CN103579500B - 电阻开关材料元件以及采用该电阻开关材料元件的器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了电阻开关材料元件以及采用该电阻开关材料元件的器件。电阻开关材料元件包括设置在第一电极与第二电极之间的电阻开关材料层以及设置在电阻开关材料层与第一和第二电极中的任一个之间的自整流层。
Description
技术领域
本公开涉及用于电阻开关（resistance switching）材料元件的方法和设备以及采用该电阻开关材料元件的装置。
背景技术
当利用电阻开关性质且以包括交叉（crossbar）结构的单元的形式集成的元件被用作存储器件时，由于从相邻存储单元产生的干扰信号而存在数据可能没有能被准确地读取或写入的问题。这是因为当从交叉结构中的单元读取数据或将数据写入到其上时，部分电信号必然施加到相邻的存储单元。为了解决该问题，诸如开关或整流二极管的选择器（selector）被连接到每个存储单元以阻止部分电信号，但是结构变得复杂。
根据常规方法，为了连接选择器以及利用电阻开关性质的元件，制造具有选择器性质的元件，然后将该元件连接到电阻开关元件。然而，在此情形下，由于不仅选择器的工艺数目和材料成本增加，而且一般选择器的结构具有至少三层的金属/非金属/金属的结构，所以元件的整体厚度会增大，于是对于具有厚度限制的元件难以使用常规的方法。
发明内容
本发明提供了具有自整流性质（固有地包括选择器的性质）以克服经济和结构的限制的电阻开关材料元件、以及采用该电阻开关材料元件的装置。
额外的方面将在以下的描述中被部分地阐述，并将部分地从该描述而显然，或者可以通过实践给出的实施例而获知。
根据本发明的一方面，一种电阻开关材料元件包括：电阻开关材料层，设置在第一电极与第二电极之间；以及自整流层，设置在电阻开关材料层与第一和第二电极中的任一个之间。
自整流层可以设置为接触电阻开关材料层。
自整流层可以设置为具有根据所施加的电压而改变的隧穿机制。
自整流层可以设置为在第一电压具有电流的流动受到限制的直接隧穿性质，以及在比第一电压高的第二电压具有电流的流动迅速增加的隧穿性质。
自整流层可以包括在自整流层的厚度方向上具有不同的导带偏移的第一区域和第二区域。
自整流层可以设置为使得第一和第二区域中的，与向所述电阻开关材料层施加用于产生电阻变化的电流的方向更靠近的其中一个区域具有相对大的导带偏移。
第一和第二区域可以设置为具有约0.5eV或更大的导带偏移差。
第一和第二区域可以设置为具有大于或等于约1.0eV且小于或等于约4.0eV的导带偏移差。
自整流层可以具有包括至少两个层的结构，该至少两个层包括具有第一区域的第一电介质材料层和具有第二区域的第二电介质材料层，该第二电介质材料层由与第一电介质材料层不同类型的材料形成。
第一和第二电介质材料层中的任一层可以是具有相对大的导带偏移的低电介质材料层，另一层可以是具有相对小的导带偏移的高电介质材料层。
第一和第二电介质材料层中的至少之一可以由从SiO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、HfO2、ZrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、(Ba,Sr)TiO3和SrTiO3构成的组中选择的电介质材料形成。
自整流层可以由电介质材料形成，并设置为使得具有预定厚度的第一区域的介电常数高于或低于具有其余厚度的第二区域的介电常数，因此第一和第二区域在厚度方向上具有不同的介电常数。
电阻开关材料层可以包括第一材料层和第二材料层，并由于第一和第二材料层之间的离子物种转移而具有电阻开关性质。
第一材料层可以是氧供应层，第二材料层可以是氧交换层。
第一材料层可以由第一金属氧化物形成，第二材料层可以由与第一材料层相同或不同的第二金属氧化物形成。
第一和第二金属氧化物中的至少之一可以包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物以及其组合中的至少一种。
第二材料层的氧浓度可以高于第一材料层的氧浓度。
根据本发明的另一方面，一种存储器件包括以上电阻开关材料元件作为存储单元。
根据本发明的另一方面，一种存储器件包括：单条或多条第一布线，彼此平行地布置；单条或多条第二布线，彼此平行地布置且交叉第一布线；以及存储单元，设置在第一和第二布线的每个交叉点处，其中存储单元包括电阻开关材料层和自整流层，该自整流层设置在第一和第二布线中的任一条与电阻开关材料层之间。
附图说明
从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他方面将变得明显且更易于理解，附图中：
图1示意性地示出根据本发明一实施例的电阻开关材料元件；
图2示意性地示出根据本发明另一实施例的电阻开关材料元件；
图3示意性地示出根据本发明另一实施例的电阻开关材料元件；
图4是图3的电阻开关材料元件中的自整流层的能带图，该自整流层能够与具有电阻开关性质的材料（也就是，电阻开关材料层）接触地操作以获得隧穿效应；
图5示意性地示出根据本发明另一实施例的电阻开关材料元件；
图6是在图5的电阻开关材料元件中的自整流层的能带图，该自整流层能够与具有电阻开关性质的材料（也就是，电阻开关材料层）接触地操作以获得隧穿效应；
图7示出当能带结构如图4和图6所示形成为自整流层中具有大的导带的部分和具有小的导带的部分彼此接触时，根据电压增加的能带图的变化；
图8是示出当能带图像图7中那样地变化时，隧穿电流性质的变化的曲线图；
图9示意性地示出根据本发明另一实施例的电阻开关材料元件；
图10示意性地示出根据本发明另一实施例的电阻开关材料元件；
图11是示出根据本发明实施例的具有自整流层的电阻开关材料元件的电阻开关性质的曲线图；
图12是示出作为比较例的，没有自整流层的电阻开关材料元件的电阻开关性质的曲线图；以及
图13是透视图，示出采用根据本发明实施例的电阻开关材料元件的存储器件的示例的透视图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相似的附图标记始终指代相似的元件。就此而言，所给出的实施例可以具有不同的形式，而不应被解释为限于这里阐述的描述。因此，以下仅通过参照附图描述实施例以说明本说明书的方面。在附图中，为了清晰，夸大了层和区域的厚度。附图中的相同附图标记指代相同元件。
在此使用时，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任意和所有组合。诸如“...中的至少一个”的表述，当在一列元件之前时，修饰整列元件，而不修饰该列中的个别元件。
图1和图2示意性地示出根据本发明实施例的电阻开关材料元件100和200。参照图1和图2，电阻开关材料元件100和200可以包括在第一电极10和第二电极70之间的自整流层30和电阻开关材料层50。图1示出自整流层30位于第一电极10与电阻开关材料层50之间的示例。图2示出自整流层30位于电阻开关材料层50与第二电极70之间的示例。备选地，自整流层30可以分别位于第一电极10和电阻开关材料层50之间以及电阻开关材料层50与第二电极70之间。
考虑到电阻开关材料元件100和200在基板上制造，第一电极10可以对应于下电极，第二电极70可以对应于上电极。
第一电极10可以由例如基本金属（base metal）（诸如W、Ni、Al、Ti和Ta）、或者导电的氮化物（诸如TiN、TiW和TaN）或者导电的氧化物（诸如铟锌氧化物（IZO）和铟锡氧化物（ITO））形成。此外，第一电极10可以由昂贵且表现出低反应性的贵金属材料形成，例如贵金属诸如Ir、Ru、Pd、Au和Pt或金属氧化物诸如IrO2。换句话说，第一电极10可以包括从由W、Ni、Al、Ti、Ta、TiN、TiW、TaN、IZO、ITO、Ir、Ru、Pd、Au、Pt和IrO2构成的组中选择的至少一种材料。此外，在半导体器件领域中通常使用的各种电极材料可以用作用于第一电极10的材料。
第二电极70可以与第一电极10类似地形成。例如，第二电极70可以由贵金属（诸如Ir、Ru、Pd、Au和Pt）、或金属氧化物（诸如IrO2）、或基本金属（诸如W、Ni、Al、Ti和Ta）、或导电的氮化物（诸如TiN、TiW和TaN）、或导电的氧化物（诸如IZO和ITO）形成。第二电极70的材料不限于此，因此可以使用各种材料。
具有选择器诸如开关或二极管的性质的自整流层30可以被提供以阻挡部分电信号。例如，当根据本发明实施例的电阻开关材料元件100和200以单元（其中部分地包括交叉点阵列或交叉）的形式集成并用作下面描述的如图13所示的存储器件中的存储单元时，部分电信号施加到交叉结构中的与从其读取数据或数据写入到其上的另一单元相邻的单元。自整流层30可以阻挡部分电信号，因此准确的数据写入或读取是可能的，而没有来自相邻存储单元的干扰信号。
具有选择器的性质的电阻开关材料元件100和200的每个可以包括具有选择器的性质的自整流层30和电阻开关材料层50，如图1和图2所示。自整流层30和电阻开关材料层50的沉积次序可以互换。
自整流层30可以被设置为接触电阻开关材料层50，并具有根据所施加的电压而变化的隧穿机制。换句话说，用作选择器的自整流层30和电阻开关材料层50可以彼此直接连接而没有居间的电极层。
此外，自整流层30可以设置为例如在第一电压（相对低的电压）具有电流的流动受到限制的直接隧穿性质、以及在比第一电压相对高的第二电压具有电流的流动迅速增加的隧穿性质，例如Fowler-Nordheim隧穿性质或陷阱辅助隧穿性质。
为了获得这样的隧穿机制，自整流层30可以形成为在两个界面边界中的导带偏移高度彼此不同的结构。为此目的，自整流层30可以形成为具有如下结构：包括具有不同导带偏移的材料的结，或者通过在同质材料内部分地添加掺杂剂或者缺陷来调节导带偏移值而包括具有高带隙的部分和低带隙的部分。
换句话说，自整流层30可以包括在层的厚度方向上具有彼此不同的导带偏移的第一区域31和第二区域35，如图3和图5所示。图3示出电阻开关材料元件300具有图1的沉积次序的示例，自整流层30包括第一区域31和第二区域35。图4是图3的电阻开关材料元件300中的自整流层30的能带图，该自整流层30能够与具有电阻开关性质的材料（也就是，电阻开关材料层50）接触地操作以获得隧穿效应。图5示出电阻开关材料元件400具有图2的沉积次序的示例，自整流层30包括第一区域31和第二区域35。图6是在图5的电阻开关材料元件400中的自整流层30的能带图，该自整流层30能够与具有电阻开关性质的材料（也就是，电阻开关材料层50）接触地操作以获得隧穿效应。
如图3至图6所示，自整流层30可以设置为使得第一和第二区域31和35中的，与向电阻开关材料层50施加用于产生电阻变化的电流的方向更靠近的其中一个区域具有相对大的导带偏移。
例如，如图1和图3所示，当电阻开关材料层50设置在自整流层30上并且电流通过设置在电阻开关材料层50上的第二电极70供应时，相对更靠近电阻开关材料层50的第二区域35具有相对大的导带偏移，设置得与电阻开关材料层50相距相对较远的第一区域31具有相对小的导带偏移，如图4所示。
此外，如图2和图5所示，当自整流层30设置在电阻开关材料层50上并且电流通过设置在自整流层30上的第二电极70供应时，与电阻开关材料层50相距相对较远的第二区域35具有相对大的导带偏移，设置得相对靠近电阻开关材料层50的第一区域31具有相对小的导带偏移，如图6所示。
在另一实施例中，根据本发明实施例的电阻开关材料元件100、200、300和400可以提供有经过对应于下电极的第一电极10供应电流的结构。在此情形下，自整流层30可以设置为使得相对靠近第一电极10的第一区域31可以具有相对大的导带偏移。在下面的描述中，为了说明的方便，描述了第二区域35具有相对大的导带偏移的示例，其中该第二区域35相对靠近对应于上电极的第二电极70。
为了实现利用隧穿性质的自整流层30，自整流层30可以具有其中具有大导带偏移的部分和具有小导带偏移的部分彼此接触的能带结构，如图4和图6所示。
第一区域31和第二区域35可以具有约1.0eV或更高的导带偏移差，例如大于或等于约1.0eV且小于或等于约4.0eV。
为了具有以上导带偏移差，第一区域31可以形成为具有例如约0.1eV至约1.5eV的导带偏移，第二区域35可以形成为具有例如约1.0eV至约5.0eV的导带偏移。
自整流层30可以由例如电介质材料层形成以具有以上导带偏移。换句话说，第一区域31由第一电介质材料层形成，第二区域35由不同于第一电介质材料层的第二电介质材料层形成。自整流层30可以具有以下结构，该结构具有分别包括第一电介质材料层和第二电介质材料层的至少两层。第一和第二电介质材料层中的任一层是具有相对大的导带偏移的低电介质材料层，另一个是具有相对小的导带偏移的高电介质材料层。
考虑到导带偏移随着介电常数减小而增大并且导带偏移随着介电常数增大而减小，当电流通过作为上电极的第二电极70供应时，相对靠近第二电极70的第二区域35可以形成为具有相对大的导带偏移的低电介质材料层，与第二电极70相距相对较远的第一区域31可以形成为具有相对小的导带偏移的高电介质材料层。
分别形成第一和第二区域31和35的第一和第二电介质材料层中的至少任一层可以由从SiO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、HfO2、ZrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、(Ba,Sr)TiO3和SrTiO3构成的组中选择的电介质材料形成。SiO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、HfO2、ZrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、(Ba,Sr)TiO3和SrTiO3按照导带势垒值减小的次序（也就是，从低介电常数到高介电常数）的次序顺序地布置。因此，在第二区域35具有小于第一区域31的介电常数的条件下，第一和第二区域31和35每个可以由从以上电介质材料选择的电介质材料形成。例如，当第二区域35由SiO2形成时，第一区域31可以由从介电常数大于SiO2的介电常数的Al2O3、Y2O3、La2O3、HfO2、ZrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、(Ba,Sr)TiO3和SrTiO3构成的组中选择的电介质材料形成。此外，当第二区域35由Al2O3形成时，第一区域31可以由从介电常数大于Al2O3的介电常数的Y2O3、La2O3、HfO2、ZrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、(Ba,Sr)TiO3和SrTiO3构成的组中选择的电介质材料形成。
代替具有分别包括第一和第二电介质材料层的至少两层的结构，自整流层30可以整体地一种电介质材料形成，并可以设置为使得具有预定厚度的区域与具有其余厚度的另一区域相比，相对具有高的介电常数或低的介电常数，因此，第一和第二区域31和35在厚度方向上具有不同的介电常数。在此情形下，自整流层30可以整体由一种电介质材料形成，该电介质材料选自由SiO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、HfO2、ZrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、(Ba,Sr)TiO3和SrTiO3构成的组。例如，与另一部分相比具有相对高的介电常数的部分可以对应于第一区域31，另一部分可以对应于第二区域35。第一和第二区域31和35可以形成为满足与具有包括第一和第二电介质材料层的至少两层的上述结构相同的导带偏移条件。
图7示出当能带结构形成为如图4和图6那样地在自整流层30中具有大的导带的部分和具有小的导带的部分彼此接触时，随着电压增加，能带图的变化。图8是示出当能带图如图7中那样地变化时，隧穿电流性质的变化的曲线图。
参照图7，随着电压增加，能带的形状以部分（a）、（b）、（c）和（d）的次序变化。每个部分中的电流-电压性质如图8所示地变化。参照图8，电流密度的量从部分（a）到部分（b）极大地增加，这些部分（a）和（b）可以用作选择器。在图8中，水平轴表示电压（伏特），垂直轴表示电流密度（A/cm2）。在图8中水平和垂直轴上表示的电压和电流密度值不是限制本发明实施例的绝对数值，而是仅用于示出作为示例的相对变化。在发生电流密度-电压性质变化的部分中的电流密度-电压值可以根据元件的设计而不同地变化。
在根据本发明实施例的电阻开关材料元件100、200、300和400中，电阻开关材料层50设置为使得电阻开关材料的电阻可以根据所施加的电压变化。当电阻开关材料元件100、200、300和400用作存储器件的存储单元时，电阻开关材料层50成为利用电阻的变化来存储数据的存储层。电阻开关材料层50可以由根据所施加的电压表现出电阻变化性质的金属氧化物层形成。
电阻开关材料层50可以具有多层结构。例如，电阻开关材料层50可以具有如图9和图10所示的第一材料层51和第二材料层55的双层结构。图9示意性地示出根据本发明另一实施例的电阻开关材料元件500。图9的电阻开关材料元件500对应于图3的电阻开关材料元件300中电阻开关材料层50具有双层结构的情形。图10示意性地示出根据本发明另一实施例的电阻开关材料元件600。图10的电阻开关材料元件600对应于图5的电阻开关材料元件400中电阻开关材料层50具有双层结构的情形。图1和图2的电阻开关材料层50可以具有如图9和图10所示的第一材料层51和第二材料层52的双层结构。
例如，电阻开关材料层50可以设置为具有由于第一材料层51与第二材料层55之间的离子物种转移引起的电阻开关性质。
电阻开关材料层50的第一材料层51可以由金属氧化物形成。具体地，第一材料层51可以包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物和其任意组合中的至少一种。第一材料层51可以是非化学计量的氧化物，例如TaOx层，其中x的范围可以是0<x<2.5，例如0.5≤x≤2.0。氧离子和/或氧空位可以存在于第一材料层51中。第一材料层51可以用作关于第二材料层55的氧供应层或氧存贮层。第一材料层51可以是用预定金属掺杂的层。这里，预定金属可以表示除第一材料层51的基本材料（金属）之外的其它不同金属。预定金属可以为例如钨（W）。当使用用预定金属掺杂的第一材料层51时，电阻开关材料层50可以具有例如多位存储性质。第一材料层51的厚度可以为例如约1nm至约100nm，具体地，约5nm至约50nm。
第二材料层55与第一材料层51交换氧离子和/或氧空位，并可以是导致电阻开关材料层50的电阻开关的层。就此而言，第二材料层55可以被称作氧交换层。第二材料层55可以由与第一材料层51相同或不同的金属氧化物形成。例如，第二材料层55可以包括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氧化物以及其任意组合中的至少一种。形成第二材料层55的金属氧化物可以具有化学计量组分或与其接近的组分。具体地，形成第二材料层55的金属氧化物的Ta氧化物可以是Ta2O5，或者可以具有与其接近的组分。类似于第一材料层51，第二材料层55可以包括氧离子和/或氧空位。第二材料层55的电阻率可以不同于第一材料层51的电阻率。例如，第二材料层55的电阻率可以大于第一材料层51的电阻率。
在电流路径形成在第二材料层55中的导通（ON）状态，电阻开关材料层50的电阻可以由第一材料层51的电阻决定。在没有电流路径形成在第二材料层55中的截止（OFF）状态，电阻开关材料层50的电阻可以由第二材料层55的电阻决定。第二材料层55的氧浓度可以高于第一材料层51的氧浓度。然而，在某些情形下，第二材料层55的氧浓度可以不高于第一材料层51的氧浓度。当第二材料层55由与第一材料层51相同的金属氧化物形成时，第二材料层55的氧浓度可以高于第一材料层51的氧浓度。当第二材料层55由与第一材料层51不同的金属氧化物形成时，第二材料层55的氧浓度可以不必高于第一材料层51的氧浓度。第二材料层55的厚度可以比第一材料层51的厚度薄。第二材料层55可以具有约1nm至约50nm（例如，约5nm至约20nm）的厚度。电阻开关材料元件100和200的电阻开关性质（速度和开/关比等）可以根据第二材料层55（也就是，氧交换层）的性质而变化。
此外，类似于第一金属层51，第二材料层55的至少一部分可以用预定金属掺杂。该金属可以与第一材料层51所掺杂的金属相同。例如，第二材料层55可以用钨（W）掺杂。
在图2、图5和图10的情形中，缓冲层（未示出）可以进一步设置在第一电极10与电阻开关材料层50之间。在图1、图3和图9的情形中，缓冲层（未示出）可以设置在第一电极10与自整流层30之间。缓冲层可以用作形成在其上的材料层的缓冲。备选地，当材料层形成在缓冲层上时，缓冲层可以用于防止杂质诸如氧从该材料层扩散到第一电极10中。
缓冲层可以在设置/重置操作期间改善电阻开关性质的稳定性、可靠性和再现性。例如，在初始设置操作（也就是，形成操作）期间，缓冲层可以限制/防止第一电极10与第一材料层51以及第一电极10与第一材料层51的离子物种之间的化学反应。此外，缓冲层可以在形成第一材料层51时防止第一材料层51与第一电极10之间的反应。因此，当缓冲层应用在第一电极10与电阻开关材料层50之间时，化学反应被限制/防止，因此可以改善/保证电阻开关性质的稳定性、可靠性和再现性。具体地，由于不仅贵金属而且廉价的基本金属（base metal）和导电氧化物可以由于这样的缓冲层的引入而容易地用作第一电极10的材料，所以可以降低制造成本并可以获得工艺方面的各种优点。
缓冲层可以包括具有比电阻开关材料层50的原子间结合能大的原子间结合能的材料。换句话说，缓冲层可以由在结合能方面比电阻开关材料层50稳定的材料形成。因此，缓冲层中的原子间结合能可以大于第一材料层51中的元素之间（例如，Ta-O）的结合能。此外，缓冲层可以包括增大第一电极10与电阻开关材料层50之间的势垒的材料。在此情形下，缓冲层与第一电极10之间的导电偏移可以大于第一材料层51与第一电极10之间的导带偏移。这表示，缓冲层可以由限制第一电极10与第一材料层51之间的过度电流流动的材料形成。此外，以类似于此的观点，缓冲层可以包括具有比电阻开关材料层50的电阻率高的电阻率的材料。
形成缓冲层的材料可以为例如Al2O3或TiO2。此外，缓冲层可以包括AlOx、SiOx、SiNx、ZrOx、HfOx及其任意组合中的至少一种。
缓冲层可以具有适当的组分和厚度，使得缓冲层能够用作缓冲并同时允许电流流动。缓冲层的厚度可以例如小于或等于约10nm。当缓冲层具有化学计量组分时，缓冲层的厚度可以小于或等于约5nm。这是因为当缓冲层过厚时缓冲层的绝缘性质会较大。
缓冲层可以进一步设置在第二电极70与电阻开关材料层50之间。例如，在图9的情形下，缓冲层可以进一步设置在第二电极70和第二材料层55之间。在此情形下，缓冲层可以进一步改善电阻开关材料层50的电阻开关性质的稳定性、可靠性和再现性，并可以增加用于第二电极70的材料的类型。
根据按照本发明实施例的上述电阻开关材料元件100、200、300、400、500和600，在正（+）电压施加到第一电极10并且负（-）电压施加到第二电极70的设置操作期间，氧空位从第一材料层51转移到第二材料层55，因此电流路径（未示出）可以形成在第二材料层55中。因此，电阻开关材料层50的电阻可以降低。换句话说，电阻开关材料层50可以从OFF状态改变为ON状态。在设置操作中，氧离子可以在与氧空位相反的方向上转移，也就是从第二材料层55转移到第一材料层51。
另一方面，在负（-）电压施加到第一电极10并且正（+）电压施加到第二电极70的重置操作期间，氧空位从第二材料层55转移到第一材料层51，也就是，氧离子从第一材料层51转移到第二材料层55，因此形成在第二材料层55中的电流路径可以被中断。因此，电阻开关材料层50的电阻可以升高。换句话说，电阻开关材料层50的电阻可以从ON状态改变为OFF状态。
图11是示出根据本发明实施例的具有自整流层30的电阻开关材料元件100、200、300、400、500和600的电阻开关性质的曲线图。图12是示出作为比较例的，没有自整流层的电阻开关材料元件的电阻开关性质的曲线图。在根据本发明实施例的具有自整流性质的电阻开关材料元件100、200、300、400、500和600中，在设置操作期间根据电压的电流变化可以具有如图11所示的非线性性质。相反，对于没有自整流性质的电阻开关材料元件，在设置操作期间根据电压的电流变化表现出如图12所示的线性性质。
根据按照本发明实施例的电阻开关材料元件100、200、300、400、500和600，电阻变化几乎不发生直到所施加的电压达到预定量例如电压A1，如图11所示。当电压增大到电压A2时，电阻变化极大地发生。因此，例如，根据采用根据本发明实施例的电阻开关材料元件100、200、300、400、500和600作为存储单元的存储器件，即使在存在来自相邻存储单元的干扰信号时，数据也可以被准确地读取或写入。电压A1可以对应于关于相邻存储单元的干扰信号的电压，电压A2可以对应于用于读取或写入数据的电压。
另一方面，在没有自整流性质的元件中，电流根据电压增加如图12所示地线性变化。因此，可以看到，相邻存储单元的干扰信号的影响大。
图13是透视图，示出采用根据本发明实施例的电阻开关材料元件的存储器件的示例。根据本实施例的存储器件可以是交叉点阵列电阻存储器件。
参照图13，电阻存储器件可以包括沿第一方向例如X轴方向彼此平行地布置的多条第一布线W10。此外，电阻存储器件可以包括沿与第一布线W10交叉的方向（例如，Y轴方向）彼此平行布置的多条第二布线W20。存储单元SS1可以位于第一布线W10和第二布线W20的至少某些交叉点处，从而形成交叉点阵列结构。
存储单元SS1可以由根据本发明实施例的具有参照图1、图2、图3、图5、图9和图10描述的各种堆叠结构的电阻开关材料元件100、200、300、400、500和600形成。每条第一布线W10和每条第二布线W20可以分别对应于每个图1、图2、图3、图5、图9和图10的第一电极10和第二电极70。
存储单元SS1可以包括堆叠在每条第一布线W10上以定位于第一和第二布线W10和W20的交叉点处的自整流层30和电阻开关材料层50。换句话说，存储单元SS1可以包括电阻开关材料层50以及设置在电阻开关材料层50与第一和第二布线W10和W20中的任一个之间的自整流层30。图13示出存储单元SS1具有图9的电阻开关材料元件500的堆叠结构的示例。例如，自整流层30可以包括第一区域31和第二区域35。电阻开关材料层50可以包括例如第一材料层51和第二材料层55。电阻开关材料层50和30的结构、物理性能和操作性能与以上所述的那些相同，因此这里省略重复的描述。
缓冲层（未示出）可以设置在第一布线W10与电阻开关材料层50之间。当自整流层30位于第一布线W10与电阻开关材料层50之间时，如图13所示，缓冲层可以设置在第一布线W10与自整流层30之间。
尽管图13示出堆叠结构为圆柱形状，但是存储单元SS1可以具有各种修改的形状，诸如矩形柱或者具有向下渐增的宽度的形状。
此外，根据本发明的存储器件可以具有存储单元SS1重复堆叠的结构，也就是，可以具有包括布线、存储单元SS1、布线、存储单元SS1、布线等的多个堆叠结构。
根据上述存储器件，当操作电压通过第一和第二布线W10和W20施加到特定的存储单元时，数据可以被写入到相应的存储单元。
当设置电压经由第一和第二布线W10和W20施加到特定的存储单元时，在该特定的存储单元中，氧空位从第一材料层51转移到第二材料层55，也就是，氧离子从第二材料层55转移到第一材料层51。结果，电流路径（未示出）形成在第二材料层55中。因此，电阻开关材料层50的电阻降低，使得电阻开关材料层50可以从OFF状态变为ON状态。在此情形下，第一位数据例如“0”（或“1”）可以被认为写入到该特定的存储单元。由于该特定的存储单元因自整流层30而不受相邻存储单元的干扰信号的影响，所以准确的数据记录是可能的。
当重置电压经由第一和第二布线W10和W20施加到特定的存储单元时，在特定的存储单元中，氧空位从第二材料层55转移到第一材料层51，也就是，氧空位从第一材料层51转移到第二材料层55。结果，形成在第二材料层55中的电流路径中断。因此，电阻开关材料层50的电阻较大，使得电阻开关材料层50可以从ON状态变为OFF状态。在此情形下，第二位数据例如“1”（或“0”）可以被认为写入到该特定的存储单元。
如上所述，根据本发明的一个或多个以上实施例，由于电阻开关材料元件具有自整流性质，例如，当电阻开关材料元件以集成器件（其中部分地包括交叉点阵列或交叉结构）的形式被使用时，在数据写入或读取期间来自相邻存储单元的干扰信号可以被阻挡，因此准确的数据读取或写入是可能的。
此外，由于不需要单独地提供选择器，所以可以减少工艺数目和制造成本，此外电阻开关材料元件还可以应用到具有限制厚度的器件。
此外，由于具有选择器的性质的电阻开关材料元件可以被实现而不用外部选择器，所以与在垂直或水平面上形成并连接选择器和电阻开关元件的现有方法相比，可以改善集成度，此外还可以降低制造成本。
应当理解，这里描述的示范性实施例应当仅以描述性的含义来理解，而不用于限制目的。每个实施例中的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。
本申请要求于2012年8月10日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0087993的优先权，其公开通过全文引用结合于此。
Claims (13)
1.一种电阻开关材料元件，包括：
第一电极；
自整流层，直接在所述第一电极上，在所述自整流层的厚度方向上所述自整流层包括直接在所述第一电极上的第一电介质材料层和在所述第一电介质材料层上的第二电介质材料层，所述第一电介质材料层和所述第二电介质材料层具有彼此不同的导带偏移；
电阻开关材料层，在所述自整流层上以接触所述自整流层，所述电阻开关材料层包括第一材料层和第二材料层，所述电阻开关材料层配置为由于所述第一和第二材料层之间的离子物种转移而具有电阻开关性质，以及
第二电极，直接在所述电阻开关材料层上，
其中所述自整流层配置为具有根据所施加的电压而改变的隧穿机制，以及
所述自整流层配置为具有如果第一电压被施加到所述电阻开关材料元件则电流的流动受到限制的直接隧穿性质，
所述自整流层配置为具有如果第二电压被施加到所述电阻开关材料元件则电流的流动迅速增加的隧穿性质，以及
所述第一电压和所述第二电压具有相同的极性，且所述第一电压小于所述第二电压。
2.如权利要求1所述的电阻开关材料元件，其中所述第二电介质材料层具有比所述第一电介质材料层的导带偏移相对大的导带偏移。
3.如权利要求1所述的电阻开关材料元件，其中所述第一和第二电介质材料层的导带偏移相差0.5eV或更大。
4.如权利要求3所述的电阻开关材料元件，其中所述第一和第二电介质材料层的导带偏移相差1.0eV至4.0eV且包括两个端点在内。
5.如权利要求1所述的电阻开关材料元件，其中所述第二电介质材料层的材料不同于所述第一电介质材料层的材料。
6.如权利要求5所述的电阻开关材料元件，其中所述第一和第二电介质材料层中的其中之一是具有相对大的导带偏移的低介电常数材料层，以及所述第一和第二电介质材料层中的另一个是具有相对小的导带偏移的高介电常数材料层。
7.如权利要求6所述的电阻开关材料元件，其中所述第一和第二电介质材料层中的至少一层包括SiO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、HfO2、ZrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、(Ba,Sr)TiO3和SrTiO3的至少之一。
8.如权利要求1所述的电阻开关材料元件，其中所述第一电介质材料层和所述第二电介质材料层分别具有第一厚度和第二厚度，以及所述第一和第二电介质材料层在所述自整流层的厚度方向上具有不同的介电常数。
9.如权利要求1所述的电阻开关材料元件，其中所述第一材料层是氧供应层，所述第二材料层是氧交换层。
10.如权利要求1所述的电阻开关材料元件，其中所述第一材料层是第一金属氧化物，所述第二材料层是第二金属氧化物，所述第一金属氧化物和所述第二金属氧化物彼此相同或不同。
11.如权利要求10所述的电阻开关材料元件，其中所述第一和第二金属氧化物中的至少之一包括Ta氧化物、Zr氧化物、Y氧化物、氧化钇稳定的氧化锆、Ti氧化物、Hf氧化物、Mn氧化物、Mg氧化物以及其组合中的至少一种。
12.如权利要求10所述的电阻开关材料元件，其中所述第二材料层的氧浓度高于所述第一材料层的氧浓度。
13.如权利要求1所述的电阻开关材料元件，其中在所述第一电介质材料层和所述第二电介质材料层的界面处的导带偏移在1.0eV至4.0eV的范围内，且包括两个端点在内。
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