阻变器件
阅读：234发布：2020-05-11
专利汇可以提供阻变器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且根据本公开的一个 实施例 的 阻变 器件包括：第一 电极 ； 电阻 切换层，其设置在第一电极上；第二电极，其设置在电阻切换层上； 铁 电层，其设置在第二电极上；以及第三电极，其设置在铁电层上。，下面是阻变器件专利的具体信息内容。
1.一种阻变器件，包括：
第一电极；
电阻切换层，其设置在所述第一电极上；
第二电极，其设置在所述电阻切换层上；
铁电层，其设置在所述第二电极上；以及
第三电极，其设置在所述铁电层上。
2.根据权利要求1所述的阻变器件，其中，所述电阻切换层能在低电阻状态与高电阻状态之间可逆地切换，以及
其中，所述电阻切换层还包括导电细丝，所述导电细丝在所述电阻切换层处于所述低电阻状态时将所述第一电极连接到所述第二电极。
3.根据权利要求2所述的阻变器件，其中，所述铁电层具有剩余极化，以及其中，所述剩余极化产生诱导电子从所述第一电极和所述第二电极中的任意一个电极流到所述导电细丝的电场。
4.根据权利要求1所述的阻变器件，其中，所述第一电极和所述第二电极中的一个电极包括与所述电阻切换层接触的金属供给层。
5.根据权利要求4所述的阻变器件，其中，从所述金属供给层提供的金属离子流入所述电阻切换层。
6.根据权利要求4所述的阻变器件，其中，所述金属供给层包括铜Cu、银Ag、铜碲Cu-Te合金以及银碲Ag-Te合金中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的阻变器件，其中，所述电阻切换层具有至少两种电阻状态并且以非易失性的方式储存所述至少两种电阻状态中的一种电阻状态。
8.根据权利要求1所述的阻变器件，其中，所述电阻切换层包括基于硫族化物的材料或金属氧化物。
9.根据权利要求8所述的阻变器件，其中，所述电阻切换层包括从以下材料中选择的至少一种：氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化钛、氧化锌、氧化硅、氮化硅、锗碲Ge-Te、锗硒碲Ge-Se-Te、铟硒In-Se、锑碲Sb-Te、砷碲As-Te、铝碲Al-Te、锗锑碲Ge-Sb-Te、碲锗砷Te-Ge-As、铟锑碲In-Sb-Te、碲锡硒Te-Sn-Se、锗硒镓Ge-Se-Ga、铋硒锑Bi-Se-Sb、镓硒碲Ga-Se-Te、锡锑碲Sn-Sb-Te、碲锗锑硫Te-Ge-Sb-S、碲锗锡氧Te-Ge-Sn-O、碲锗锡金Te-Ge-Sn-Au、钯碲锗锡Pd-Te-Ge-Sn、铟硒钛钴In-Se-Ti-Co、锗锑碲钯Ge-Sb-Te-Pd、锗锑碲钴Ge-Sb-Te-Co、锑碲铋硒Sb-Te-Bi-Se、银铟锑碲Ag-In-Sb-Te、锗锑硒碲Ge-Sb-Se-Te、锗锡锑碲Ge-Sn-Sb-Te、锗碲锡镍Ge-Te-Sn-Ni、锗碲锡钯Ge-Te-Sn-Pd和锗碲锡铂Ge-Te-Sn-Pt。
10.根据权利要求1所述的阻变器件，其中，所述铁电层包括氧化铪、氧化锆和氧化铪锆中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的阻变器件，其中，所述第一电极至所述第三电极中的至少一个电极包括导电材料，且所述导电材料包括金属、金属氮化物、金属氧化物、掺杂硅以及导电碳结构中的至少一种。
12.一种阻变器件，包括：
依次设置的第一电极、电阻切换层、第二电极、具有剩余极化的铁电层以及第三电极，其中，所述电阻切换层根据是否在电阻切换层中形成有将所述第一电极与所述第二电极彼此连接的导电细丝而具有可变电阻，以及
其中，当在所述电阻切换层中产生所述导电细丝时，所述剩余极化产生诱导电子从所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极流入所述导电细丝的电场。
13.根据权利要求12所述的阻变器件，其中，所述第一电极和所述第二电极中的一个电极包括与所述电阻切换层接触的金属供给层。
14.根据权利要求13所述的阻变器件，其中，所述导电细丝包括从所述金属供给层提供的金属。
15.根据权利要求13所述的阻变器件，其中，所述金属供给层包括铜Cu、银Ag、铜碲Cu-Te合金以及银碲Ag-Te合金中的至少一种。
16.根据权利要求12所述的阻变器件，其中，所述电阻切换层包括基于硫族化物的材料或金属氧化物。
17.根据权利要求16所述的阻变器件，其中，所述电阻切换层包括从以下材料中选择的至少一种：氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化钛、氧化锌、氧化硅、氮化硅、锗碲Ge-Te、锗硒碲Ge-Se-Te、铟硒In-Se、锑碲Sb-Te、砷碲As-Te、铝碲Al-Te、锗锑碲Ge-Sb-Te、碲锗砷Te-Ge-As、铟锑碲In-Sb-Te、碲锡硒Te-Sn-Se、锗硒镓Ge-Se-Ga、铋硒锑Bi-Se-Sb、镓硒碲Ga-Se-Te、锡锑碲Sn-Sb-Te、碲锗锑硫Te-Ge-Sb-S、碲锗锡氧Te-Ge-Sn-O、碲锗锡金Te-Ge-Sn-Au、钯碲锗锡Pd-Te-Ge-Sn、铟硒钛钴In-Se-Ti-Co、锗锑碲钯Ge-Sb-Te-Pd、锗锑碲钴Ge-Sb-Te-Co、锑碲铋硒Sb-Te-Bi-Se、银铟锑碲Ag-In-Sb-Te、锗锑硒碲Ge-Sb-Se-Te、锗锡锑碲Ge-Sn-Sb-Te、锗碲锡镍Ge-Te-Sn-Ni、锗碲锡钯Ge-Te-Sn-Pd和锗碲锡铂Ge-Te-Sn-Pt。
18.根据权利要求12所述的阻变器件，其中，所述铁电层包括氧化铪、氧化锆和氧化铪锆中的至少一种。
19.根据权利要求12所述的阻变器件，其中，所述第一电极至所述第三电极中的至少一个电极包括导电材料，且所述导电材料包括金属、金属氮化物、金属氧化物、掺杂硅以及导电碳结构中的至少一种。
20.根据权利要求12所述的阻变器件，其中，所述剩余极化诱导所述电子流入所述导电细丝，以抑制所述导电细丝的氧化。
阻变器件
[0001] 相关申请的交叉引用
技术领域
背景技术
[0006] 根据本公开的一个方面，提供了具有改善的数据保留特性的阻变器件。该阻变器件包括：第一电极；电阻切换层，其设置在所述第一电极上；第二电极，其设置在所述电阻切换层上；铁电层，其设置在所述第二电极上；以及第三电极，其设置在所述铁电层上。
[0007] 根据本公开的另一个方面，提供了具有改善的数据保留特性的阻变器件。该阻变器件包括依次设置的第一电极、电阻切换层、第二电极、具有剩余极化的铁电层以及第三电极。所述电阻切换层具有根据是否在电阻切换层中形成有将所述第一电极与所述第二电极彼此连接的导电细丝而变化的电阻。当在电阻切换层中产生所述导电细丝时，所述剩余极化产生诱导电子从所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极流入所述导电细丝的电场。附图说明
[0008] 图1是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变器件的截面图。
[0009] 图2A是示意性示出根据本公开的一个实施例的操作阻变元件的方法的视图。
[0010] 图2B是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变元件的电特性的视图。
[0011] 图3A和图3B是示意性示出根据本公开的一个实施例的操作铁电元件的方法的视图。
[0012] 图3C是示意性示出根据本公开的一个实施例的铁电元件的电特性的视图。
[0013] 图4A是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变器件的第一切换操作的视图。
[0014] 图4B是示意性示出根据本公开的一个实施例的在阻变器件的第一切换操作之后的电状态的视图。
[0015] 图5A是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变器件的第二切换操作的视图。
[0016] 图5B是示意性示出根据本公开的一个实施例的在阻变器件的第二切换操作之后的电状态的视图。
[0017] 图6A是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变器件的第三切换操作的视图。
[0018] 图6B是示意性示出根据本公开的一个实施例的在阻变器件的第三切换操作之后的电状态的视图。
[0019] 图7是示意性示出根据本公开的另一个实施例的阻变器件的截面图。
[0020] 图8A和图8B是表示图7的阻变器件的电特性的视图。
[0021] 图9是示意性示出根据本公开的一个实施例的具有交叉点阵列结构的存储器件的立体图。
具体实施方式
[0022] 现在将在下文中参考附图来描述各种实施例。在附图中，为了使图示清楚，层和区域的尺寸会被夸大。从观察者的视角描述附图。如果一个元件被称为在另一个元件上时，要理解的是，该元件可以直接位于另一个元件上，或者另外的元件可以介于该元件与另一个元件之间。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
[0023] 另外，除非上下文另外明确地使用，否则词的单数形式的表达应被理解为包括该词的复数形式。要理解的是，术语“包括”或“具有”旨在指定特征、数量、步骤、操作、元件、部分或其组合的存在，但不用于排除存在或可能添加一个或更多个其他特征、数量、步骤、操作、组件、部分或其组合。
[0024] 在本说明书中，“下”或“上”不是绝对的概念，而可以是能够根据观察者的视角而通过分别替换“上”或“下”来解释的相对概念。
[0025] 在本说明书中，术语“低电阻状态”和“高电阻状态”不被解释为具有对应的预定实际电阻值的绝对概念，而可以被解释为用于相互识别的相对概念。作为示例，在实现有别于“0”和“1”的逻辑信号的阻变器件中，低电阻状态和高电阻状态用于表示“0”和“1”的逻辑信号值。
[0026] 图1是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变器件1的截面图。参考图1，阻变器件1可以包括阻变元件10A和铁电元件10B。阻变元件10A与铁电元件10B可以彼此串联地电连接。在一个实施例中，阻变元件10A可以包括第一电极110、电阻切换层120和第二电极130。铁电元件10B可以包括第二电极130、铁电层140和第三电极150。第二电极130可以由阻变元件10A与铁电元件10B来共享。
[0027] 虽然未示出，但阻变元件10A和铁电元件10B可以分别具有在y方向上延伸的预定或设定的宽度以及沿x方向的预定或设定的长度。作为示例，阻变元件10A和铁电元件10B可以具有形成在由平行于x方向的长度方向和平行于y方向的宽度方向限定的平面上的横截面积。
[0028] 虽然未示出，但第一电极110可以设置在衬底上。例如，衬底可以包括半导体材料。具体地，作为非限制性示例，衬底可以是硅(Si)衬底、砷化镓(GaAs)衬底、磷化铟(InP)衬底、锗(Ge)衬底、硅锗(SiGe)衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底。多个集成电路可以设置在衬底上。多层导电层和绝缘层可以设置在衬底与第一电极110之间。
[0029] 第一电极110可以包括导电材料。作为非限制性示例，该导电材料可以包括金属、金属氮化物、金属氧化物、掺杂硅、导电碳结构或者其中两种或更多种的组合。作为非限制性示例，第一电极110可以包括金(Au)、铂(Pt)、铝(Al)、钌(Ru)、钛(Ti)、铱(Ir)、钨(W)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氧化钌(RuO2)、p型或n型掺杂多晶硅、铜纳米管等。第一电极110可以以单个膜或多层的层结构的形式来设置。第一电极110的厚度可以通过考虑第一电极110的电阻来确定。随着第一电极110的厚度增大，第一电极110的电阻可以增大。作为示例，第一电极110的厚度可以为一(1)nm至十(10)nm。作为另一个示例，第一电极110的厚度可以为一(1)nm至一百(100)nm。
[0030] 电阻切换层120可以设置在第一电极110上。电阻切换层120可以具有能够彼此区分开的至少两种电阻状态。在一个实施例中，可以通过施加操作电压来改变电阻切换层120的至少两种电阻状态。在操作电压被施加且电阻状态改变之后，改变后的电阻状态即使在操作电压被去除之后也可以以非易失性的方式被储存在电阻切换层120中。
[0031] 在一个实施例中，从稍后将被描述的金属供给层132中提供的金属离子流入电阻切换层120。金属离子可以被还原并且可以产生或形成将第一电极110连接到第二电极130的导电细丝。当形成导电细丝时，电阻切换层120可以从作为初始状态的相对高电阻的状态切换到低电阻状态。
[0032] 例如，电阻切换层120可以包括基于硫族化物的材料或金属氧化物。作为非限制性示例，电阻切换层120可以包括氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化钛、氧化锌、氧化硅、氮化硅、锗碲(Ge-Te)、锗硒碲(Ge-Se-Te)、铟硒(In-Se)、锑碲(Sb-Te)、砷碲(As-Te)、铝碲(Al-Te)、锗锑碲(Ge-Sb-Te)、碲锗砷(Te-Ge-As)、铟锑碲(In-Sb-Te)、碲锡硒(Te-Sn-Se)、锗硒镓(Ge-Se-Ga)、铋硒锑(Bi-Se-Sb)、镓硒碲(Ga-Se-Te)、锡锑碲(Sn-Sb-Te)、碲锗锑硫(Te-Ge-Sb-S)、碲锗锡氧(Te-Ge-Sn-O)、碲锗锡金(Te-Ge-Sn-Au)、钯碲锗锡(Pd-Te-Ge-Sn)、铟硒钛钴(In-Se-Ti-Co)、锗锑碲钯(Ge-Sb-Te-Pd)、锗锑碲钴(Ge-Sb-Te-Co)、锑碲铋硒(Sb-Te-Bi-Se)、银铟锑碲(Ag-In-Sb-Te)、锗锑硒碲(Ge-Sb-Se-Te)、锗锡锑碲(Ge-Sn-Sb-Te)、锗碲锡镍(Ge-Te-Sn-Ni)、锗碲锡钯(Ge-Te-Sn-Pd)、锗碲锡铂(Ge-Te-Sn-Pt)或者其中两种或更多种的组合。例如，电阻切换层120可以具有一(1)nm到十(10)nm的厚度。
[0033] 第二电极130可以设置在电阻切换层120上。第二电极130可以包括金属供给层132和电极层134。金属供给层132可以与电阻切换层120对接或设置在电阻切换层120上。在一个实施例中，第二电极130可以为层结构，其中金属供给层132和电极层134依次层叠在电阻切换层120上。
[0034] 当具有预定大小或足够大小的正偏压从外部施加到金属供给层132时，金属供给层132可以提供可以进入或迁移进电阻切换层120的金属离子。可以通过用正偏压使金属供给层132中的金属氧化来产生金属离子。作为非限制性示例，金属供给层132可以包括铜(Cu)、银(Ag)、铜碲(Cu-Te)合金、银碲(Ag-Te)合金或者其中两种或更多种的组合。金属供给层132可以具有导电特性。金属供给层132的厚度可以通过将第二电极130的总电阻、提供到电阻切换层120的金属离子的量或数量等考虑在内来设计。在一个实施例中，随着金属供给层132的厚度增大，第二电极130的电阻可以增大，且迁移进电阻切换层120的金属离子的量也可以增加。作为示例，金属供给层132可以具有一(1)nm到十(10)nm的厚度。
[0035] 电极层134可以设置在金属供给层132上。电极层134的配置可以与第一电极110的配置基本相同。可以根据第二电极130的总电阻来选择电极层134的厚度。在一个实施例中，随着电极层134的厚度增大，第二电极130的电阻也增大。作为示例，金属供给层132可以具有一(1)nm到十(10)nm的厚度。
[0036] 铁电层140可以设置在第二电极130上。铁电层140可以根据从外部施加到铁电层140上的电场的大小或方向而具有在不同方向上对齐的极化。另外，在施加的电场被去除之后，由电场形成的极化可以以非易失性的方式被储存为剩余极化。在铁电层140中，剩余极化可以使负电荷与正电荷在空间上彼此分开。分开的负电荷与正电荷可以在阻变器件1上形成电场。如稍后被描述的图4B、图5B和图6B所示，负电荷和正电荷可以分别设置在不同层(电极层134及第三电极150)与铁电层140接触的界面区域中。
[0037] 当施加比预定或设定的阈值电压低的电压时，铁电层140可以具有绝缘特性；而当施加等于或高于阈值电压的电压或更高的电压时，铁电层140可以通过隧穿传导而具有导电性。例如，铁电层140可以具有一(1)nm到三十(30)nm的厚度。作为非限制性示例，铁电层140可以包括氧化铪、氧化锆、氧化铪锆或者其中两种或更多种的组合。
[0038] 第三电极150可以设置在铁电层140上。第三电极150可以与第一电极110或电极层134具有基本相同的配置。第三电极150可以以单层或多层结构的形式来设置。第三电极150的厚度可以通过考虑第三电极150的电阻来确定。在一个实施例中，随着第三电极150的厚度增大，第三电极150的电阻增大。作为示例，第三电极150的厚度可以为一(1)nm至十(10)nm。作为另一个示例，第三电极150的厚度可以为一(1)nm至一百(100)nm。
[0039] 图2A是示意性示出根据本公开的一个实施例的操作阻变元件的方法的视图。图2B是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变元件的电特性的视图。参考图2A和图2B描述的阻变元件可以与上面参考图1描述的阻变器件1的阻变元件10A基本相同。
[0040] 参考图2A和图2B，第一电压Va可以被施加在第一电极110与第二电极130之间。在一个实施例中，第一电压Va可以是用于在阻变元件10A制造好之后形成初始导电细丝的操作电压。当第一电极110被接地或被保持为预定电势时，可以通过将大小能够变化的正偏压施加到第二电极130来执行第一电压Va的施加。如图2B中所示，当第一电压Va在正偏压的大小增大的同时从0V开始增大时，由于操作电流遇到相对高电阻的状态，因此操作电流可以沿着曲线的部分210a逐渐增加。当第一电压Va达到形成电压Vform时，操作电流可以沿着曲线的部分210b相对快速增大。因此，电阻切换层120的电阻状态从相对高电阻的状态切换到低电阻状态。在图2B中，快速增大的电流的上限值被限制为顺应电流Icc。
[0041] 作为示例，可以如下描述电阻切换层120的电阻状态的改变。随着施加到第二电极130的正偏压增大，金属被氧化为金属离子，在金属供给层132中金属离子也增多。作为氧化反应的结果，所产生的金属离子可以移入电阻切换层120。金属离子与从第一电极110中提供的电子结合，使得金属离子可以被还原成电阻切换层120中的单质金属(elemental metal)。该金属可以生长或累积成从第一电极110朝着金属供给层132跨越的导电细丝。当导电细丝将第一电极110连接到金属供给层132时，电阻切换层120的电阻状态从高电阻状态切换到低电阻状态。
[0042] 同时，当在电阻切换层120的电阻状态被改变为低电阻状态之后第一电压Va减小到0V时，操作电流可以沿着图2B中的曲线的部分210c而减少。即使在所施加的第一电压被去除之后，也保留在电阻切换层120中形成的导电细丝，使得电阻切换层120可以保持低电阻状态。
[0043] 在另一个实施例中，第二电压可以在电阻切换层120处于低电阻状态下时被施加到电阻切换层120。当第一电极110被接地或被保持为预定电势时，第二电压的施加可以包括将大小能够变化的负偏压施加到第二电极130。如图2B中所示，当第二电压从0V开始在负方向上增大时，从而增大负偏压的大小，操作电流可以沿着曲线的部分220a而增加。当第二电压达到复位电压Vreset时，操作电流可以沿着曲线的部分220b而快速减少。因此，可以看出，电阻切换层120的电阻状态从相对低电阻的状态切换到高电阻状态。
[0044] 作为示例，可以如下描述电阻切换层120的电阻的改变。随着施加到第二电极130的负偏压的大小增大，流过电阻切换层120中的导电细丝的操作电流可以增加。由操作电流产生的焦耳热可以使导电细丝中的金属氧化以形成金属离子，且金属离子可以移入或迁移进电阻切换层120。结果，导电细丝的至少一部分可以被降解或被去除。因为导电细丝的部分被降解，所以第一电极110与金属供给层132之间的电连接可以被断开或切断并且电阻切换层120的电阻状态可以从低电阻状态改变为高电阻状态。
[0045] 由于在电阻切换层120的电阻状态改变为高电阻状态之后，第二电压的大小减小到0V，因此操作电流可以沿着图2B中的部分220c而减少。即使在第二电压被去除之后，导电细丝也可以在电阻切换层120中保持断开的状态，使得电阻切换层120可以保持在高电阻状态。
[0046] 在又一个实施例中，第三电压可以被施加到其中导电细丝至少部分地断开的电阻切换层120。当第一电极110被接地或被保持在预定的或设定的电势下时，可以通过将大小能够变化的正偏压施加到第二电极130来执行第三电压的施加。如图2B中所示，当第三电压在正偏压的大小增大的同时增大时，操作电流可以沿着曲线的部分230a增加。当施加的第三电压达到设置电压Vset时，操作电流可以沿着曲线的部分230b急速增加。因此，在比形成电压Vform低的电压处，电阻切换层120的电阻状态从高电阻状态切换到低电阻状态。
[0047] 作为示例，可以如下描述电阻切换层120的电阻中的改变。随着施加到第二电极130的正偏压的大小增大，从金属供给层132中提供的金属离子的量增加。提供给电阻切换层120的电子随着第三电压的偏压而通过剩余细丝结构开始在断开的细丝的尖端处累积。
因此，金属离子还原到金属元素的过程从导电细丝的尖端开始进行，且导电细丝可以在第一电极110与金属供给层132之间被恢复。结果，电阻切换层120的电阻状态可以从高电阻状态改变为低电阻状态。由于仅恢复导电细丝的一部分，因此图2B中示出的设置电压Vset的大小可以小于形成电压Vform的大小。
因此，金属离子还原到金属元素的过程从导电细丝的尖端开始进行，且导电细丝可以在第一电极110与金属供给层132之间被恢复。结果，电阻切换层120的电阻状态可以从高电阻状态改变为低电阻状态。由于仅恢复导电细丝的一部分，因此图2B中示出的设置电压Vset的大小可以小于形成电压Vform的大小。
[0048] 同时，由于在电阻切换层120的电阻状态被切换成低电阻状态之后，第三电压减小到0V，因此操作电流可以沿着图2B中的曲线的部分230c而减少。即使在施加的第三电压被去除之后，也保留在电阻切换层120中形成的导电细丝，使得电阻切换层120可以保持低电阻状态。
[0049] 图3A和图3B是示意性示出根据本公开的一个实施例的操作铁电元件的方法的视图。图3C是示意性示出根据本公开的一个实施例的铁电元件的电特性的视图。参考图3A至图3C描述的铁电元件可以与上面参考图1描述的阻变器件1的铁电元件10B基本相同。
[0050] 参考图3A，第一电压+V可以被施加在第二电极130与第三电极150之间。在一个实施例中，当第二电极130被接地或被保持为预定电势时，可以通过将大小能够变化的正偏压施加到第三电极150来执行第一电压+V的施加。如图3C中所示，当第一电压+V从0V开始在正方向上增大且第一电压+V具有与等于或高于第一矫顽电场Ec1的电场相对应的电压值时，图3A中所示的具有第一极化取向Pdn的极化开始在铁电层140中形成。这里，第一极化取向Pdn可以表示从第三电极150朝向第二电极130的极化的方向性。
[0051] 同时，当施加的第一电压+V增大到与等于或高于第一饱和电场Es1的电场相对应的电压值时，具有第一饱和极化值Ps1的极化可以在铁电层140中形成。此后，当施加的第一电压+V减小到0V时，具有第一饱和剩余极化值Pr1的剩余极化随之出现在铁电层140中。具有第一饱和极化值Ps1的极化和具有第一饱和剩余极化值Pr1的极化均可以具有第一极化取向Pdn。当具有第一极化取向Pdn的极化在铁电层140中形成时，可以将正电荷吸引到铁电层140的靠近铁电层140与电极层134之间的界面的内部区域中，而可以将负电荷吸引向铁电层140的靠近铁电层140与第三电极150之间的界面的内部区域。
[0052] 同时，参考图3B，第二电压-V可以被施加在第二电极130与第三电极150之间。在一个实施例中，当第二电极130被接地或被保持为预定电势时，可以通过将大小能够变化的负偏压施加到第三电极150来执行第二电压-V的施加。如图3C中所示，当第二电压-V从0V开始在负方向上增大且第二电压-V具有与等于或高于第二矫顽电场Ec2的电场相对应的电压值时，图3B中所示的具有第二极化取向Pup的极化开始在铁电层140中形成。这里，第二极化取向Pup可以表示从第二电极130朝向第三电极150的极化的方向性。
[0053] 如图3C中所示，当施加的第二电压-V在负方向上增大到与等于或高于第二饱和电场Es2的电场相对应的电压值时，具有第二饱和极化值Ps2的极化可以在铁电层140中形成。此后，当施加的第二电压-V减小到0V时，具有第二饱和剩余极化值Pr2的剩余极化保留在铁电层140中。具有第二饱和极化值Ps2的极化和具有第二饱和剩余极化值Pr2的极化均可以具有第二极化取向Pup。当具有第二极化取向Pup的极化在铁电层140中形成时，该极化可以使负电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与电极层134之间的界面的内部区域中，而可以使正电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与第三电极150之间的界面的内部区域中。
[0054] 图4A是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变器件的第一切换操作的视图，而图4B是示意性示出根据本公开的一个实施例的在阻变器件的第一切换操作之后的电状态的视图。参考图4A和图4B描述的阻变器件、阻变元件和铁电元件的配置可以与上面参考图1、图2A、图2B、图3A和图3B描述的阻变器件1、阻变元件10A和铁电元件10B的配置基本相同。
[0055] 参考图4A，第一切换电压+V1可以被施加在第一电极110与第三电极150之间。在一个实施例中，在第一电极110被接地或第一电极110被保持为预定电势的情况下，第一切换电压+V1的施加起因于将大小能够变化的正偏压施加到第三电极150。作为示例，第一切换操作可以是用于在阻变器件1制造好之后形成初始导电细丝1000的形成操作。
[0056] 在一个实施例中，当第一切换电压+V1被施加到阻变器件1时，施加到阻变元件10A的电压可以具有等于或大于上面参考图2A和图2B描述的形成电压Vform的大小。因此，从金属供给层132中提供的、转移到电阻切换层120中的金属离子与从第一电极110中提供的电子结合，使得导电细丝1000可以在电阻切换层120中形成。导电细丝1000将第一电极110电连接到金属供给层132，使得电阻切换层120的电阻状态可以从相对高电阻的状态切换到相对低电阻的状态。另外，当第一切换电压+V1被施加到阻变器件1时，施加到铁电元件10B的电压可以具有与等于或高于上面参考图3A和图3C描述的第一矫顽电场Ec1的电场相对应的大小。因此，具有第一极化取向Pdn的极化可以在铁电层140中形成。
[0057] 参考图4B，可以从阻变器件1去除第一切换电压+V1。导电细丝1000可以保留在电阻切换层120中，使得电阻切换层120的电阻状态可以保持在较低电阻状态。另外，具有第一极化取向Pdn的剩余极化可以保留在铁电层140中。剩余极化的大小由提供给铁电元件10B的电压的大小来确定。在一个实施例中，在将与等于或高于第一饱和电场Es1的电场相对应的电压提供给铁电元件10B且之后从上面参考图3C描述的铁电元件10B去除该电压的情况下，可以获得具有第一饱和剩余极化值Pr1的剩余极化。在另一个实施例中，在将与等于或高于第一矫顽电场Ec1但低于第一饱和电场Es1的电场相对应的电压提供给上面参考图3C描述的铁电元件10B情况下，可以获得零(0)与第一饱和剩余极化值Pr1之间的剩余极化。
[0058] 再次参考图4B，该剩余极化可以使正电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与电极层134之间的界面的内部区域中，而可以使负电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与第三电极150之间的界面的内部区域中。铁电层140中的正电荷与负电荷可以形成电场。在一个实施例中，形成电场的正电荷可以对第一电极110、第二电极130和电阻切换层120中的电子施加引力。结果，该引力可以诱导电子从第一电极110经由导电细丝1000流入金属供给层132。
[0059] 虽然有上文的描述，但如果铁电层140未设置在第二电极130上，则在去除第一切换电压V1之后，电子不会从第一电极110经由导电细丝1000流入金属供给层132。电子不被引入导电细丝1000，于是导电细丝1000中的金属元素可以被氧化为金属离子且该金属离子可以移入电阻切换层120。结果，导电细丝1000的至少一部分会由于金属氧化而被分解(disassemble)，并且依赖于电阻切换层120保持低电阻状态的稳定性的任何信息保留特性会被劣化。但在本公开的实施例中，由在去除第一切换电压V1之后的剩余极化形成的电场可以有助于第一电极110、导电细丝1000和第二电极130保持在电中性状态。具体地，该内部电场可以通过基本上持续地诱导电子流过导电细丝1000来抑制导电细丝1000中的金属元素的氧化。即，由电场基本持续地将第一电极110中的电子提供给导电细丝1000。结果，改善了导电细丝1000的结构稳定性或完整性，从而改善由保持低电阻状态的电阻切换层120期望的信息保留特性。
[0060] 图5A是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变器件的第二切换操作的视图，而图5B是示意性示出根据本公开的一个实施例的在阻变器件的第二切换操作之后的电状态的视图。参考图5A和图5B描述的阻变器件、阻变元件和铁电元件的配置可以与上面参考图1、图2A、图2B、图3A和图3B描述的阻变器件1、阻变元件10A和铁电元件10B的配置基本相同。
[0061] 参考图5A，第二切换电压-V2可以被施加在第一电极110与第三电极150之间。在一个实施例中，当第一电极110被接地或被保持为预定电势时，可以通过将负偏压施加到第三电极150来执行第二切换电压的施加。
[0062] 在一个实施例中，当第二切换电压-V2被施加到阻变器件1时，施加到阻变元件10A的电压可以具有等于或大于上面参考图2A和图2B描述的复位电压Vreset的大小。因此，在电阻切换层120中导电细丝1000的至少一部分可以被断开或被降解。结果，电阻切换层120的电阻状态可以从较低电阻状态切换到较高电阻状态。当第二切换电压-V2被施加到阻变器件1时，施加到铁电元件10B的电压可以具有与等于或高于上面参考图3B和图3C描述的第二矫顽电场Ec2的电场相对应的大小。因此，具有第二极化取向Pup的极化可以在铁电层140中形成。将第二切换电压-V2施加到阻变器件1的操作可以被称为复位操作。
[0063] 参考图5B，可以从阻变器件1去除第二切换电压-V2。导电细丝1000可以在电阻切换层120中保持在断开状态或降解状态，使得电阻切换层120的电阻状态可以保持在较高电阻状态。另外，具有第二极化取向Pup的剩余极化可以保留在铁电层140中。如上面参考图4B所述，剩余极化的大小由提供给铁电元件10B的电压的大小来确定。
[0064] 再次参考图5B，该剩余极化可以使负电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与电极层134之间的界面的内部区域中，而可以使正电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与第三电极150之间的界面的内部区域中。分开后，正电荷与负电荷可以形成电场。负电荷可以对第一电极110、第二电极130和电阻切换层120中的电荷起到电力的作用。然而，因为第一电极110与第二电极130由于导电细丝1000的断开而彼此电绝缘，因此电场不会产生提高导电细丝1000的结构稳定性的电力。
[0065] 图6A是示意性示出根据本公开的一个实施例的阻变器件的第三切换操作的视图，而图6B是示意性示出根据本公开的一个实施例的在阻变器件的第三切换操作之后的电状态的视图。参考图6A和图6B描述的阻变器件、阻变元件和铁电元件的配置可以与上面参考图1、图2A、图2B、图3A和图3B描述的阻变器件1、阻变元件10A和铁电元件10B的配置基本相同。
[0066] 参考图6A，第三切换电压+V3可以被施加在第一电极110与第三电极150之间。在一个实施例中，在第一电极110被接地或第一电极110被保持为预定电势的情况下，可以通过将负偏压施加到第三电极150来执行第三切换电压+V3的施加。
[0067] 在一个实施例中，当第三切换电压+V3施加到阻变器件1时，施加到阻变元件10A的电压可以具有大于或等于上面参考图2A和图2B描述的设置电压Vset的大小。结果，上面参考图5A和图5B描述的断开的导电细丝1000可以在电阻切换层120中被恢复。具体地，施加的电压可以将金属离子从金属供给层132引入电阻切换层120，且电子可以迁移到或提供给与第一电极110断开的导电细丝1000的尖端。金属离子与电子可以彼此结合，使得金属可以从导电细丝1000的尖端生长。另外，第三切换电压+V3可以将与等于或高于上面参考图3A和图3C描述的第一矫顽电场Ec1的电场相对应的电压提供给铁电元件10B。该电压可以将铁电层140的极化从上面参考图5A和图5B描述的第二极化取向Pup切换到第一极化取向Pdn。因此，将第三电压+V3施加到阻变器件1的操作可以被称为设置操作。
[0068] 参考图6B，可以从阻变器件1去除第三切换电压+V3。导电细丝1000可以保留在电阻切换层120中，使得电阻切换层120的电阻状态保持在低电阻状态。另外，具有第一极化取向Pdn的剩余极化保留在铁电层140中，使得正电荷可以布置在铁电层140的靠近铁电层140与电极层134之间的界面的内部区域中，而负电荷可以布置在铁电层140的靠近铁电层140与第三电极150之间的界面的内部区域中。在一个实施例中，由正电荷形成的电场可以持续地将电子从第一电极110经由导电细丝1000诱导入金属供给层132。即，该电场基本持续地将第一电极110中的电子提供到导电细丝1000中。结果，导电细丝1000中的金属的氧化会被抑制，使得导电细丝1000的结构稳定性能够被提高，且与电阻切换层120的低电阻状态相对应的信息保留特性能够被改善。
[0069] 图7是示意性示出根据本公开的另一个实施例的阻变器件2的截面图。图8A和图8B是表示图7的阻变器件2的电特性的视图。
[0070] 参考图7，阻变器件2可以包括阻变元件20A和铁电元件20B。阻变元件20A可以包括第一电极210、电阻切换层120和第二电极130。除了第一电极210而不是第二电极130具有与电阻切换层120接触的金属供给层214之外，阻变元件20A的配置可以与上面参考图1描述的阻变元件10A的配置基本相同。电极层212和第二电极130的配置可以与上面参考图1描述的阻变元件10A的电极层134和第一电极110的配置基本相同。然而，在一个实施例中，电极层212的厚度可以比图1的第一电极110的厚度小，而第二电极130的厚度可以比图1的电极层
134的厚度大。铁电元件20B的配置可以与上面参考图1描述的铁电元件10B的配置基本相同。
134的厚度大。铁电元件20B的配置可以与上面参考图1描述的铁电元件10B的配置基本相同。
[0071] 参考图8a，第一切换电压可以被施加在第一电极210与第三电极150之间，且之后被去除。在一个实施例中，在第三电极150被接地或第三电极150被保持为预定电势的情况下，通过将正偏压施加到第一电极210来执行第一切换电压的施加。
[0072] 第一切换电压可以是等于或高于上面参考图4A及图4B或图6A及图6B描述的形成电压或设置电压的电压。当施加第一切换电压时，从金属供给层214提供的金属离子移入电阻切换层120，且从第二电极130提供的电子可以与金属离子结合，以在电阻切换层120中形成导电细丝1000。导电细丝1000可以将金属供给层214连接到第二电极130，使得电阻切换层120的电阻状态能够从作为初始状态的相对高电阻的状态切换到低电阻状态。
[0073] 另外，第一切换电压可以在铁电层140中形成具有第二极化取向Pup的极化。当第一切换电压被施加到阻变器件2时，施加到铁电元件20B的电压可以具有与等于或高于上面参考图3B和图3C描述的第二矫顽电场Ec2的电场相对应的大小。因此，在第一切换电压被去除之后，具有第二极化取向Pup的剩余极化可以保留在铁电层140中。该剩余极化可以使负电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与第二电极130之间的界面的内部区域中，而可以使正电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与第三电极150之间的界面的内部区域中。分开后，正电荷与负电荷可以形成电场。负电荷可以对电子起排斥力的作用并诱导电子从第二电极130流入电阻切换层120。电子因电场的影响而流入电阻切换层120中的导电细丝1000，并且能够抑制导电细丝1000中的金属氧化。结果，导电细丝1000的结构稳定性能够被提高，且与电阻切换层120的低电阻状态相关的信息保留特性能够被改善。
[0074] 参考图8B，第二切换电压可以被施加在第一电极210与第三电极150之间，且之后被去除。在一个实施例中，当第三电极150被接地或被保持为预定电势时，通过将负偏压施加到第一电极210来执行第二切换电压的施加。
[0075] 第二切换电压可以是等于或高于上面参考图5A及图5B描述的复位电压的电压。当施加第二切换电压时，导电细丝1000的至少一部分可以在电阻切换层120中被降解。电阻切换层120的电阻状态可以由于第一电极210与第二电极130之间的电断开而从低电阻状态切换到高电阻状态。
[0076] 另外，第二切换电压可以在铁电层140中形成具有第一极化取向Pdn的极化。当第二切换电压被施加到阻变器件2时，施加到铁电元件20B的电压可以具有与等于或高于上面参考图3B和图3C描述的第二矫顽电场Ec2的电场相对应的大小。因此，在第二切换电压被去除之后，具有第一极化取向Pdn的剩余极化可以保留在铁电层140中。该剩余极化可以使正电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与第二电极130之间的界面的内部区域中，而可以使负电荷布置在铁电层140的靠近铁电层140与第三电极150之间的界面的内部区域中。结合的正电荷与负电荷可以形成电场。然而，因为第一电极210与第二电极130由于导电细丝1000的解体(dissolution)而彼此电绝缘，所以该电场可以不产生有利于导电细丝1000的结构稳定性的电力。
[0077] 根据本公开的上述实施例，提供了包括电阻切换层和铁电层的阻变器件。通过从铁电层中的剩余极化产生电场，能够提高设置在电阻切换层中的导电细丝的结构稳定性。结果，阻变器件的信息保留特性也能够被改善。另外，在阻变器件的操作期间，能够有效减少待机功率和操作功率。
[0078] 在一个实施例中，阻变器件可以用作电阻式RAM器件。电阻式RAM器件可以利用由在电阻切换层中形成的非易失性导电细丝的产生和断开引起的阻变来储存信息。该阻变器件可以应用于采用该电阻式RAM器件的交叉点阵列结构的存储器件。该电阻式RAM器件可以构成该存储器件的单元。
[0079] 图9是示意性示出根据本公开的实施例的交叉点阵列存储器件3的立体图。在图9的交叉点阵列存储器件3中，为了便于示出，省略了设置在交叉点阵列存储器件中的多个绝缘层以及在交叉点阵列存储器件3下方的衬底。
[0080] 参考图9，交叉点阵列存储器件3可以包括在第一方向(例如，x方向)上延伸的第一导线1100、在第二方向(例如，y方向)上延伸的第二导线1200以及在第一导线1100与第二导线1200重叠的区域处在第三方向(例如，z方向)上延伸的柱状结构1300。在一个示出的实施例中，第一方向和第二方向被示出为彼此正交的正交坐标系，但是本公开不限于此，且只要满足第一方向与第二方向不平行的条件，就可以做出各种修改。另一方面，柱状结构1300可以与交叉点阵列存储器件3的单位单元相对应。柱状结构1300可以构成具有沿着第一方向和第二方向的矩形形状的多个单位单元的阵列。柱状结构1300可以包括上面分别参考图1和图7描述的阻变器件1和阻变器件2。
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