CN109037436B - 阻变存储器件 - Google Patents

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Abstract

一种阻变存储元件包括：下电极；可变电阻层，其设置在下电极上，并且被配置为包括含氧碳结构；阻挡层，其设置在可变电阻层上，并且被配置为包括能够被可逆地氧化和还原的含氧物质；以及上电极，其设置在阻挡层上。

Description

阻变存储器件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月8日提交的申请号为10-2017-0071604的韩国申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
总体而言，本公开涉及半导体器件，并且更具体地，涉及包括含碳的阻变材料层的阻变存储器件。
背景技术
总体而言，电阻式存储器件可以包括多个存储单元，并且每个电阻式存储单元的电 阻值可以根据施加至该电阻式存储单元的电压或电流而变化。与电阻式存储单元的变化 的电阻值相对应的信息可以被视为储存在电阻式存储单元中的数据。即使电阻式存储单 元的电源中断了，电阻式存储单元也可以保留其储存的数据。因此，电阻式存储器件可以对应于非易失性存储器件。例如，电阻式存储器件可以包括阻变随机存取存储器(RCRAM)器件(也称为阻变存储器器件)、相变随机存取存储器(PCRAM)器件以 及磁性随机存取存储器(MRAM)器件。
RCRAM器件的每个存储单元可以包括可变电阻材料。如果将特定电压施加至可变电阻材料的两个端部，则可以在可变电阻材料中产生导电桥和界面绝缘层。因此，可变 电阻材料可以根据施加至其上的给定电压而具有两种不同电阻值中的任意一种。由于即 使在给定电压被移除之后在可变电阻材料中产生的导电桥和界面绝缘层依然可以被保留 下来，因而可变电阻材料的电阻值可以对应于所储存的数据值。因此，RCRAM器件可 以用作非易失性存储器件。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种阻变存储元件。一种阻变存储元件包括：下电极；可变电阻层，其设置在下电极上，并且被配置为包括含氧碳结构；阻挡层，其设置在可变 电阻层上，并且被配置为包括能够被可逆地氧化和还原的含氧物质；以及上电极，其设 置在阻挡层上。
根据一个实施例，提供了一种阻变存储元件。一种阻变存储元件包括：下电极；可变电阻层，其设置在下电极上，并且被配置为包括含氧碳结构；阻挡层，其设置在可变 电阻层上，并且被配置为包括能够被可逆地氧化和还原的含氧物质；以及上电极，其设 置在阻挡层上。可变电阻层被配置为基于在可变电阻层中的导电桥的形成或退化而控制 储存在阻变存储元件中的数据。
附图说明
图1是示出了根据本公开的一个实施例的阻变存储元件的截面图。
图2和图3是示出了根据本公开的一个实施例的阻变存储元件的操作的截面图。
图4是示出了根据本公开的一个实施例的阻变存储元件的截面图。
图5和图6是示出了根据本公开的一个实施例的阻变存储元件的操作的截面图。
图7A和图7B是示出了根据本公开的实施例的阻变存储元件的I-V特性的曲线图。
图8是示出了根据本公开的实施例的三维非易失性存储器件的立体图。
图9是示出了图8中所示的三维非易失性存储器件的一部分的放大图。
具体实施方式
现在将参照附图在下文中更充分地描述本公开的各种实施例。在附图中，为了使图 示清楚，组件(例如，层或区域)的尺寸(例如，宽度或厚度)可能被夸大。将理解的 是，当称一个元件在另一个元件“上”时，该元件可以直接位于另一个元件“上”，或者也 可以存在中间元件。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。
如本文所使用的，单数术语“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将理解的是，术语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”、“有”、“具 有”及其变形指定阐述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存 在和/或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
例如，可以使用空间相关术语，诸如“之下”、“下面”、“下”、“之上”、“上”、“顶 端”、“底端”等，以描述如附图所示的一个元件和/或特征与另一个元件和/或特征的关系。 将理解的是：除了附图中所示的定位之外，空间相关术语旨在包括使用和/或操作中的器 件的不同定位。例如，当附图中的器件被翻转时，则被描述为在其它元件或特征件“下面” 或“之下”的元件将被定位在其它元件或特征件之上。器件可以以其它方式定位(旋转90 度或以其它取向旋转)，并且相应地解释本文中使用的空间相关描述符。
下述实施例提供了包括含碳的阻变材料层的阻变存储器件。根据实施例，可以有效 控制操作电流，以使阻变存储元件在具有高阻态与具有低阻态之间可逆地改变或变化。
图1是示出了根据本公开的一个实施例的阻变存储元件1的截面图。参考图1，阻变存储元件1可以包括下电极110、上电极130以及在下电极110与上电极130之间的 可变电阻层120。可变电阻层120被配置为基于如下所述的导电桥的形成或退化来控制 储存在阻变存储元件1中的数据。可变电阻层120可以包括含氧碳结构(oxygenated carbonstructure)。含氧碳结构表示碳具有带有允许氧被物理地或化学地结合的碳-碳键 的化学结构。即，含氧碳结构可以包括碳氧化物材料。下电极110可以包括导电材料。 例如，下电极110可以包括铂(Pt)材料、钨(W)材料、氮化钽(TaN)材料、氮化 钛(TiN)材料或包含上述不同材料中的至少两种材料的组合。
通常，碳可以具有sp2杂化轨道键(在下文中，称为“sp2键”)或sp3杂化轨道键(在下文中，称为“sp3键”)作为碳-碳键。因此，碳的形式可以根据碳-碳键的形式而具有两 个不同的电阻率值中的一个。例如，如果碳具有sp2键对于sp3键的第一比例，则碳结构、 材料或层可以具有相对低的电阻状态，而如果碳具有sp2键对于sp3键的不同的第二比例， 则碳结构、材料或层可以具有相对高的电阻状态。
类似地，含氧碳结构也可以根据碳-碳键(即，sp2键和sp3键)的形式而具有两个 不同的电阻率值中的一个。例如，如果含氧碳结构的氧含量减少，那么含氧碳结构具有 更大量的sp2键作为碳-碳键的可能性增加。相反，如果含氧碳结构的氧含量增加，那么 含氧碳结构具有更多的sp3键作为碳-碳键的可能性增加。
因此，如果含氧碳结构的氧含量减少或降低，则含氧碳结构可以具有相对降低的或 低的电阻状态。相反，如果含氧碳结构的氧含量增加，则含氧碳结构可以具有相对增加的或高的电阻状态。
在一个实施例中，可以通过将氧原子注入或添加进含氧碳结构中或者通过从含氧碳 结构中去除氧原子来可逆地改变含氧碳结构的电阻率值。例如，如果含氧碳结构的组合物在与碳结合的氧原子的数量上增大了，则含氧碳结构可以具有增多数量的sp3键，并 且可以可逆地转变为高电阻。可选地，如果含氧碳结构的组合物在与碳结合的氧原子的 数量上减小了，则含氧碳结构可以具有增多数量的sp2键，并且可以可逆地转变为低电 阻。
可以通过将不同的偏置电压施加至可变电阻层120来实现使氧原子与含氧碳结构结 合或实现从含氧碳结构中去除氧原子。在一个实施例中，对于处于初始状态的阻变存储元件1，如果正偏置电压施加至上电极130，则可以使可变电阻层120中的氧-碳键断裂， 以产生氧离子。阻变存储元件1的初始状态可以表示在制造阻变存储元件1之后没有将 偏置电压施加至可变电阻层120的状态。基于正偏置电压的施加，在可变电阻层120中 产生的氧离子可以朝着上电极130移动。接下来，如果负偏置电压施加至上电极130， 则氧离子被从上电极排斥开，并且可以与可变电阻层120的含氧碳结构重新结合。即， 当施加负偏置电压时，氧离子离开电极并进入可变电阻层120。在另一个实施例中，对 于处于初始状态的阻变存储元件1，如果正偏置电压施加至下电极110，在可变电阻层 120中的氧-碳键可以断裂以产生氧离子。基于正偏置电压的施加，在可变电阻层120中 产生的氧离子可以朝着下电极110移动。接下来，如果负偏置电压施加至下电极110， 则氧离子被从下电极110排斥开，并且可以与可变电阻层120的含氧碳结构重新结合。 即，为了可逆地改变可变电阻层120的电阻，可以将正偏置电压和负偏置电压施加至下 电极110和上电极130中的一个。
再次参考图1，可变电阻层120可以包括第一含氧碳结构和第二含氧碳结构，第一含氧碳结构包括sp2键，第二含氧碳结构包括sp3键。第一含氧碳结构和第二含氧碳结构 以预定的比例分布在可变电阻层120中。在一个示例中，如果包括sp3键的第二含氧碳 结构对于包括sp2键的第一含氧碳结构的比例增大，则可变电阻层120的电阻状态可以 增加或可以相对高。相反，如果包括sp2键的第一含氧碳结构对于包括sp3键的第二含氧 碳结构的比例增大，则可变电阻层120的电阻状态可以相对低或可以降低。
Claudia A.Santini等人已经在一篇文章中公布了通常的含氧碳结构的电特性，这篇 文章题为“应用于电阻式存储器的含氧非晶碳”，发表在2015年10月23日出版的《自然通讯》(Nature Communications)DOE：10.1038/ncomms96001上。该文章所公开的含 氧碳结构的结构可以适用于根据本公开的实施例。即，该文章的全部内容可以通过引用 合并于此。
在一个实施例中，可以使用在氧气气氛中将石墨靶用作源靶的物理气相沉积(PVD) 工艺来形成含氧碳结构。在这种情况下，含氧碳结构具有sp3键的可能性可以比含氧碳 结构具有sp2键的可能性高。因此，可变电阻层120可以形成为在其初始状态具有相对高的电阻状态。
在另一个实施例中，含氧碳结构可以制造成石墨氧化物材料的形式。例如，可以通过对石墨薄片进行湿式氧化来形成含氧碳结构。在这种情况下，含氧碳结构具有sp2键 的可能性可以比含氧碳结构具有sp3键的可能性高。因此，可变电阻层120可以形成为 在其初始状态具有相对低的电阻状态。
仍然参考图1，上电极130可以设置在可变电阻层120的表面上，该表面与和下电极110接合的表面相对。上电极130可以包括导电材料。例如，上电极130可以包括铂 (Pt)材料、钨(W)材料、氮化钽(TaN)材料、氮化钛(TiN)材料或包含上述材料 中的至少两种不同材料的组合。在一个实施例中，上电极130和下电极110可以包括相 同的材料。可选地，上电极130可以包括与下电极110不同的材料。在又一个实施例中， 上电极130还可以不包括在下电极110中发现的材料。
图2和图3是示出了操作图1中所示的阻变存储元件1的方法的截面图。参考图2，在一个实施例中，具有正极性的第一操作电压可以施加至上电极130。下电极110可以 接地，或者预定电势可以施加至下电极110。
如果正偏置电压施加至上电极130，则可以使在可变电阻层120中的含氧碳结构的氧-碳键断裂，以产生氧离子12。与在下电极110与上电极130之间产生的电场一致，在 可变电阻层120中产生的氧离子12可以朝着可变电阻层120与上电极130之间的界面移 动。如果可变电阻层120中的氧-碳键因施加至上电极130的正偏置电压而断开，则可变 电阻层120中的含氧碳结构的碳-碳键可以变为具有相对低的电阻状态的sp2键。结果， 含氧碳结构和可变电阻层120的电阻状态可以降低或相对低。
失去氧原子的含氧碳结构可以因由第一操作电压产生的电场而在可变电阻层120中 排列或组织，以在下电极110与上电极130之间形成导电桥或细丝10。即，可以改变或 调整具有更少氧原子的含氧碳结构，以便利于下电极110与上电极130之间的电流路径。 因此，阻变存储元件1可以用作相对低的电阻。即使在从上电极130移除第一操作电压 之后，导电桥或细丝10也可以保留在可变电阻层120中。因此，阻变存储元件1可以被 视为其中储存有与相对低的电阻状态相对应的数据的存储元件。
参考图3，具有负极性的第二操作电压可以施加至上电极130以及具有相对低的电阻状态的可变电阻层120。下电极110可以接地，或者预定电势可以施加至下电极110。
如果负偏置电压施加至上电极130，则氧离子(图2中的附图标记12)可以与构成导电桥或细丝10的含氧碳结构重新结合。即，构成导电桥10的含氧碳结构可以被再氧 化并且将含氧碳结构的先前被还原的碳-碳sp2键变成sp3键。因此，可变电阻层120的 含氧碳结构可以具有相对高的电阻状态。这可以是因为导电桥10的至少一部分因导电桥 10中的含氧碳结构的再氧化而断裂、退化或分解。
在一个实施例中，如果负偏置电压施加至上电极130，则分布在可变电阻层120与上电极130之间的界面处的氧离子(图2中的12)可以被排斥开，并且可以容易地与导 电桥10重新结合。于是，导电桥10的与上电极130相邻的部分可以首先消失或退化， 以至于部分地去除或阻碍下电极110与上电极130之间的电流路径。因此，阻变存储元 件1可以用作相对高的电阻。即使在从上电极130移除第二操作电压之后，被损坏的或 缩短的导电桥10依然可以存在于或保留在可变电阻层120中。所以，阻变存储元件1 可以被视为其中可以储存有与相对高的电阻状态相对应的数据的存储元件。
接下来，虽然附图中未示出，具有正极性的第三操作电压可以施加至先前切换至相 对高的电阻状态的阻变存储元件1的上电极130。此时，下电极110可以接地，或者预 定电势可以施加至下电极110。在这种情况下，可变电阻层120中的含氧碳结构的氧-碳 键可以断裂以再次产生氧离子，并且可以使具有sp2键的含氧碳结构再生。失去氧原子 的含氧碳结构可以结合到被损坏的或缩短的导电桥(图3中的10)的端部。在由第三操 作电压产生的电场的影响下，被损坏的或缩短的导电桥(图3中的10)可以增长、组织 或再次形成，以将下电极110电连接到上电极130。结果，阻变存储元件1能够变回或 切换回相对低的电阻状态。
如上所述，根据一个实施例的阻变存储元件1可以相对偏置电压可逆地反应为相对 低的电阻状态或相对高的电阻状态。与根据下文中将要描述的另一个实施例的阻变存储 元件相比，阻变存储元件1可以因图2中示出的导电桥10而显示出相对大的操作电流。操作电流表示当阻变存储元件具有相对低的电阻状态时流过阻变存储元件的电流。例如，根据上文描述的且参考图1至图3的阻变存储元件的结构，操作电流可以在约一(1)毫 安(mA)到约十(10)mA的范围内。如果阻变存储元件的操作电流增大，阻变存储元 件的功耗也可能增大，而阻变存储元件的可靠性可能降低。因此，减小阻变存储元件的 操作电流是有利的，以便实现阻变存储元件的高性能或改善阻变存储元件的性能。
图4是示出了根据本公开的另一个实施例的阻变存储元件2的截面图。参考图4，阻变存储元件2可以包括可以顺序层叠的下电极210、可变电阻层220、阻挡层240以及 上电极230。可变电阻层220被配置为基于导电桥的形成或退化来控制储存在阻变存储 元件2中的数据。可变电阻层220可以包括含氧碳结构。阻挡层240可以包括能够被可 逆地氧化或还原的含氧物质(oxygen containable material)。含氧物质是可以与氧或氧离 子可逆地结合的材料，或者是遇到氧或氧离子的情况下可以可逆地形成氧化物的材料。
下电极210可以包括导电材料。例如，下电极210可以包括铂(Pt)材料、钨(W) 材料、氮化钽(TaN)材料、氮化钛(TiN)材料或包含上述不同材料中的至少两种材料 的组合。
可变电阻层220可以包括含氧碳结构。可变电阻层220可以与上文描述的且参考图1至图3的可变电阻层120具有基本相同的配置。即，在可变电阻层220中使用的含氧 碳结构可以根据碳-碳键的形式而具有两个不同的电阻率值中的一个。例如，如果含氧碳 结构具有sp2键对于sp3键的第一比例，则含氧碳结构可以具有相对低的电阻状态，而如 果含氧碳结构具有sp2键对于sp3键的不同的第二比例，则含氧碳结构可以具有相对高的 电阻状态。
在一个实施例中，可变电阻层220可以包括第一含氧碳结构和第二含氧碳结构，第一含氧碳结构包括sp2键，第二含氧碳结构包括sp3键。第一含氧碳结构和第二含氧碳结 构以预定的比例分布在可变电阻层220中。在一个示例中，如果包括sp3键的含氧碳结 构对于包括sp2键的含氧碳结构的比例增大，则可变电阻层220的电阻状态可以增加或 可以相对高。相反，如果包括sp2键的含氧碳结构对于包括sp3键的含氧碳结构的比例增 大，则可变电阻层220的电阻状态可以相对低或可以降低。
阻挡层240可以设置在可变电阻层220与上电极230之间。在一个实施例中，阻挡层240可以设置为与可变电阻层220的表面接触。阻挡层240可以包括能够被可逆地氧 化或还原的含氧物质。含氧物质可以比组成下电极210的材料更容易被氧化或对氧反应 更强烈，即含氧物质优先地被氧化。当含氧物质被氧化时，含氧物质的电阻可以增大。 例如，用作阻挡层240的含氧物质可以包括铪(Hf)材料、钛(Ti)材料、钽(Ta)材 料、铝(Al)材料、铪与钛的合金材料、钽与铝的合金材料、钛与钽的合金材料、钛与 铝的合金材料、铪与铝的合金材料、钨与钛的合金材料、硅化钨(WSi)材料、硅化钽 (TaSi)材料、硅化钛(TiSi)材料、N型硅材料或包含上述不同材料中的至少两种材 料的组合。
当给定的偏置电压(例如，正偏置电压或负偏置电压)施加至上电极230时(见图 5和图6)，阻挡层240中的含氧物质可以与可变电阻层220中的氧离子或从碳-氧键中释 放出的氧反应。例如，如果阻挡层240中的含氧物质与氧离子反应，则含氧物质可以被 氧化并且含氧物质的电阻可以增大。相反，如果氧离子从阻挡层240中的含氧物质分离 出去，则可以还原含氧物质并且可以减小含氧物质的电阻。
上电极230可以设置在阻挡层240的表面上，该表面与和可变电阻层220接合的表面相对。上电极230可以覆盖阻挡层240并且用作阻挡层240的覆盖层。与阻挡层240 相比，上电极230可以表现出与氧的低反应性。例如，上电极230可以包括铂(Pt)材 料、钨(W)材料、氮化钽(TaN)材料、氮化钛(TiN)材料或包含至少两种不同的上 述材料的组合。
图5和图6是示出了图4中所示的阻变存储元件2的操作的截面图。参考图5，具 有正极性的第一操作电压可以施加至上电极230。下电极210可以接地，或者预定电势 可以施加至下电极210。
如果正偏置电压施加至上电极230，则在可变电阻层220中的含氧碳结构的氧-碳键 可以断裂，以产生氧离子22。响应于在下电极210与上电极230之间产生的电场，在可 变电阻层220中产生的氧离子22可以朝着可变电阻层220与阻挡层240之间的界面移动。 到达阻挡层240的氧离子22可以与阻挡层240的含氧物质反应。结果，阻挡层240的含 氧物质可以部分被氧化，以在可变电阻层220与阻挡层240之间的界面处形成界面氧化 物层242。界面氧化物层242的电阻比阻挡层240的电阻高。在一个实施例中，界面氧 化物层242的电阻可以由阻挡层240的氧反应性以及界面氧化物层242的厚度决定。界 面氧化物层242的厚度可以通过正偏置电压的大小来控制。
如果可变电阻层220中的氧-碳键由于施加至上电极230的正偏置电压(即，第一操作电压)而断开，则可变电阻层220中的含氧碳结构的碳-碳键可以变为具有相对低的电 阻状态的sp2键。结果，含氧碳结构和可变电阻层220的电阻状态可以降低或可以相对 低。失去氧原子的含氧碳结构因由第一操作电压产生的电场而可以在可变电阻层220中 排列或组织，以在下电极210与阻挡层240之间形成导电桥或细丝20。即，失去氧原子 的含氧碳结构可以被改变或调整，以在下电极210与阻挡层240之间形成电流路径。因 此，如果具有正极性的第一操作电压施加至上电极230，则导电桥20可以形成在可变电 阻层220中，使得阻变存储元件2具有相对低的电阻状态。在这种情况下，与阻挡层240 的电阻相比具有增大的电阻的界面氧化物层242可以有效减小流过具有相对低的电阻状 态的阻变存储元件2的操作电流。
如上所述，当阻变存储元件2具有相对低的电阻状态时，相比于在上文中描述且结合图1至图3的实施例，阻变存储元件2的操作电流可以因界面氧化物层242的存在而 减小。阻变存储元件2的操作电流可以因界面氧化物层242的厚度和/或电阻率而减小或 受影响，而保持与相对低的电阻状态相对应的数据的储存。界面氧化物层242的电阻率 可以由阻挡层240中的含氧物质的氧反应性决定。
参考图6，在阻变存储元件2被置于具有相对低的电阻状态的条件下之后，具有负极性的第二操作电压可以施加至上电极230并且施加至可变电阻层220。下电极210可 以接地，或者预定电势可以施加至下电极210。
如果负偏置电压施加至上电极230，则界面氧化物层242中的氧原子可以被从界面氧化物层242的含氧物质排斥开，并且变为氧离子。这些氧离子可以进入可变电阻层220。因此，界面氧化物层242的含氧物质可以可逆地被改变或更改，以基本上被并入阻挡层 240的一些部分中。
氧离子可以与构成导电桥或细丝20的碳结构重新结合。即，构成导电桥20的含氧碳结构可以被再氧化并且将该碳结构的先前被还原的碳-碳sp2键变成sp3键。结果，可 变电阻层220的含氧碳结构可以具有相对高的电阻状态。这可能是因为导电桥20的至少 一部分因导电桥20中的碳结构的再氧化而断裂、退化或分解。
在一个实施例中，如果负偏置电压施加至上电极230，则在界面氧化物层242中产生的氧离子可以被排斥开，并且可以容易地与导电桥20再结合。于是，导电桥或细丝 20的与阻挡层240相邻的部分可以首先消失或退化，以至于部分地去除或阻碍下电极210 与阻挡层240之间的电流路径。因此，阻变存储元件2可以用作相对高的电阻。即使在 从上电极230移除第二操作电压之后，被损坏的或缩短的导电桥20依然可以存在于或保 留在可变电阻层220中。所以，阻变存储元件2可以被视为其中可以储存有与相对高的 电阻状态相对应的数据的存储元件。
如上所述，根据在上文中描述且结合图4至图6的实施例的阻变存储元件2可以可逆地对偏置电压作出反应，以在相对低的电阻状态或相对高的电阻状态之间切换。当阻 变存储元件2具有相对低的电阻状态时，界面氧化物层242和导电桥20可以形成在阻变 存储元件2中。当阻变存储元件2具有相对高的电阻状态时，界面氧化物层242的至少 一部分可以被去除或返回到阻挡层，而导电桥20的部分也可以被去除或退化。
当阻变存储元件2具有相对低的电阻状态时，与阻挡层240的电阻相比具有增大的电阻的界面氧化物层242可以有效地减小流过导电桥20的操作电流。界面氧化物层242 的厚度和/或电阻率可以控制或影响操作电流的减小。界面氧化物层242的电阻率可以由 阻挡层240中的含氧物质的氧反应性决定。因此，根据上文中描述的且结合图4至图6 的实施例的阻变存储元件2的操作电流可以比根据上文中描述的且结合图1至图3的实 施例的阻变存储元件1的操作电流小。因为可以利用界面氧化物层242来控制或抵消具 有相对低的电阻状态的阻变存储元件2的操作电流，所以阻变存储元件2可以表现出低 功耗和增加的可靠性。
图7A和图7B是示出了根据在上文中描述且结合图1至图6的实施例的阻变存储元件1和阻变存储元件2的电流对电压(I-V)特性的曲线图。具体地，图7A示出了根据 在上文中描述且结合图1至图3的实施例的阻变存储元件1的I-V特性，而图7B示出了 根据在上文中描述且结合图4至图6的实施例的阻变存储元件2的I-V特性。在图7A 和图7B的曲线图中，横坐标表示当下电极110和下电极210接地时施加至上电极130 和上电极230的电压V，而纵坐标表示流过阻变存储元件1和阻变存储元件2的对数刻 度电流logI。
使用将氮化钛(TiN)材料用作下电极110、下电极210、上电极130和上电极230 且将钽(Ta)材料用作阻挡层240的阻变存储元件1和阻变存储元件2可以获得图7A 和图7B中示出的I-V特性。此外，使用将含氧碳结构用作可变电阻层120和可变电阻层 220的阻变存储元件1和阻变存储元件2可以获得图7A和图7B中示出的I-V特性。
参考图7A，第一曲线710a示出了具有相对高的电阻状态的阻变存储元件1的I-V特性，而第二曲线720a示出了具有相对低的电阻状态的阻变存储元件1的I-V特性。施 加至上电极130的电压V可以被控制在-Vc至+Vc的范围之内。电压Vc表示设定电压。 即，如果设定电压Vc施加至具有相对高的电阻状态的阻变存储元件1的上电极130，则 流过阻变存储元件1的电流I突然从第一操作电流Ic1增大至第二操作电流Ic2，处于第 二电流Ic2下的阻变存储元件1具有相对低的电阻状态。参考图7B，第一曲线710b示 出了具有相对高的电阻状态的阻变存储元件2的I-V特性，而第二曲线720b示出了具有 相对低的电阻状态的阻变存储元件2的I-V特性。施加至上电极230的电压V可被控制 在-Ve至+Ve的范围之内。电压Ve表示设定电压。即，如果设定电压Ve施加至具有相 对高的电阻状态的阻变存储元件2的上电极230，则流过阻变存储元件2的电流I突然 从第一操作电流Ie1增大至第二操作电流Ie2，处于第二操作电流Ie2下的阻变存储元件 2具有相对低的电阻状态。阻变存储元件2的第二操作电流Ie2比阻变存储元件1的第二 操作电流Ic2小。
如上所述，流过具有相对低的电阻状态的阻变存储元件2的第二操作电流Ie2可以比流过具有相对低的电阻状态的阻变存储元件1的第二操作电流Ic2小。因此，在包括 阻挡层的情况下可以有效减小阻变存储元件的操作电流。
根据实施例的阻变存储元件可以应用于三维非易失性存储器件。图8是示出了使用 根据实施例的阻变存储元件1和阻变存储元件2中的任意一种的三维非易失性存储器件10的立体图。图9是示出了图8中所示的三维非易失性存储器件10的一部分的放大图。
参考图8，非易失性存储器件10可以包括被排列为与X轴平行的第一导电线810、被排列为与和X轴相交的Y轴平行的第二导电线820以及各自设置在第一导电线810与 第二导电线820的交叉点处的柱状结构80。每个柱状结构80可以设置在一条第一导电 线810与一条第二导电线820之间并且可以沿Z轴延伸。在图8和图9中的每幅图中， X轴、Y轴和Z轴可以彼此正交。然而，本公开不限于此。例如，X轴与Y轴可以以各 种非直角彼此相交。柱状结构80可以被沿X轴与Y轴排列成矩阵形式，以提供柱状结 构阵列。每个柱状结构80可以用作非易失性存储器件10的存储单元中任何一个。
参考图9，柱状结构80可以包括顺序层叠在第一导电线810的一部分上的下电极910、可变电阻层920、阻挡层940以及上电极930。柱状结构80可以具有与图4、图5 和图6示出的阻变存储元件2基本相同的配置。即，下电极910、可变电阻层920、阻挡 层940以及上电极930可以分别与下电极210、可变电阻层220、阻挡层240以及上电极 230相对应。
如上所述，当电压施加在第一导电线810与第二导电线820之间时，柱状结构80 的电阻状态可以根据阻挡层940中的含氧物质的氧化或还原并且根据可变电阻层920中 的导电桥的产生来确定。
根据上述实施例，如果可变电阻层920包括含氧碳结构，则当柱状结构80具有相对低的电阻状态时阻挡层940可以防止柱状结构80的操作电流的过大流动。因此，可以 实现低功率且非常可靠的非易失性存储器件。
出于说明的目的，以上已经披露了本公开的实施例。本领域普通技术人员将理解的 是：在不偏离如所附权利要求所披露的本公开的范围和精神的情况下，进行各种修改、增加和替换是可能的。

Claims (20)

1.一种阻变存储元件，包括：
下电极；
可变电阻层，其设置在下电极上，并且被配置为包括含氧碳结构；
阻挡层，其设置在可变电阻层上，并且被配置为包括能够被可逆地氧化和还原的含氧物质；以及
上电极，其设置在阻挡层上，
其中，含氧碳结构表示碳具有带有允许氧被物理地或化学地结合的碳-碳键的化学结构；
其中，含氧碳结构的电阻率值根据碳-碳键的杂化来确定。
2.根据权利要求1所述的阻变存储元件1，其中，可变电阻层和阻挡层被设置为提供在可变电阻层和阻挡层之间的界面。
3.根据权利要求1所述的阻变存储元件，
其中，含氧碳结构具有sp2杂化键和sp3杂化键中的至少一个作为碳-碳键。
4.根据权利要求1所述的阻变存储元件，
其中，含氧碳结构包括氧-碳键；
其中，氧-碳键因施加至上电极的偏置电压而断开，以产生氧离子。
5.根据权利要求1所述的阻变存储元件，还包括：
导电桥，其设置在可变电阻层中，以将下电极连接至阻挡层；以及
界面氧化物层，其在阻挡层与可变电阻层之间，
其中，界面氧化物层的电阻比阻挡层的电阻高。
6.根据权利要求5所述的阻变存储元件，其中，当偏置电压施加在下电极与上电极之间时，界面氧化物层使流过导电桥的电流量减少。
7.根据权利要求6所述的阻变存储元件，其中，导电桥因含氧碳结构的氧-碳键的还原而形成。
8.根据权利要求1所述的阻变存储元件，还包括形成在可变电阻层中的导电桥，
其中，当预定电压施加至上电极时，使导电桥退化，以增加下电极与上电极之间的电阻值。
9.根据权利要求1所述的阻变存储元件，其中，含氧物质与下电极相比被优先氧化。
10.根据权利要求9所述的阻变存储元件，其中，含氧物质包括铪Hf材料、钛Ti材料、钽Ta材料、铝Al材料、铪与钛的合金材料、钽与铝的合金材料、钛与钽的合金材料、钛与铝的合金材料、铪与铝的合金材料、钨与钛的合金材料、硅化钨WSi材料、硅化钽TaSi材料、硅化钛TiSi材料以及N型硅材料中的至少一种。
11.根据权利要求9所述的阻变存储元件，其中，下电极包括铂Pt材料、钨W材料、氮化钽TaN材料以及氮化钛TiN材料中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的阻变存储元件，其中，上电极包括铂Pt材料、钨W材料、氮化钽TaN材料以及氮化钛TiN材料中的至少一种。
13.一种阻变存储元件，包括：
下电极；
可变电阻层，其设置在下电极上，并且被配置为包括含氧碳结构；
阻挡层，其设置在可变电阻层上，并且被配置为包括能够被可逆地氧化和还原的含氧物质；以及
上电极，其设置在阻挡层上，
其中，可变电阻层被配置为基于在可变电阻层中产生的导电桥的形成或退化而控制储存在阻变存储元件中的数据，
其中，含氧碳结构表示碳具有带有允许氧被物理地或化学地结合的碳-碳键的化学结构；
其中，含氧碳结构的电阻率值根据碳-碳键的杂化来确定。
14.根据权利要求13所述的阻变存储元件，
其中，含氧碳结构具有sp2杂化键和sp3杂化键中的至少一个作为碳-碳键。
15.根据权利要求13所述的阻变存储元件，还包括当正偏置电压施加至上电极时形成在阻挡层与可变电阻层之间的界面氧化物层，
其中，界面氧化物层的电阻比阻挡层的电阻高。
16.根据权利要求14所述的阻变存储元件，
其中，含氧碳结构包括氧-碳键；以及
其中，因含氧碳结构中的氧-碳键的还原而提供导电桥。
17.根据权利要求13所述的阻变存储元件，其中，含氧碳结构的氧-碳键因施加至上电极的偏置电压而断开，以产生氧离子。
18.根据权利要求13所述的阻变存储元件，其中，含氧物质包括铪Hf材料、钛Ti材料、钽Ta材料、铝Al材料、铪与钛的合金材料、钽与铝的合金材料、钛与钽的合金材料、钛与铝的合金材料、铪与铝的合金材料、钨与钛的合金材料、硅化钨WSi材料、硅化钽TaSi材料、硅化钛TiSi材料以及N型硅材料中的至少一种。
19.根据权利要求13所述的阻变存储元件，其中，下电极包括铂Pt材料、钨W材料、氮化钽TaN材料以及氮化钛TiN材料中的至少一种。
20.根据权利要求13所述的阻变存储元件，
其中，当因施加至上电极的正电压而形成导电桥时，阻变存储元件具有相对低的电阻状态；以及
其中，当因施加至上电极的负电压而去除导电桥的部分时，阻变存储元件具有相对高的电阻状态。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11594678B2 (en) 2020-03-03 2023-02-28 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Diffusion barrier layer in programmable metallization cell
KR102602935B1 (ko) * 2021-08-13 2023-11-15 한양대학교 산학협력단 카본 옥시나이트라이드를 가지는 저항변화 메모리 및 이의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102222763A (zh) * 2011-06-03 2011-10-19 复旦大学 一种采用电场增强层的阻变存储器结构及其制备方法
CN102610746A (zh) * 2011-01-20 2012-07-25 中国科学院微电子研究所 非挥发性电阻转变存储器
CN106558599A (zh) * 2015-09-29 2017-04-05 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 电阻随机存取存储器及其形成方法
CN106663683A (zh) * 2014-09-25 2017-05-10 英特尔公司 并入有阻挡层的1s1r存储单元

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7385219B2 (en) * 2000-02-11 2008-06-10 A{umlaut over (x)}on Technologies Corporation Optimized solid electrolyte for programmable metallization cell devices and structures
JP4608875B2 (ja) * 2003-12-03 2011-01-12 ソニー株式会社 記憶装置
JP2010165950A (ja) * 2009-01-16 2010-07-29 Toshiba Corp 不揮発性半導体メモリ及びその製造方法
WO2012001599A2 (en) 2010-06-30 2012-01-05 International Business Machines Corporation Method for manufactoring a carbon-based memory element and memory element
KR101744758B1 (ko) * 2010-08-31 2017-06-09 삼성전자 주식회사 비휘발성 메모리요소 및 이를 포함하는 메모리소자
US20120261635A1 (en) * 2011-04-12 2012-10-18 Feng Zhou Resistive random access memory (ram) cell and method for forming
KR20120139082A (ko) * 2011-06-16 2012-12-27 삼성전자주식회사 멀티비트 메모리요소, 이를 포함하는 메모리소자 및 이들의 제조방법
KR20130020426A (ko) * 2011-08-19 2013-02-27 삼성전자주식회사 비휘발성 메모리요소 및 이를 포함하는 메모리소자
WO2013038641A1 (ja) * 2011-09-16 2013-03-21 パナソニック株式会社 不揮発性記憶素子の製造方法及び不揮発性記憶素子
US8878152B2 (en) * 2012-02-29 2014-11-04 Intermolecular, Inc. Nonvolatile resistive memory element with an integrated oxygen isolation structure
KR20130126325A (ko) * 2012-05-11 2013-11-20 에스케이하이닉스 주식회사 가변 저항 메모리 장치 및 그 제조 방법
KR101925448B1 (ko) * 2012-12-17 2018-12-05 에스케이하이닉스 주식회사 가변 저항 메모리 장치 및 그 제조 방법
GB2516841A (en) 2013-07-31 2015-02-11 Ibm Resistive memory element based on oxygen-doped amorphous carbon
US9029192B1 (en) * 2013-12-20 2015-05-12 Intermolecular, Inc. Metal organic chemical vapor deposition of resistive switching layers for ReRAM cells
CN105990520A (zh) * 2015-02-05 2016-10-05 中国科学院微电子研究所 非挥发性阻变存储器件及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102610746A (zh) * 2011-01-20 2012-07-25 中国科学院微电子研究所 非挥发性电阻转变存储器
CN102222763A (zh) * 2011-06-03 2011-10-19 复旦大学 一种采用电场增强层的阻变存储器结构及其制备方法
CN106663683A (zh) * 2014-09-25 2017-05-10 英特尔公司 并入有阻挡层的1s1r存储单元
CN106558599A (zh) * 2015-09-29 2017-04-05 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 电阻随机存取存储器及其形成方法

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