電子元件、存儲裝置及半導體集成電路的製作方法

2023-10-05 17:05:04 2

專利名稱：電子元件、存儲裝置及半導體集成電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用了電阻值根據被施加的脈衝電壓而變化的狀態可 變材料的電子元件、存儲裝置及半導體集成電路。
背景技術：
近年來，隨著電子機器中的數位技術的發展，為了存儲圖像等數據， 對非易失性存儲器件的要求越來越多。而且，對增加存儲器件的容量、減 低為寫入工作所需的功率、縮短讀出及寫入時間、以及延長器件使用期限
這些技術的要求越來越高。為了滿足這些要求，在美國專利第6,204,139 號公報中，有人公開了一種使用電阻值根據被施加的電脈衝而變化的鈣鈦 礦材料(例如，Pr(i-x)CaxMnOs (PCMO)、 LaSrMn03 (LSMO)、 GdBaCoxOy (GBCO)等等)的非易失性存儲器件的形成技術。根據該專 利文獻所公開的技術，在所述材料(以下，通常將該材料稱為"可變電阻 材料")上施加規定電脈衝，以增加或減少所述材料的電阻值。由於該務P中 的施加而變化了的電阻值，是為了儲存相互不同的值使用。基於該技術方 案，用所述材料作為存儲器件。
美國專利第6,673,691號公報公開了通過使電脈沖的脈衝寬度變化， 來使可變電阻材料的電阻值變化的方法。美國專利第6,673，691號公報還 公開了 1D1R ( —個二極體及一個電阻器)式存儲單元陣列的例子，在該 存儲單元陳列中，存儲單元是使用所述可變電阻材料而構成的，並且用二 極管作為存儲單元選擇器件。該結構的優點是與包括用作存儲單元選擇 器件的電晶體的結構相比，存儲單元的尺寸更小。
圖17，表示在美國專利第6,673,691號公報中所公開的、使用了現有 可變電阻材料的存儲裝置(1D1R式非易失性存儲裝置)900。在該現有 例中，存儲裝置900包括襯底901，形成在襯底901上的PN結二極體
(N型矽(Si)區域902、 P型矽區域903-1及903-2)，形成在二極體的 P型矽區域903-1上的下部電極904-1 ，形成在二極體的P型矽區域903-2 上的下部電極904-2，形成在二極體的N型矽區域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)構成，可變電 阻材料層906由Po.7Cao.3Mn03構成。
在圖17所示的存儲裝置900中，當在上部電極907-1與下部電極 904-1之間施加規定脈衝時，可變電阻材料層906中位於上部電極907-1 與下部電極904-1之間的部分(可變區域906a)的電阻值變化；當在上 部電極907-2與下部電極904-2之間施加規定脈衝時，可變電阻材料層906 中位於上部電極907-2與下部電極904-2之間的部分(可變區域906yS) 的電阻值變化。就是說，在該存儲裝置中，用可變區域906a;及可變區域 906 A分別作為 一個存儲單元。
在圖17所示的存儲裝置900中，用形成在村底901上的PN結二極 管作為用以選擇存儲單元的二極體。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。
圖18，表示圖17的存儲裝置900的等效電路。在圖18中，字線Wl 對應於上部電極907-1;字線W2對應於上部電極907-2;位線Bl對應於 接觸插塞905。存儲單元MC911對應於可變區域906a; 二極體D911 對應於二極體(N型矽區域902、 P型矽區域903-1);存儲單元MC912 對應於可變區域906/3 ; 二極體D912對應於二極體(N型矽區域902、 P 型矽區域903-2)。 (工作)
下面，參照圖18，對圖17所示的存儲裝置900的工作情況進行說明。 在此說明的是，對存儲單元MC911進行的處理步驟。 (到位(set)(存儲)或復位) 在存儲步驟中，使字線W2和位線Bl接地，再在字線W1上施加規
定電脈衝。其結果是，存儲單元MC911的電阻值變化到低電阻狀態(復 位)或高電阻狀態(到位)。在美國專利第6,673,691號公報所公開的現有 例中，當施加電壓值+ 4V、脈衝寬度100nsec的脈衝電壓時，存儲單元 MC911的電阻值從高電阻狀態變化到低電阻狀態。當施加電壓值+ 2.5V、 脈衝寬度10//sec的脈衝電壓時，存儲單元MC911的電阻值從低電阻狀 態變化到高電阻狀態。 (再生)
在再生步驟中，讓字線W2和位線B1接地，在字線W1上施加規定 再生電壓(例如，電壓值為+0.5V的電壓)。其結果是，流過存儲單元 MC911的電流流出到位線Bl中。另一方面，沒有電流流過存儲單元 MC912。因為相對存儲單元MC912設置有二極體D912 (圖17中的N 型矽區域902和P型矽區域903-2)，所以沒有電流從字線Wl流向字線 W2。因此，能僅檢測出存儲單元MC911的電阻值。
根據所述技術方案，現有存儲裝置(1D1R式非易失性存儲裝置)900 對各個存儲單元進行存儲工作或再生工作。
然而，在使用二極體的裝置(1D1R式非易失性存儲裝置)中，需要 在村底901上形成PN結二極體。為了形成存儲單元，還需要在該二極體 上形成下部電極904-1及904-2、和可變電阻材料層906。因為這種結構 需要複雜的製造工序，所以不適於實際使用。應該進一步注意的是，在圖 17所示的存儲裝置900中，因為形成有二極體，所以即使以上部電極907-1 (907-2)相對下部電極904-1 (904-2)成為負極(—)的方式在可變區 域906a (906/3)上施加脈衝電壓，也不意味著在可變區域906a; (906 /3)上施加了規定脈衝電壓。就是說，在圖17所示的存儲裝置900中， 如果要讓可變區域906 a (906 /3 )的電阻值變化，就需要以上部電極907-1 (907-2)相對下部電極904-1 (904-2)成為正極(+ )的方式施加脈衝 電壓。這樣，施加在可變電阻材料上的脈衝電壓的極性受限制。
在圖17所示的存儲裝置900中，為讓存儲單元的電阻狀態從高電阻 狀態變化到低電阻狀態(使電阻狀態到位)所需要的時間是100nsec;為 讓存儲單元的電阻狀態從低電阻狀態變化到高電阻狀態(使電阻狀態復位) 所需要的時間是10/zsec。如果要快速進行該存儲單元的到位或復位工作，
就需要使所施加的脈衝電壓的脈衝寬度變窄。

發明內容
根據本發明的一個局面， 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、並且具有二極體特性和可 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電 極向另一個電極延伸的正方向上，傳導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，根據被施加在所述 第一電極與所述第二電極之間的規定脈沖電壓而增加或減少。
因為所述電子元件具有"二極體特性"，所以能在未為此使用二極體元 件的狀態下，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式非易失性存儲器。在這樣使用的情況 下，不需要設置二極體，因而與現有1D1R式非易失性存儲器相比，製造 工序簡化。而且，因為未設置二極體，所以施加在可變電阻材料上的脈衝 電壓的極性不受限制。因此，無論是正(+ )極性的脈衝電壓還是負(一) 極性的脈衝電壓，都能施加在狀態可變材料層上。在這樣的》1c衝施加方法 (電阻值根據脈沖電壓的極性而變化的方法)中，與現有脈衝施加方法(通 過調整脈衝電壓的脈衝寬度來使可變電阻材料的電阻值變化的方法)相比， 被施加的脈衝電壓的脈衝寬度更窄。就是說，能夠縮短為存儲或復位所需 要的時間。
最好是這樣的，所述第一電極的功函數，與所述第二電極的功函數不同。
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時， 狀態可變材料具有二極體特性和可變電阻特性。因此，能通過設第一電極 的功函數和第二電極的功函數為相互不同的值，來形成狀態可變材料具有 "二極體特性"和"可變電阻特性"的電子元件。 最好是這樣的，所述層的結晶性不均勻。
在所述電子元件中，狀態可變材料層的結晶性不均勻時，該狀態可變 材料層具有二極體特性和可變電阻特性。因此，能通過使狀態可變材料層 的結晶性不均勻，來形成狀態可變材料具有"二極體特性"和"可變電阻
特性"的電子元件。
最好是這樣的，通過在所述第一電極與所述第二電極之間施加規定的 脈衝電壓，使所述正方向上的電阻值變化，來讓所述電子元件儲存一位或 多位信息。
在所述電子元件中，與現有脈衝電壓相比，為存儲或復位所施加的脈 沖電壓的脈沖寬度更窄。就是說，能夠縮短為存儲或復位所需要的時間。
最好是這樣的，通過在所述第一電極與所述第二電極之間施加規定的 脈衝電壓，使電流根據所述層的電阻值沿所述正方向流動，來從所述電子 元件中讀出一位或多位信息。
因為所述電子元件具有"二極體特性"，所以能在未為此使用二極體元
件的狀態下，決定電流的方向。這樣，就能用電子元件例如作為1D1R式
非易失性存儲器。在這樣使用的情況下，不需要設置二極體，因而與現有
1D1R式非易失性存儲器相比，製造工序簡化。
根據本發明的別的局面， 一種存儲裝置，包括排成矩陣狀的、權利 要求1所述的多個電子元件，多條字線，用來將規定的電壓施加在所述多 條字線上的驅動字線部，多條位線，以及用來將規定的電壓施加在所迷多 條位線上的驅動位線部。在所述多個電子元件的每個中，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。
因為在所述存儲裝置中，電子元件具有"二極體特性"，所以沒有電流 從字線流向別的字線。這樣，就能在不另外設置二極體元件的情況下，制 作存儲裝置。
最好是這樣的，為了將信息儲存在所述多個電子元件的任一個中，所 述驅動字線部，在所述多條字線中的連接在要儲存所述信息的電子元件上 的那一條字線上施加第一脈衝電壓，所述驅動位線部，在所述多條位線中 的連接在要儲存所述信息的電子元件上的那一條位線上施加第二脈衝電 壓。
在所述存儲裝置中，在將規定脈沖電壓未施加在其他電子元件上的狀 態下，在要儲存信息的電子元件上施加該規定脈沖電壓。其結果是，能僅 使要儲存信息的電子元件的電阻狀態變化。就是說，能夠任意選出電子元
件，將信息儲存在該選出的電子元件中。
最好是這樣的，為了再生已儲存在所述多個電子元件的任一個中的信 息，所述驅動字線部，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，所述驅動位線部，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。
在所述存儲裝置內，在其他電子元件中沒有電流沿正方向流動的狀態 下，在要讀出信息的電子元件中，電流沿正方向流動。這樣，就能僅讀出 流過要讀出信息的電子元件的電流。就是說，能夠任意選出電子元件，讀 出已儲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，包括對應於所述第二電極、形成在 襯底上的下部電極，和對應於所述第一電極、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，包含位於所述上部電極與所述下 部電極之間的區域，具有二極體特性和可變電阻特性。
最好是這樣的，所述上部電極對應於第一上部電極，所述區域對應於 第一區域，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， 包含介於所述第二上部電極與所述下部電極之間的第二區域；所述第二區 域，在從所述第二上部電極及所述下部電極中的一個電極向另一個電極延 伸的正方向上，傳導與和所述正方向相反的反方向相比電流量更多的電流； 所述第二區域在所述正方向上的電阻值，根據被施加在所述第二上部電極 與所述下部電極之間的規定^c衝電壓而增加或減少。
在所述電子元件中，因為電流的方向已決定，所以電流不會從第一上 部電極流過下部電極後流向第二上部電極。因此，能在不另外形成二極體 的狀態下，製作存儲裝置。
最好是這樣的，所述電子元件還包括驅動電壓部；所述驅動電壓部， 以所述第一電極相對所述第二電極成為負極的方式在所述第一電極與所述 第二電極之間施加務P中電壓，以增加所述層在所述正方向上的電阻值；所 述驅動電壓部，以所迷第一電極相對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 元件還包括用來以所述第一電極相對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定電壓的驅動電壓部。
最好是這樣的，所述多個電子元件中的每個，構成為起到二極體作用。


圖l，是表示電子元件的基本結構的圖。
圖2,是表示要施加的脈衝電壓的波形的圖。
圖3 (a)，是表示在電子元件上施加具有第一極性的脈衝電壓時所發 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衝電壓時所發 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衝電壓時所發 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衝電壓時所發 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衝電壓時所發 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衝電壓時所發 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衝電壓時所發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衝電壓時所發 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衝電壓時所發 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衝電壓時所發 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所發 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衝電壓時所發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的圖。
圖11，是表示基於本發明的第二實施例的存儲裝置的整體結構圖。
圖12，是表示基於本發明的第三實施例的半導體集成電路的整體結構圖。
圖13，是表示基於本發明的第四實施例的半導體集成電路的整體結構圖。
圖14，是表示基於本發明的第五實施例的存儲裝置的結構圖。
圖15，是表示圖14所示的存儲裝置的等效電路的圖。
圖16，是表示圖14所示的存儲裝置的等效電路的圖。
圖17，是表示現有存儲裝置的結構圖。
圖18，是表示圖17所示的存儲裝置的等效電路的圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖，詳細說明本發明的實施例。在本說明書中，用相同 的參照符號表示相同的結構因素，該結構因素的說明不反覆進行。 (電子元件的基本結構和基本特性) 對在本發明的實施例中使用的電子元件的基本結構和基本特性進行說明。
圖1，表示電子元件的基本結構。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上的狀態可變材料層2，以及形 成在狀態可變材料層2上的上部電極1。電源5，在上部電極l與下部電 極3之間施加規定的電壓。
根據本發明，狀態可變材料層2的狀態可變材料，具有下述特性，即 電流容易沿正方向流動，而不易沿反方向流動(二極體特性)；通過施加規 定脈衝電壓，電阻值增加或減少(可變電阻特性)。該層2的狀態可變材 料，是具有尖晶石結構的金屬氧化物材料、被添加了具有鈦鐵礦結構的金 屬的鐵電氧化物、或者至少具有CMR (超巨磁阻)特性及高溫超導特性 中的一種特性的、具有鈣鈦礦結構的材料。具體而言，該層2的狀態可變 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，對用以實現具有上迷特性(可變電阻特性和二極體特性)的狀 態可變材料層2的方法進行說明。 (第一實施例)
為了實現具有上述特性(可變電阻特性和二極體特性)的狀態可變材 料層2，用功函數相互不同的不同材料構成了圖l所示的電子元件中的上 部電極1和下部電極3。下面說明其理由。 (實驗的對象)
本案發明人對下述三種電子元件進行了實驗。
樣品(A):上部電極1的功函數小於下部電極3的功函數的電子元件。 樣品(B):上部電極1的功函數大於下部電極3的功函數的電子元件。 樣品(C):上部電極1的功函數等於下部電極3的功函數的電子元件。 在形成樣品(A)、樣品(B)及樣品(C)後，通過以上部電極1相 對下部電極3成為正極(+ )的方式在狀態可變材料層2上施加脈衝電壓 (電壓值+ 3V、脈衝寬度10//sec)，來使狀態可變材料層2的電阻值初 始化為略略小於在剛形成後測定出的電阻值(約1MQ)的十分之一的電 阻值。(該初始化，是按照日本專利申請特願2003-421374號 (PCT/JP2004/019291)的文獻所迷的方法進行的，在此參照該文獻引進 了該方法。)
(實-驗內容)
在第一實施例中，本案發明人對樣品(A)、樣品(B)及樣品(C) 進行了下述實驗。 (第一實驗)
以每次施加一個脈衝的方式在狀態可變材料層2上交替施加了下述脈 衝電壓，即上部電極1相對下部電極3成為正極(+ )的脈衝電壓(以 下，將該脈衝電壓稱為"正(+ )脈衝電壓")，和上部電極l相對下部電 極3成為負極(一)的脈衝電壓(以下，將該脈衝電壓稱為"負(一)脈 衝電壓")(參照圖2)。每次施加完脈衝電壓的一個脈衝以後，在狀態可變 材料層2上施加了上部電極1相對下部電極3成為正極(+ )的電壓(以 下，將該電壓稱為"正(+ )測定電壓")，以測定狀態可變材料層2的電 阻值。
(第二實驗)
以每次施加一個脈衝的方式在狀態可變材料層2上交替施加了正(+ ) 脈衝電壓和負(一)脈衝電壓(參照圖2)。每次施加完脈衝電壓的一個脈 衝以後，在狀態可變材料層2上施加了上部電極1相對下部電極3成為負 極(—)的電壓(以下，將該電壓稱為"負(一)測定電壓")，以測定狀 態可變材料層2的電阻值。 (第三實驗)
以每次施加一個脈沖的方式在狀態可變材料層2上交替施加了正(+ ) 脈衝電壓和負(_)脈衝電壓(參照圖2)。每次施加完脈衝電壓的一個脈 衝以後，測定了狀態可變材料層2的電流一電壓特性。 在所述實驗中施加了下述電壓。 正(+ )脈衝電壓電壓值+ 3V、脈衝寬度50nsec 負(一)脈衝電壓電壓值一3V、脈衝寬度50nsec 正(+ )測定電壓電壓值+ 0.5V 負(一)測定電壓電壓值一0.5V (對樣品(A)進行的實驗) 首先，參照圖3 (a)、圖3 (b)、圖4 (a)及圖4 (b),說明對樣品 (A)進行的實驗。在圖3 (a)和圖3 (b)中，縱軸表示通過根據在剛初 始化後測定出的電阻值RO將測定值R規格化而得到的值(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4.3eV( = electron volts: 電子伏特))
狀態可變材料層2: CuFe204 (厚度約0.1/zm) 下部電極3: 4白(厚度約0.2/zm、功函數5.7eV)
(第一實驗的結果) 對樣品(A)進行了第一實驗。圖3 (a)表示該實驗的結果。在施加
正(+ )脈衝電壓後，測定出的值從高電阻狀態(與另一個狀態相比電阻 值更高的狀態)變化到低電阻狀態(與另一個狀態相比電阻值更低的狀態)。 在施加負(—)脈衝電壓後，測定出的值從低電阻狀態變化到高電阻狀態。 由此可見，從上部電極1向下部電極3延伸的方向上的電阻值(狀態可變 材料層2的電阻值)，根據被施加的脈衝電壓而增加或減少。 (第二實驗的結果)
對樣品(A)進行了第二實驗。圖3 (b)表示該實驗的結果。即使是 在施加正(+ )脈衝電壓後，測定出的值也保持為高電阻狀態。由此可見， 從下部電極3向上部電極1延伸的方向上的電阻值(狀態可變材料層2的 電阻值)，總是處於高電阻狀態，與被施加的脈衝電壓無關。 (第三實驗的結果)
對樣品(A)進行了第三實驗。圖4 (a)表示在施加正(+ )脈衝電 壓後測定出的電流一電壓特性。如圖4 (a)所示，在施加正(+ )脈衝電 壓後，電流在施加正(+ )測定電壓時容易流動，而在施加負(一)測定 電壓時不易流動。由此可見，在施加正(+ )》、衝電壓後，電流(流過^j犬 態可變材料層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，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。
圖4 (b)表示在施加負(—)脈沖電壓後測定出的電流一電壓特性。 如圖4 (b)所示，在施加負(一)脈衝電壓後，即使是在施加正(+ )測 定電壓時，電流也不易流動。由此可見，在施加負(一)脈衝電壓後，與 在施加正(+ )務"中電壓後流動的電流相比，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。 (驗證的結果)
由上述實驗結果可見，樣品(A)具有下述特性。
一、將從上部電極1向下部電極3延伸的方向設為正方向、並且將從 下部電極3向上部電極1延伸的方向設為反方向的二極體特性。
二 、正方向上的電阻值根據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，正方向上的電阻^^於應於正(+ )脈衝電壓的施 力口而減少；該電阻值對應於負(一)脈衝電壓的施加而增加。 (對樣品(B)進行的實驗)
下面，參照圖3 (a)、圖3 (b)、圖5 (a)及圖5 (b)，說明對樣品 (B)進行的實驗結果。 (使用的材料)
上部電極l:鉑(厚度約0.2^m、功函數5.7eV)
狀態可變材料層2: CuFe204 (厚度約0.1"m)
下部電極3:鈦(Ti)(厚度約0.2/zm、功函數4.3eV) (實驗的結果) (第一實驗的結果)
對樣品(B)進行了第一實驗。圖3 (b)表示該實驗的結果。無論是 在施加正(+ )脈衝電壓後還是在施加負(一)脈衝電壓後，測定出的值 都保持為高電阻狀態。由此可見，從上部電極1向下部電極3延伸的方向 上的電阻值(狀態可變材料層2的電阻值)，總是處於高電阻狀態，與被 施加的務乂衝電壓無關。 (第二實驗的結果)
對樣品(B)進行了第二實驗。圖3 (a)表示該實驗的結果。在施加 正(+ )脈衝電壓後，測定出的值從高電阻狀態(與另一個狀態相比電阻 值更高的狀態)變化到低電阻狀態(與另一個狀態相比電阻值更低的狀態)。 在施加負(一)脈沖電壓後，測定出的值從低電阻狀態變化到高電阻狀態。 由此可見，從下部電極3向上部電極1延伸的方向上的電阻值(狀態可變 材料層2的電阻值)，根據被施加的脈衝電壓而增加或減少。 (第三實驗的結果)
對樣品(B)進行了第三實驗。圖5 (a)表示在施加正(+ )脈衝電 壓後測定出的電流一電壓特性。如圖5 (a)所示，在施加正(+ )脈衝電 壓後，電流在施加正(+ )測定電壓時不易流動，而在施加負(一)測定 電壓時容易流動。由此可見，在施加正(+ )脈沖電壓後，電流(流過狀 態可變材料層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，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。
圖5 (b)表示在施加負(一)脈衝電壓後測定出的電流一電壓特性。 如圖5 (b)所示，在施加負(一)脈衝電壓後，即使是在施加負(一)測 定電壓時，電流也不易流動。由此可見，在施加負(一)脈沖電壓後，與 在施加正(+ )脈衝電壓後流動的電流相比，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。 (驗證的結果)
由上述實驗結果可見，樣品(B)具有下述特性。
一、將從下部電極3向上部電極1延伸的方向設為正方向、並且將從 上部電極1向下部電極3延伸的方向設為反方向的二極體特性。
二 、正方向上的電阻值根據被施加的脈衝電壓而增加或減少的特性(可 變電阻特性)。明確地說，正方向上的電阻值對應於正(+ )〗詠衝電壓的施 加而減少；該電阻值對應於負(一)脈衝電壓的施加而增加。 (對樣品(C)進行的實驗)
下面，參照圖6、圖7 (a)及圖7 (b)，說明對樣品(C)進行的實 驗結果。
(使用的材料) 上部電極l:柏(厚度約0.2〃m、功函數5.7eV) 狀態可變材料層2: CuFe204 (厚度約0.1"m) 下部電極3:鉑(厚度約0.2/zm、功函數5.7eV) (實驗的結果) (第一實驗的結果) 對樣品(C)進行了第一實驗。圖6表示該實驗的結果。在施加正(+ ) 脈衝電壓後，測定出的值從高電阻狀態變化到低電阻狀態。在施加負(一) 脈衝電壓後，測定出的值從低電阻狀態變化到高電阻狀態。這樣，從上部
根據被施加的脈衝電壓而增加或減少。 (第二實驗的結果)
對樣品(C)進行了第二實驗。圖6表示該實驗的結杲。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(狀態可變材料層2的電 阻值)，根據被施加的脈沖電壓而增加或減少。 (第三實驗的結果)
對樣品(C)進行了第三實驗。圖7 (a)表示在施加正(+ )脈沖電 壓後測定出的電流一電壓特性；圖7 (b)表示在施加負(一)脈沖電壓後
測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，可見與施加負(一)脈沖電壓後相比，在施加正(+ )脈衝 電壓後，電流更容易流動(狀態可變材料層2的電阻值較小)。 (驗證的結果)
由上述實驗結果可見，樣品(C)具有下述特性。 一、電阻4直對應於正(+ )》1c衝電壓的施加而減少、並且該電阻^直對 應於負(一)脈衝電壓的施加而增加的特性(可變電阻特性)。 (結論)
在樣品(A)中，上部電極1的功函數小於下部電極3的功函數。在 樣品(B)中，上部電極1的功函數大於下部電極3的功函數。由對樣品 (A)、樣品(B)及樣品(C)進行的實驗結果可見，狀態可變材料層2 具有下述特性。
一 、將從功函數較小的電極向功函數較大的電極延伸的方向設為正方 向、並且將從功函數較大的電極向功函數較小的電極延伸的方向設為反方 向的二極體特性。
二 、正方向上的電阻值根據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，以上部電極1相對下部電極3成為正極(+ ) 的方式在上部電極1與下部電極3之間施加務夂衝電壓時，正方向上的電阻 值減少；以上部電極1相對下部電極3成為負極(一)的方式在上部電極 1與下部電極3之間施加^c衝電壓時，正方向上的電阻值增加。
在樣品(A)、樣品(B)及樣品(C)中，通過在形成各樣品後，以 上部電極1相對下部電極3成為正極(+ )的方式在狀態可變材料層2上 施加脈衝電壓，來將狀態可變材料層2的電阻值初始化為略略小於在剛形 成後測定出的電阻值(約1M。)的十分之一的電阻值。其間，本案發明 人也準備了樣品(A，)、樣品(B，)及樣品(C')。該樣品(A，)、樣品(B，) 及樣品(C'),是通過在形成各樣品後，以上部電極1相對下部電極3成 為負極(一)的方式在狀態可變材料層2上施加脈衝電壓(電壓值一3V、 脈沖寬度10" sec)，來將狀態可變材料層2的電阻值初始化為略略小於在 剛形成後測定出的電阻值(約1MQ)的十分之一的電阻值的。除了這個 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。
對樣品(A，)、樣品(B，)及樣品(C，)也進行了對樣品(A)、樣品(B) 及樣品(C)進行的上述實驗(第一到第三實驗)。 (對樣品(A，)進行的實驗)
參照圖8 (a)、圖8 (b)、圖4 (a)及圖4 (b)，說明對樣品(A')進 行的實驗。
(第一實驗的結果) 圖8 (a)表示對樣品(A，)進行的第一實驗的結果。在施加正(+ ) 脈衝電壓後，測定出的值從低電阻狀態變化到高電阻狀態。在施加負(一) 脈衝電壓後，測定出的值從高電阻狀態變化到低電阻狀態。由此可見，從 上部電極1向下部電極3延伸的方向上的電阻值(狀態可變材料層2的電 阻值)，根據被施加的脈衝電壓而增加或減少。 (第二實驗的結果)
圖8 (b)表示對樣品(A，)進行的第二實驗的結果。即使是在施加負 (一)脈沖電壓後，測定出的值也保持為高電阻狀態。由此可見，從下部 電極3向上部電極1延伸的方向上的電阻值，總是處於高電阻狀態，與被 施加的務乂衝電壓無關。 (第三實驗的結果)
下面，說明對樣品(A，)進行的第三實驗的結果。在施加正(+ )脈 衝電壓後測定出的電流一電壓特性，呈圖4(b)所示的樣子；在施加負(一) 脈衝電壓後測定出的電流—電壓特性，呈圖4 (a)所示的樣子。 (對樣品(B，)進行的實驗) 參照圖8 (a)、圖8 (b)、圖5 (a)及圖5 (b)，說明對樣品(B，) 進行的實驗結果。
(第一實驗的結果)
圖8 (b)表示對樣品(B')進行的第一實驗的結果。由此可見，從上 部電極1向下部電極3延伸的方向上的電阻值，總是處於高電阻狀態，與
被施加的脈衝電壓無關o
(第二實驗的結果)
圖8 (a)表示對樣品(B，)進行的第二實驗的結果。由此可見，從下
部電極3向上部電極1延伸的方向上的電阻值，根據被施加的脈衝電壓而 增力口或減少。
(第三實驗的結果) 下面，說明對樣品(B')進行的第三實驗的結果。在施加正(+ )脈
衝電壓後測定出的電流一電壓特性，呈圖5(b)所示的樣子；在施加負(—) 脈衝電壓後測定出的電流一 電壓特性，呈圖5 (a)所示的樣子。
(對樣品(C，)進行的實驗)
(第一實驗和第二實驗的結果)
圖9表示對樣品(C，)進行了第一實驗和第二實驗的結果。由此可見， 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，都根據被施加的脈衝電壓而增加或減少。 (第三實驗的結果) 下面，說明對樣品(C，)進行的第三實驗的結果。在施加正(+ )脈 沖電壓後測定出的電流一電壓特性，呈圖7(b)所示的樣子；在施加負(一) 脈衝電壓後測定出的電流一電壓特性，呈圖7 (a)所示的樣子。 (結論)
由對樣品(A，)、樣品(B，)及樣品(C，)進行的實驗結果可見，狀態 可變材料層2具有下述特性。
一 、將從功函數較小的電極向功函數較大的電極延伸的方向設為正方 向、並且將從功函數較大的電極向功函數較小的電極延伸的方向設為反方 向的二極體特性。
二 、正方向上的電阻值根據被施加的脈衝電壓而增加或減少的特性(可 變電阻特性)。明確地說，以上部電極1相對下部電極3成為正極(+ ) 的方式在上部電極1與下部電極3之間施加務乂沖電壓時，正方向上的電阻 值增加；以上部電極1相對下部電極3成為負極(一)的方式在上部電極 1與下部電極3之間施加l^衝電壓時，正方向上的電阻^直減少。
由對上述樣品(樣品(A)到(C)、和樣品(A')到樣品(C，))進行 的上迷實驗結果可見，狀態可變材料層2具有下述特性。
一、在上部電極1和下部電極3的功函數相互不同的情況下，將從一 個電極向另一個電極延伸的方向(第一方向)設為正方向、並且將從所述
另一個電極向所述一個電極延伸的方向設為反方向(與所述第一方向相反 的第二方向)的二極體特性。
二、在施加規定脈衝電壓時，二極體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，也確認到了下述事情，即關於用來使電阻值變化的脈衝電壓， 第一實施例的脈衝電壓的脈衝寬度(50nsec)，比現有例的脈衝電壓的脈 沖寬度(大於或等於l"sec)窄。
因為確認到了上述特性，所以用功函數相互不同的兩種材料作為上部
電極1和下部電極3，來製作了圖1所示的電子元件。 (第二實施例)
為了實現具有上述特性(可變電阻特性和二極體特性)的狀態可變材 料層2，用結晶性不均勻的狀態可變材料作為圖l所示的電子元件中的狀 態可變材料層2。下面說明其理由。 (狀態可變材料的結晶性) (狀態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 可變材料的結晶溫度的溫度(例如是CuFe204，就設為600°C)，以形成 狀態可變材料層2。對這樣形成的狀態可變材料層2進行了 X射線衍射分 析，以調查結晶結構的扭曲。由其結果可見，狀態可變材料層2在表示結 晶平面間距D的位置上具有尖銳的衍射峰(強度大的衍射峰)。就是說， 由上述結果可見，這樣形成的狀態可變材料層2的結晶性，基本上在膜厚 度方向上很均勻。
(狀態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 狀態可變材料的結晶溫度的溫度的狀態下，形成了狀態可變材料層2。對 這樣形成的狀態可變材料層2進行了 X射線衍射分析，以調查結晶結構 的扭曲。由其結果可見，在狀態可變材料層2的結晶結構中，平面間距不 規則(就是說，狀態可變材料層2具有強度小並且寬度較寬的衍射峰)。 就是說，由上述結果可見，這樣形成的狀態可變材料層2具有結晶結構的 扭曲。
(狀態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 下，形成了狀態可變材料層2。接著，在狀態可變材料層2上形成了上部 電極l。用透射電子顯微鏡對這樣形成的狀態可變材料層2進行了電子衍 射分析。其結果是，在狀態可變材料層2中位於下部電極3附近的部分， 觀測到了結晶性良好的電子衍射圖形(具有某個周期的斑點圖形)，而在狀 態可變材料層2中位於上部電極1附近的部分，觀測到了結晶性不好(近 似於非晶形狀態)的電子衍射圖形(暈斑(halo pattern))。就是說，在 狀態可變材料層2中位於下部電極3附近的部分，結晶平面間距具有實質 上均勾的值。由此可見，狀態可變材料層2中位於下部電極3附近的部分， 具有結晶結構的扭曲很少的、良好的結晶性。另一方面，在狀態可變材料 層2中位於上部電極1附近的部分，呈與下部電極3附近的部分相比結晶 平面間距更不規則的分布情況。由此可見，狀態可變材料層2中位於上部 電極l附近的部分具有結晶結構的扭曲很多的、不好的結晶性。
另外，用透射電子顯微鏡對狀態可變材料層2進行了橫截面TEM(透 射電子顯微鏡)觀察，以測量狀態可變材料層2的結晶粒度。狀態可變材 料層2中位於下部電極3附近的部分的結晶粒度，有狀態可變材料層2中 位於上部電極1附近的部分的結晶粒度的兩倍或兩倍以上的大小。這樣， 確認到了下述事情，即與狀態可變材料層2中位於上部電極1附近的部 分相比，位於下部電極3附近的部分的結晶性更為良好。
由上述內容可見，在使已形成了下部電極3的襯底4的溫度從約600 。C逐漸降低的狀態下形成了狀態可變材料層2時，狀態可變材料層2具有 不均勾的結晶性，位於下部電極3附近的部分的結晶性良好，而位於上部 電極1附近的部分的結晶性不好。 (對樣品(D)進行的實驗)
按照上述狀態可變材料層的第三形成方法，在下部電極3上形成了狀 態可變材料層2，然後在狀態可變材料層2上形成了上部電極1，這樣來 製作了樣品(D)。 (樣品(D))
上部電極l:鉑(厚度約0.2/zm、功函數5.7eV)
狀態可變材料層2: CuFe204 (厚度約0.1"m)
下部電極3:鉑(厚度約0.2wm、功函數5.7eV)
應該注意一下，在形成樣品(D)後，通過以上部電極1相對下部電 極3成為正極(+ )的方式在狀態可變材料層2上施加脈衝電壓(電壓值 + 3V、脈衝寬度10//see),來將狀態可變材料層2的電阻值初始化為略 略小於在剛形成後測定出的電阻值(約1MD)的十分之一的電阻值。 (第一到第三實驗)
對樣品(D)進行了第一實施例的上述實驗(第一到第三實驗)。這些 實驗的結果，與第一實施例中的樣品(A)的實驗結果一樣(參照圖3 (a)、 圖3 (b)、圖4 (a)及圖4 (b))。由對樣品(D)進行的實驗結果可見， 狀態可變材料層2具有下述特性。
一 、將從結晶性不好的區域向結晶性良好的區域延伸的方向設為正方 向、並且將從結晶性良好的區域向結晶性不好的區域延伸的方向設為反方 向的二極體特性。
二、正方向上的電阻值根據被施加的脈衝電壓而增加或減少的特性(可 變電阻特性)。明確地說，在以上部電極1相對下部電極3成為正極(+ ) 的方式在上部電極1與下部電極3之間施加脈衝電壓時，正方向上的電阻 值減少；以上部電極1相對下部電極3成為負極(一)的方式在上部電極 1與下部電極3之間施力。脈衝電壓時，正方向上的電阻值增加。
其間，本案發明人還準備了樣品(D，)。該樣品(D')，是通過在形成 該樣品(D，)後，以上部電極1相對下部電極3成為負極(一)的方式在 狀態可變材料層2上施加脈衝電壓(電壓值一3V、脈衝寬度10"sec)， 來將狀態可變材料層2的電阻值初始化為略略小於在剛形成後測定出的電 阻值(約1MQ)的十分之一的電阻值的。除了這個事情以外，該樣品(D') 就與樣品(D) —樣。
對樣品(D，)也進行了對樣品(D)進行的上述實驗(第一到第三實驗)。
(對樣品(D')進行的實驗) 對樣品(D')進行的第一實驗的結果，呈圖8 (a)所示的樣子；對樣 品(D')進行的第二實驗的結果，呈圖8 (b)所示的樣子。另外，也確認
到了下述事情，即對樣品(D，)進行的第三實驗的結果(電流—電壓特 性)，是在施加正(+ )脈沖電壓後呈圖4 (b)所示的樣子，而在施加負 (_)脈衝電壓後呈圖4 (a)所示的樣子。由對樣品(D')進行的實驗結 果可見，狀態可變材料層2具有下述特性。
一 、將從結晶性不好的區域向結晶性良好的區域延伸的方向設為正方 向、並且將從結晶性良好的區域向結晶性不好的區域延伸的方向設為反方 向的二極體特性。
二 、正方向上的電阻值根據糹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，在以上部電極1相對下部電極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、衝電壓時，正方向上的電阻 值增加；在以上部電極1相對下部電極3成為負極(一)的方式在上部電 極1與下部電極3之間施加脈衝電壓時，正方向上的電阻值減少。
由對上述樣品(樣品(D)和樣品(D'))進行的上述實驗結果可見， 狀態可變材料層2具有下述特性。
一、 在狀態可變材料層2的結晶性不均勻的情況下，將從一個電極向 另一個電極延伸的方向(第一方向)設為正方向、並且將從所述另一個電 極向所述一個電極延伸的方向設為反方向(與所述第一方向相反的第二方 向)的二極體特性。
二、 在施加規定脈衝電壓時，二極體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，也確認到了下述事情，即關於為變化電阻值所施加的脈衝電 壓，第二實施例的脈衝電壓的務1c衝寬度(50nsec)，比現有例的務^衝電壓 的脈衝寬度(大於或等於1/zsec)窄。
因為確認到了上述特性，所以用結晶性不均勻的狀態可變材料作為狀 態可變材料層2，來製作了圖1所示的電子元件。
在第一及第二實施例中，用具有尖晶石結構的金屬氧化物材料即 CuFe204作為狀態可變材料層2。但是，本發明並不限於此。本案發明人 確認了即使使用下述材料中的哪個材料也都能夠實現上述特性，所述材料 是具有尖晶石結構的其他金屬氧化物材料、被添加了具有鈦鐵礦結構的 金屬的鐵電氧化物、以及具有鈣鈦礦結構的CMR (超巨磁阻)材料或高
溫超導材料。具體而言，本案發明人確認到了能用從下述材料中選出的材
料來實現上述特性，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。 (第一實施形態) (圖形符號的定義)
對本發明的第一實施形態的電子元件進行說明。本案發明人給第一實 施形態的電子元件的圖形符號下了如圖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之間施加脈衝電壓時，電子元件102的電阻值減 少；在以端子101-1相對端子101-2成為負極(—)的方式在端子101-1 與端子101-2之間施加脈衝電壓時，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 向設為"正方向"、並且將從端子101-2向端子101-1延伸的方向設為"反 方向"的二極體特性。 (工作)
下面，對圖10所示的電子元件102的工作情況進行說明。在此，電 子元件102被用作處理一位數據的存儲器。假設電子元件102的電阻值(狀 態可變材料層2的電阻值)已被初始化為高電阻狀態。還假設在電子元件 102的電阻值處於"高電阻狀態"時，邏輯值是"0";在電子元件102的 電阻值處於"低電阻狀態"時，邏輯值是"1"。 (存儲)
為了將表示"1"的一位數據寫入到電子元件102中，讓端子101-2 接地，在端子101-1上施加存儲電壓。該存儲電壓，例如為電阻值+ 3V、 脈衝寬度50nsec的脈衝電壓(正(+ )脈沖電壓)。因為在電子元件102 上施加了正(+ )脈衝電壓，所以電子元件102的電阻值(狀態可變材料 的電阻值)變到低電阻狀態。這樣，來將表示"1"的一位數據儲存到電 子元件102中。 (復位)
為了使電子元件102的存儲狀態復位到初始狀態，讓端子101-2接地， 在端子101-1上施加復位電壓。該復位電壓，例如為電阻值一3V、脈衝寬 度50nsec的脈沖電壓(負(一)脈衝電壓)。因為在電子元件102上施加 了負(一)脈衝電壓，所以電子元件102的電阻值變到高電阻狀態。這樣， 來使電子元件102的存儲狀態復位到初始狀態。 (再生)
為了從電子元件102讀出數據，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。因為在電子元 件102上施加了再生電壓(=正(+ )測定電壓)，所以具有根據電子元 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，若假設在電子元件102的電阻值處於"高電阻狀態"時流動 的電流對應於"0"，並且在電子元件102的電阻值處於"低電阻狀態"時 流動的電流對應於"1"，上述電流的流動就意味著再生了已儲存在電子元 件102中的一位數據。
這樣，如上所述，能用電子元件102作為存儲器。 (效果)
如上所述，因為電子元件具有"二極體特性"，所以能在未為此使用二 極管元件的狀態下，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式非易失性存儲器。在這樣 使用的情況下，不需要設置二極體，從而與現有1D1R式非易失性存儲器 相比，能使製造工序簡化。
因為未設置二極體，所以用來施加在可變電阻材料上的脈衝電壓的極 性不受限制。因此，無論是正(+ )極性的脈衝電壓還是負(一)極性的 脈衝電壓，都能施加在狀態可變材料層上。在這樣的脈衝施加方法(電阻 值根據脈衝電壓的極性而變化的方法)中，與現有脈衝施加方法(通過調 整脈衝電壓的脈衝寬度來使可變電阻材料的電阻值變化的方法)相比，被 施加的脈衝電壓的脈衝寬度更窄(在第一實施形態中，為50nsec)。就是 說，能夠縮短為存儲或復位所需要的時間。
102的狀態可變材料層2時，也都能實現上述效果，所述材料是具有尖
晶石結構的CuFe204、 CoFe204、 NiCr204或Fe304，被添加了具有鈦鐵 礦結構的金屬的鐵電氧化物，以及具有鈣鈦礦結構的CMR (超巨磁阻) 材料或高溫超導材料等等。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 夠實現上迷效果。
在CMOS (互補金屬氧化物半導體)工序中，最好是膜形成溫度低於 或等於450。C，以免因高溫而造成損傷等。為了形成具有鈣鈦礦結構的材 料的膜， 一般需要設襯底溫度為700。C或700。C以上。另一方面，為了形 成具有尖晶石結構的材料的膜，村底溫度只要約有400。C就足夠了 。因此， 在用具有尖晶石結構的材料作為圖1所示的狀態可變材料層2時，能設膜 形成溫度為較低的溫度。這樣，與具有鈣鈦礦結構的材料相比，具有尖晶 石結構的材料更適於半導體工序。
一般來說，高溫超導材料和CMR材料，是包含鹼金屬或鹼土金屬的、 或者包含鹼金屬及鹼土金屬的氧化物。在用這樣的材料形成圖l所示的電 子元件時，在半導體工序的清洗步驟中，鹼金屬或鹼土金屬、或者鹼金屬 及鹼土金屬溶解出來，從而電子元件的作為存儲單元的特性惡化。為了防 止該特性惡化，最好是用不包括鹼金屬及鹼土金屬的材料作為狀態可變材 料層2。
在第一實施形態中，用相互不同的兩種狀態，即高電阻狀態和低電阻 狀態，表示一位數據，這樣來用電子元件作為存儲器。然而，也可以是這 樣的，即用電子元件作為使電脈衝的寬度和振幅變化而生成4種或更多 種電阻狀態的非易失性存儲單元，這樣來儲存兩位信息、三位信息或更多
位信息。
(第二實施形態)
(整體結構)
圖11，表示基於本發明的第二實施形態的存儲裝置200的整體結構。 存儲裝置200，包含存儲器陣列201，地址緩衝器202，控制部203， 行解碼器204，驅動字線器205，列解碼器206，以及驅動位線器207。
存儲器陣列201，包含字線W1及W2，位線B1及B2，以及存儲 單元MC211、 MC212、 MC221及MC222。存儲單元MC211、 MC212、
MC221及MC222中的各個存儲單元，是圖10所示的電子元件102。存 儲單元MC211的一端，連接在字線W1上；存儲單元MC211的另一端， 連接在位線B1上(正方向W1—Bl)。存儲單元MC212的一端，連接 在字線W2上；存儲單元MC212的另一端，連接在位線Bl上(正方向 W2—B1)。存儲單元MC221的一端，連接在字線Wl上；存儲單元MC221 的另一端，連接在位線B2上(正方向W1—B2)。存儲單元MC222的 一端，連接在字線W2上；存儲單元MC222的另一端，連接在位線B2 上(正方向W2—B2)。
地址緩衝器202，接收從存儲裝置200的外部被提供的地址信號 ADDRESS,再向行解碼器204輸出行地址信號ROW，並且向列解碼器 206輸出列地址信號C0LUMN。地址信號ADDRESS,表示從存儲單元 MC211、 MC212、 MC221及MC222中選出的存儲單元的地址。行地址 信號R0W，表示由地址信號ADDRESS表示的地址中的行地址。列地址 信號COLUMN,表示由地址信號ADDRESS表示的地址中的列地址。
控制部203，根據從存儲裝置200的外部被提供的模式選擇信號 MODE,開始存儲模式、復位模式及再生模式中的任一種模式。在存儲模 式中，控制部203，根據從存儲裝置200的外部被提供的輸入數據Din， 向驅動字線器205和驅動位線器207輸出指示"存儲電壓的施加"的控制 信號CONT。在再生模式中，控制部203向驅動字線器205和驅動位線 器207輸出指示"再生電壓的施加"的控制信號CONT。在再生模式中， 控制部203還向外部裝置輸出輸出數據Dout,該輸出數據Dout表示根據
從驅動位線器207接收的信號lREAD而決定的位值。信號lREAD表示流過
位線Bl或B2的電流的電流值。在復位模式中，控制部203檢查存儲單 元MC211、 MC212、 MC221及MC222的存儲狀態，再根據檢出的存儲 狀態向驅動字線器205和驅動位線器207輸出指示"復位電壓的施加"的 控制信號CONT。
行解碼器204，根據從地址緩衝器202接收的行地址信號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"存儲電壓的施加"的控制信號CONT 時，驅動字線器205在被行解碼器204選出的字線上施加存儲電壓
VlwRITE。在從控制部203接收了指示"再生電壓的施加"的控制信號
CONT時，驅動字線器205在被行解碼器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"復位電壓的施加"的控制信號 CONT時，驅動字線器205在被行解碼器204選出的字線上施加復位電 壓V1reseto
列解碼器206，根據從地址緩沖器202接收的列地址信號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"存儲電壓的施加"的控制信號CONT 時，驅動位線器207在被列解碼器206選出的位線上施加存儲電壓 V2write。在從控制部203接收了指示"再生電壓的施加"的控制信號 CONT時，驅動位線器207在被列解碼器206選出的位線之外的其他位 線上施加再生電壓V2read，然後向控制部203輸出表示流過位線Bl或 B2的電流的電流值的信號Iread。在從控制部203接收了指示"復位電壓 的施加"的控制信號CONT時，驅動位線器207在被列解碼器206選出 的位線上施加復位電壓V2reset。
存儲電壓V1write，例如是電壓值+1.5V、脈沖寬度50nsec的脈衝 電壓；存儲電壓V2write，例如是電壓值一1.5V、脈衝寬度50nsec的脈 衝電壓。在此，存儲電壓VIwrite與存儲電壓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。
復位電壓V1reset，例如是電壓值一1.5V、脈衝寬度50nsec的脈衝電 壓；復位電壓V2RESET，例如是電壓值+ 1.5V、脈衝寬度50nsec的脈衝電
壓。在此，復位電壓VlRESET與復位電壓V2RESET之間的電位差為3V。
(工作)
下面，說明圖11所示的存儲裝置200的工作情況。存儲裝置200的 工作模式包含將輸入數據Din寫入在存儲單元中的存儲模式，讓已寫入 在存儲單元中的信息復位的復位模式，以及作為輸出數據Dout輸出(再 生)已寫入在存儲單元中的信息的再生模式。在此，假設存儲單元MC211、 MC212、 MC221及MC222已被初始化為高電阻狀態。還假設地址信號 ADDRESS表示存儲單元MC211的地址。
(存儲模式) 首先，說明存儲模式時的工作情況。
在輸入數據Din表示"1"時，控制部203向驅動字線器205和驅動 位線器207輸出指示"存儲電壓的施加"的控制信號CONT。在輸入數據 Din表示"0"時，控制部203不輸出控制信號CONT。
在從控制部203接收了指示"存儲電壓的施加"的控制信號CONT 時，驅動位線器207在被列解碼器206逸出的位線Bl上施加存儲電壓 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"存儲電壓的施加"的控制信號 CONT時，驅動字線器205在被行解碼器204選出的字線上施加存儲電 壓V1WRITE，讓其他字線W2 (未被選出的字線)接地。
因為在存儲單元MC211中被施加了電壓值+ 3V、脈衝寬度50nsec 的脈沖電壓(正(+ )脈衝電壓)，所以存儲單元MC211的電阻值變到低 電阻狀態。
雖然在存儲單元MC212中，施加了電壓值一1.5V、脈衝寬度50nsec 的脈衝電壓(負(一)脈衝電壓)，但因為被施加了的脈衝電壓的電壓值未 達到規定電平(在此，為"—3V")，所以存儲單元MC212的電阻狀態不 變化。
雖然在存儲單元MC221中，施加了電壓值+1.5V、脈衝寬度50nsec 的脈衝電壓(正(+ )脈衝電壓)，但因為被施加了的脈衝電壓的電壓值未 達到規定電平(在此，為"+ 3V"),所以存儲單元MC221的電阻狀態不 變化。
因為存儲單元MC222的兩端之間的電位差為0V，所以存儲單元 MC222的電阻狀態不變化。
這樣，因為僅存儲單元MC211的電阻狀態變為"低電阻狀態"，所以 表示"1"的一位數據就被寫入在存儲單元MC211中。
在將數據寫入在存儲單元MC211中的工作完成後，新地址信號 ADDRESS被輸入在地址緩衝器202中，上述存儲模式時的工作被反覆進 行。
(再生模式)
下面，說明再生模式時的工作情況。
控制部203,向驅動字線器205和驅動位線器207輸出指示"再生電 壓的施加"的控制信號CONT。
在從控制部203接收了指示"再生電壓的施加"的控制信號CONT 時，驅動位線器207在被列解碼器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 CONT時，驅動字線器205在被行解碼器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。
因為在存儲單元MC211中，被施加了正(+ )測定電壓，所以具有 根據存儲單元MC211的電阻值而決定的電流值的電流流過存儲單元 MC211，再流出到位線B1中。
因為存儲單元MC212的兩端之間的電位差為0V，所以沒有電流流過 存儲單元MC212。因為在存儲單元MC212中，從位線B1向字線W2延 伸的方向是"反方向"，所以沒有可能流過位線B1的電流流入字線W2中。
因為存儲單元MC221的兩端之間的電位差為0V，所以沒有電流流過 存儲單元MC221。
因為在存儲單元MC222中，被施加了負(—)測定電壓，所以沒有 電流流過存儲單元MC222。
接著，驅動位線器207測定流過位線Bl或B2的電流的電流值，再 向控制部203輸出表示測定出的電流值的信號I read。之後，控制部203 向外部裝置輸出根據信號I read所表示的電流值而決定的輸出數據Dout。 例如，若該測定出的電流值是在低電阻狀態時流動的電流的電流值，從控 制部203輸出的輸出數據Dout就表示"1"。
這樣，因為電流僅流過存儲單元MC221,流過存儲單元MC211的電 流流入位線Bl中，所以一位數據從存儲單元MC211被讀出。
在從存儲單元MC211中讀出數據的工作完成後，新地址信號 ADDRESS被輸入在地址緩衝器202中，上述再生模式時的工作被反覆進 行。
(復位模式)
下面，說明復位模式時的工作情況。
控制部203，通過再生模式的處理步驟檢查存儲單元MC211的存儲 狀態。
在控制部203判斷為存儲單元MC211儲存有表示"1"的位數據(存 儲單元MC211處於低電阻狀態)的情況下，控制部203向驅動字線器205 和驅動位線器207輸出指示"復位電壓的施加"的控制信號CONT。在存 儲單元MC211儲存有表示"0"的位數據(存儲單元MC211處於高電阻 狀態)的情況下，控制部203不輸出控制信號CONT。
在從控制部203接收了指示"復位電壓的施加"的控制信號CONT 時，驅動位線器207在被列解碼器206選出的位線Bl上施加復位電壓 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"復位電壓的施加"的控制信號 CONT時，驅動字線器205在被行解碼器204選出的字線上施加復位電 壓VI reset,讓其他字線W2 (未被選出的字線)接地。
因為在存儲單元MC211中被施加了電壓值一3V、脈衝寬度50nsec 的脈衝電壓(負(一)脈衝電壓)，所以存儲單元MC211的電阻值變為高 電阻狀態。
雖然在存儲單元MC212中施加了電壓值+ 1.5V、脈衝寬度50nsec 的脈沖電壓(正(+ )脈衝電壓)，但因為被施加了的脈衝電壓的電壓值未 達到規定電平(在此，為"+ 3V")，所以存儲單元MC212的電阻狀態不 變化。
雖然在存儲單元MC221中施加了電壓值一1.5V、脈衝寬度50nsec 的脈衝電壓(負(一)脈沖電壓)，但因為被施加了的脈沖電壓的電壓值未 達到規定電平(在此，為"一3V")，所以存儲單元MC221的電阻狀態不 變化。
因為存儲單元MC222的兩端之間的電位差為0V，所以存儲單元 MC222的電阻狀態不變化。
這樣，因為僅存儲單元MC211的電阻狀態變為"高電阻狀態"，所以 已儲存在存儲單元MC211中的一位數據就復位。
在存儲單元MC211的復位工作完成後，新地址信號ADDRESS被輸
入在地址緩衝器202中，上述復位模式時的工作被反覆進行。
(效果)
如上所述，因為電子元件(存儲單元)具有"二極體特性"，所以沒有 電流從字線流向別的字線。因而，能在未另外設置二極體元件的狀態下， 製作存儲裝置。因此，能使製造工序簡化。
根據第二實施形態，規定脈衝電壓施加在要儲存信息的電子元件上，
這時該規定脈衝電壓不施加在其他電子元件上。其結果是，能僅使要儲存 信息的電子元件的電阻狀態變化。就是說，能夠任意選出電子元件，並且 將信息儲存在該選出的電子元件中。
根據第二實施形態，在要讀出信息的電子元件中，電流沿正方向流動，
而這時沒有電流在其他電子元件中沿正方向流動。因此，能僅讀出流過要 讀出信息的電子元件的電流。就是說，能夠任意選出電子元件，並且讀出 已儲存在該選出的電子元件中的信息。
圖11， ^叉表示了四個存儲單元，不過本發明並不限於此。例如，也可 以將五個或更多個存儲單元設置為矩陣狀。
(第三實施形態)
(結構)
圖12，表示基於本發明的第三實施形態的半導體集成電路 (Embedded-RAM:嵌入式隨機存取存儲器)300的結構。該電路300, 包含圖11所示的存儲裝置200和邏輯電路301，被形成為一個半導體芯 片。圖11所示的存儲裝置200，被用作數據RAM (隨機存取存儲器)。 邏輯電路301，是進行規定運算(例如，對聲音數據或圖像數據進行編碼 或解碼)的電路，在該運算時使用存儲裝置200。邏輯電路301，對提供 給存儲裝置200的地址信號ADDRESS和模式選擇信號MODE進行控 制，以將數據寫入到存儲裝置200中或者從存儲裝置200中讀出數據。 (工作)
下面，對圖12所示的半導體集成電路(嵌入式隨機存取存儲器)300 的工作情況進行說明。電路300的工作，包含寫入步驟、讀出步驟、以及 復位步驟，該寫入步驟是為了將規定數據(位數據)寫入在存儲裝置200 中進行的；該讀出步驟是為了讀出已寫入在存儲裝置200中的數據進行的；
該復位步驟是為了讓已寫入在存儲裝置200中的數據復位進行的。
(寫入步驟) 首先，說明寫入步驟。
為了將規定數據(例如，已編碼的動態圖像數據等)寫入到存儲裝置
200中，邏輯電路301向存儲裝置200的控制部203輸出表示"存儲模式" 的模式選擇信號MODE。
接著，為了選出要寫入該規定數據的存儲單元，邏輯電路301向存儲 裝置200的地址緩衝器202依次輸出地址信號ADDRESS。其結果是， 在存儲裝置200中，存儲單元根據地址信號ADDRESS依次被選出。
接著，邏輯電路301,以每次作為一位數據Din輸出一個位的方式， 向存儲裝置200的控制部203輸出該規定數據。
接著，在存儲裝置200中，進行與第二實施形態的存儲模式時的工作 一樣的工作。其結果是，該規定數據以每次被寫入一個位的方式被寫入到 存儲裝置200中。 (讀出步驟)
下面，說明讀出步驟。
為了讀出已寫入到存儲裝置200中的數據，邏輯電路301向存儲裝置 200的控制部203輸出表示"再生模式"的模式選擇信號MODE。
接著，為了選出要讀出已寫入的數據的存儲單元，邏輯電路301向存 儲裝置200的地址緩衝器202依次輸出地址信號ADDRESS。其結果是， 在存儲裝置200中，存儲單元根據地址信號ADDRESS依次被選出。
接著，在存儲裝置200中，進行與第二實施形態的再生模式時的工作 一樣的工作。其結果是，已儲存在存儲裝置200中的數據，以每次作為輸 出數據Dout被讀出 一個位的方式被讀出。 (復位步驟)
下面，說明復位步驟。
為了讓已寫入到存儲裝置200中的數據復位，邏輯電路301向存儲裝 置200的控制部203輸出表示"復位模式"的模式選擇信號MODE。
接著，為了選出要讓已儲存的數據復位的存儲單元，邏輯電路301向 存儲裝置200的地址緩衝器202依次輸出地址信號ADDRESS。其結果
是，在存儲裝置200中，存儲單元根據地址信號ADDRESS依次被選出。 接著，在存儲裝置200中，進行與第二實施形態的復位模式時的工作 一樣的工作。其結果是，已儲存在存儲裝置200中的數據，以每次復一個 位的方式復位。 (效果)
如上所述，能將大量的信息快速地儲存在存儲裝置200中。 (第四實施形態) (結構)
圖13，表示基於本發明的第四實施形態的半導體集成電路 (reconfigurable LSI:可重構大規模集成電路)400的結構。該電路400， 包含圖11所示的存儲裝置200、處理器401及接口 402，被形成為一個 半導體晶片。圖11所示的存儲裝置200,被用作程序ROM(只讀存儲器)， 儲存為處理器401的工作所需要的程序。處理器401，按照已儲存在存儲 裝置200中的程序進行工作，以控制存儲裝置200和接口 402。接口 402， 向存儲裝置200依次輸出從外部裝置被提供的程序。 (工作)
下面，對圖13所示的半導體集成電路(可重構大規模集成電路)400 的工作情況進行說明。該電路400的工作，包含執行程序步驟和重寫程序 步驟，該執行程序步驟是該電路400根據已儲存的程序進行工作的；該重 寫程序步驟是為了將已儲存在存儲裝置200中的程序重寫為別的新程序進 行的。
(執行程序步驟) 首先，說明執行程序步驟。
為了讀出已儲存在存儲裝置200中的程序，處理器401向存儲裝置 200的控制部203輸出表示"再生模式"的模式選擇信號MODE。
接著，處理器401向存儲裝置200的地址緩沖器202依次輸出地址信 號ADDRESS,該地址信號ADDRESS表示已儲存了必要的程序的存儲 單元。其結果是，在存儲裝置200中，存儲單元根據地址信號ADDRESS 依次#1選出。
接著，在存儲裝置200中，進行與第二實施形態的再生模式時的工作
一樣的工作。其結果是，已儲存在存儲裝置200中的程序，以每次作為輸
出數據Dout被讀出一個位的方式被讀出。
接著，處理器401，按照從存儲裝置200讀出的程序進行規定的運算。 (重寫程序步驟) 下面，說明重寫程序步驟。
為了擦除已儲存在存儲裝置200中的程序(要重寫的程序)，處理器 401向存儲裝置200的控制部203輸出表示"復位模式"的模式選擇信號 MODE。
接著，處理器401向存儲裝置200的地址緩衝器202依次輸出地址信 號ADDRESS,該地址信號ADDRESS表示已儲存了要重寫的程序的存 儲單元。其結果是，在存儲裝置200中，存儲單元根據地址信號ADDRESS 依次被選出。
接著，在存儲裝置200中，進行與第二實施形態的復位模式時的工作 一樣的工作。其結果是，已儲存在存儲單元中的程序，以每次復一個位的 方式復位。
在存儲單元的復位工作完成後，處理器401向存儲裝置200的控制部 203輸出表示"存儲模式"的模式選擇信號MODE，以寫入新程序。
接著，處理器401，向存儲裝置200的地址緩衝器202依次輸出地址 信號ADDRESS,該地址信號ADDRESS表示要儲存新程序的存儲單元 的位置。其結果是，在存儲裝置200中，存儲單元根據地址信號ADDRESS 依次淨皮選出。
接著，處理器401，以每次輸出一個位的方式，通過接口 402向存儲 裝置200的控制部203輸出從外部裝置被提供的新程序。在存儲裝置200 中，進行與第二實施形態的存儲模式時的工作一樣的工作。其結果是，新 程序以每次被儲存一個位的方式被儲存在存儲裝置200中。
這樣，因為存儲裝置200是可重寫非易失性存儲器，所以能夠重寫已 儲存在存儲裝置200中的程序。就是說，能代替處理器401所實現的功能。 而且，也可以是這樣的，即將多個程序儲存在存儲裝置200中，並且按 照從存儲裝置200中讀出的程序代替處理器401所實現的功能。 (效果)
如上所述，能在一個大規模集成電路中實現相互不同的功能，就是說， 能夠實現可重構大規模集成電路。 (第五實施形態) (結構)
圖14，表示基於本發明的第五實施形態的存儲裝置500的結構。存 儲裝置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上的狀態可變材料層503和接觸插塞504,以及形成在狀 態可變材料層503上的上部電極505-1及505-2。在此，下部電極502由 鉑(功函數5.7eV)構成；上部電極505-1及505-2由銀(功函數4.3eV) 構成；狀態可變材料層503由CuFe204 (厚度0.1/Zm)構成。接觸插塞 504由鋁(Al)構成。 (狀態可變材料)
在圖14所示的上部電極505-1與下部電極502之間施加規定脈衝電 壓時，在狀態可變材料層503中位於上部電極505-1正下方的區域(狀態 可變區&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之間施加規定脈衝電壓時，在狀態可變材料層503中位於上部電極 505-2正下方的區域(狀態可變區域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 定電壓時，具有根據狀態可變區域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(一)測定電壓，就沒有電流流動。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(+ )測定電壓時，具有根據狀 態可變區域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(一)測定 電壓，就沒有電流流動。 (等效電路)
圖15，表示圖14所示的存儲裝置500的等效電路。在圖15中，字 線Wl對應於上部電極505-1;字線W2對應於上部電極505-2;下部電 極502和接觸插塞504,對應於位線B1。存儲單元MC511對應於狀態可 變區域503";存儲單元MC512對應於狀態可變區域503 yS 。
(工作)
下面，參照圖15所示的等效電路，對圖14所示的存儲裝置500的工 作情況進行說明。圖14所示的存儲裝置500的工作，包含存儲模式、復 位模式及再生模式，該存儲模式是將一位數據儲存在存儲單元中的；該復 位模式是讓一位數據復位的；該再生模式是對已儲存在存儲單元中的一位 數據進行再生的。 (存儲模式)
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)上施加存儲電壓。該存 儲電壓，例如是電壓值+ 3V、脈衝寬度50nsec的脈衝電壓。其結果是， 存儲單元MC511 (狀態可變區域503o;)的電阻狀態從"高電阻狀態"變 化到"低電阻狀態"。 (復位)
讓位線Bl和字線W2接地，在字線Wl上施加復位電壓。該復位電 壓，例如是電壓值一3V、脈沖寬度50nsec的脈衝電壓。其結果是，存儲 單元MC511的電阻狀態從"低電阻狀態"變化到"高電阻狀態"。 (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。其結果是，具有根據存儲單元MC511 的電阻狀態而決定的電流值的電流從位線Bl流出。其間，因為在存儲單 元MC512中，從位線B1向字線W2延伸的方向是"反方向"，所以沒有 電流從位線Bl流向字線W2 (就是說，沒有電流從上部電極505-1流過 下^卩電極502後，諒u向上^卩電極505-2)。 (效果)
如上所述，因為狀態可變材料具有"二極體特性"，所以能在未為此形 成二極體的狀態下，決定電流的方向。而且，狀態可變材料具有"可變電 阻特性"，從而能例如用作1D1R式非易失性存儲器。在這樣使用的情況 下，不需要形成二極體，因而與現有1D1R式非易失性存儲器相比，能使 製造工序筒化。
因為未形成二極體，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，無論是正(+ )極性的脈衝電壓還是負(一)極性的脈衝 電壓，都能施加在狀態可變材料層上。在這樣的脈衝施加方法(電阻值根 據脈衝電壓的極性而變化的方法)中，與現有脈衝施加方法(通過調整脈 衝電壓的脈衝寬度來使可變電阻材料的電阻值變化的方法)相比，被施加
的脈衝電壓的脈衝寬度更窄(在第一實施形態中，為50nsec)。就是說， 能夠縮短為存儲或復位所需要的時間。
在上述第五實施形態的例子中，上部電極505-1及505-2的功函數與 下部電極502的功函數不同。然而，不言而喻，如第二實施形態所述，即 使是在狀態可變區域503的結晶性不均勻的情況下，也能夠得到 一樣的效 果。
在上述第五實施形態的例子中所述的狀態可變材料，具有下述特性， 即在以上部電極505-1 (505-2)相對下部電極502成為正極(+ )的 方式在上部電極505-1 (505-2)與下部電極502之間施加脈衝電壓時， 狀態可變區域503a (503/3)的電阻狀態變化到"低電阻狀態"的特性， 和將從上部電極505-1 (505-2)向下部電極502延伸的方向設為"正方
料，該特性是在以上部電極505-1 (505-2)相對下部電極502成為負 極(—)的方式在上部電極505-1 (505-2)與下部電極502之間施加脈 衝電壓時，狀態可變區域503a (503/3)的電阻狀態變化到"低電阻狀 態"的特性，和將從上部電極505-1 (505-2)向下部電極502延伸的方 向設為"反方向"的特性(例如，第一實施例中的樣品(A，)具有這樣的 特性)。在狀態可變區域503具有這樣的特性的情況下，圖14所示的存儲 裝置500的等效電路，呈圖16所示的樣子。在該情況下，能通過施下 述電壓，來得到一樣的效果，即當存儲模式時，在字線W1上施加電壓 值一3V、脈衝寬度50nsec的存儲電壓；當復位模式時，在字線Wl上施 加電壓值+ 3V、脈衝寬度50nsec的復位電壓；當再生模式時，在字線 Wl上施加電壓值—0.5V的再生電壓。
在上述第五實施形態的例子中，具有兩個上部電極，不過本發明並不 限於此。即使是在形成有三個或更多個上部電極時，也能夠實現一樣的效 果。 在上迷說明中，在所施加的脈衝電壓滿足規定條件時，能使電子元件 的電阻狀態變化。因此，如果在存儲及復位工作時，在電子元件上施加滿 足所對應的條件的脈衝電壓，並且在再生工作時，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，雖然在上迷例子中說明
的是，在施加電壓值+ 3V、脈衝寬度50nsec的電壓時，電子元件的電阻 狀態從"高電阻狀態"變化到"低電阻狀態"的例子，但是也能在所施加 的脈衝電壓的電壓值和脈衝寬度與上述電壓值和脈衝寬度不同的情況下， 得到一樣的效果。
應該注意一下，在上述例子的說明中，將電阻變化規格化後的值(R /R0)，不一定與在附圖中所示的值相等。
一工業實用性一
本發明所涉及的電子元件，作為能夠進行低功率工作、高速寫入工作 及高速擦除工作並且存儲容量很大的下一代非易失性存儲器等，很有用。
權利要求
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，並且具有二極體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電極向另一個電極延伸的正方向上，傳導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，根據被施加在所述第一電極與所述第二電極之間的規定脈衝電壓而增加或減少。
2. 根據權利要求1所述的電子元件，其中 所述第一電極的功函數，與所述第二電極的功函數不同。
3. 根據權利要求2所述的電子元件，其中 所述第一電極的功函數，小於所述第二電極的功函數；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為所述 正方向的二極體特性。
4. 根據權利要求2所述的電子元件，其中 所述第一電極的功函數，大於所述第二電極的功函數； 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為所述正方向的二極體特性。
5. 根據權利要求3所述的電子元件，其中在以所迷第一電極相對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衝電壓時，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所述第二電極成為負極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈衝電壓時，所述層在所述正方向上的電阻值增 加。
6. 根據權利要求4所述的電子元件，其中在以所迷第一電極相對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衝電壓時，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所述第二電極成為負極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈衝電壓時，所述層在所述正方向上的電阻值增 加。
7. 根據權利要求3所述的電子元件，其中在以所述第一電極相對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，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所述第二電極成為負極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈衝電壓時，所述層在所述正方向上的電阻值減 少。
8. 根據權利要求4所述的電子元件，其中在以所述第一電極相對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，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所述第二電極成為負極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈衝電壓時，所述層在所迷正方向上的電阻值減 少。
9. 根據權利要求1所述的電子元件，其中 所述層的結晶性不均勻。
10. 根據權利要求9所述的電子元件，其中所述結晶性上的均勻性，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. 根據權利要求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，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所述第二電極成為負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，所述層在所述正方向上的電阻值增 加。
12. 根據權利要求IO所述的電子元件，其中 負初始化電壓，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衝電壓時，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所述第二電極成為負極的方式在所述第一電極 與所述第二電極之間施加脈衝電壓時，所述層在所述正方向上的電阻值減 少。
13. 根據權利要求1所述的電子元件，其中通過在所述第一電極與所述第二電極之間施加規定的脈衝電壓，使所 述正方向上的電阻值變化，來讓所述電子元件儲存一位或多位信息。
14. 根據權利要求1所述的電子元件，其中通過在所述第 一 電極與所述第二電極之間施加規定的脈衝電壓，使電 流根據所述層的電阻值沿所述正方向流動，來從所述電子元件中讀出一位 或多位信息。
15. —種存儲裝置，其中包括權利要求l所述的多個電子元件，排成矩陣狀， 多條字線，驅動字線部，用來將規定的電壓施加在所述多條字線上， 多條位線，以及驅動位線部，用來將規定的電壓施加在所述多條位線上； 在所述多個電子元件的每個中，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. 根據權利要求15所述的存儲裝置，其中為了將信息儲存在所述多個電子元件的任一個中，所述驅動字線部，在所述多條字線中的連接在要儲存所述信息的電子 元件上的那一條字線上施加第一脈沖電壓，所述驅動位線部，在所述多條位線中的連接在要儲存所述信息的電子 元件上的那一條位線上施加第二脈衝電壓。
17. 根據權利要求15所述的存儲裝置，其中為了再生已儲存在所述多個電子元件的任一個中的信息， 所述驅動字線部，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，所述驅動位線部，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. —種半導體集成電路，其中 包括權利要求15所述的存儲裝置，和 邏輯電路，用來進行規定的運算； 所述邏輯電路具有存儲模式和再生模式；在所述存儲模式時，所述邏輯電路將位數據儲存在所述存儲裝置中； 在所述再生模式時，所述邏輯電路讀出已儲存在所述存儲裝置中的位 數據。
19. 一種半導體集成電路，其中 包括權利要求15所述的存儲裝置，和 處理器，具有執行程序模式和重寫程序模式；在所述執行程序模式時，所述處理器根據已儲存在所述存儲裝置中的 程序進行工作；在所述重寫程序模式時，所述處理器將已儲存在所述存儲裝置中的程 序重寫為從外部接收的、別的新程序。
20. 根據權利要求1所述的電子元件，其中.所述層，由具有尖晶石結構的金屬氧化物構成。
21. 根據權利要求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成。
22. 根據權利要求21所述的電子元件，其中 所述鐵電氧化物具有鈦鐵礦結構。
23. 根據權利要求1所述的電子元件，其中 所述層，由具有鈣鈦礦結構的金屬氧化物構成。
24. 根據權利要求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特性中的一種特性。
25. 根據權利要求l所述的電子元件，其中 所述層，不包括鹼金屬和鹼土金屬。
26. 根據權利要求1所述的電子元件，其中包括下部電極，對應於所述第二電極，形成在村底上，所述層形成在所述下部電極上，和上部電極，對應於所述第一電極，形成在所迷層上；所述層，包含位於所述上部電極與所述下部電極之間的區域，具有二極體特性和可變電阻特性。
27. 根據權利要求26所述的電子元件，其中 所述上部電極的功函數，小於所述下部電極的功函數；所述區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 正方向的二極體特性；與所述下部電極之間施加脈衝電壓時，所述區域在所述正方向上的電阻值 減少；在以所述上部電極相對所述下部電極成為負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，所述區域在所述正方向上的電阻值 增力口 。
28. 根據權利要求26所述的電子元件，其中 所述上部電極的功函數，大於所述下部電極的功函數；所述區域具有將從所述下部電極向所述上部電極延伸的方向設為所述 正方向的二極體特性；與所述下部電極之間施加脈衝電壓時，所述區域在所述正方向上的電阻值 減少；在以所述上部電極相對所述下部電極成為負極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈衝電壓時，所述區域在所述正方向上的電阻倡— 增力口。
29. 根據權利要求26所述的電子元件，其中 所述上部電極的功函數，小於所述下部電極的功函數；正方向的二極體特性；與所述下部電極之間施加脈沖電壓時，所述區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所述下部電極成為負極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈衝電壓時，所述區域在所述正方向上的電阻值 減少。
30. 根據權利要求26所述的電子元件，其中 所述上部電極的功函數，大於所述下部電極的功函數；正方向的二極體特性；與所述下部電極之間施加脈衝電壓時，所述區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所述下部電極成為負極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈衝電壓時，所述區域在所述正方向上的電阻值 減少。
31. 根據權利要求26所述的電子元件，其中所迷層的結晶性上的均勻性，是沿著所述正方向和所述反方向中的一 個方向減少下去的；正方向的二極體特性；與所述下部電極之間施加務t衝電壓時，所述區域在所述正方向上的電阻值 減少；在以所述上部電極相對所述下部電極成為負極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加Mc衝電壓時，所述區域在所述正方向上的電阻值 增力口。
32.根據權利要求26所述的電子元件，其中所述層的結晶性上的均勻性，是沿著所述正方向和所述反方向中的一 個方向減少下去的；正方向的二極體特性；在以所述上部電極相對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衝電壓時，所述區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所述下部電極成為負極的方式在所述上部電極 與所述下部電極之間施加脈衝電壓時，所述區域在所述正方向上的電阻值 減少。
33. 根據權利要求26所述的電子元件，其中所述上部電極對應於第一上部電極，所述區域對應於第一區域，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，包含介於所述第二上部電極與所述下部電極之間的第二區域； 所述第二區域，在從所述第二上部電極及所迷下部電極中的一個電極向另 一個電極延伸的正方向上，傳導與和所述正方向相反的反方向相比電流量更多的電流；所述第二區域在所述正方向上的電阻值，根據被施加在所述第二上部 電極與所述下部電極之間的規定脈衝電壓而增加或減少。
34. 根據權利要求5所述的電子元件，其中 還包括驅動電壓部；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對所述第二電極成為負極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈衝電壓，以增加所述層在所述 正方向上的電阻{直；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對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. 根據權利要求6所述的電子元件，其中 還包括驅動電壓部；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對所述第二電極成為負極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈衝電壓，以增加所迷層在所述 正方向上的電阻^直；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對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. 根據權利要求11所述的電子元件，其中 還包括驅動電壓部；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對所述第二電極成為負極的方式 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；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對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. 根據權利要求7所述的電子元件，其中 還包括驅動電壓部；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對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衝電壓，以增加所述層在所述 正方向上的電阻i直；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對所述第二電極成為負極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈衝電壓，以減少所述層在所述 正方向上的電阻j直。
38. 根據權利要求8所述的電子元件，其中 還包括驅動電壓部；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對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； 所述驅動電壓部，以所述第 一 電極相對所述笫二電極成為負極的方式 在所述第一電極與所述第二電極之間施加脈衝電壓，以減少所述層在所述 正方向上的電阻值。
39. 根據權利要求12所述的電子元件，其中 還包括驅動電壓部；所述驅動電壓部，以所述第一電極相對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衝電壓，以增加所述層在所述 正方向上的電阻值；所述驅動電壓部，以所述第 一 電極相對所述第二電極成為負極的方式 在所述第 一 電極與所述第二電極之間施加脈衝電壓，以減少所述層在所述 正方向上的電阻^直。
40. 根據權利要求5所述的電子元件，其中還包括驅動電壓部，用來以所述第一電極相對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定電壓，以測定所述層 在所述正方向上的電阻值。
41. 根據權利要求7所述的電子元件，其中還包括驅動電壓部，用來以所述第一電極相對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定電壓，以測定所述層 在所述正方向上的電阻 <直。
42. 根據權利要求11所述的電子元件，其中還包括驅動電壓部，用來以所述第 一 電極相對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定電壓，以測定所述層 在所述正方向上的電阻值。
43. 根據權利要求12所述的電子元件，其中還包括驅動電壓部，用來以所述第一電極相對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定電壓，以測定所述層 在所述正方向上的電阻^直。
44. 根據權利要求6所述的電子元件，其中還包括驅動電壓部，用來以所述第一電極相對所述第二電極成為負極 的方式在所述第 一 電極與所述第二電極之間施加測定電壓，以測定所述層 在所述正方向上的電阻值。
45. 根據權利要求8所述的電子元件，其中還包括驅動電壓部，用來以所述第一電極相對所述第二電極成為負極 的方式在所述第一電極與所述第二電極之間施加測定電壓，以測定所述層 在所迷正方向上的電阻 <直。
46. 根據權利要求15所述的存儲裝置，其中 所述多個電子元件中的每個，構成為起到二極體作用。
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、並且具有二極體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)中的一個電極向另一個電極延伸的正方向上，傳導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，根據被施加在所述第一電極(1)與所述第二電極(3)之間的規定脈衝電壓而增加或減少。
文檔編號G11C16/02GK101167138SQ200580049548
公開日2008年4月23日 申請日期2005年9月9日 優先權日2005年4月22日
發明者三谷覺, 關博司, 小佐野浩一, 村岡俊作 申請人:松下電器產業株式會社