專利名稱：非易失性存儲元件及包括該非易失性存儲元件的存儲裝置的制作方法
非易失性存儲元件及包括該非易失性存儲元件的存儲裝置技術(shù)領(lǐng)域
本公開涉及非易失性存儲元件、包括該非易失性存儲元件的存儲裝置，以及操作和制造該存儲裝置的方法。
背景技術(shù)：
非易失性存儲裝置的示例包括電阻隨機存取存儲器(RRAM)、磁性隨機存取存儲器(MRAM)、鐵電隨機存取存儲器(FRAM)及相變隨機存取存儲器(PRAM)等。在它們當中，RRAM是基于材料的電阻變化來存儲數(shù)據(jù)的電阻存儲裝置。在RRAM中，當施加到電阻變化材料的電壓大于或等于設(shè)定電壓時，電阻變化材料的電阻從高阻狀態(tài)變化到低阻狀態(tài)(也稱為“開啟(0N)”狀態(tài))。當施加到電阻變化材料的電壓大于或等于重置電壓時，電阻變化材料的電阻切換回高阻狀態(tài)(也稱為“截止(OFF)”狀態(tài))。
通常，電阻存儲裝置包括存儲節(jié)點和開關(guān)裝置。存儲節(jié)點具有電阻變化材料層。開關(guān)裝置電連接到存儲節(jié)點并控制信號至存儲節(jié)點的存取。
對高密度、高性能的各種非易失性存儲裝置(諸如上述電阻存儲裝置)的需求正在持續(xù)增加。發(fā)明內(nèi)容
提供利用電阻變化特性的非易失性存儲元件。
提供適合于增加存儲裝置的集成度并改善存儲裝置的性能的非易失性存儲元件。
提供具有多位存儲特性的非易失性存儲元件。
提供包括非易失性存儲元件的存儲裝置。
提供非易失性存儲元件及存儲裝置的操作方法。
提供非易失性存儲元件和存儲裝置的制造方法。
其他的方面將在下面的描述中部分地闡述，并且部分將通過下面的描述明顯或者可以通過對給出的實施例的實踐而習(xí)知。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種非易失性存儲兀件包括:第一電極；第二電極，與第一電極分隔開；以及存儲層，在第一電極和第二電極之間，其中存儲層包括第一材料層和第二材料層且由于離子物種和離子空位的至少之一在該第一材料層和該第二材料層之間的移動而具有電阻變化特性，且第一材料層和第二材料層當中至少第一材料層摻雜金屬。
非易失性存儲元件可以由于第一材料層而具有多位存儲特性。
第一材料層可以是氧供應(yīng)層，且第二材料層可以是氧交換層。
第一材料層可以包括第一金屬氧化物。
第一金屬氧化物可以包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。
例如，第一金屬氧化物可以包括TaOx (O < X < 2.5)。
第二材料層可以包括第二金屬氧化物，該第二金屬氧化物是與所述第一金屬氧化物相同的類型或不同的類型。
第二材料層可以具有比第一材料層的氧濃度高的氧濃度。
第二金屬氧化物可以包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。
例如，第二金屬氧化物可以包括Ta205。
例如，金屬可以包括鎢(W)。
第一材料層可以包括W摻雜的TaO2，第二材料層可以包括Ta205。
非易失性存儲元件還可以包括插置在第一電極和存儲層之間的緩沖層。
緩沖層可以包括提高第一電極和存儲層之間的勢壘的材料。
緩沖層可以包括A10x、SiOx, SiNx, ZrOx, HfOx及其混合物中的至少之一。
緩沖層可以包括具有比存儲層的原子間結(jié)合能高的原子間結(jié)合能的材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種存儲裝置包括上述非易失性存儲元件。
存儲裝置還可以包括電連接到非易失性存儲元件的切換元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種存儲裝置包括:多個第一配線，布置為彼此平行；多個第二配線，布置為彼此平行且交叉第一配線以形成多個交叉點；以及多個存儲單元，多個存儲單元的每個布置在多個交叉點的一個處，其中多個存儲單元的每個包括存儲層，存儲層包括第一材料層和第二材料層，存儲層由于第一材料層和第二材料層之間的離子物種和離子空位的至少之一的移動而具有電阻變化特性，且第一材料層和第二材料層當中的至少第一材料層摻雜金屬。
存儲層可以由于第一材料層而具有多位存儲特性。
第一材料層可以是氧供應(yīng)層，且第二材料層可以是氧交換層。
第一材料層可以包括第一金屬氧化物，第二材料層可以包括第二金屬氧化物，該第二金屬氧化物是與所述第一金屬氧化物相同的類型或不同的類型。
第一金屬氧化物可以包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。
例如，第一金屬氧化物可以包括TaOx (O < x < 2.5)。
第二金屬氧化物包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。
例如，第二金屬氧化物可以包括Ta205。
例如，金屬可以包括鎢(W)。
第一材料層可以包括W摻雜的TaO2,且第二材料層可以包括Ta205。
存儲單元還可以包括電連接到存儲層的切換元件。
存儲單元還可以包括設(shè)置在第一配線和存儲層之間的緩沖層。
多個存儲單元可以是多個第一存儲單元，多個交叉點可以是多個第一交叉點，且多個存儲裝置還可以包括:多個第三配線，布置在多個第二配線上并交叉多個第二配線以形成多個第二交叉點；多個第二存儲單元，多個第二存儲單元的每個布置在多個第二交叉點的一個處。
多個第二存儲單元的每個可以具有多個第一存儲單元的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)或者可以具有與多個第一存儲單元相同的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，包括非易失性存儲元件的存儲裝置的操作方法包括:通過控制施加到非易失性存儲元件的電流以將非易失性存儲元件設(shè)置調(diào)制至多個電流水平，形成非易失性存儲元件的多個ON-狀態(tài)；以及將多個ON-狀態(tài)對應(yīng)于多個第一數(shù)據(jù)位。
施加到非易失性存儲元件的電流可以由電連接到非易失性存儲元件的切換元件來控制。
所述方法還可以包括:將非易失性存儲元件重置到OFF-狀態(tài)；以及將非易失性存儲元件的OFF-狀態(tài)對應(yīng)于第二數(shù)據(jù)位。
多個ON-狀態(tài)至少可以包括第一 ON-狀態(tài)、第二 ON-狀態(tài)和第三ON-狀態(tài)。
非易失性存儲元件可以具有多位存儲特性。
非易失性存儲元件可以包括存儲層，存儲層可以包括第一材料層和第二材料層。存儲層可以由于離子物種和離子空位的至少之一在第一材料層和第二材料層之間的移動而具有電阻變化特性。第一材料層和第二材料層當中至少第一材料層可以摻雜金屬。
例如，金屬可以包括鎢(W)。
第一材料層可以是氧供應(yīng)層，第二材料層可以是氧交換層。
第一材料層可以包括第一金屬氧化物，第二材料層可以包括第二金屬氧化物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，存儲裝置的制造方法包括:形成第一電極；在第一電極上形成存儲層，該存儲層包括第一材料層和第二材料層，且由于離子物種和離子空位的至少之一在該第一材料層和該第二材料層之間的移動而具有電阻變化特性，第一材料層和第二材料層當中至少第一材料層摻雜金屬；以及在存儲層上形成第二電極。
形成存儲層可以包括:在第一電極上形成第一材料層；在第一材料層上形成金屬層；以及將金屬層的金屬原子擴散到第一材料層中。
將金屬原子擴散到第一材料層中可以通過等離子體氧化工藝來進行。
第二材料層可以通過等離子體氧化工藝形成在第一材料層上。
非易失性存儲元件可以由于第一材料層而具有多位存儲特性。
第一材料層可以包括第一金屬氧化物，第二材料層可以包括第二金屬氧化物，該第二金屬氧化物是與所述第一金屬氧化物相同的類型或不同的類型。
例如，金屬可以包括鎢(W)。
所述方法還可以包括在第一電極和存儲層之間形成緩沖層。
形成緩沖層可以包括利用配置用于提高第一電極和第二電極之間的勢壘的材料。
形成緩沖層可以包括利用具有比存儲層的原子間結(jié)合能高的原子間結(jié)合能的材料。
所述方法還可以包括形成電連接到存儲層的切換元件。


通過下面結(jié)合附圖對實施例的描述，這些和/或其他方面將更加明顯且更易于理解，在附圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲元件的截面圖2A和圖2B是用于描述根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲元件的操作機制的截面圖3是包括根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲元件的存儲裝置的截面示意圖4是示出具有圖3所示的結(jié)構(gòu)的存儲裝置的電壓-電流特性的曲線圖5是從圖4所示的曲線圖轉(zhuǎn)換得到的線性刻度曲線圖6和圖7是應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲元件的存儲裝置的透視圖8A至圖8H是示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲裝置的制造方法的截面圖9A至圖9G是示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的存儲裝置的制造方法的截面圖；以及
圖10是示出X射線光電子譜(XPS)數(shù)據(jù)的圖譜，該X射線光電子譜(XPS)數(shù)據(jù)示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例制造的存儲層沿深度方向的組分的變化。
具體實施方式
現(xiàn)在，將參考示出了示例性實施例的附圖更充分地描述各示例性實施例。
將理解，當一元件被稱為“連接到”或者“耦接到”另一元件時，它可以直接連接到或者直接耦接到另一元件，或者可以存在居間元件。相反，當一元件被稱為“直接連接到”或者“直接耦接到”另一元件時，不存在居間元件。在這里使用時，術(shù)語“和/或”包括一個或者多個相關(guān)聯(lián)的列舉項目的任何及所有組合。
將理解，盡管術(shù)語“第一”、“第二”等可以在此用于描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受限于這些術(shù)語。這些術(shù)語僅用于將一個元件、部件、區(qū)域、層或者部分與另一個元件、部件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開。因此，下面討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不脫離示例性實施例的教導(dǎo)。
為了便于描述，可以在此使用空間相對術(shù)語，例如“在…下方”、“在…之下”、“下”、“在…上方”和“上”等，來描述如圖所示的一個元件或者特征與其它元件或者特征的關(guān)系。將理解，除了附圖中描繪的取向之外，空間相對術(shù)語旨在涵蓋裝置在使用或者操作中的不同取向。例如，如果附圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)，則被描述為在其它元件或者特征“之下”或者“下方”的元件將取向為在其它元件或者特征“上方”。因此，示例性術(shù)語“在…之下”能夠包含之上和之下兩種取向。裝置還可以采取其他取向(旋轉(zhuǎn)90度或者其他取向)，且此處所用的空間相對性描述語被相應(yīng)地解釋。
這里采用的術(shù)語僅為了描述特定實施例，并非旨在限制示例性實施例。在這里使用時，除非上下文另有明確表述，否則單數(shù)形式也旨在包括復(fù)數(shù)形式。還將理解，當在本說明書中使用時，術(shù)語“包括 ”表明所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一個或者多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或增加。
這里，參照截面圖描述示例性實施例，這些截面圖為示例性實施例的理想化實施例(和中間結(jié)構(gòu))的示意性圖示。因而，例如，將預(yù)期由制造技術(shù)和/或公差引起的圖示形狀的變化。因此，示例性實施例不應(yīng)解釋為局限于在此所示區(qū)域的特定形狀，而是包括由例如制造引起的形狀的偏差。例如，圖示為矩形的注入?yún)^(qū)域典型地將具有圓化或者彎曲的特征和/或在其邊緣的注入濃度梯度，而非從注入?yún)^(qū)域到非注入?yún)^(qū)域的二元改變。同樣，通過注入形成的埋入?yún)^(qū)域會導(dǎo)致在埋入?yún)^(qū)域與通過其發(fā)生注入的表面之間的區(qū)域中的某些注入。因此，附圖中所示的區(qū)域本質(zhì)上是示意性的，它們的形狀不旨在示出裝置的區(qū)域的實際形狀，并且不旨在限制示例性實施例的范圍。
除非另有定義，此處使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)都具有示例性實施例所屬領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所通常理解的相同的含義。還將理解，除非此處加以明確定義，否則術(shù)語(諸如通用詞典中所定義的那些)應(yīng)當被解釋為具有與它們在相關(guān)領(lǐng)域的語境中的含義相一致的含義，而不應(yīng)被解釋為理想化或者過度形式化的意義。
現(xiàn)在，將詳細參照實施例，其示例在附圖中示出，其中相同的附圖標記始終指代相同的元件。在這一點上，當前的實施例可以具有不同的形式且不應(yīng)被理解為局限于這里給出的描述。因此，下面僅僅是通過參照附圖來描述實施例以解釋本說明書的各方面。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲元件(下面，稱作存儲元件)MEl的截面圖。
參照圖1，根據(jù)本實施例的存儲元件MEl可包括插置在第一電極El和第二電極E2之間的存儲層Ml。存儲層Ml可具有多層結(jié)構(gòu)。例如，存儲層Ml可以具有由第一材料層10和第二材料層20組成的雙層結(jié)構(gòu)。存儲層Ml可由于離子物種(ionic species)在第一材料層10和第二材料層20之間的移動而具有電阻變化特性。將在下面給出存儲層Ml的詳細描述。
存儲層Ml的第一材料層10可以由第一金屬氧化物形成。例如，第一材料層10可以包含Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化乾穩(wěn)定的氧化錯(YSZ, yttria-stabilizedzirconia)、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。在第一金屬氧化物包含Ta氧化物的情況下，第一金屬氧化物可以是TaOx (O < X < 2.5或0.5 ≤ X ≤ 2.0)o氧離子和/或氧空位(oxygen vacancies)可以存在于第一材料層10中。相對于第二材料層20,第一材料層10可以用作氧供應(yīng)層。第一材料層10也可以被稱為氧儲備層。第一材料層10可以是摻雜預(yù)定金屬的層。這里，所述金屬是與構(gòu)成第一材料層10的基礎(chǔ)材料(金屬)不同的金屬。例如，所述金屬可以是鎢(W)。通過使用摻雜金屬的第一材料層10，存儲層Ml可以具有多位存儲特性。換言之，存儲層Ml可以由于摻雜金屬的第一材料層10而具有多位存儲特性。將在后面給出它們的詳細描述。第一材料層10的厚度可以是從大約Inm至大約IOOnm,例如從大約5nm至大約50nm。
第二材料層20可以與第一材料層10交換氧離子和/或氧空位，并引起存儲層Ml的電阻變化。在這一點上，第二材料層20可以被稱為氧交換層。第二材料層20可以由第二金屬氧化物形成，該第二金屬氧化物可以是來自與第一金屬氧化物相同的組或與第一金屬氧化物不同的組。例如，第二金屬氧化物可以包含Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、YSZ、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。第二金屬氧化物可以具有化學(xué)計量成分(stoichiometric composition)或者與化學(xué)計量成分相似的成分。例如，當?shù)诙饘傺趸锇═a氧化物時，Ta氧化物可以是Ta2O5層或者是具有與Ta2O5相似成分的層。或者，該第二金屬氧化物可以是與第一金屬氧化物相同的類型或不同的類型。類似于第一材料層10，第二材料層20可以包含氧離子和/或氧空位。第二材料層20的氧遷移率(或者氧擴散率)可以等于或大于第一材料層10的氧遷移率(或者氧擴散率)。第二材料層20的電阻率可以與第一材料層10的電阻率不同。例如，第二材料層20的電阻率可以大于第一材料層10的電阻率。在電流路徑形成在第二材料層20中的ON狀態(tài)，存儲層Ml的電阻可以由第一材料層10的電阻來決定。 在沒有電流路徑存在于第二材料層20中的OFF狀態(tài)，存儲層Ml的電阻可以由第二材料層20的電阻來決定。第二材料層20的氧濃度可以高于第一材料層10的氧濃度。然而，在某些情況下，第二材料層20的氧濃度可以不高于第一材料層10的氧濃度。在第二材料層20由與第一材料層10相同的金屬氧化物形成的情況下，第二材料層20的氧濃度可以高于第一材料層10的氧濃度。然而，在第二材料層20由與第一材料層10不同的金屬氧化物形成的情況下，第二材料層20的氧濃度不必高于第一材料層10的氧濃度。第二材料層20的厚度可以小于第一材料層10的厚度。第二材料層20的厚度可以從大約Inm至大約50nm,例如從大約5nm至大約20nm。根據(jù)第二材料層20 (S卩，氧交換層)的材料特性，存儲元件MEl的電阻變化特性(例如，開關(guān)速度、開關(guān)電流比(ON/OFF ratio),等)可以變化。
此外，類似于第一材料層10，第二材料層20的至少一部分可以摻雜預(yù)定的金屬。該金屬可以與第一材料層10摻雜的金屬相同。例如，第二材料層20可以摻雜鶴(W)。然而，用金屬摻雜第二材料層20是選擇性的。因此，至少第一材料層10可以摻雜金屬，并且如果需要，第二材料層20也可以摻雜金屬。
緩沖層BI可以插置在存儲層Ml和第一電極El之間，即插置在第一材料層10和第一電極El之間。緩沖層BI可以改善存儲層Ml的電阻變化特性的可靠性、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性。緩沖層BI可以包含原子間結(jié)合能比存儲層Ml的大的材料。換言之，緩沖層BI的原子間結(jié)合能可以大于第一材料層10的原子間(例如，Ta-O)結(jié)合能。換言之，就結(jié)合能而言，緩沖層BI可以由比存儲層Ml穩(wěn)定的材料形成。此外，緩沖層BI可以包含提高第一電極El和存儲層Ml之間的勢壘的材料。換言之，緩沖層BI和第一電極El之間的導(dǎo)帶偏移可以大于第一材料層10和第一電極El之間的導(dǎo)帶偏移。換言之,緩沖層BI可以由抑制第一電極El和第一材料層10之間的過量電流的材料形成。為了取得相似的效果，緩沖層BI可以包含電阻率比存儲層Ml高的材料。例如，緩沖層BI可以包含A10x、SiOx, SiNx, ZrOx, HfOx及其混合物中的至少之一。緩沖層BI可以具有化學(xué)計量成分或者可以不具有化學(xué)計量成分。緩沖層BI可以具有適當?shù)某煞趾秃穸纫杂米骶彌_部件并允許電流的流動。例如，緩沖層BI的厚度可以小于或等于大約10nm。如果緩沖層BI具有化學(xué)計量成分，則緩沖層BI的厚度可以小于或等于大約5nm。如果緩沖層BI具有過大的厚度，則緩沖層BI的絕緣特性可能會不期望地增加。因此，如上所述，緩沖層BI可以形成為具有小于或等于大約IOnm的厚度。
第一電極El可以由賤金屬(base metal)或其化合物例如W、N1、Al、T1、Ta, TiN,TiW，TaN等形成，或者可以由導(dǎo)電氧化物例如銦鋅氧化物(IZO)、銦錫氧化物(ITO)等形成。由于在本實施例中提供緩沖層BI，所以可以獲得穩(wěn)定的存儲特性而不需要用昂貴的貴金屬來形成第一電極E1。在第一電極El由具有低反應(yīng)性的昂貴的貴金屬形成的情況下，緩沖層BI可以不是必需的，但是制造成本會增加。此外，即使第一電極El由貴金屬形成，也可能難以確保電阻變化特性的再現(xiàn)性/穩(wěn)定性。根據(jù)本實施例，由于采用了緩沖層BI，所以即使第一電極El由廉價的材料形成，也可以容易地獲得電阻變化特性的再現(xiàn)性/穩(wěn)定性。然而，本實施例不限于此。如果需要，第一電極El可以由貴金屬諸如Ir、Ru、Pd、Au、Pt等形成，或者可以由金屬氧化物諸如IrO2形成。因此第一電極El可以包含從由W、N1、Al、T1、Ta、TiN、TiW、TaN、ΙΖΟ、ΙΤ0、Ir、Ru、Pd、Au、Pt 和 IrO2 組成的組中選出的至少之一。此外，雖然未在這里陳述，但是第一電極El可以由半導(dǎo)體器件中通常使用的各種電極材料中的任一種形成。
類似于第一電極El，第二電極E2可以由各種材料中的任一種形成。例如，第二電極E2可以由貴金屬(諸如Ir、Ru、Pd、Au和Pt)、金屬氧化物(諸如IrO2)、非貴金屬(即，賤金屬)及其化合物(諸如W、N1、Al、T1、Ta，TiN，TiW和TaN)或者導(dǎo)電氧化物(諸如IZO和ΙΤ0)形成。然而構(gòu)成第二電極E2的材料并不局限于上述材料。
雖然未示出，但是具有與緩沖層BI相似的功能的第二緩沖層可以插置在第二電極E2和存儲層Ml之間。換言之，第二緩沖層可以插設(shè)在第二電極E2和第二材料層20之間。第二緩沖層的材料和功能可以與緩沖層BI的材料和功能類似。如果采用了第二緩沖層，則存儲層Ml的電阻變化特性的可靠性、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性可以進一步改善，并且可以用于形成第二電極E2的材料的數(shù)量可以增加。
下面，參考圖2A和圖2B，將詳細描述存儲元件MEl的電阻變化機制。
如圖2A所示，在正(+)電壓施加至第一電極El且負(_)電壓施加至第二電極E2的設(shè)置操作(set operation)期間，氧空位從第一材料層10移動到第二材料層20，因此可以在第二材料層20中形成電流路徑(未示出)。結(jié)果，存儲層Ml的電阻可以降低。換言之，存儲層Ml可以從OFF狀態(tài)切換至ON狀態(tài)。在設(shè)置操作期間，氧離子可以在與氧空位移動的方向相反的方向上移動，即從第二材料層20移動至第一材料層10。
如圖2B所示，在負(_)電壓施加至第一電極El且正(+)電壓施加至第二電極E2的重置操作(reset operation)期間，氧空位從第二材料層20移動至第一材料層10 (BP,氧離子從第一材料層10移動至第二材料層20)，因此在第二材料層20中形成的電流路徑被中斷。結(jié)果，存儲層Ml的電阻可以增加。換言之，存儲層可以從ON狀態(tài)切換至OFF狀態(tài)。
如上所述，摻雜金屬的第一金屬層10可以為存儲層Ml提供多位存儲特性。在第一金屬層10不摻雜金屬的情況下，存儲元件MEl可以呈現(xiàn)出單位存儲特性。然而，如果采用摻雜了金屬的第一金屬層10，則存儲元件MEl可以呈現(xiàn)出多位存儲特性。換言之，通過摻雜金屬的第一材料層10，存儲層Ml的電阻狀態(tài)可以分成多個狀態(tài)，例如四個狀態(tài)或更多。將參考圖4和圖5更詳細地描述第一材料層10的效果。
緩沖層BI可以改善在設(shè)置/重置操作期間存儲元件MEl的電阻變化特性的穩(wěn)定性、可靠性和再現(xiàn)性。在不提供緩沖層BI的情況下，在設(shè)置/重置操作期間影響電阻變化的氧離子和/或氧空位可以朝第一電極El移動并與第一電極El物理地/化學(xué)地反應(yīng)，或者存儲層Ml自身可以與第一電極El物理地/化學(xué)地反應(yīng)。結(jié)果，電阻變化特性的穩(wěn)定性、可靠性和再現(xiàn)性可能出現(xiàn)問題。例如，第一電極El和存儲層Ml之間的電流可能迅速地且不期望地增加。此外，由于存儲層Ml和第一電極El之間的反應(yīng)，不期望的材料層可能形成在存儲層Ml和第一電極El之間，因此電阻變化特性可能劣化。在第一電極El由廉價的非貴金屬形成的情況下，問題可能變得更嚴重。此外，在ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)之間進行的重復(fù)切換操作會增加之前提及的那些問題出現(xiàn)的可能性。當TaOx層用作電阻變化材料時，電阻變化特性可以基于形成方法、沉積條件和TaOx層的氧含量而顯著地變化，因此很難確保電阻變化特性的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性。然而，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，通過在第一電極El和存儲層Ml之間形成緩沖層BI，先前描述的問題可以被抑制/防止且同時改善/保證電阻變化特性的可靠性、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性。特別地，在初始的設(shè)置操作(即，形成操作)期間，緩沖層BI可以減小/防止第一電極El和第一材料層10之間以及第一電極El和第一材料層10的離子物種之間的化學(xué)反應(yīng)。此外，緩沖層BI可以防止第一材料層10和第一電極El在第一材料層10的形成期間彼此反應(yīng)。通過引入緩沖層BI，第一電極El不但可以由貴金屬形成，而且也可以由廉價的非貴金屬或者導(dǎo)電氧化物形成。如果沒有緩沖層BI，則實際上難以由高反應(yīng)性的非貴金屬或者導(dǎo)電氧化物形成第一電極E1。貴金屬用于第一電極El會增加制造成本，并在存儲元件的制造工藝中設(shè)置一些限制。當?shù)谝浑姌OEl由非貴金屬或者導(dǎo)電氧化物形成而不是由貴金屬形成時，制造成本可以降低且在制造工藝中可以存在另外的優(yōu)點。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的包括圖1所示的存儲元件MEl的存儲裝置的截面圖。
參考圖3，根據(jù)本實施例的存儲裝置可以包括存儲元件MEl和與存儲元件MEl連接的切換元件SE1。切換元件SEl可以連接至存儲元件MEl的一端(例如，第二電極E2)。然而，如果需要，切換元件SEl可以連接至存儲元件MEl的另一端(例如，第一電極El)或者可以連接至存儲元件MEl的兩端(即，第一電極El和第二電極E2)。切換元件SEl可以控制要施加至存儲元件MEl的電流。換言之，施加至存儲元件MEl的電流的強度可以通過控制切換元件SEl的導(dǎo)通電流(0N-電流)來改變。通過控制施加至存儲元件MEl的電流的強度，可以獲得存儲元件MEl的多位存儲特性。下面將參考圖4和圖5給出它們的詳細描述。例如，切換元件SEl可以由晶體管、二極管、閾值切換器件或者變阻器形成。這里，二極管可以是雙向(雙路)二極管、齊納二極管等。然而，切換元件SEl的構(gòu)造并不局限于此并且可以變化。
圖4是示出具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)的存儲裝置的電壓-電流特性的曲線圖。用于獲得圖4所示的結(jié)果的存儲裝置包括存儲元件，該存儲元件具有W / Al203/Ta0x (W摻雜)/Ta2O5 / Pt的結(jié)構(gòu)。換言之，存儲元件具有與圖3所示的存儲元件MEl相同的層疊結(jié)構(gòu)，其中第一電極E1、緩沖層B1、第一材料層10、第二材料層20和第二電極E2分別由W、A1203、W摻雜的TaOx、Ta2O5和Pt形成。這里，第二材料層20 (即，Ta2O5層)可以是摻雜鎢(W)的層，與第一材料層10 (即，W摻雜的TaOx層)相似。存儲裝置還包括連接至存儲元件的切換裝置。在存儲元件的設(shè)置操作期間，當切換元件的操作電流(即，ON電流)以lmA、0.5mA、0.2mA和0.05mA的順序改變時，測量電壓-電流特性。在設(shè)置操作期間，存儲元件中流動的電流量根據(jù)切換元件的操作電流而變化。切換元件的操作電流可以起類似于限制電流(compliance current)的作用。
如圖4所示，根據(jù)切換元件的操作電流水平，存儲元件的ON-電流水平被分成多個水平。換言之，根據(jù)切換元件的操作電流，存儲元件可以設(shè)置在各種電流水平。存儲元件的多個ON-電流水平可以分別對應(yīng)于多個數(shù)據(jù)位。因此，根據(jù)本實施例的存儲元件可以呈現(xiàn)出多位存儲特性。
圖5是從圖4所示的曲線圖轉(zhuǎn)換得到的線性刻度曲線圖。
參考圖5，當切換元件的操作電流是ImA時，第一水平LI是存儲元件的ON-電流水平。當切換元件的操作電流是0.5mA時，第二水平L2是存儲元件的ON-電流水平。當切換元件的操作電流是0.2mA時，第三水平L3是存儲元件的ON-電流水平。第四水平L4是存儲元件的OFF-電流水平。第一至第三水平L1-L3可以與存儲元件的多個ON-狀態(tài)相對應(yīng)，而第四水平L4可以與存儲元件的OFF-狀態(tài)相對應(yīng)。第一至第四水平L1-L4中的每一個與其他水平具有明顯差異。第一水平LI可以與數(shù)據(jù)“00”相對應(yīng)，第二水平L2可以與數(shù)據(jù)“01”相對應(yīng)，第三水平L3可以與數(shù)據(jù)“10”相對應(yīng)，第四水平L4可以與數(shù)據(jù)“11”相對應(yīng)。因此，根據(jù)本實施例的存儲元件可以具有多位存儲特性。這里，第一至第四水平L1-L4在預(yù)定的正(+)電壓下被檢測。
雖然關(guān)于圖5描述了三個ON-電流水平L1-L3和一個OFF-電流水平L4分別與四個數(shù)據(jù)位00、01、10和11相對應(yīng)的情況，但是這僅僅是一示例。如果需要，四個ON-電流水平可以與四個數(shù)據(jù)位00、01、10和11相對應(yīng)。例如，在圖5中，當切換元件的操作電流是0.05mA時，第四水平L4 (OFF-電流水平)與存儲元件的ON-電流水平非常相似，ON-電流水平可以代替第四水平L4( S卩，OFF-電流水平)與預(yù)定的數(shù)據(jù)(例如，數(shù)據(jù)“11”)相對應(yīng)。此外，如果有可能獲取可以彼此區(qū)分開的七個或更多個ON-電流水平，則七個ON-電流水平和一個OFF-電流水平可以與多個數(shù)據(jù)位000、001、010、100、011、101、110和111相對應(yīng)，且因此可以呈現(xiàn)出3位存儲特性。
此外，圖4和圖5示出了在存儲元件的設(shè)置操作期間，通過控制切換元件的操作電流(即，ON-電流)而將存儲元件的ON-電流水平分成多個水平的情況。然而，根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，可以使用多個限制電流以代替控制切換元件的操作電流。換言之，在存儲元件的設(shè)置操作期間，存儲元件的ON-電流水平可以通過控制施加到存儲元件的限制電流的強度而被分成多個水平。
現(xiàn)在將參考圖4和圖5在下面簡要描述根據(jù)本發(fā)明一實施例的包括存儲元件的存儲裝置的操作方法。
存儲裝置的操作方法可以包括:第一步，通過變化施加到存儲元件的電流而形成非易失性存儲元件(下面，稱為存儲元件)的多個ON-狀態(tài)；以及第二步，將多個ON-狀態(tài)與多個數(shù)據(jù)位相對應(yīng)。第一步可以與通過控制施加到存儲元件的電流而設(shè)置存儲元件處于各種電流水平的操作相對應(yīng)，如上參考圖4所述。以這樣的方式，存儲元件的ON-狀態(tài)可以分成多個ON-狀態(tài)。第二步可以與使多個ON-狀態(tài)對應(yīng)于多個數(shù)據(jù)位的操作相對應(yīng)，如以上參考圖5所述。
在第一步中施加到存儲元件的電流可以通過連接到存儲元件的切換元件來控制。切換元件可以是如圖3所示的切換元件SE1。然而，如果需要，施加到存儲元件的電流可以通過采用除切換元件之外的其他裝置來控制。
存儲裝置的操作方法還可以包括將存儲元件重置到OFF-狀態(tài)的步驟以及使OFF-狀態(tài)對應(yīng)于數(shù)據(jù)位的步驟。例如，OFF-狀態(tài)可以對應(yīng)于圖5所示的第四水平L4，。然而，采用與OFF-狀態(tài)對應(yīng)的數(shù)據(jù)是選擇性的。
存儲元件可以具有三個或更多ON-狀態(tài)。三個ON-狀態(tài)和一個OFF-狀態(tài)可以分別對應(yīng)于多個數(shù)據(jù)位。結(jié)果，可以呈現(xiàn)出多位存儲特性。如果需要，四個或更多個ON-狀態(tài)可以對應(yīng)于多個數(shù)據(jù)位。
根據(jù)本實施例的存儲裝置的操作方法可以是與具有圖3所示的結(jié)構(gòu)的存儲裝置相關(guān)的操作方法。換言之，存儲元件可以具有與圖3所示的存儲元件MEl的結(jié)構(gòu)相同(或類似)的結(jié)構(gòu)。因此，存儲元件可以包括存儲層，且存儲層可以包括第一材料層和第二材料層。存儲層可以由于離子物種在第一材料層和第二材料層之間的移動而具有電阻變化特性。第一材料層可以是氧供應(yīng)層，而第二材料層可以是氧交換層。第一材料層可以由第一金屬氧化物形成，第二材料層可以由第二金屬氧化物形成。第一材料層和第二材料層當中至少第一材料層可以用金屬摻雜。例如，金屬可以是鎢(W)。連接到存儲元件的切換元件可以與圖3所示的切換元件SEl相同或相似。然而，根據(jù)本實施例的存儲裝置的操作方法不僅可以應(yīng)用到具有圖3的結(jié)構(gòu)的存儲裝置，而且可以應(yīng)用到具有任意的其他各種結(jié)構(gòu)的存儲元件。
在相關(guān)技術(shù)中的用于操作存儲裝置的方法中，通常將存儲元件的OFF-狀態(tài)分成多個OFF-狀態(tài)且使多個OFF-狀態(tài)分別對應(yīng)于多個數(shù)據(jù)位。然而，根據(jù)本實施例，存儲元件的ON-狀態(tài)被分成多個ON-狀態(tài)，且多個ON-狀態(tài)分別對應(yīng)于多個數(shù)據(jù)位。由于具有圖3所示結(jié)構(gòu)的存儲裝置用于本實施例，所以可以容易地形成多個ON-狀態(tài)，該多個ON-狀態(tài)可以彼此清楚地區(qū)分開。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一實施例的、包括存儲元件的存儲裝置的透視圖。圖6所示的存儲裝置是交叉點電阻存儲裝置。
參照圖6，可以布置多個第一配線W10，該多個第一配線WlO在第一方向(例如，X軸方向)上形成為彼此平行。可以布置多個第二配線W20，該多個第二配線W20在與第一配線WlO交叉的方向(例如，y軸方向)上形成。第一層疊結(jié)構(gòu)(第一存儲單元)SSl可以布置在第一配線WlO和第二配線W20彼此交叉的每個交叉點處。第一層疊結(jié)構(gòu)SSl可以包括第一緩沖層B10、第一存儲層M10、第一中間電極NlO和第一切換兀件S10,它們以上述順序?qū)盈B在第一配線Wl上。第一存儲層MlO可以包括第一材料層11和第二材料層22。在第一材料層11和第二材料層22之間，至少第一材料層11可以用金屬摻雜。例如，金屬可以是鎢(W)。在第一層疊結(jié)構(gòu)SS I中，包括第一緩沖層BlO和第一存儲層MlO的下部結(jié)構(gòu)的位置與包括第一切換元件SlO的上部結(jié)構(gòu)的位置可以相對于第一中間電極NlO調(diào)換。第一緩沖層BlO和第一存儲層MlO可以分別對應(yīng)于圖1的緩沖層BI和存儲層Ml。第一切換元件SlO可以由雙向(雙路)二極管、齊納二極管、閾值切換器件(threshold switching device)及變阻器等形成。在第一切換元件S 10是雙向二極管的情況下，雙向二極管可以是氧化物二極管。在硅二極管的情況下，需要在800° C左右的相對高的溫度下形成硅二極管，因此存在對可選擇的襯底的限制。此外，可能由于高溫而出現(xiàn)各種問題。因此，通過采用在室溫下容易形成的氧化物層來形成第一切換元件S10，可以獲得各種優(yōu)點。然而，本發(fā)明不限于此。如果需要，第一切換元件SlO可以由硅或任意的其他各種材料形成。第一配線WlO和第一中間電極NlO可以分別對應(yīng)于圖1的第一電極El和第二電極E2。第二配線W20可以由與第一配線WlO相同的材料形成，或者可以由與第一配線WlO不同的材料形成。此外，可以省略第一緩沖層BlO。
第二存儲單元和第三配線可以進一步布置在圖6的第二配線W20上。其示例示于圖7中。
參照圖7，可以形成第一配線W10、第二配線W20和布置在第一配線WlO與第二配線W20之間的第一層疊結(jié)構(gòu)SSl (第一存儲單元)。此外，多個第三配線W30可以進一步設(shè)置為距第二配線W20的頂表面預(yù)定的距離。第三配線W30可以交叉第二配線W20，并且第三配線W30可以布置為彼此相距相同的間隔。第二層疊結(jié)構(gòu)SS2 (第二存儲單元)可以布置在第二配線W20與第三配線W30彼此交叉的每個交叉點處。第二層疊結(jié)構(gòu)SS2具有第一層疊結(jié)構(gòu)SSl的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)或者與第一層疊結(jié)構(gòu)SSl相同的結(jié)構(gòu)。這里，示出了第二層疊結(jié)構(gòu)SS2具有第一層疊結(jié)構(gòu)SSl的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的情況。具體地，第二層疊結(jié)構(gòu)SS2可以包括第二切換元件S20、第二中間電極N20、第二存儲層M20和第二緩沖層B20，它們以上述順序?qū)盈B在第二配線W20上。第二存儲層M20可以包括第三材料層33和第四材料層44。第三材料層33和第四材料層44可以分別為與第一層疊結(jié)構(gòu)SSl的第二材料層22和第一材料層11相同的材料層。第二切換元件S20可以具有第一切換元件SlO的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，或者可以具有與第一切換元件SlO相同的層疊結(jié)構(gòu)。換言之，第二切換元件S20的切換方向可以與第一切換元件SlO的切換方向相反或相同。第二緩沖層B20可以是與第一緩沖層BlO相同的材料層。如果需要，可以省略第二緩沖層B20。在第二層疊結(jié)構(gòu)SS2中，包括第二切換元件S20的下部結(jié)構(gòu)的位置和包括第二存儲層M20及第二緩沖層B20的上部結(jié)構(gòu)的位置可以相對于第二中間電極N20而調(diào)換。第三配線W30和第二中間電極N20可以分別對應(yīng)于圖1的第一電極El和第二電極E2或者可以分別對應(yīng)于第二電極E2和第一電極El。
盡管在圖6和圖7中第一層疊結(jié)構(gòu)SSl和第二層疊結(jié)構(gòu)SS2示出為圓柱形，但是第一層疊結(jié)構(gòu)SSl和第二層疊結(jié)構(gòu)SS2可以具有其他各種形狀。例如，第一層疊結(jié)構(gòu)SSl和第二層疊結(jié)構(gòu)SS2可以具有方柱形狀或?qū)挾瘸略黾拥闹巍５谝粚盈B結(jié)構(gòu)SSl和第二層疊結(jié)構(gòu)SS2可以具有不對稱的形狀，作為示例，第一層疊結(jié)構(gòu)和/或第二層疊結(jié)構(gòu)可以具有截面面積比通過交叉配線(例如，第一配線Wl和第二配線W2或者第二配線W2和第三配線W3)形成的交叉點的面積大的部分。還可能的是，第一層疊結(jié)構(gòu)和/或第二層疊結(jié)構(gòu)可以具有一部分，該部分的中心偏離通過交叉配線形成的交叉點的中心。在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可以進一步修改圖6和圖7所示的存儲裝置的形狀。
盡管沒有示出，但是圖7所示的電阻存儲裝置可以進一步包括在第三配線W30上的層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)與包括第一層疊結(jié)構(gòu)SSl和第二配線W20的層疊結(jié)構(gòu)相同。
備選地，根據(jù)本發(fā)明一實施例的電阻存儲裝置可以包括在第三配線W30上的，與包括第一層疊結(jié)構(gòu)SS1、第二配線W20、第二層疊結(jié)構(gòu)SS2和第三配線W30的層疊結(jié)構(gòu)相同的至少一組層疊結(jié)構(gòu)。
備選地，根據(jù)本發(fā)明一實施例的電阻存儲裝置可以包括在第三配線W30上的，與包括依次層疊的第一層疊結(jié)構(gòu)SS1、第二配線W20、第二層疊結(jié)構(gòu)SS2、第三配線W30、第一層疊結(jié)構(gòu)SSl和第二配線W20的層疊結(jié)構(gòu)相同的至少一組層疊結(jié)構(gòu)。
在圖6和圖7所不的存儲裝置中，第一存儲層MlO可以由于摻雜金屬的第一材料層11而具有多位存儲特性，第二存儲層M20可以由于摻雜金屬的第四材料層44而具有多位存儲特性。其原因如上面參考圖1至圖5所描述的那樣，因此詳細描述被省略。
因此，根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲裝置具有多位存儲特性，因此可以容易地增加每單位面積存儲的信息量。換言之，根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲裝置可以適合于體現(xiàn)高集成的存儲裝置。在通過減小存儲裝置的線寬而進行的按比例縮小(scale-down)方法的情況下，由于工藝限制而在改善存儲裝置的集成度方面存在各種困難。然而，在本發(fā)明的實施例中，如果在單個存儲單元中存儲多位數(shù)據(jù)，則每單元面積存儲的信息量可以是單位(single-bit)存儲器的兩倍或更多。因此，本發(fā)明的實施例可以適合于增加存儲裝置的集成度。
下面，描述根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲元件的制造方法及包括該存儲元件的存儲裝置的制造方法。
圖8A至圖8H是示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲裝置的制造方法的截面圖。
參考圖8A，第一配線Wll可以形成在襯底SUBll上。第一配線Wll可以具有線形形狀。盡管未示出，但是與第一配線Wll具有相同高度的絕緣層可以進一步形成在襯底SUBll上且在第一配線Wll周圍。第一配線Wll可以對應(yīng)于圖1的第一電極El或圖7的第一配線W10。第一配線Wll的形狀并不限于線形形狀，而可以變化。
參照圖8B,緩沖層BI 1、第一材料層100和金屬層Lll可以按所述順序形成在第一配線Wll上。構(gòu)成緩沖層Bll的材料可以對應(yīng)于構(gòu)成圖1的緩沖層BI的材料或圖7的緩沖層BlO的材料。第一材料層100可以由第一金屬氧化物形成。具體地,例如,第一材料層100可以形成為包含Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、YSZ、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物當中的至少之一。如果第一金屬氧化物是Ta氧化物，則第一金屬氧化物可以是TaOx (O < X < 2.5或0.5彡X彡2.0)。金屬層Lll可以例如由鎢(W)形成。換言之，金屬層Lll可以是鶴(W)層。金屬層Lll的厚度可以是大約幾nm。例如，金屬層Lll的厚度可以是約2nm。
參照圖8C，形成在襯底SUBll上的層疊結(jié)構(gòu)(W11+B11+100+L11)可以被退火。退火可以在幾百攝氏度(° C)下進行。例如，退火可以在從約300° C到約800° C的溫度下進行。結(jié)果，金屬層Lll的金屬原子(例如，W原子)可以擴散到第一材料層100中。可以進行退火以作為等離子體氧化工藝的一部分。等離子體氧化工藝可以在幾百攝氏度的溫度下且在氧氣氛中進行，在該情形下退火可以通過該溫度條件來進行。下面將給出其詳細描述。
結(jié)果，如圖8D所示，可以獲得摻雜金屬原子(例如，W原子)的第一材料層100’。第一材料層100’可以對應(yīng)于圖1的第一材料層10或圖7的第一材料層11。由于在圖8B所示的操作中形成的金屬層Lll的厚度小，所以如圖8D所示，在退火之后，金屬層Lll的大部分原子可以通過退火擴散，并因而沒有金屬層Lll可保留在第一材料層100’上。
參照圖SE，第二材料層200可以形成在第一材料層100’上。第二材料層200可以由第二金屬氧化物形成，該第二金屬氧化物是來自與第一金屬氧化物相同的組或與第一金屬氧化物不同的組。例如，第二金屬氧化物可以包含Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、YSZ、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物當中的至少之一。第二金屬氧化物可以具有化學(xué)計量成分或與化學(xué)計量成分相似的成分。例如，當?shù)诙饘傺趸锇═a氧化物時，Ta氧化物可以是Ta2O5層或是具有與Ta2O5相似成分的層。第二材料層200可以對應(yīng)于圖1的第二材料層20或圖7的第二材料層22?？梢哉J為第一材料層100’和第二材料層200構(gòu)成存儲層Mil。
圖SC至圖SE所示的操作可以在單個操作中連續(xù)(或者幾乎同時)進行。例如，當在圖SB所示的結(jié)構(gòu)上進行等離子體氧化工藝時，金屬層Lll的金屬原子可以擴散到第一材料層100中，且第二材料層200可以形成在第一材料層100’上。如上所述，等離子體氧化工藝可以在幾百攝氏度的溫度(例如，從約400° C到約700° C)下且在氧氣氛中進行。由于溫度條件，在金屬原子通過退火擴散的同時，第一材料層100的上部可以被氧化，且因此可以形成第二材料層200。如上所述，在通過等離子體氧化工藝連續(xù)(或者幾乎同時)進行金屬原子的擴散和第二材料層200的形成的情況下，金屬原子可能存在于第二材料層200中。換言之，第二材料層200可能摻雜金屬原子。此外，在此情況下，由于第二材料層200是通過氧化第一材料層100’的上部而形成的層，所以第二材料層200可以由與構(gòu)成第一材料層100’的材料相同組的材料(金屬氧化物)形成。例如，如果第一材料層100’包含TaOx，則第二材料層200可以包含Ta205。然而，在金屬原子的擴散和第二材料層200的形成分開進行的情況下，第二材料層200可以由與構(gòu)成第一材料層100’的材料不同組的材料(金屬氧化物)形成。此外，第二材料層200可不包含金屬原子。
參照圖8F，中間電極Nll可以形成在存儲層Mll上。構(gòu)成中間電極Nll的材料可以與構(gòu)成圖1的第二電極E2或圖7的第一中間電極NlO的材料相對應(yīng)。切換元件Sll可以形成在中間電極Nll上。切換元件Sll可以對應(yīng)于圖7的第一切換元件S10。
然后，切換元件S11、中間電極Nil、存儲層Mll和緩沖層Bll可以被圖案化。圖案化的結(jié)果示于圖8G中。參照圖8G，圖案化的緩沖層B11、存儲層Mil、中間電極Nll和切換元件Sll構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)SSlI。層疊結(jié)構(gòu)SSll可以對應(yīng)于圖7的第一層疊結(jié)構(gòu)SSl。
參照圖8H，層間絕緣層ILll可以形成在層疊結(jié)構(gòu)SSll周圍。層間絕緣層ILll可以具有與層疊結(jié)構(gòu)SSl的厚度實質(zhì)上相同的厚度。然后，第二配線W21可以形成在層疊結(jié)構(gòu)SSll和層間絕緣層ILll上。第二配線W21可以具有線形形狀。第二配線W21可以在交叉第一配線Wll的方向上延伸。第二配線W21可以對應(yīng)于圖7的第二配線W20。第二配線W21的形狀并不局限于線形形狀并且可以變化。盡管未示出，但是高度與第二配線W21相同的絕緣層可以進一步形成在第二配線W21周圍。
圖8A至圖8H中示出的制造方法僅僅是一示例，且可以對其進行各種修改。例如，金屬摻雜方法可以以與金屬層Lll的形成和退火不同的方法來替代。具體地，第一材料層100可以通過共派射方法(co-sputtering method)來摻雜金屬。在此情況下,可以在形成第一材料層100的同時用金屬摻雜第一材料層100。也可以對其進行各種其他的變形。
圖9A至圖9G是示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的存儲裝置的制造方法的截面圖。
參照圖9A，第一配線W12可以形成在襯底SUB12上。第一配線W12可以具有線形形狀。盡管未示出，但是高度與第一配線W12相同的絕緣層可以進一步在第一配線W12周圍形成在襯底SUB12上。
參照圖9B，切換元件S12、中間電極NI2、第三材料層300和第四材料層400可以按所述順序形成在第一配線W12上。構(gòu)成第三材料層300的材料可以對應(yīng)于構(gòu)成圖1的第二材料層20的材料或圖7的第三材料層33的材料。第四材料層400可以對應(yīng)于圖1的第一材料層10或圖7的第四材料層44。預(yù)定的金屬層L12可以形成在第四材料層400上。例如，金屬層L12可以由鶴(W)形成。金屬層L12的厚度可以是約幾nm。
參照圖9C，金屬層L12、第四材料層400和第三材料層300可以被退火。退火可以在幾百攝氏度(° C)下進行。例如，退火可以在約300° C到約800° C的溫度下進行。結(jié)果，金屬層L12的金屬原子(例如，W原子)可以擴散到第四材料層400中。結(jié)果，如圖9D所示，可以獲得摻雜金屬原子(例如，W原子)的第四材料層400’。由于在圖9B所示的操作中形成的金屬層L12的厚度小，所以在退火之后可能沒有金屬層L12保留在第四材料層400’上。第三材料層300和第四材料層400’可以構(gòu)成存儲層Ml2。
參照圖9E，緩沖層B12可以形成在第四材料層400’上。緩沖層B12可以對應(yīng)于圖1的緩沖層BI或圖7的第二緩沖層B20。
然后，緩沖層B12、存儲層M12、中間層N12和切換元件S12可以被圖案化。圖案化的結(jié)果示于圖9F中。參照圖9F，圖案化的切換元件S12、中間層N12、存儲層M12和緩沖層B12構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)SS22。層疊結(jié)構(gòu)SS22可以對應(yīng)于圖7的第二層疊結(jié)構(gòu)SS2。
參照圖9G，層間絕緣層IL12可以形成在層疊結(jié)構(gòu)SS22周圍。層間絕緣層IL12可以具有與第二層疊結(jié)構(gòu)S22的厚度實質(zhì)上相同的厚度。然后，第二配線W22可以形成在層疊結(jié)構(gòu)SS22和層間絕緣層IL12上。第二配線W22可以具有線形形狀。第二配線W22可以沿交叉第一配線W12的方向延伸。第二配線W22的形狀可以變化。盡管未示出，但是高度與第二配線W22相同的絕緣層可以進一步形成在第二配線W22周圍。
圖9A至圖9G所示的制造方法僅僅是一示例，可以對其進行各種修改。例如，金屬層L12的厚度和退火條件可以控制為使得不僅第四材料層400而且第三材料層300的至少一部分可以摻雜金屬。金屬摻雜方法可以以與金屬層L12的形成和退火不同的方法替代。還可以對其進行各種其他的修改。
圖10是示出X射線光電子譜(XPS)數(shù)據(jù)的圖譜，其示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例制造的存儲層(對應(yīng)于圖8H的存儲層Mil)的深度方向的組分變化。這里，存儲層包括Ta2O5層和W摻雜的TaOx層。W摻雜的TaOx層和Ta2O5層分別對應(yīng)于圖8H的第一材料層100’和第二材料層200。
參照圖10，對應(yīng)于Ta2O5的峰出現(xiàn)在XPS圖譜的上部，而對應(yīng)于TaOx的峰出現(xiàn)在XPS圖譜的下部。該結(jié)構(gòu)可以對應(yīng)于圖譜右側(cè)示出的存儲層結(jié)構(gòu)。此外，對應(yīng)于W的峰不僅出現(xiàn)在與TaOx對應(yīng)的區(qū)域中而且出現(xiàn)在與Ta2O5對應(yīng)的區(qū)域中。這意味著W不僅包含在TaOx層中而且包含在Ta2O5層中。因此，清楚地是，可以容易地形成包括Ta2O5層和W摻雜的TaOx層的存儲層。
如上所述，根據(jù)一個或多個本發(fā)明的上述實施例，可以實現(xiàn)具有多位存儲特性的非易失性存儲元件及包括該存儲元件的存儲裝置。非易失性存儲元件可以用于改善存儲裝置的集成度和效率。
盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實施例具體示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以在形式和細節(jié)上進行各種變化而不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。例如，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言明顯地是，圖1所示的存儲元件也可以用作單位存儲元件而非多位存儲元件。此外，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言明顯地是，存儲元件和存儲裝置的結(jié)構(gòu)可以變化。具體地，至少一個附加材料層可以進一步包括在圖1的存儲元件中，且圖1的存儲元件不僅可以應(yīng)用到圖6和圖7所示的交叉點存儲裝置，而且可以應(yīng)用到各種其他存儲裝置。此外，本發(fā)明的構(gòu)思可以應(yīng)用到電阻存儲裝置及各種其他存儲裝置。此外，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲裝置的操作方法和制造方法也可以以各種方式進行修改。因此，本發(fā)明的范圍不是由本發(fā)明的詳細描述來限定而是由權(quán)利要求來限定，且在該范圍內(nèi)的所有改變將被理解為包括在本發(fā)明構(gòu)思中。
相關(guān)申請交叉引用
本申請要求2011年11月11日提交至韓國知識產(chǎn)權(quán)局的韓國專利申請N0.10-2011-0117779的優(yōu)先權(quán)，其公開通過全文引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種非易失性存儲元件，包括: 第一電極； 第二電極，與所述第一電極分隔開；以及 存儲層，在所述第一電極和所述第二電極之間， 其中所述存儲層包括第一材料層和第二材料層，且由于離子物種和離子空位的至少之一在該第一材料層和該第二材料層之間的移動，所述存儲層具有電阻變化特性，且所述第一材料層和所述第二材料層當中的至少所述第一材料層摻雜金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，其中所述非易失性存儲元件由于所述第一材料層而具有多位存儲特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，其中所述第一材料層是氧供應(yīng)層，且所述第二材料層是氧交換層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，其中所述第一材料層包括第一金屬氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非易失性存儲元件，其中所述第一金屬氧化物包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非易失性存儲元件，其中所述第一金屬氧化物包括TaOx,其中 O < X < 2.5。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非易失性存儲元件，其中所述第二材料層包括第二金屬氧化物，該第二金屬氧化物是與所述第一金屬氧化物相同的類型或不同的類型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非易失性存儲元件，其中所述第二材料層具有比所述第一材料層的氧濃度高的氧濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非易失性存儲元件，其中所述第二金屬氧化物包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的非易失性存儲元件，其中所述第二金屬氧化物包括Ta205。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，其中所述金屬包括鎢(W)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非易失性存儲元件，其中所述第一材料層包括W摻雜的TaO2,且所 述第二材料層包括Ta205。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，還包括插置在所述第一電極和所述存儲層之間的緩沖層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的非易失性存儲元件，其中所述緩沖層包括提高所述第一電極和所述存儲層之間的勢壘的材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的非易失性存儲元件，其中所述緩沖層包括A10x、Si0x、SiNx、ZrOx, HfOx及其混合物中的至少之一。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的非易失性存儲元件，其中所述緩沖層包括具有比所述存儲層的原子間結(jié)合能高的原子間結(jié)合能的材料。
17.一種存儲裝置，包括權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的存儲裝置，還包括電連接到所述非易失性存儲元件的切換元件。
19.一種存儲裝置，包括: 多個第一配線，彼此平行地布置； 多個第二配線，布置為彼此平行且交叉所述多個第一配線以形成多個交叉點；以及 多個存儲單元，所述多個存儲單元的每個布置在所述多個交叉點的一個處， 其中所述多個存儲單元的每個包括存儲層， 所述存儲層包括第一材料層和第二材料層， 由于離子物種和離子空位的至少之一在所述第一材料層和所述第二材料層之間的移動，所述存儲層具有電阻變化特性，且 所述第一材料層和所述第二材料層當中的至少所述第一材料層摻雜金屬。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的存儲裝置，其中所述存儲層由于所述第一材料層而具有多位存儲特性。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的存儲裝置，其中所述第一材料層是氧供應(yīng)層，且所述第二材料層是氧交換層。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的存儲裝置，其中所述第一材料層包括第一金屬氧化物，所述第二材料層包括第二金屬氧化物，該第二金屬氧化物是與所述第一金屬氧化物相同的類型或不同的類型。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的存儲裝置，其中所述第一金屬氧化物包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的存儲裝置，其中所述第一金屬氧化物包括TaOx，其中O< x< 2.5。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的存儲裝置，其中所述第二金屬氧化物包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物及其混合物中的至少之一。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的存儲裝置，其中所述金屬包括鎢(W)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26 所述的存儲裝置，其中所述第一材料層包括W摻雜的TaO2,且所述第二材料層包括Ta2O5。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的存儲裝置，其中所述存儲單元還包括電連接到所述存儲層的切換元件。
29.根據(jù)權(quán)利要求19所述的存儲裝置，其中所述存儲單元還包括設(shè)置在所述第一配線和所述存儲層之間的緩沖層。
30.根據(jù)權(quán)利要求19所述的存儲裝置，其中所述多個存儲單元是多個第一存儲單元，所述多個交叉點是多個第一交叉點，且所述多個存儲裝置還包括: 多個第三配線，布置在所述多個第二配線上并交叉所述多個第二配線以形成多個第二交叉點；以及 多個第二存儲單元，所述多個第二存儲單元的每個布置在所述多個第二交叉點的一個處。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的存儲裝置，其中所述多個第二存儲單元的每個具有所述多個第一存儲單元的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，或者具有與所述多個第一存儲單元相同的結(jié)構(gòu)。
32.—種存儲裝置的操作方法，該存儲裝置包括非易失性存儲元件，所述方法包括: 通過控制施加到所述非易失性存儲元件的電流以將所述非易失性存儲元件調(diào)整至多個電流水平，形成所述非易失性存儲元件的多個ON-狀態(tài)；以及 將所述多個ON-狀態(tài)對應(yīng)于多個第一數(shù)據(jù)位。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中施加到所述非易失性存儲元件的所述電流由電連接到所述非易失性存儲元件的切換元件來控制。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括: 將所述非易失性存儲元件重置到OFF-狀態(tài)；以及 將所述非易失性存儲元件的OFF-狀態(tài)對應(yīng)于第二數(shù)據(jù)位。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述多個ON-狀態(tài)至少包括第一ON-狀態(tài)、第二ON-狀態(tài)和第三ON-狀態(tài)。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述非易失性存儲元件具有多位存儲特性。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述非易失性存儲元件包括存儲層， 所述存儲層包括第一材料層和第二材料層， 所述存儲層由于離子物種和離子空位的至少之一在所述第一材料層和所述第二材料層之間的移動而具有電阻變化特性，以及 所述第一材料層和所述第二材料層中的至少所述第一材料層摻雜金屬。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述金屬包括鎢(W)。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述第一材料層是氧供應(yīng)層，且所述第二材料層是氧交換層。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述第一材料層包括第一金屬氧化物，且所述第二材料層包括第二金屬氧化物。
41.一種存儲裝置的制造方法，該方法包括: 形成第一電極； 在所述第一電極上形成存儲層，其中所述存儲層包括第一材料層和第二材料層，且所述存儲層由于離子物種和離子空位的至少之一在該第一材料層和該第二材料層之間的移動而具有電阻變化特性，且所述第一材料層和所述第二材料層中的至少所述第一材料層摻雜金屬；以及 在所述存儲層上形成第二電極。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中形成所述存儲層包括: 在所述第一電極上形成第一材料層； 在所述第一材料層上形成金屬層；以及 將所述金屬層的金屬原子擴散到所述第一材料層中。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中將所述金屬原子擴散到所述第一材料層中通過等離子體氧化工藝來進行。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中所述第二材料層通過所述等離子體氧化工藝形成在所述第一材料層上。
45.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中所述非易失性存儲元件由于所述第一材料層而具有多位存儲特性。
46.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中所述第一材料層包括第一金屬氧化物，所述第二材料層包括第二金屬氧化物，該第二金屬氧化物是與所述第一金屬氧化物相同的類型或不同的類型。
47.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中所述金屬包括鎢(W)。
48.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，還包括在所述第一電極和所述存儲層之間形成緩沖層。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其中形成所述緩沖層包括利用配置用于提高所述第一電極和所述第二電極之間的勢壘的材料。
50.根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其中形成所述緩沖層包括利用具有比所述存儲層的原子間結(jié)合能高的原子間結(jié)合能的材料。
51.根據(jù)權(quán)利要求41所`述的方法，還包括形成電連接到所述存儲層的切換元件。
全文摘要
本發(fā)明提供非易失性存儲元件、包括該非易失性存儲元件的存儲裝置以及存儲裝置的操作方法和制造方法。非易失性存儲元件可以包括第一電極和第二電極之間的存儲層，其中存儲層可以具有多層結(jié)構(gòu)。存儲層可以包括第一材料層和第二材料層且由于離子物種和離子空位的至少之一在該第一材料層和該第二材料層之間的移動而具有電阻變化特性。第一材料層和第二材料層當中至少第一材料層可以摻雜金屬。第一材料層可以是氧供應(yīng)層，且第二材料層可以是氧交換層。例如，金屬可以包括鎢(W)。非易失性存儲元件可以具有多位存儲特性。
文檔編號G11C13/00GK103107283SQ201210447188
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者李昌范, 金英培, 金京旻, 金昌楨, 李東洙, 李明宰, 李承烈, 張晚 申請人:三星電子株式會社