存儲元件的驅動方法及使用存儲元件的存儲裝置的製作方法
2023-10-05 17:10:44
專利名稱：存儲元件的驅動方法及使用存儲元件的存儲裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用具有納米間隙電極(nano-gap electrods)的存儲元件的驅動方法及存儲元件的存儲裝置。
背景技術：
當前，伴隨著設備的小型化、高密度化，期望電氣元件能夠進一步微小化。作為電氣元件的微小化的一個例子，已知有通過在間隔微小間隙(納米間隙)的兩個電極之間施加電壓，以能夠進行開關動作的元件。具體來說，例如，開發了一種由氧化矽和金之類的穩定的材料構成，通過傾斜蒸鍍(Oblique deposition)的簡便的製造方法進行製造,能夠穩定並反覆地進行開關動作的元件(例如，參照專利文獻I)。在具有這種納米間隙的元件(下面，稱為「納米間隙存儲元件」)中，為了寫入或刪除，通過施加具有規定的電壓值的電壓脈衝，使納米間隙存儲元件從該高電阻狀態(關(OFF)狀態)向低電阻狀態(開(ON)狀態)轉換，或者從低電阻狀態(開(ON)狀態)向高電阻狀態(關(OFF)狀態)轉換。現有技術文獻專利文獻專利文獻1:日本特開2007 - 123828號公報
發明內容
發明要解決的問題然而，特別是在從高電阻狀態向低電阻狀態轉換時，存在這樣的問題即使施加電壓脈衝，轉換成所期望的電阻狀態(低電阻狀態)的概率也很低。在此，為了提高從高電阻狀態轉換成低電阻狀態的概率，考慮了增大脈衝寬度(即，一次施加電壓脈衝的時間)的方法，或提高電壓值等的方法。然而，在這些方法中，存在從高電阻狀態轉換成低電阻狀態的概率仍然不夠高的問題。本發明要解決的問題在於，提供一種能夠高概率地從高電阻狀態向低電阻狀態轉換的存儲元件的驅動方法及使用該存儲元件的存儲裝置。用於解決問題的手段在第一技術方案中記載的發明是一種存儲元件的驅動方法，所述存儲元件具有絕緣性基板；第一電極及第二電極，設置於所述絕緣性基板上；電極間間隙部，設置在所述第一電極與所述第二電極之間，具有納米級的間隙，該納米級的間隙用於產生第一、第二電極之間的電阻值的變化現象。所述存儲元件能夠從規定的低電阻狀態向規定的高電阻狀態轉換以及能夠從所述高電阻狀態向所述低電阻狀態轉換。所述存儲元件的驅動方法的特徵在於，在從所述高電阻狀態向所述低電阻狀態轉換時，通過恆流電路向所述存儲元件施加電流脈衝。
在第二技術方案中記載的發明具有與在第一技術方案中記載的發明相同的結構，並且該在第二技術方案中記載的發明的特徵在於，通過所述恆流電路使電流的值階段性地變化，來施加所述電流脈衝。在第三技術方案中記載的發明是一種使用存儲元件的存儲裝置，其特徵在於，具有存儲元件和電流脈衝發生部。所述存儲元件具有絕緣性基板；第一電極及第二電極，設置於所述絕緣性基板上；電極間間隙部，設置在所述第一電極與所述第二電極之間，具有納米級的間隙，該納米級的間隙用於產生第一、第二電極之間的電阻值的變化現象。所述電流脈衝發生部產生電流脈衝，用於進行從高電阻狀態向低電阻狀態的轉換。所述電流脈衝發生部通過恆流電路向所述存儲元件施加電流脈衝。在第四技術方案中記載的發明具有與在第三技術方案中記載的發明相同的結構，並且該在第四技術方案中記載的發明的特徵在於，所述電流脈衝發生部通過所述恆流電路，以使電流的值階段性地變化的方式施加所述電流。在第五技術方案中記載的發明是一種使用存儲元件的存儲裝置，其特徵在於，具有存儲元件和電壓脈衝發生部。所述存儲元件具有絕緣性基板；第一電極及第二電極，設置於所述絕緣性基板上；電極間間隙部，設置在所述第一電極與所述第二電極之間，具有納米級的間隙，該納米級的間隙用於產生第一、第二電極之間的電阻值的變化現象。所述存儲元件為多個，各個存儲元件至少與各個恆流元件串聯，從所述電壓脈衝發生裝置向串聯有所述恆流元件的存儲元件中的至少一個施加電壓脈衝。發明的效果發明人們為了解決上述的問題而專心研究的結果為，著眼於為了使存儲元件從高電阻狀態向低電阻狀態轉換而向存儲元件施加電流脈衝。雖然通過恆流電路供給該電流脈衝，但利用電壓驅動連接有恆流元件的存儲單元，也能夠向存儲元件施加電流脈衝。由此了解到通過施加這種電流脈衝，使存儲元件以更高的概率從高電阻狀態向低電阻狀態轉換。根據本發明，存儲元件具有電極間間隙部，該電極間間隙部具有納米級的間隙，該具有納米級的間隙能夠進行從規定的低電阻狀態向規定的高電阻狀態的轉換以及從高電阻狀態向低電阻狀態的轉換，在施加使存儲元件從高電阻狀態向低電阻狀態轉換的電流脈衝時，使用恆流電路來控制電流值，或利用電壓驅動連接有恆流元件的存儲元件。以往，與從低電阻狀態向高電阻狀態的切換相比，從高電阻狀態向低電阻狀態切換的成功率很低，但是通過以上述方式施加電流脈衝，能夠顯著地提高從高電阻狀態向低電阻狀態切換的成功率。例如，在交替進行從低電阻狀態向高電阻狀態切換和從高電阻狀態向低電阻狀態切換的反覆試驗中，能夠更加可靠地執行在低電阻狀態與高電阻狀態之間的狀態切換，另夕卜，能夠將低電阻狀態的電阻值所屬的範圍與高電阻狀態的電阻值所屬的範圍基本不重複地分開，由此，能夠保持能夠識別存儲元件的兩個狀態，從而能夠進一步提高作為存儲裝置的適應性。
圖1A是表示本發明的存儲裝置的功能的結構的框圖。圖1B是表示存儲裝置的納米間隙存儲器陣列所包括的一個存儲單元的結構的圖。圖2是示意性地表示本發明的存儲裝置所具有的納米間隙存儲元件的主要部分的剖視圖。圖3A是表示本發明的存儲裝置所具有的脈衝發生部的功能的結構的框圖。圖3B是表示電流脈衝發生部的結構的圖。圖4A是表示來自電流脈衝發生部的脈衝發生器的脈衝電壓的變化的線形圖。圖4B是表示流向納米間隙存儲元件的電流脈衝的電流值的變化的線形圖。圖5是示意性地表示另一個納米間隙存儲元件的主要部分的剖視圖。圖6A是表示另一個例子中的來自脈衝發生器的電壓脈衝的電壓的變化的線形圖。圖6B是表示在另一個例子中的電流脈衝的電流值的變化的線形圖。圖7A是表示在實施例中的脈衝發生部的功能的結構的框圖。圖7B是表示脈衝發生器向場效應電晶體的源電極施加的電壓的變化的線形圖。圖7C是表示在以使電流值階段性地變化的方式向納米間隙存儲元件施加電流脈衝的情況下，脈衝發生器向場效應電晶體的源電極施加的電壓的變化的線形圖。圖8是表示在交替並反覆地施加使實施例中的納米間隙存儲元件從低電阻狀態向高電阻狀態轉換的電壓脈衝和使該納米間隙存儲元件從高電阻狀態向低電阻狀態轉換的電流脈衝的情況下的元件的電阻值變化的圖表。圖9是表示在交替並反覆地施加使比較例中的納米間隙存儲元件從低電阻狀態向高電阻狀態轉換的電壓脈衝和使該納米間隙存儲元件從高電阻狀態向低電阻狀態轉換的電流脈衝的情況下的元件的電阻值變化的圖表。圖10是表示在交替並反覆地施加使另一個例子中的納米間隙存儲元件從低電阻狀態向高電阻狀態轉換的第一電壓脈衝和使該納米間隙存儲元件從高電阻狀態向低電阻狀態轉換的第二電壓脈衝的情況下的元件的電阻值變化的圖表，所述另一個例子中的納米間隙存儲元件與實施例中的納米間隙存儲元件結構相同，僅改變了施加給存儲元件的脈衝的寬度。
具體實施例方式下面，利用附圖，針對本發明說明具體的方式。但是，發明的範圍不限於圖示的例子。首先，參照圖1A 圖4B，針對存儲裝置1000的結構進行說明。存儲裝置1000為具有將多個存儲單元110配置成陣列狀的存儲元件陣列來存儲數據的裝置。在此，在本發明的存儲裝置1000中，存儲單元110由納米間隙存儲元件10和作為選擇元件的MOS電晶體11構成，存儲元件陣列為納米間隙存儲器陣列100。具體來說，例如，如圖1A所示，存儲裝置1000構成為具有納米間隙存儲器陣列100、脈衝發生部200、讀取部300、控制部400、為了選擇排列成陣列狀的存儲單元110中的一個而指定存儲單元110在X方向上的位置的X方向上的地址指定部410、指定存儲單元110在Y方向上的位置的Y方向上的地址指定部420等。
(納米間隙存儲器陣列)納米間隙存儲器陣列100為將例如多個存儲單元110配置成陣列狀(例如，二維陣列狀)的高密度存儲器。如圖1B所示，存儲單元110由MOS電晶體11、與該MOS電晶體11的漏電極或源電極連接的納米間隙存儲元件10構成。MOS電晶體11的源電極或漏電極與X方向上的地址指定部410連接，柵電極與Y方向上的地址指定部420連接。並且，若經由X方向上的地址指定部410施加後述的第一或第二電壓脈衝，從Y方向上的地址指定部420輸入指定信號，則實現對納米間隙存儲元件10施加電壓脈衝，產生後述的電阻值變化現象。(納米間隙存儲元件)納米間隙存儲元件10為例如使納米間隙電極之間(電極間間隙部4的間隙)的電阻值切換(在低電阻/高電阻之間切換)，以存儲數據的存儲元件。具體來說，例如，如圖2所示，納米間隙存儲元件10具有絕緣性基板1、設置於絕緣性基板I的一個面(上表面)的第一電極2及第二電極3、設置在第一電極2與第二電極3之間的電極間間隙部4等。絕緣性基板I作為支持體起作用，用於以例如隔開納米間隙存儲元件10的兩個電極(第一電極2和第二電極3)的方式設置該兩個電極。絕緣性基板I的結構及材料沒有特別的限定。具體來說，例如，絕緣性基板I的表面的形狀可以為平面，可以具有凹凸。另外，絕緣性基板I可以為例如在Si等的半導體基板的表面設置氧化膜等的基板，還可以採用基板自身具有絕緣性的基板。作為絕緣性基板I的材料，優選例如，玻璃、二氧化矽(SiO2)等的氧化物、氮化矽(SiN)等的氮化物等，其中，從與第一電極2及第二電極3的貼合性好、製造的自由度大的角度出發，優選二氧化矽(SiO2)。例如，第一電極2與第二電極3成對，用於進行納米間隙存儲元件10的開關動作。第一電極2的形狀沒有特別的限定，能夠適當地任意改變。第一電極2的材料只要具有導電性即可，沒有特別的限定，優選地，採用例如，從金、銀、鉬、IE (Palladium)、鎮(Nickel )、招(Aluminum)、鈷(Cobalt)、絡(Chromium)、錯(Rhodium)、銅、鶴(Tungsten)、鉭(Tantalum)、碳或這些材料的合金中選擇的至少一種。在此，為了強化第一電極2與絕緣性基板I的接合性，例如，可以疊加兩層以上不同的金屬來使用。具體來說，例如，第一電極2可以採用鉻及金的層疊(多層)結構。例如，第二電極3與第一電極2成對，用於進行納米間隙存儲元件10的開關動作。第二電極3的形狀沒有特別的限定，能夠適當地任意改變。第二電極3的材料只要具有導電性即可，沒有特別的限定，優選地，採用例如，例如，金、銀、鉬、鈀、鎳、鋁、鈷、鉻、銠、銅、鎢、鉭、碳或這些材料的合金中選擇的至少一種。為了強化第一電極3與絕緣性基板I的接合性，例如，可以疊加兩層以上不同的金屬來使用。具體來說，例如，第二電極3可以採用鉻及金的層疊(多層)結構。電極間間隙部4例如形成於第一電極2與第二電極3之間，其起到發現納米間隙存儲元件10的電阻值變化現象的作用。具體來說,例如，電極間間隙部4具有納米級(nanometer order)的間隙,該納米級的間隙用於通過向第一電極2與第二電極3之間施加規定電壓而產生電阻的開關現象。即，將第一電極2與第二電極3之間(納米間隙電極之間)的距離(間隔)G設定為納米級。優選地，第一電極20與第二電極30之間(納米間隙電極之間)的距離(間隔)G為例如，Onm < G ≤13nm,更優選地，為 0.8nm < G < 2.2nm。在此，將距離G的上限值設為13nm是因為，例如，在通過兩次傾斜蒸鍍製造納米間隙存儲元件的情況下，若間隙間隔超過13nm，則納米間隙存儲元件不能進行開關動作。另外，若將低電阻狀態、高電阻狀態的典型的值代入隧道電流的理論公式，則作為間隙寬度的計算結果，求得0.8nm < G < 2.2nm的範圍。此外，第一電極2與第二電極3的最接近的部位(電極間間隙部4的間隙)，例如可以形成於在第一電極2與第二電極3相向對置的區域內的一處或者多處。另外，例如，可以在第一電極2與第二電極3之間形成由該第一電極2和第二電極3的結構材料等構成的島部分(sandbank portion,沙洲部分)。在該情況下,例如,在第一電極2與島部分之間、在第二電極3與島部分之間形成有規定的間隙(電極間間隙部4的間隙)，只要使第一電極2與第二電極3不短路即可。(脈衝發生部)脈衝發生部200與例如納米間隙存儲器陣列100所具有的多個存儲單元110和控制部400連接。脈衝發生部200基於例如從控制部400輸入的控制信號，通過將存儲單元110內的納米間隙存儲元件10的第一電極2與第二電極3之間切換成低電阻狀態或高電阻狀態，來將數據寫入納米間隙存儲元件10，或者從納米間隙存儲元件10內刪除數據。具體來說，例如，從控制部400向脈衝發生部200輸入與要切換成低電阻狀態或高電阻狀態的納米間隙存儲元件10的所在地相關的地址信息。若輸入這些信息，則脈衝發生部200對例如納米間隙存儲器陣列100所具有的多個納米間隙存儲元件10中的利用地址信息指定的納米間隙存儲元件10進行電阻值的狀態的切換。另外，為了切換各個納米間隙存儲元件10的電阻狀態，脈衝發生部200具備圖3A示出的結構。即，脈衝發生部200具有:電壓脈衝發生部210，其向納米間隙存儲元件10的第一電極2施加具有規定電壓的電壓脈衝；電流脈衝發生部220，其向納米間隙存儲元件10的第一電極2施加具有規定電流的電流脈衝；切換元件205，其選擇性地將電壓脈衝發生部210或電流脈衝發生部220與納米間隙存儲元件10連接。此外，納米間隙存儲元件10的第二電極3接地。此外，上述脈衝發生部200設置成經由X方向的地址指定部410與各納米間隙存儲元件10連接。另外，實際上，在脈衝發生部200與各納米間隙存儲元件10之間設置有各地址指定部410及MOS電晶體11，在圖3A中，省略這些設備的圖示。控制部400對切換元件205進行控制，以使切換元件205聯動而進行切換。即，切換元件205在控制部400的控制下進行工作，切換成直接將電壓脈衝發生部210連接在納米間隙存儲元件10的第一電極2上的狀態(下面，設為第一連接狀態)，由此，通過從電壓脈衝發生部210向納米間隙存儲元件10施加用於使納米間隙存儲元件10從低電阻狀態切換成高電阻狀態的電壓脈衝，來進行從低電阻狀態向高電阻狀態的切換。此外，根據納米間隙存儲元件10的特性，適當地調節電壓脈衝發生部210的電壓脈衝的電壓值，以施加進行從低電阻狀態向高電阻狀態的切換的恰當的電壓。
另外，切換元件205在控制部400的控制下進行工作，切換成連接電流脈衝發生部220與納米間隙存儲元件10的第一電極2的狀態(下面，設為第二連接狀態)，由此，通過從電流脈衝發生部220向納米間隙存儲元件10施加電流脈衝，來進行從高電阻狀態向低電阻狀態的切換。如圖3B所示，電流脈衝發生部220主要具有:產生電壓脈衝的脈衝發生器201、設置在脈衝發生器201與納米間隙存儲元件10之間的電阻元件203及場效應電晶體(P型MOSFET:metallie oxide semiconductor fieldeffecttransistor,金屬氧化物半導體場效應電晶體)202。上述脈衝發生器201所產生的第二電壓脈衝的電壓值Vpp2由場效應電晶體202的特性來決定。場效應電晶體202的源電極與脈衝發生器201 —側連接，漏電極與納米間隙存儲元件10 —側連接，不斷向柵電極施加電壓Vg。若場效應電晶體202的源電極一側的電壓Vsl比柵電極一側的電壓Vg高出規定值(設為Vth)以上，則電流開始從源電極向漏電極一側流動。若將靠近場效應電晶體202的電阻元件203的電阻值設為Ra，將電流值設為ic，則將在第二連接狀態下，脈衝發生器201所產生的第二電壓脈衝的電壓值Vpp2設定為:Vpp2 = Vg + Vth + icXRa。即，若脈衝發生器201產生電壓脈衝Vpp2，則場效應電晶體202將向納米間隙存儲元件10通電的電流保持為ic，來向納米間隙存儲元件10施加電流脈衝。S卩，場效應電晶體202作為恆流電路起作用。即，如圖4A所示，若脈衝發生器201將電壓值設為Vpp2，來施加電壓脈衝，則如圖4B所示，電流脈衝以與第二電壓脈衝相同的脈衝寬度並且保持規定值ic而流向納米間隙存儲元件10。由此，納米間隙存儲元件10從高電阻狀態向低電阻狀態切換。如上所述，在向納米間隙存儲元件10施加電流脈衝時，通過利用作為恆流電路的場效應電晶體202及電阻203，使納米間隙存儲元件10從高電阻狀態向低電阻狀態切換，另夕卜，能夠抑制因電阻值的變化而導致有過大的電流流動，從而能夠將電流值穩定地保持在期望的值，因此，能夠避免向低電阻狀態切換的失敗，從而能夠提高成功率。另外，在寫入數據時，能夠防止在納米間隙存儲元件10從高電阻變為低電阻即發生很大的電阻變化時因元件流入電流的急劇增加而導致斷路等的元件損壞。此外，通過將存儲單元110構成為至少將納米間隙存儲元件10與恆流元件連接(還可以與MOS電晶體11連接)，能夠使寫入高速化。這是因為，到存儲單元110為止的配線的充放電電流不受電阻體的限制。存儲單元面積有增加的可能性，但若將所述恆流元件和所述存儲元件的電極構成為層疊結構，則能夠避免存儲單元面積的增加。在該情況下，不需要圖3A示出的電流脈衝發生部220，能夠由脈衝發生部210供給電壓，以驅動存儲單元。恆流元件能夠利用耗盡型場效應元件來實現。另外，還能夠使存儲單元110的選擇電晶體11兼具該恆流元件的功能。在該情況下，只要將在從高電阻狀態向低電阻狀態轉換的寫入動作時的選擇電晶體的柵電壓設定為保持恆定電流值的值即可，例如在使用PMOS的情況下，設定為「源電壓(Vsl)-Vth-Ci 」 ( α根據設定電流值來決定)。即，通過將選擇電晶體11的導通狀態作為MOS的飽和區域的特性，能夠將選擇電晶體11作為恆流電路(當然，非選擇單元的柵電壓與源電壓相同，即處於Off狀態(斷開、截止狀態))。另一方面，在從低電阻狀態向高電阻狀態轉換的寫入動作或讀取動作時，通過將柵電壓設定為正負電源的值的最大值(Full swing)，從而能夠實現作為通常的選擇電晶體的導通、不導通，因此，能夠實現單元選擇性。通過以上述方式控制柵電壓，能夠使電晶體11兼具選擇存儲單元的功能和恆流的功能。(X方向及Y方向上的地址指定部)X方向上的地址指定部410具有多個配線，這些配線將在設置成陣列狀的多個存儲單元110內的沿著Y方向排列的多個存儲單元110各自的MOS電晶體11的源電極或漏電極並聯，各配線設置成沿著X方向排列。能夠對各配線逐個施加來自脈衝發生部200的電壓脈衝。Y方向的地址指定部420具有多個配線，這些配線將在設置成陣列狀的多個存儲單元Iio內的沿著X方向排列的多個存儲單元110各自的MOS電晶體11的柵電極並聯，各配線設置成沿著Y方向排列。能夠對各配線逐個施加電壓來作為指定信號，由此，能夠實現對各MOS電晶體11的源電極進行連接和對各MOS電晶體11的漏電極進行連接。S卩，根據Y方向上的地址指定部420的位置指定，對相應的配線施加指定信號，根據X方向上的地址指定部410的位置指定，對相應的配線施加電壓脈衝，從而，能夠對通過X方向和Y方向上的位置指定而確定的任意納米間隙存儲元件10施加電壓脈衝。(讀取部)讀取部300與例如納米間隙存儲器陣列100所具有的多個存儲單元110的納米間隙存儲元件10及控制部400連接。讀取部300根據例如從控制部400輸入的控制信號，從納米間隙存儲元件10讀取數據，並將該讀取結果輸出至控制部400。具體來說，例如，從控制部400向讀取部300輸入與讀取數據的納米間隙存儲元件10的所在地相關的地址信息。若接收到該信息，則讀取部300例如測定納米間隙存儲器陣列100所具有的多個納米間隙存儲元件10中的利用地址信息指定的納米間隙存儲元件10的納米間隙電極之間(電極間間隙部4的間隙)的電阻值，從而從該納米間隙存儲元件10讀取數據。(控制部)控制部400向脈衝發生部200輸入控制信號，向X方向及Y方向上的地址指定部410,420輸入地址信號，控制向任意的納米間隙存儲元件10施加電壓脈衝或電流脈衝。此時，控制部400進行如下的控制:在施加電壓脈衝的情況(將規定的納米間隙存儲元件10從低電阻狀態切換成高電阻狀態的情況)下，將脈衝發生部200的切換元件205切換成第一連接狀態，從電壓脈衝發生部210向納米間隙存儲元件10施加電壓脈衝。由此，向納米間隙存儲元件10施加電壓脈衝，進行向高電阻狀態的切換(下面，也稱為「關(OFF)狀態」)。另外，控制部400進行如下的控制:在施加電流脈衝的情況下，將切換元件205切換成第二連接狀態，從電流脈衝發生部220向納米間隙存儲元件10施加電流脈衝。由此，向納米間隙存儲元件10施加電流脈衝，將納米間隙存儲元件10切換成低電阻狀態(下面，也稱為「開(ON)狀態」)。此時，在產生電流脈衝的期間內，通過場效應電晶體202來保持恆定的電流ic流向納米間隙存儲元件10的狀態。
另外，例如，在施加了電流脈衝之後，控制部400向讀取部300輸入控制信號(地址信息等)，從納米間隙存儲元件10讀取數據，然後，基於該讀取結果，判斷納米間隙存儲元件10是否從高電阻狀態轉換成了低電阻狀態。在判斷的結果為納米間隙存儲元件10沒有從高電阻狀態轉換成低電阻狀態的情況下，可以控制再次施加第二電壓脈衝。(納米間隙存儲元件的變形例)此外，本發明不限於上述實施方式，在不脫離本發明的思想的範圍內，可以進行各種改良以及設計的變更。下面，針對本發明的納米間隙存儲元件的變形例進行說明。例如，如圖5所示，變形例I的納米間隙存儲元件IOA主要具有:絕緣性基板1A、設置於絕緣性基板IA的上表面的絕緣體5A、設置於絕緣性基板IA的上表面的第一電極2A、設置於絕緣體5A的上表面的第二電極3A、設置於第一電極2A與第二電極3A之間的電極間間隙部4A。具體來說，通過將絕緣體5A設置於絕緣性基板IA的上表面，構成階梯部，通過該絕緣體5A,將第一電極2A和第二電極3A以具有高低差的方式配置在基板IA上。第一電極2A設置成與絕緣性基板IA的上表面及絕緣體5A的側面51A的下側部分接觸，第二電極3A設置成與絕緣體5A的上表面及絕緣體5A的側面51A的上側部分接觸。電極間間隙部4A設置在，設於絕緣體5A的側面51A的下側部分的第一電極2A與設於絕緣體5A的側面51A的上側部分的第二電極3A之間。S卩，電極間間隙部4A沿著由絕緣體5A形成的階梯部的高度方向形成有間隙G。此外，優選地，第一電極2A及第二電極3A的材料選擇與上述的第一電極2及第二電極3相同的材料。另外，絕緣體5A的第一對置部位與第二對置部位沿著相對於基板IA的平面的高度方向排列，所述第一對置部位與構成電極間間隙部4A的第一電極2A相對置，所述第二對置部位與第二電極3A相對置。因此，只要具備上述功能，也可以採用其它的結構。另外，絕緣體5A可以為例如在絕緣性基板IA的一部分設置氧化膜等而成的構件，可以為在絕緣性基板IA整個表面設置氧化膜等，通過去掉該氧化膜的一部分而形成的構件。另外，作為絕緣體5A的材料，優選例如，玻璃、二氧化矽(SiO2)等的氧化物、氮化矽(Si3N4)等的氮化物等，其中，從與第一電極2A及第二電極3A的貼合性好、製造的自由度大的角度出發，優選二氧化矽(Si02)。另外，電極間間隙部4A與上述的電極間間隙部4相比，除了所形成的平面的朝向不同以外，實體的結構基本相同。因此，電極間間隙部4A的尺寸等的設計條件、電極間間隙部4A的動作方法與上述的電極間間隙部4的情況相同。上述變形例I的存儲元件IOA具備與上述的存儲元件10相同的技術的效果，並且通過由絕緣體5A形成的階梯部，將第一電極2A及第二電極3A以具有高低差的方式配置在絕緣性基板IA的上表面，並且沿著絕緣體5A的高度方向形成有電極間間隙部4A，因此，與將第一電極2A、第二電極3A及電極間間隙部4A配置成排列在同一平面上的情況相比，從俯視絕緣性基板IA看來，能夠減少該電極間間隙部4A的佔有面積。由此，例如，在通過共用單個絕緣性基板1A，集成多個存儲元件10A，來形成存儲元件的情況下，有利於集成化，能夠實現存儲元件的小型化。(向納米間隙存儲元件施加電流脈衝的另一個方法的例子)納米間隙存儲元件10的電流脈衝，只要在能夠使納米間隙存儲元件10從高電阻狀態轉換成低電阻狀態的範圍內即可，例如，可以在施加電流脈衝的過程中，使該脈衝的電流值階段性變化，通過場效應電晶體202，將流向納米間隙存儲元件10的電流保持在電流脈衝發生階段性變化的各個電流值。具體來說，如圖6A所示，脈衝發生器201採用從Vpp21到Vpp22 Vpp21)的兩個階段的電壓值來施加電壓脈衝。此外，Vpp21和Vpp22分別為:Vpp21 = Vg + Vth + iclXRaVpp22 = Vg + Vth + ic2XRa由此，如圖6B所示，向納米間隙存儲元件10施加如下的電流脈衝:電流icl僅在與施加Vpp21相同的期間內保持在恆定狀態下流動，此後，電流ic2僅在與施加Vpp22相同的期間內保持在恆定狀態下流動。通過設定這種電流脈衝，能夠快速地對電流脈衝發生部220與納米間隙開關元件之間的寄生電容進行充電，縮短納米間隙存儲元件10的電阻值變化所需的脈衝寬度，即能夠期待縮短重寫(改寫)所需的時間。此外，施加電流脈衝不限於上述的兩個階段的變化，可以為多個階段的變化，除此以外，電流脈衝的變化也可以不為階段性的，而是採用任意波形進行變化。例如，脈衝發生源產生具有任意波形的電壓脈衝，恆流電路可以隨著該波形，任意地使流向納米間隙存儲元件10 (或10A)的電流變化。下面，根據具體的實施例，來更加詳細地說明本發明，但是，本發明不限定於此。在此，針對利用圖5示出的納米間隙存儲元件IOA的實施例進行說明。此外，也可以採用納米間隙存儲元件10。在該實施例中，使用了圖7A示出的脈衝發生部200A。該脈衝發生部200A具有:電壓脈衝發生部210，其向納米間隙存儲元件IOA的第一電極2 —側施加電壓脈衝；電流脈衝發生部220A，其向納米間隙存儲元件IOA的第一電極2施加具有規定電流的電流脈衝；切換元件205，其選擇性地將電壓脈衝發生部210或電流脈衝發生部220A與納米間隙存儲元件IOA連接。電流脈衝發生部220具有脈衝發生器201、場效應電晶體202、電阻元件203，還具有直流電源204、第二切換元件206。控制部400控制第二切換元件206，使第二切換元件206與切換元件205聯動。作為利用電流脈衝進行寫入時的初始狀態，將納米間隙存儲元件之間的電位差設為0，並且在施加電壓脈衝時，不向納米間隙存儲元件IOA導通來自電流脈衝發生部220A的電流，而是切換成施加來自電壓脈衝發生部210的電壓。場效應晶·體管202的漏電極與納米間隙存儲元件IOA的第二電極3連接，場效應電晶體202的源電極經由電阻元件203 (例如1ΜΩ )與脈衝發生器201連接。直流電源20IA能夠在10 20V的範圍內任意地調節輸出電壓VcI。場效應電晶體202具有如下的(耗盡型的)特性:若柵電極與源電極的電位差很大，則電流不從源電極向漏電極流動，若電位差很小，則電流流動。因此，在施加電流脈衝時，脈衝發生器201從將其輸出電壓Vs作為基準電壓Vl而施加給場效應電晶體203的源電極的狀態開始，施加比該基準電壓Vl低的脈衝電壓V2，從而能夠使源電極與漏電極通電，以向納米間隙存儲元件IOA施加電流脈衝(參照圖7B)。此外，通過該場效應電晶體202和電阻元件203的動作，能夠在施加電流脈衝的過程中保持流向納米間隙存儲元件IOA的電
流值恆定。S卩，該脈衝發生部200A也與上述的脈衝發生部200同樣地，能夠切換納米間隙存儲元件IOA的電阻狀態。另外，如上述的圖6B的例子那樣，在以使電流值階段性地變化的方式向納米間隙存儲元件IOA施加電流脈衝的情況下，如圖7C所示，通過施加比基準電壓Vl低的脈衝電壓V21，並且使該脈衝電壓電平變化至V22(V21 < V22 < Vl )，能夠施加與電壓波形相似的、在脈衝時間內變化的電流脈衝。利用脈衝發生部200A，交替並反覆地對上述的納米間隙存儲元件IOA施加電壓脈衝及電流脈衝，在分別施加各電壓脈衝之後，測定此時的納米間隙存儲元件IOA的納米間隙電極之間(電極間間隙部4A的間隙)的電阻值。在施加電壓脈衝時，將向高電阻值轉換的重寫電壓脈衝設為7V，將脈衝寬度設為50ns，在施加電流脈衝時，設定為:Vcl = 15V，脈衝發生器201的基準電壓Vl = 5.5V，脈衝電壓V2 =1.04V,由此，設定為:流向納米間隙存儲元件IOA的電流值Ic = 3.5 μ A，脈衝寬度=10 μ S。另外，作為比較例，對於相同的納米間隙存儲元件10Α，不使用恆流電路，而是利用電壓脈衝來進行從低電阻狀態向高電阻狀態的切換和從高電阻狀態向低電阻狀態的切換這兩者，並且交替並反覆地施加各電壓脈衝，在分別施加各電壓脈衝之後，測定此時的納米間隙存儲元件IOA的納米間隙電極之間(電極間間隙部4Α的間隙)的電阻值。在該比較例中，將施加給納米間隙存儲元 件IOA的第一電壓脈衝的電壓設為10V，將第二電壓脈衝的電壓設為5V，將兩者的脈衝寬度都設為500ns。圖8是表示每次切換實施例的電阻狀態的電阻值的圖表，圖9是表示每次切換比較例的電阻狀態的電阻值的圖表。在各圖中，■表不關(OFF)時的電阻值， 表不開(ON)時的電阻值。如圖9所示，在比較例的情況下，在開(ON)時，沒有從高電阻狀態充分切換成低電阻狀態的情況很多，在關(OFF)時的電阻值與在開(ON)時的電阻值各自的偏差很多，高電阻狀態的電阻的數值範圍與低電阻狀態的電阻的數值範圍有很大程度互相重複。其結果為，若使用納米間隙存儲元件IOA來作為存儲裝置內的一個存儲元件，則難以識別開(ON)和關(0FF)，導致不夠實用的結果。另一方面，如圖8所示，在實施例中，將在關(OFF)時的納米間隙存儲元件10A的電阻值和在開(ON)時的納米間隙存儲元件10A的電阻值分別分布在不同的電阻值範圍，高電阻狀態的電阻的數值範圍與低電阻狀態的電阻的數值範圍基本不重複。即，通過決定規定的閾值，納米間隙存儲元件10A能夠更加可靠地識別開(ON)狀態或關(OFF)狀態，從而提高作為存儲裝置的實用性。另外，在圖10中，將向高電阻值轉換的重寫電壓脈衝設為8V，將脈衝寬度設為100ns，在施加電流脈衝時，設定為:Vcl = 10V，脈衝發生器201的基準電壓Vl = 5V，脈衝電壓V2 = 0.09V,由此，示出了在設定為流向納米間隙存儲元件10A的電流值Ic = 4.5μ A，脈衝寬度=10μ s，進行與圖6Α相同的試驗的情況下的納米間隙存儲元件IOA的電阻值的
測定結果。在圖10的例子中，與圖8同樣地，在施加電壓脈衝之後的納米間隙存儲元件IOA的電阻值和在施加電流脈衝之後的納米間隙存儲元件IOA的電阻值分別分布在不同的電阻值範圍，很好地分離了高電阻狀態的電阻的數值範圍和低電阻狀態的電阻的數值範圍，從而能夠易於識別納米間隙存儲元件IOA的開(ON)狀態或關(OFF)狀態，提高作為存儲裝置的實用性。另外，可觀測出如下現象:在將納米間隙存儲元件10從關(OFF)狀態切換成開(ON)狀態的情況下，即使改變流向納米間隙存儲元件IOA的電流值，也能夠很好地進行切換，切換的成功率不會下降。(發明的實施方式的效果)如上所述，在存儲裝置1000中，在利用脈衝發生部200 (或200A)對納米間隙存儲元件10 (或10A)施加電流脈衝時，通過使用作為恆流電路的場效應電晶體202，將流向納米間隙存儲元件10 (或10A)的電流值保持在恆定的狀態，即使由於施加電流脈衝使納米間隙存儲元件10 (或10A)切換成低電阻狀態，在施加脈衝的過程中也會保持規定的電流值，因此，能夠以很高的成功率進行電阻狀態的切換。其結果，能夠使在施加電壓脈衝之後的納米間隙存儲元件10 (或10A)的電阻值和在施加電流脈衝之後的電阻值分別分布在不同的電阻值範圍，能夠有效地抑制高電阻狀態的電阻值的數值範圍與低電阻狀態的電阻值的數值範圍重複。因此，能夠提高作為納米間隙存儲元件10 (或10A)的存儲元件的可靠性及實用性。(其他)此外，還可以通過利用規定的密封構件密封存儲裝置1000的一部分(例如，納米間隙存儲器陣列100)或全部，來使電極間間隙部4不與大氣或水分接觸。由此，能夠使納米間隙存儲元件10 (或10A)進一步穩定地進行動作。進而，通過利用規定的密封構件進行密封，能夠保持將電極間間隙部4配置在任意的環境中的狀態，從而能夠在任意的環境中使用納米間隙存儲元件10 (或10A)。此外，脈衝發生部200、200A施加的電壓或電流的值是根據納米間隙存儲元件10、IOA的特性而適當地進行選擇的，不限定於上述的例子。另外，在上述存儲裝置1000中，例示了在納米間隙存儲器陣列100內進行存儲的情況，但也可以將由單獨的納米間隙存儲元件10、與該單獨的納米間隙存儲元件10對應的脈衝發生部200、讀取部300、控制部400構成的設備作為存儲裝置。工業上的可利用性可應用於能夠通過施加電壓脈衝來切換開(ON)(低電阻)-關(OFF)(高電阻)的存儲元件的領域中。附圖標記說明I絕緣性基板2第一電極3第二電極4電極間間隙部
10、IOA納米間隙存儲元件(存儲元件)200、200A脈衝發生部202場效應電晶體(恆流電路)201脈衝發生器(脈衝發生源)210電壓脈衝發生部220、220A電流脈衝發生部1000存儲裝置
權利要求
1.一種存儲元件的驅動方法， 所述存儲元件具有: 絕緣性基板， 第一電極及第二電極，設置於所述絕緣性基板上， 電極間間隙部，設置在所述第一電極與所述第二電極之間，具有納米級的間隙，該納米級的間隙用於產生第一、第二電極之間的電阻值的變化現象； 所述存儲元件能夠從規定的低電阻狀態向規定的高電阻狀態轉換以及能夠從所述高電阻狀態向所述低電阻狀態轉換； 所述存儲元件的驅動方法的特徵在於， 在從所述高電阻狀態向所述低電阻狀態轉換時，通過恆流電路向所述存儲元件施加電流脈衝。
2.如權利要求1所述的存儲元件的驅動方法，其特徵在於， 所述電流脈衝通過所述恆流電路而使電流值階段性地變化，從而施加所述電流脈衝。
3.一種使用存儲元件的存儲裝置，其特徵在於， 具有存儲元件和電流脈衝發生部； 所述存儲元件具有: 絕緣性基板， 第一電極及第二電極，設置於所述絕緣性基板上， 電極間間隙部，設置在所述第一電極與所述第二電極之間，具有納米級的間隙，該納米級的間隙用於產生第一、第二電極之間的電阻值的變化現象； 所述電流脈衝發生部產生電流脈衝，用於進行從高電阻狀態向低電阻狀態的轉換； 所述電流脈衝發生部通過恆流電路向所述存儲元件施加電流脈衝。
4.如權利要求3所述的使用存儲元件的存儲裝置，其特徵在於， 所述電流脈衝發生部通過所述恆流電路，以使電流的值階段性地變化的方式施加所述電流。
5.一種使用存儲元件的存儲裝置，其特徵在於， 具有存儲元件和電壓脈衝發生部； 所述存儲元件具有: 絕緣性基板， 第一電極及第二電極，設置於所述絕緣性基板上， 電極間間隙部，設置在所述第一電極與所述第二電極之間，具有納米級的間隙，該納米級的間隙用於產生第一、第二電極之間的電阻值的變化現象； 所述存儲元件為多個，各個存儲元件至少與各個恆流元件串聯，從所述電壓脈衝發生裝置向串聯有所述恆流元件的存儲元件中的至少一個施加電壓脈衝。
全文摘要
更穩定地進行開關動作。存儲元件10具有絕緣性基板；第一電極2及第二電極3，其設置於絕緣性基板；電極間間隙部4，其設置在第一電極與第二電極之間，具有產生第一、第二電極之間的電阻值的變化現象的納米級的間隙，該存儲元件10能夠從規定的低電阻狀態向規定的高電阻狀態轉換以及能夠從高電阻狀態向所述低電阻狀態轉換，該存儲元件10的驅動方法的特徵在於，在從高電阻狀態向所述低電阻狀態轉換時，通過恆流電路向存儲元件施加電流脈衝。
文檔編號H01L49/00GK103081017SQ20118004139
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月25日 優先權日2010年8月26日
發明者高橋剛, 增田雄一郎, 古田成生, 角谷透, 小野雅敏, 林豊, 福岡敏美, 清水哲夫, 庫瑪拉古盧巴蘭·索姆, 菅洋志, 內藤泰久 申請人:獨立行政法人產業技術綜合研究所, 株式會社船井電機新應用技術研究所, 船井電機株式會社