎯?chǔ)單元MC222中，被施加了負(fù)(—)測(cè)定電壓，所以沒(méi)有 電流流過(guò)存儲(chǔ)單元MC222。
接著，驅(qū)動(dòng)位線器207測(cè)定流過(guò)位線Bl或B2的電流的電流值，再 向控制部203輸出表示測(cè)定出的電流值的信號(hào)I read。之后，控制部203 向外部裝置輸出根據(jù)信號(hào)I read所表示的電流值而決定的輸出數(shù)據(jù)Dout。 例如，若該測(cè)定出的電流值是在低電阻狀態(tài)時(shí)流動(dòng)的電流的電流值，從控 制部203輸出的輸出數(shù)據(jù)Dout就表示"1"。
這樣，因?yàn)殡娏鲀H流過(guò)存儲(chǔ)單元MC221,流過(guò)存儲(chǔ)單元MC211的電 流流入位線Bl中，所以一位數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)單元MC211被讀出。
在從存儲(chǔ)單元MC211中讀出數(shù)據(jù)的工作完成后，新地址信號(hào) ADDRESS被輸入在地址緩沖器202中，上述再生模式時(shí)的工作被反復(fù)進(jìn) 行。
(復(fù)位模式)
下面，說(shuō)明復(fù)位模式時(shí)的工作情況。
控制部203，通過(guò)再生模式的處理步驟檢查存儲(chǔ)單元MC211的存儲(chǔ) 狀態(tài)。
在控制部203判斷為存儲(chǔ)單元MC211儲(chǔ)存有表示"1"的位數(shù)據(jù)(存 儲(chǔ)單元MC211處于低電阻狀態(tài))的情況下，控制部203向驅(qū)動(dòng)字線器205 和驅(qū)動(dòng)位線器207輸出指示"復(fù)位電壓的施加"的控制信號(hào)CONT。在存 儲(chǔ)單元MC211儲(chǔ)存有表示"0"的位數(shù)據(jù)(存儲(chǔ)單元MC211處于高電阻 狀態(tài))的情況下，控制部203不輸出控制信號(hào)CONT。
在從控制部203接收了指示"復(fù)位電壓的施加"的控制信號(hào)CONT 時(shí)，驅(qū)動(dòng)位線器207在被列譯碼器206選出的位線Bl上施加復(fù)位電壓 V2reset，讓其他位線B1 (未被選出的位線)接地。
其間，在從控制部203接收了指示"復(fù)位電壓的施加"的控制信號(hào) CONT時(shí)，驅(qū)動(dòng)字線器205在被行譯碼器204選出的字線上施加復(fù)位電 壓VI reset,讓其他字線W2 (未被選出的字線)接地。
因?yàn)樵诖鎯?chǔ)單元MC211中被施加了電壓值一3V、脈沖寬度50nsec 的脈沖電壓(負(fù)(一)脈沖電壓)，所以存儲(chǔ)單元MC211的電阻值變?yōu)楦?電阻狀態(tài)。
雖然在存儲(chǔ)單元MC212中施加了電壓值+ 1.5V、脈沖寬度50nsec 的脈沖電壓(正(+ )脈沖電壓)，但因?yàn)楸皇┘恿说拿}沖電壓的電壓值未 達(dá)到規(guī)定電平(在此，為"+ 3V")，所以存儲(chǔ)單元MC212的電阻狀態(tài)不 變化。
雖然在存儲(chǔ)單元MC221中施加了電壓值一1.5V、脈沖寬度50nsec 的脈沖電壓(負(fù)(一)脈沖電壓)，但因?yàn)楸皇┘恿说拿}沖電壓的電壓值未 達(dá)到規(guī)定電平(在此，為"一3V")，所以存儲(chǔ)單元MC221的電阻狀態(tài)不 變化。
因?yàn)榇鎯?chǔ)單元MC222的兩端之間的電位差為0V，所以存儲(chǔ)單元 MC222的電阻狀態(tài)不變化。
這樣，因?yàn)閮H存儲(chǔ)單元MC211的電阻狀態(tài)變?yōu)?高電阻狀態(tài)"，所以 已儲(chǔ)存在存儲(chǔ)單元MC211中的一位數(shù)據(jù)就復(fù)位。
在存儲(chǔ)單元MC211的復(fù)位工作完成后，新地址信號(hào)ADDRESS被輸
入在地址緩沖器202中，上述復(fù)位模式時(shí)的工作被反復(fù)進(jìn)行。
(效果)
如上所述，因?yàn)殡娮釉?存儲(chǔ)單元)具有"二極管特性"，所以沒(méi)有 電流從字線流向別的字線。因而，能在未另外設(shè)置二極管元件的狀態(tài)下， 制作存儲(chǔ)裝置。因此，能使制造工序簡(jiǎn)化。
根據(jù)第二實(shí)施形態(tài)，規(guī)定脈沖電壓施加在要儲(chǔ)存信息的電子元件上，
這時(shí)該規(guī)定脈沖電壓不施加在其他電子元件上。其結(jié)果是，能僅使要儲(chǔ)存 信息的電子元件的電阻狀態(tài)變化。就是說(shuō)，能夠任意選出電子元件，并且 將信息儲(chǔ)存在該選出的電子元件中。
根據(jù)第二實(shí)施形態(tài)，在要讀出信息的電子元件中，電流沿正方向流動(dòng)，
而這時(shí)沒(méi)有電流在其他電子元件中沿正方向流動(dòng)。因此，能僅讀出流過(guò)要 讀出信息的電子元件的電流。就是說(shuō)，能夠任意選出電子元件，并且讀出 已儲(chǔ)存在該選出的電子元件中的信息。
圖11， ^叉表示了四個(gè)存儲(chǔ)單元，不過(guò)本發(fā)明并不限于此。例如，也可 以將五個(gè)或更多個(gè)存儲(chǔ)單元設(shè)置為矩陣狀。
(第三實(shí)施形態(tài))
(結(jié)構(gòu))
圖12，表示基于本發(fā)明的第三實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體集成電路 (Embedded-RAM:嵌入式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)300的結(jié)構(gòu)。該電路300, 包含圖11所示的存儲(chǔ)裝置200和邏輯電路301，被形成為一個(gè)半導(dǎo)體芯 片。圖11所示的存儲(chǔ)裝置200，被用作數(shù)據(jù)RAM (隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。 邏輯電路301，是進(jìn)行規(guī)定運(yùn)算(例如，對(duì)聲音數(shù)據(jù)或圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼 或譯碼)的電路，在該運(yùn)算時(shí)使用存儲(chǔ)裝置200。邏輯電路301，對(duì)提供 給存儲(chǔ)裝置200的地址信號(hào)ADDRESS和模式選擇信號(hào)MODE進(jìn)行控 制，以將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到存儲(chǔ)裝置200中或者從存儲(chǔ)裝置200中讀出數(shù)據(jù)。 (工作)
下面，對(duì)圖12所示的半導(dǎo)體集成電路(嵌入式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)300 的工作情況進(jìn)行說(shuō)明。電路300的工作，包含寫(xiě)入步驟、讀出步驟、以及 復(fù)位步驟，該寫(xiě)入步驟是為了將規(guī)定數(shù)據(jù)(位數(shù)據(jù))寫(xiě)入在存儲(chǔ)裝置200 中進(jìn)行的；該讀出步驟是為了讀出已寫(xiě)入在存儲(chǔ)裝置200中的數(shù)據(jù)進(jìn)行的；
該復(fù)位步驟是為了讓已寫(xiě)入在存儲(chǔ)裝置200中的數(shù)據(jù)復(fù)位進(jìn)行的。
(寫(xiě)入步驟) 首先，說(shuō)明寫(xiě)入步驟。
為了將規(guī)定數(shù)據(jù)(例如，已編碼的動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)等)寫(xiě)入到存儲(chǔ)裝置
200中，邏輯電路301向存儲(chǔ)裝置200的控制部203輸出表示"存儲(chǔ)模式" 的模式選擇信號(hào)MODE。
接著，為了選出要寫(xiě)入該規(guī)定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，邏輯電路301向存儲(chǔ) 裝置200的地址緩沖器202依次輸出地址信號(hào)ADDRESS。其結(jié)果是， 在存儲(chǔ)裝置200中，存儲(chǔ)單元根據(jù)地址信號(hào)ADDRESS依次被選出。
接著，邏輯電路301,以每次作為一位數(shù)據(jù)Din輸出一個(gè)位的方式， 向存儲(chǔ)裝置200的控制部203輸出該規(guī)定數(shù)據(jù)。
接著，在存儲(chǔ)裝置200中，進(jìn)行與第二實(shí)施形態(tài)的存儲(chǔ)模式時(shí)的工作 一樣的工作。其結(jié)果是，該規(guī)定數(shù)據(jù)以每次被寫(xiě)入一個(gè)位的方式被寫(xiě)入到 存儲(chǔ)裝置200中。 (讀出步驟)
下面，說(shuō)明讀出步驟。
為了讀出已寫(xiě)入到存儲(chǔ)裝置200中的數(shù)據(jù)，邏輯電路301向存儲(chǔ)裝置 200的控制部203輸出表示"再生模式"的模式選擇信號(hào)MODE。
接著，為了選出要讀出已寫(xiě)入的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，邏輯電路301向存 儲(chǔ)裝置200的地址緩沖器202依次輸出地址信號(hào)ADDRESS。其結(jié)果是， 在存儲(chǔ)裝置200中，存儲(chǔ)單元根據(jù)地址信號(hào)ADDRESS依次被選出。
接著，在存儲(chǔ)裝置200中，進(jìn)行與第二實(shí)施形態(tài)的再生模式時(shí)的工作 一樣的工作。其結(jié)果是，已儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中的數(shù)據(jù)，以每次作為輸 出數(shù)據(jù)Dout被讀出 一個(gè)位的方式被讀出。 (復(fù)位步驟)
下面，說(shuō)明復(fù)位步驟。
為了讓已寫(xiě)入到存儲(chǔ)裝置200中的數(shù)據(jù)復(fù)位，邏輯電路301向存儲(chǔ)裝 置200的控制部203輸出表示"復(fù)位模式"的模式選擇信號(hào)MODE。
接著，為了選出要讓已儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)復(fù)位的存儲(chǔ)單元，邏輯電路301向 存儲(chǔ)裝置200的地址緩沖器202依次輸出地址信號(hào)ADDRESS。其結(jié)果
是，在存儲(chǔ)裝置200中，存儲(chǔ)單元根據(jù)地址信號(hào)ADDRESS依次被選出。 接著，在存儲(chǔ)裝置200中，進(jìn)行與第二實(shí)施形態(tài)的復(fù)位模式時(shí)的工作 一樣的工作。其結(jié)果是，已儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中的數(shù)據(jù)，以每次復(fù)一個(gè) 位的方式復(fù)位。 (效果)
如上所述，能將大量的信息快速地儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中。 (第四實(shí)施形態(tài)) (結(jié)構(gòu))
圖13，表示基于本發(fā)明的第四實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體集成電路 (reconfigurable LSI:可重構(gòu)大規(guī)模集成電路)400的結(jié)構(gòu)。該電路400， 包含圖11所示的存儲(chǔ)裝置200、處理器401及接口 402，被形成為一個(gè) 半導(dǎo)體芯片。圖11所示的存儲(chǔ)裝置200,被用作程序ROM(只讀存儲(chǔ)器)， 儲(chǔ)存為處理器401的工作所需要的程序。處理器401，按照已儲(chǔ)存在存儲(chǔ) 裝置200中的程序進(jìn)行工作，以控制存儲(chǔ)裝置200和接口 402。接口 402， 向存儲(chǔ)裝置200依次輸出從外部裝置被提供的程序。 (工作)
下面，對(duì)圖13所示的半導(dǎo)體集成電路(可重構(gòu)大規(guī)模集成電路)400 的工作情況進(jìn)行說(shuō)明。該電路400的工作，包含執(zhí)行程序步驟和重寫(xiě)程序 步驟，該執(zhí)行程序步驟是該電路400根據(jù)已儲(chǔ)存的程序進(jìn)行工作的；該重 寫(xiě)程序步驟是為了將已儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中的程序重寫(xiě)為別的新程序進(jìn) 行的。
(執(zhí)行程序步驟) 首先，說(shuō)明執(zhí)行程序步驟。
為了讀出已儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中的程序，處理器401向存儲(chǔ)裝置 200的控制部203輸出表示"再生模式"的模式選擇信號(hào)MODE。
接著，處理器401向存儲(chǔ)裝置200的地址緩沖器202依次輸出地址信 號(hào)ADDRESS,該地址信號(hào)ADDRESS表示已儲(chǔ)存了必要的程序的存儲(chǔ) 單元。其結(jié)果是，在存儲(chǔ)裝置200中，存儲(chǔ)單元根據(jù)地址信號(hào)ADDRESS 依次#1選出。
接著，在存儲(chǔ)裝置200中，進(jìn)行與第二實(shí)施形態(tài)的再生模式時(shí)的工作
一樣的工作。其結(jié)果是，已儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中的程序，以每次作為輸
出數(shù)據(jù)Dout被讀出一個(gè)位的方式被讀出。
接著，處理器401，按照從存儲(chǔ)裝置200讀出的程序進(jìn)行規(guī)定的運(yùn)算。 (重寫(xiě)程序步驟) 下面，說(shuō)明重寫(xiě)程序步驟。
為了擦除已儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中的程序(要重寫(xiě)的程序)，處理器 401向存儲(chǔ)裝置200的控制部203輸出表示"復(fù)位模式"的模式選擇信號(hào) MODE。
接著，處理器401向存儲(chǔ)裝置200的地址緩沖器202依次輸出地址信 號(hào)ADDRESS,該地址信號(hào)ADDRESS表示已儲(chǔ)存了要重寫(xiě)的程序的存 儲(chǔ)單元。其結(jié)果是，在存儲(chǔ)裝置200中，存儲(chǔ)單元根據(jù)地址信號(hào)ADDRESS 依次被選出。
接著，在存儲(chǔ)裝置200中，進(jìn)行與第二實(shí)施形態(tài)的復(fù)位模式時(shí)的工作 一樣的工作。其結(jié)果是，已儲(chǔ)存在存儲(chǔ)單元中的程序，以每次復(fù)一個(gè)位的 方式復(fù)位。
在存儲(chǔ)單元的復(fù)位工作完成后，處理器401向存儲(chǔ)裝置200的控制部 203輸出表示"存儲(chǔ)模式"的模式選擇信號(hào)MODE，以寫(xiě)入新程序。
接著，處理器401，向存儲(chǔ)裝置200的地址緩沖器202依次輸出地址 信號(hào)ADDRESS,該地址信號(hào)ADDRESS表示要儲(chǔ)存新程序的存儲(chǔ)單元 的位置。其結(jié)果是，在存儲(chǔ)裝置200中，存儲(chǔ)單元根據(jù)地址信號(hào)ADDRESS 依次凈皮選出。
接著，處理器401，以每次輸出一個(gè)位的方式，通過(guò)接口 402向存儲(chǔ) 裝置200的控制部203輸出從外部裝置被提供的新程序。在存儲(chǔ)裝置200 中，進(jìn)行與第二實(shí)施形態(tài)的存儲(chǔ)模式時(shí)的工作一樣的工作。其結(jié)果是，新 程序以每次被儲(chǔ)存一個(gè)位的方式被儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中。
這樣，因?yàn)榇鎯?chǔ)裝置200是可重寫(xiě)非易失性存儲(chǔ)器，所以能夠重寫(xiě)已 儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中的程序。就是說(shuō)，能代替處理器401所實(shí)現(xiàn)的功能。 而且，也可以是這樣的，即將多個(gè)程序儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置200中，并且按 照從存儲(chǔ)裝置200中讀出的程序代替處理器401所實(shí)現(xiàn)的功能。 (效果)
如上所述，能在一個(gè)大規(guī)模集成電路中實(shí)現(xiàn)相互不同的功能，就是說(shuō)， 能夠?qū)崿F(xiàn)可重構(gòu)大規(guī)模集成電路。 (第五實(shí)施形態(tài)) (結(jié)構(gòu))
圖14，表示基于本發(fā)明的第五實(shí)施形態(tài)的存儲(chǔ)裝置500的結(jié)構(gòu)。存 儲(chǔ)裝置500，包含村底501，形成在襯底501上的下部電極502,形成 在下部電極502上的狀態(tài)可變材料層503和接觸插塞504,以及形成在狀 態(tài)可變材料層503上的上部電極505-1及505-2。在此，下部電極502由 鉑(功函數(shù)5.7eV)構(gòu)成；上部電極505-1及505-2由銀(功函數(shù)4.3eV) 構(gòu)成；狀態(tài)可變材料層503由CuFe204 (厚度0.1/Zm)構(gòu)成。接觸插塞 504由鋁(Al)構(gòu)成。 (狀態(tài)可變材料)
在圖14所示的上部電極505-1與下部電極502之間施加規(guī)定脈沖電 壓時(shí)，在狀態(tài)可變材料層503中位于上部電極505-1正下方的區(qū)域(狀態(tài) 可變區(qū)&戈503a)，電阻^i變1^。在圖14所示的上部電極505-2與下部電 極502之間施加規(guī)定脈沖電壓時(shí)，在狀態(tài)可變材料層503中位于上部電極 505-2正下方的區(qū)域(狀態(tài)可變區(qū)域503yS)，電阻值變化。
在圖14所示的上部電極505-1與下部電極502之間施加正(+ )測(cè) 定電壓時(shí)，具有根據(jù)狀態(tài)可變區(qū)域503a的電阻值而決定的電流值的電流， 從接觸插塞504流去。若在圖14所示的上部電極505-1與下部電極502 之間施加負(fù)(一)測(cè)定電壓，就沒(méi)有電流流動(dòng)。同樣，在圖14所示的上 部電極505-2與下部電極502之間施加正(+ )測(cè)定電壓時(shí)，具有根據(jù)狀 態(tài)可變區(qū)域503》的電阻值而決定的電流值的電流，從接觸插塞504流去。 若在圖14所示的上部電極505-2與下部電極502之間施加負(fù)(一)測(cè)定 電壓，就沒(méi)有電流流動(dòng)。 (等效電路)
圖15，表示圖14所示的存儲(chǔ)裝置500的等效電路。在圖15中，字 線Wl對(duì)應(yīng)于上部電極505-1;字線W2對(duì)應(yīng)于上部電極505-2;下部電 極502和接觸插塞504,對(duì)應(yīng)于位線B1。存儲(chǔ)單元MC511對(duì)應(yīng)于狀態(tài)可 變區(qū)域503";存儲(chǔ)單元MC512對(duì)應(yīng)于狀態(tài)可變區(qū)域503 yS 。
(工作)
下面，參照?qǐng)D15所示的等效電路，對(duì)圖14所示的存儲(chǔ)裝置500的工 作情況進(jìn)行說(shuō)明。圖14所示的存儲(chǔ)裝置500的工作，包含存儲(chǔ)模式、復(fù) 位模式及再生模式，該存儲(chǔ)模式是將一位數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)單元中的；該復(fù) 位模式是讓一位數(shù)據(jù)復(fù)位的；該再生模式是對(duì)已儲(chǔ)存在存儲(chǔ)單元中的一位 數(shù)據(jù)進(jìn)行再生的。 (存儲(chǔ)模式)
首先，讓位線B1 (下部電極502和接觸插塞504)和字線W2 (上部 電極505-2)接地，在字線W1 (上部電極505-1)上施加存儲(chǔ)電壓。該存 儲(chǔ)電壓，例如是電壓值+ 3V、脈沖寬度50nsec的脈沖電壓。其結(jié)果是， 存儲(chǔ)單元MC511 (狀態(tài)可變區(qū)域503o;)的電阻狀態(tài)從"高電阻狀態(tài)"變 化到"低電阻狀態(tài)"。 (復(fù)位)
讓位線Bl和字線W2接地，在字線Wl上施加復(fù)位電壓。該復(fù)位電 壓，例如是電壓值一3V、脈沖寬度50nsec的脈沖電壓。其結(jié)果是，存儲(chǔ) 單元MC511的電阻狀態(tài)從"低電阻狀態(tài)"變化到"高電阻狀態(tài)"。 (再生)
讓位線Bl和字線W2接地，在字線Wl上施加再生電壓。該再生電 壓，例如是電壓值+ 0.5V的電壓。其結(jié)果是，具有根據(jù)存儲(chǔ)單元MC511 的電阻狀態(tài)而決定的電流值的電流從位線Bl流出。其間，因?yàn)樵诖鎯?chǔ)單 元MC512中，從位線B1向字線W2延伸的方向是"反方向"，所以沒(méi)有 電流從位線Bl流向字線W2 (就是說(shuō)，沒(méi)有電流從上部電極505-1流過(guò) 下^卩電極502后，諒u向上^卩電極505-2)。 (效果)
如上所述，因?yàn)闋顟B(tài)可變材料具有"二極管特性"，所以能在未為此形 成二極管的狀態(tài)下，決定電流的方向。而且，狀態(tài)可變材料具有"可變電 阻特性"，從而能例如用作1D1R式非易失性存儲(chǔ)器。在這樣使用的情況 下，不需要形成二極管，因而與現(xiàn)有1D1R式非易失性存儲(chǔ)器相比，能使 制造工序筒化。
因?yàn)槲葱纬啥O管，所以施加在可變電阻材料上的脈沖電壓的極性不
受限制。因此，無(wú)論是正(+ )極性的脈沖電壓還是負(fù)(一)極性的脈沖 電壓，都能施加在狀態(tài)可變材料層上。在這樣的脈沖施加方法(電阻值根 據(jù)脈沖電壓的極性而變化的方法)中，與現(xiàn)有脈沖施加方法(通過(guò)調(diào)整脈 沖電壓的脈沖寬度來(lái)使可變電阻材料的電阻值變化的方法)相比，被施加
的脈沖電壓的脈沖寬度更窄(在第一實(shí)施形態(tài)中，為50nsec)。就是說(shuō)， 能夠縮短為存儲(chǔ)或復(fù)位所需要的時(shí)間。
在上述第五實(shí)施形態(tài)的例子中，上部電極505-1及505-2的功函數(shù)與 下部電極502的功函數(shù)不同。然而，不言而喻，如第二實(shí)施形態(tài)所述，即 使是在狀態(tài)可變區(qū)域503的結(jié)晶性不均勻的情況下，也能夠得到 一樣的效 果。
在上述第五實(shí)施形態(tài)的例子中所述的狀態(tài)可變材料，具有下述特性， 即在以上部電極505-1 (505-2)相對(duì)下部電極502成為正極(+ )的 方式在上部電極505-1 (505-2)與下部電極502之間施加脈沖電壓時(shí)， 狀態(tài)可變區(qū)域503a (503/3)的電阻狀態(tài)變化到"低電阻狀態(tài)"的特性， 和將從上部電極505-1 (505-2)向下部電極502延伸的方向設(shè)為"正方
料，該特性是在以上部電極505-1 (505-2)相對(duì)下部電極502成為負(fù) 極(—)的方式在上部電極505-1 (505-2)與下部電極502之間施加脈 沖電壓時(shí)，狀態(tài)可變區(qū)域503a (503/3)的電阻狀態(tài)變化到"低電阻狀 態(tài)"的特性，和將從上部電極505-1 (505-2)向下部電極502延伸的方 向設(shè)為"反方向"的特性(例如，第一實(shí)施例中的樣品(A，)具有這樣的 特性)。在狀態(tài)可變區(qū)域503具有這樣的特性的情況下，圖14所示的存儲(chǔ) 裝置500的等效電路，呈圖16所示的樣子。在該情況下，能通過(guò)施下 述電壓，來(lái)得到一樣的效果，即當(dāng)存儲(chǔ)模式時(shí)，在字線W1上施加電壓 值一3V、脈沖寬度50nsec的存儲(chǔ)電壓；當(dāng)復(fù)位模式時(shí)，在字線Wl上施 加電壓值+ 3V、脈沖寬度50nsec的復(fù)位電壓；當(dāng)再生模式時(shí)，在字線 Wl上施加電壓值—0.5V的再生電壓。
在上述第五實(shí)施形態(tài)的例子中，具有兩個(gè)上部電極，不過(guò)本發(fā)明并不 限于此。即使是在形成有三個(gè)或更多個(gè)上部電極時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)一樣的效 果。 在上迷說(shuō)明中，在所施加的脈沖電壓滿足規(guī)定條件時(shí)，能使電子元件 的電阻狀態(tài)變化。因此，如果在存儲(chǔ)及復(fù)位工作時(shí)，在電子元件上施加滿 足所對(duì)應(yīng)的條件的脈沖電壓，并且在再生工作時(shí)，在電子元件上施加不滿 足該條件的電壓，就能得到一樣的效果。就是說(shuō)，雖然在上迷例子中說(shuō)明
的是，在施加電壓值+ 3V、脈沖寬度50nsec的電壓時(shí)，電子元件的電阻 狀態(tài)從"高電阻狀態(tài)"變化到"低電阻狀態(tài)"的例子，但是也能在所施加 的脈沖電壓的電壓值和脈沖寬度與上述電壓值和脈沖寬度不同的情況下， 得到一樣的效果。
應(yīng)該注意一下，在上述例子的說(shuō)明中，將電阻變化規(guī)格化后的值(R /R0)，不一定與在附圖中所示的值相等。
一工業(yè)實(shí)用性一
本發(fā)明所涉及的電子元件，作為能夠進(jìn)行低功率工作、高速寫(xiě)入工作 及高速擦除工作并且存儲(chǔ)容量很大的下一代非易失性存儲(chǔ)器等，很有用。
權(quán)利要求
1.一種電子元件，其中包括第一電極，第二電極，以及層，連接在所述第一電極與所述第二電極之間，并且具有二極管特性和可變電阻特性；所述層，在從所述第一電極及所述第二電極中的一個(gè)電極向另一個(gè)電極延伸的正方向上，傳導(dǎo)與和所述正方向相反的反方向相比電流量更多的電流；所述層在所述正方向上的電阻值，根據(jù)被施加在所述第一電極與所述第二電極之間的規(guī)定脈沖電壓而增加或減少。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子元件，其中 所述第一電極的功函數(shù)，與所述第二電極的功函數(shù)不同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子元件，其中 所述第一電極的功函數(shù)，小于所述第二電極的功函數(shù)；所述層，具有將從所述第一電極向所迷第二電極延伸的方向設(shè)為所述 正方向的二極管特性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子元件，其中 所述第一電極的功函數(shù)，大于所述第二電極的功函數(shù)； 所述層具有將從所迷第二電極向所述第一電極延伸的方向設(shè)為所述正方向的二極管特性。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子元件，其中在以所迷第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值減 少；在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值增 加。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子元件，其中在以所迷第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值減 少；在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值增 加。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子元件，其中在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所迷正方向上的電阻值增 加；在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值減 少。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子元件，其中在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值增 加；在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所迷正方向上的電阻值減 少。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子元件，其中 所述層的結(jié)晶性不均勻。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電子元件，其中所述結(jié)晶性上的均勻性，是沿所述反方向減少下去的； 所述正方向，從所述第一電極向所述第二電極延伸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電子元件，其中正初始化電壓，從所述第 一 電極被施加在所述第二電極上； 在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值減 少；在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值增 加。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電子元件，其中 負(fù)初始化電壓，從所述第一電極被施加在所述第二電極上； 在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式在所迷第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值增 加；在以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述層在所述正方向上的電阻值減 少。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子元件，其中通過(guò)在所述第一電極與所述第二電極之間施加規(guī)定的脈沖電壓，使所 述正方向上的電阻值變化，來(lái)讓所述電子元件儲(chǔ)存一位或多位信息。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子元件，其中通過(guò)在所述第 一 電極與所述第二電極之間施加規(guī)定的脈沖電壓，使電 流根據(jù)所述層的電阻值沿所述正方向流動(dòng)，來(lái)從所述電子元件中讀出一位 或多位信息。
15. —種存儲(chǔ)裝置，其中包括權(quán)利要求l所述的多個(gè)電子元件，排成矩陣狀， 多條字線，驅(qū)動(dòng)字線部，用來(lái)將規(guī)定的電壓施加在所述多條字線上， 多條位線，以及驅(qū)動(dòng)位線部，用來(lái)將規(guī)定的電壓施加在所述多條位線上； 在所述多個(gè)電子元件的每個(gè)中，所述第一電極連接在所述多條字線中 的任一條上，所述第二電極連接在所述多條位線中的任一條上。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的存儲(chǔ)裝置，其中為了將信息儲(chǔ)存在所述多個(gè)電子元件的任一個(gè)中，所述驅(qū)動(dòng)字線部，在所述多條字線中的連接在要儲(chǔ)存所述信息的電子 元件上的那一條字線上施加第一脈沖電壓，所述驅(qū)動(dòng)位線部，在所述多條位線中的連接在要儲(chǔ)存所述信息的電子 元件上的那一條位線上施加第二脈沖電壓。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的存儲(chǔ)裝置，其中為了再生已儲(chǔ)存在所述多個(gè)電子元件的任一個(gè)中的信息， 所述驅(qū)動(dòng)字線部，在所述多條字線中的連接在要讀出所述信息的電子元件上的那一條字線上施加再生電壓，所述驅(qū)動(dòng)位線部，在所述多條位線中的連接在要讀出所述信息的電子元件上的那一條位線之外的位線上施加所述再生電壓。
18. —種半導(dǎo)體集成電路，其中 包括權(quán)利要求15所述的存儲(chǔ)裝置，和 邏輯電路，用來(lái)進(jìn)行規(guī)定的運(yùn)算； 所述邏輯電路具有存儲(chǔ)模式和再生模式；在所述存儲(chǔ)模式時(shí)，所述邏輯電路將位數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在所述存儲(chǔ)裝置中； 在所述再生模式時(shí)，所述邏輯電路讀出已儲(chǔ)存在所述存儲(chǔ)裝置中的位 數(shù)據(jù)。
19. 一種半導(dǎo)體集成電路，其中 包括權(quán)利要求15所述的存儲(chǔ)裝置，和 處理器，具有執(zhí)行程序模式和重寫(xiě)程序模式；在所述執(zhí)行程序模式時(shí)，所述處理器根據(jù)已儲(chǔ)存在所述存儲(chǔ)裝置中的 程序進(jìn)行工作；在所述重寫(xiě)程序模式時(shí)，所述處理器將已儲(chǔ)存在所述存儲(chǔ)裝置中的程 序重寫(xiě)為從外部接收的、別的新程序。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子元件，其中.所述層，由具有尖晶石結(jié)構(gòu)的金屬氧化物構(gòu)成。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子元件，其中 所述層，由被添加了金屬的鐵電氧化物構(gòu)成。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的電子元件，其中 所述鐵電氧化物具有鈦鐵礦結(jié)構(gòu)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子元件，其中 所述層，由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬氧化物構(gòu)成。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電子元件，其中所述金屬氧化物，至少具有超巨磁阻特性及高溫超導(dǎo)特性中的一種特性。
25. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電子元件，其中 所述層，不包括堿金屬和堿土金屬。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子元件，其中包括下部電極，對(duì)應(yīng)于所述第二電極，形成在村底上，所述層形成在所述下部電極上，和上部電極，對(duì)應(yīng)于所述第一電極，形成在所迷層上；所述層，包含位于所述上部電極與所述下部電極之間的區(qū)域，具有二極管特性和可變電阻特性。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的電子元件，其中 所述上部電極的功函數(shù)，小于所述下部電極的功函數(shù)；所述區(qū)域具有將從所述上部電極向所述下部電極延伸的方向i殳為所述 正方向的二極管特性；與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 減少；在以所述上部電極相對(duì)所述下部電極成為負(fù)極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 增力口 。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的電子元件，其中 所述上部電極的功函數(shù)，大于所述下部電極的功函數(shù)；所述區(qū)域具有將從所述下部電極向所述上部電極延伸的方向設(shè)為所述 正方向的二極管特性；與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 減少；在以所述上部電極相對(duì)所述下部電極成為負(fù)極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻倡— 增力口。
29. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的電子元件，其中 所述上部電極的功函數(shù)，小于所述下部電極的功函數(shù)；正方向的二極管特性；與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 增力口 ；在以所述上部電極相對(duì)所述下部電極成為負(fù)極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 減少。
30. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的電子元件，其中 所述上部電極的功函數(shù)，大于所述下部電極的功函數(shù)；正方向的二極管特性；與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 增力口 ；在以所述上部電極相對(duì)所述下部電極成為負(fù)極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 減少。
31. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的電子元件，其中所迷層的結(jié)晶性上的均勻性，是沿著所述正方向和所述反方向中的一 個(gè)方向減少下去的；正方向的二極管特性；與所述下部電極之間施加務(wù)t沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 減少；在以所述上部電極相對(duì)所述下部電極成為負(fù)極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加Mc沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 增力口。
32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的電子元件，其中所述層的結(jié)晶性上的均勻性，是沿著所述正方向和所述反方向中的一 個(gè)方向減少下去的；正方向的二極管特性；在以所述上部電極相對(duì)所述下部電極成為正極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 增力口 ；在以所述上部電極相對(duì)所述下部電極成為負(fù)極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈沖電壓時(shí)，所述區(qū)域在所述正方向上的電阻值 減少。
33. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的電子元件，其中所述上部電極對(duì)應(yīng)于第一上部電極，所述區(qū)域?qū)?yīng)于第一區(qū)域，所述電子元件還包括形成在所述層上的第二上部電極；所述層，包含介于所述第二上部電極與所述下部電極之間的第二區(qū)域； 所述第二區(qū)域，在從所述第二上部電極及所迷下部電極中的一個(gè)電極向另 一個(gè)電極延伸的正方向上，傳導(dǎo)與和所述正方向相反的反方向相比電流量更多的電流；所述第二區(qū)域在所述正方向上的電阻值，根據(jù)被施加在所述第二上部 電極與所述下部電極之間的規(guī)定脈沖電壓而增加或減少。
34. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子元件，其中 還包括驅(qū)動(dòng)電壓部；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以增加所述層在所述 正方向上的電阻{直；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以減少所述層在所述正方向上的電阻#_。
35. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子元件，其中 還包括驅(qū)動(dòng)電壓部；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以增加所迷層在所述 正方向上的電阻^直；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以減少所述層在所述 正方向上的電阻^直。
36. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電子元件，其中 還包括驅(qū)動(dòng)電壓部；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以增加所述層在所述 正方向上的電阻值；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以減少所述層在所述 正方向上的電阻^直。
37. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子元件，其中 還包括驅(qū)動(dòng)電壓部；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以增加所述層在所述 正方向上的電阻i直；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以減少所述層在所述 正方向上的電阻j直。
38. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子元件，其中 還包括驅(qū)動(dòng)電壓部；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以增加所述層在所述 正方向上的電阻值； 所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第 一 電極相對(duì)所述笫二電極成為負(fù)極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以減少所述層在所述 正方向上的電阻值。
39. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的電子元件，其中 還包括驅(qū)動(dòng)電壓部；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以增加所述層在所述 正方向上的電阻值；所述驅(qū)動(dòng)電壓部，以所述第 一 電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極的方式 在所述第 一 電極與所述第二電極之間施加脈沖電壓，以減少所述層在所述 正方向上的電阻^直。
40. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子元件，其中還包括驅(qū)動(dòng)電壓部，用來(lái)以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極 的方式在所述第 一 電極與所述第二電極之間施加測(cè)定電壓，以測(cè)定所述層 在所述正方向上的電阻值。
41. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子元件，其中還包括驅(qū)動(dòng)電壓部，用來(lái)以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極 的方式在所述第 一 電極與所述第二電極之間施加測(cè)定電壓，以測(cè)定所述層 在所述正方向上的電阻 <直。
42. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電子元件，其中還包括驅(qū)動(dòng)電壓部，用來(lái)以所述第 一 電極相對(duì)所述第二電極成為正極 的方式在所述第一 電極與所述第二電極之間施加測(cè)定電壓，以測(cè)定所述層 在所述正方向上的電阻值。
43. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的電子元件，其中還包括驅(qū)動(dòng)電壓部，用來(lái)以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為正極 的方式在所述第一電極與所述第二電極之間施加測(cè)定電壓，以測(cè)定所述層 在所述正方向上的電阻^直。
44. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子元件，其中還包括驅(qū)動(dòng)電壓部，用來(lái)以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極 的方式在所述第 一 電極與所述第二電極之間施加測(cè)定電壓，以測(cè)定所述層 在所述正方向上的電阻值。
45. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子元件，其中還包括驅(qū)動(dòng)電壓部，用來(lái)以所述第一電極相對(duì)所述第二電極成為負(fù)極 的方式在所述第一電極與所述第二電極之間施加測(cè)定電壓，以測(cè)定所述層 在所迷正方向上的電阻 <直。
46. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的存儲(chǔ)裝置，其中 所述多個(gè)電子元件中的每個(gè)，構(gòu)成為起到二極管作用。
全文摘要
一種電子元件，包括第一電極(1)，第二電極(3)，以及連接在所述第一電極與所述第二電極之間、并且具有二極管特性和可變電阻特性的層(2)。所述層(2)，在從所述第一電極(1)及所述第二電極(3)中的一個(gè)電極向另一個(gè)電極延伸的正方向上，傳導(dǎo)與和所述正方向相反的反方向相比電流量更多的電流。所述層(2)在所述正方向上的電阻值，根據(jù)被施加在所述第一電極(1)與所述第二電極(3)之間的規(guī)定脈沖電壓而增加或減少。
文檔編號(hào)G11C16/02GK101167138SQ200580049548
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2005年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者三谷覺(jué), 關(guān)博司, 小佐野浩一, 村岡俊作 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社