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
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及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。
背景技術(shù)：
非易失性存儲裝置的例子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)、相變隨機存取存儲器(PRAM)等。RRAM是基于材料的電阻改變特性存儲數(shù)據(jù)的電阻存儲裝置。在RRAM中，當(dāng)施加到阻變材料的電壓大于或等于置位電壓時，阻變材料的電阻從高阻狀態(tài)改變到低阻狀態(tài)(也稱為“導(dǎo)通(ON)狀態(tài)”)。當(dāng)施加到阻變材料的電壓大于或等于復(fù)位電壓時，阻變材料的電阻轉(zhuǎn)回 到高阻狀態(tài)(也稱為“關(guān)閉(OFF)狀態(tài)”)。一般地，電阻存儲裝置包括存儲節(jié)點和開關(guān)裝置。存儲節(jié)點具有阻變材料層。開關(guān)裝置電連接到存儲節(jié)點并控制信號到存儲節(jié)點的存取。對諸如電阻存儲裝置的各種非易失性存儲裝置的高性能和高集成的需要正不斷增加。

發(fā)明內(nèi)容
提供利用電阻改變特性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。提供用于降低操作電壓的非易失性存儲元件。提供包括所述非易失性存儲元件的存儲裝置。額外的方面將在下面的說明中部分地闡述，并且部分地將從說明變得顯然，或者可以通過給出的實施例的實踐習(xí)得。根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種非易失性存儲元件包括第一電極；第二電極；以及電阻改變存儲層，在第一電極與第二電極之間，該存儲層包括底層和離子物種交換層，該離子物種交換層包括至少兩層。 底層可以是氧供應(yīng)層，離子物種交換層可以是氧交換層。該非易失性存儲元件的存儲特性是多位存儲特性。所述至少兩層可以包括第一交換層和第二交換層，該第一交換層可以在底層和第二電極之間，該第二交換層可以在第一交換層和第二電極之間。第一交換層和第二交換層可以為不同的金屬氧化物。第二交換層的電阻率可以大于第一交換層的電阻率。第二交換層的氧親和力可以大于或等于第一交換層的氧親和力。第二交換層相對于底層的導(dǎo)帶偏移可以大于第一交換層相對于底層的導(dǎo)帶偏移。第二交換層的厚度可以小于或等于第一交換層的厚度。第一交換層可以包括鉭(Ta)氧化物、鋯(Zr )氧化物、釔(Y)氧化物、釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)、鈦(Ti)氧化物、鉿(Hf)氧化物、錳(Mn)氧化物、鎂(Mg)氧化物、及其組合中的至少一種。第二交換層可以包括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、及其組合中的至少一種。底層可以包括金屬氧化物。底層的氧濃度可以低于離子物種交換層的氧濃度。底層的金屬氧化物可以包括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、及其組合中的至少一種。底層的金屬氧化物可以包括TaOx，并且0〈χ〈2· 5。該非易失性存儲元件還可以包括在第一電極和存儲層之間的緩沖層。緩沖層可以包括配置為增大第一電極和存儲層之間的勢壘的高度的材料?！じ鶕?jù)本發(fā)明的另一方面，一種存儲裝置包括前述非易失性存儲元件。該存儲裝置還可以包括連接到非易失性存儲元件的開關(guān)元件。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種存儲裝置包括多條第一導(dǎo)線；多條第二導(dǎo)線，交叉所述第一導(dǎo)線；以及多個第一存儲單元，在第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線之間的多個第一交叉點處，每個第一存儲單元包括電阻改變存儲層，每個存儲層包括底層和離子物種交換層，該離子物種交換層包括至少兩層。底層可以是氧供應(yīng)層，并且離子物種交換層可以是氧交換層。 存儲層的存儲特性是多位存儲特性。每個第一存儲單元還可以包括開關(guān)元件，在存儲層和第二導(dǎo)線之間；以及中間電極，在存儲層和開關(guān)元件之間。所述至少兩層可以包括第一交換層和第二交換層，該第二交換層在第一交換層的與底層相反的一側(cè)。第一交換層和第二交換層可以是不同的金屬氧化物。第二交換層的電阻率可以大于第一交換層的電阻率。第二交換層的氧親和力可以大于或等于第一交換層的氧親和力。第二交換層相對于底層的導(dǎo)帶偏移可以大于第一交換層相對于底層的導(dǎo)帶偏移。第一交換層可以包括鉭(Ta)氧化物、鋯(Zr)氧化物、釔(Y)氧化物、釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)、鈦(Ti)氧化物、鉿(Hf)氧化物、錳(Mn)氧化物、鎂(Mg)氧化物、及其組合中的至少一種。第二交換層可以包括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、及其組合中的至少一種。底層可以包括金屬氧化物。底層的金屬氧化物可以包括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、及其組合中的至少一種。底層的金屬氧化物可以包括TaOx，并且0〈x〈2. 5。每個第一存儲單元還可以包括在第一導(dǎo)線和存儲層之間的緩沖層。該存儲裝置還可以包括多條第三導(dǎo)線，交叉第二導(dǎo)線；以及多個第二存儲單元，在第二導(dǎo)線和第三導(dǎo)線之間的多個第二交叉點處。第二存儲單元可以為第一存儲單元的顛倒結(jié)構(gòu)和與第一存儲單元相同的結(jié)構(gòu)中的一種。


這些和/或其它方面將從結(jié)合附圖對實施例的以下描述變得顯然和更易于理解，附圖中
圖I是剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲元件；圖2A和2B是剖視圖，用于解釋根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲元件的操作機制；圖3是剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的存儲元件；圖4是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲元件的與復(fù)位電壓的變化相關(guān)的導(dǎo)通電流和關(guān)閉電流的改變；圖5是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲元件的與復(fù)位電壓的變化相關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)閉電流比率的改變；圖6是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲元件的與每個開關(guān)條件的開關(guān)數(shù)量相關(guān)的導(dǎo)通電流和關(guān)閉電流的改變；圖7是剖視圖，示出根據(jù)用于與本發(fā)明一實施例比較的比較例的存儲元件；圖8是曲線圖，示出根據(jù)圖7的比較例的存儲元件的與復(fù)位電壓的變化相關(guān)的導(dǎo)通電流改變和關(guān)閉電流的改變；圖9是曲線圖，示出根據(jù)圖7的比較例的存儲元件的與復(fù)位電壓的變化相關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)閉電流比率的改變；圖10是曲線圖，示出根據(jù)圖7的比較例的存儲元件的與每個開關(guān)條件的開關(guān)數(shù)量相關(guān)的導(dǎo)通電流改變和關(guān)閉電流的改變；圖11和12是透視圖，每個示出使用根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲元件的存儲裝置；圖13是示出根據(jù)示例實施例的存儲卡的示意圖；以及圖14是示出根據(jù)示例實施例的電子系統(tǒng)的方框圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照附圖更完整地描述各示例實施例，附圖中示出示例實施例。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)元件被稱為“連接”或“耦接”到另一元件時，其可以直接連接或耦接到其它元件或者可以存在居間元件。相反，當(dāng)元件被稱為“直接連接”或“直接耦接”到另一元件時，沒有居間元件存在。這里使用時，術(shù)語“和/或”包括相關(guān)所列項的一個或更多的任意和全部組合。將理解，盡管術(shù)語“第一”、“第二”等可以在這里用來描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)局限于這些術(shù)語。這些術(shù)語僅用于將一個元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一元件、部件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開。因此，下面論述的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分而不偏離示例實施例的教導(dǎo)?？臻g關(guān)系術(shù)語，例如“下面”、“之下”、“下”、“之上”、“上”等，可以為了描述的方便而在這里用來描述圖中所示的一個元件或特征對另一元件(或多個元件)或特征(或多個特征)的關(guān)系。將理解，空間關(guān)系術(shù)語意在包括裝置在使用或操作中的除了圖中所示的取向之外的不同取向。例如，如果圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)，那么描述為在其他元件或特征“之下”或“下面”的元件將取向為在其他元件或特征“之上”。因此，示例性術(shù)語“之下”可包括之上和之下兩個取向。裝置可以另外地取向(旋轉(zhuǎn)90度或者在其他取向)，這里使用的空間關(guān)系描述語相應(yīng)地理解。這里使用的術(shù)語僅用于描述特定實施例且無意限制示例實施例。這里使用時，單數(shù)形式“一”和“該”意在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外地清楚描述。還將理解，當(dāng)在本說明書中使用時術(shù)語“包含”和/或“包括”指定所陳述的特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個或更多其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其群組的存在或增加。這里參照剖視圖描述示例實施例，剖視圖是示例實施例的理想化實施例(及中間結(jié)構(gòu))的示意圖。因此，由于例如制造技術(shù)和/或容差導(dǎo)致的圖示形狀的變化是可以預(yù)期的。因此，示例實施例不應(yīng)被理解為局限于這里示出的區(qū)域的特定形狀，而是將包括例如制·造所導(dǎo)致的形狀的偏離。例如，示出為矩形的注入?yún)^(qū)域?qū)⑼ǔＴ谄溥吘壘哂袌A化或彎曲的特征和/或注入濃度梯度，而不是從注入?yún)^(qū)域到非注入?yún)^(qū)域的二元改變。同樣，通過注入形成的掩埋區(qū)可導(dǎo)致該掩埋區(qū)和通過其進行注入的表面之間的區(qū)中的一些注入。因此，圖中顯示的區(qū)實質(zhì)上是示意性的，它們的形狀不意圖示出裝置的區(qū)域的實際形狀并且不意圖限定示例實施例的范圍。除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科技術(shù)語)具有與示例實施例所屬的技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員一般理解的意思相同的意思。還將理解，術(shù)語，例如一般使用的字典中定義的那些術(shù)語，應(yīng)被理解為具有與它們在相關(guān)技術(shù)的語境中的含義一致的意思，且將不會在理想化或過于正式的意義上來理解，除非這里清楚地這樣定義?，F(xiàn)在將詳細參照實施例，其示例示于附圖中，其中相似的附圖標(biāo)記始終表示相似的元件。對此，當(dāng)前實施例可具有不同形式且不應(yīng)解釋為限于這里闡述的說明。因此，實施例僅在下面通過參照附圖進行描述，從而說明本說明書的各方面。圖I是剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的非易失性存儲元件ME1。參照圖1，非易失性存儲元件(下面稱為存儲元件)MEl可包括第一和第二電極El和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可包括底層10和離子物種(ionic species)交換層20。在此情況下,存儲層Ml可具有由離子物種在底層10和離子物種交換層20之間的移動而引起的電阻改變特性。后面將提供更詳細的說明。底層10可由金屬氧化物形成。例如，底層10可包括選自由鉭(Ta)氧化物、鋯(Zr)氧化物、釔(Y)氧化物、釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)^i(Ti)氧化物、鉿(Hf)氧化物、錳(Mn)氧化物、鎂(Mg)氧化物、及其組合組成的組中的至少一種。如果金屬氧化物包括Ta氧化物，則該Ta氧化物可以是TaOx(這里，0〈x〈2. 5或者O. 5彡x彡2. O)。氧離子和/或氧空位可存在于底層10中。該底層10還可用作用于離子物種交換層20的氧供應(yīng)層(或者氧貯藏層)。底層10的厚度可為大約I至大約100納米(nm),例如約5至約50nm。離子物種交換層20可向/從底層10發(fā)送/接收(即，交換)預(yù)定的離子物種，并可引起存儲層Ml的電阻改變。這里，離子物種可以是氧離子和/或氧空位。在這點上，離子物種交換層20可稱為氧交換層。離子物種交換層20可具有包括至少兩層的多層結(jié)構(gòu)。例如，離子物種交換層20可具有包括由不同材料形成的第一和第二交換層21和22的雙層結(jié)構(gòu)。第一交換層21可設(shè)置在底層10和第二電極E2之間，第二交換層22可設(shè)置在第一交換層21和第二電極E2之間。如果離子物種交換層20是氧交換層，則第一交換層21可稱為第一氧交換層且第二交換層22可稱為第二氧交換層。第一交換層21和第二交換層22的每個可與底層10交換氧離子和/或氧空位并且可引起存儲層Ml的電阻改變。特別地，第二交換層22可向/從底層10和第一交換層21發(fā)送/接收氧離子和/或氧空位，并可引起存儲層Ml的電阻改變。因此，根據(jù)第一和第二交換層21和22的特性，特別地，根據(jù)第二交換層22的特性，存儲層Ml的電阻改變特性(例如，電阻改變的寬度)和操作條件可改變。通過使用多層結(jié)構(gòu)的離子物種交換層20，存儲層Ml的電阻改變的寬度(width)可變得更寬，并且能夠使用各種電阻狀態(tài)(例如，四個或更多電阻狀態(tài))。與此相關(guān)，存儲層Ml可具有多位存儲特性。此外，存儲層Ml的操作電壓可降低且因此也可獲得降低功率消耗的效果。這樣，通過使用包括多個層的離子物種交換層20，即以不同材料形成 的第一和第二交換層21和22，根據(jù)本實施例的存儲元件MEl可獲得如上所述的各種效果。對此，后面將參照圖4至圖6提供其更詳細的說明。第一交換層21和第二交換層22可由不同的金屬氧化物(S卩，不同種類的金屬氧化物)形成。即，如果第一交換層21由第一金屬氧化物形成，則第二交換層22可由不同于第一金屬氧化物的第二金屬氧化物形成。第一金屬氧化物和第二金屬氧化物可具有不同的金屬成分。例如，第一交換層21可包括選自由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、及其組合組成的組中的一種。第二交換層22可包括選自由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、及其組合組成的組中的一種，但該選定的一種可不同于第一交換層21的材料。構(gòu)成第一交換層21的第一金屬氧化物或者構(gòu)成第二交換層22的第二金屬氧化物可以是與構(gòu)成底層10的金屬氧化物種類相同的氧化物，但也可以不是與該金屬氧化物種類相同的氧化物。當(dāng)?shù)谝换虻诙饘傺趸锸桥c構(gòu)成底層10的金屬氧化物種類相同的氧化物時，其成分比率或?qū)傩钥梢圆煌?。靠近第二電極E2設(shè)置的第二交換層22的電阻率可以高于靠近底層10設(shè)置的第一交換層21的電阻率。當(dāng)存儲層Ml處于關(guān)閉狀態(tài)時,在第二交換層22的電阻率高于第一交換層21的電阻率的情況下，存儲層Ml的關(guān)閉電流水平可以通過第二交換層22而降低。第二交換層22和底層10之間的導(dǎo)帶偏移(conduction band offset)可以大于第一交換層21和底層10之間的導(dǎo)帶偏移。即，第二交換層22和底層10之間的勢壘可高于第一交換層21和底層10之間的勢壘。因此，底層10和第二電極E2之間的過電流可通過第二交換層22被抑制。第二交換層22的氧親和力(oxygen affinity)可大于或等于第一交換層21的氧親和力。在存儲元件MEl的操作過程中，氧離子可從底層10移動到第一和第二交換層21和22。在此情況下，如果第二交換層22的氧親和力低，則氧離子會難以移動到第二交換層
22。當(dāng)?shù)诙粨Q層22的氧親和力等于或高于第一交換層21的氧親和力時，第二交換層22可易于用作氧交換層。涉及氧親和力的本說明用于第一和第二交換層21和22為氧交換層的情況。上述說明的構(gòu)思也可應(yīng)用于通過第一和第二交換層21和22交換的離子物種不是氧的情況。因此，在使用氧以外的離子物種的情況下，第二交換層22對于相應(yīng)的離子物種的親和力可等于或大于第一交換層21對其的親和力。下面詳細描述離子物種交換層20的材料/屬性與底層10的材料/屬性之間的不同。第一交換層21的金屬氧化物(第一金屬氧化物)或者第二交換層22的金屬氧化物(第二金屬氧化物)可以是與底層10的金屬氧化物種類相同的氧化物或種類不同的氧化物。當(dāng)?shù)谝换虻诙饘傺趸锸桥c構(gòu)成底層10的金屬氧化物種類相同的氧化物時，其成分比率和屬性可以不同。第一金屬氧化物和/或第二金屬氧化物可具有理想配比成分或與理想配比成分類似的成分。作為具體示例，在第一金屬氧化物包括Ta氧化物的情況下，Ta氧化物可以是Ta2O5或與其類似的成分。在底層10包括Ta氧化物的情況下，其成分可以表示為TaOx0這里，由于0〈x〈2. 5或者O. 5彡x彡2. 0，構(gòu)成第一交換層21的第一金屬氧化物的氧濃度可高于底層10。類似地，構(gòu)成第二交換層22的第二金屬氧化物的氧濃度也可高于底層
10。然而，在一些情況下，離子物種交換層20的氧濃度可以不高于底層10。在第一交換層
21或第二交換層22由與底層10的金屬氧化物的種類相同的金屬氧化物形成的情況下，第一交換層21或第二交換層22的氧濃度可以高于底層10。然而，在第一交換層21或第二交換層22由與底層10的金屬氧化物的種類不同的金屬氧化物形成的情況下，第一交換層21或第二交換層22的氧濃度不必高于底層10。第一交換層21和/或第二交換層22的氧遷移率(或者，氧擴散率)可以基本等于或大于底層10的氧遷移率。第一交換層21和/或第二交換層22的電阻率可高于底層10的電阻率。在電流路徑形成于離子物種交換層20中的導(dǎo)通狀態(tài)，存儲層Ml的電阻可由底層10的電阻決定。在電流路徑?jīng)]有形成于離子物種交換層20中的關(guān)閉狀態(tài)，存儲層Ml的電阻可由離子物種交換層20的電阻決定。第一交換層21可具有約I至約50nm的厚度,例如約5至約20nm。第一交換層21的厚度可以薄于底層10的厚度。第二交換層22可以具有等于第一交換層21的厚度或者可具有薄于第一交換層21的厚度。在第二交換層22具有薄于第一交換層21的厚度的情況下，第二交換層22的厚度可為約I至約30nm,例如約I至約15nm。由于第二交換層22的電阻率可以高于第一交換層21的電阻率，所以如果第二交換層22的厚度過厚，則離子物種交換層20的總電阻會增加到不期望的程度。第一和第二電極El和E2可由貴金屬諸如鉬(Pt)、銥(Ir)、鈀(Pd)、金(Au)、或釕(Ru)、或其合金形成。此外，第一和第二電極El和E2可由非貴金屬諸如鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈦氮化物(TiN)、鈦鎢(TiW)、鉭氮化物(TaN)、鎢(W)、鎳(Ni)、或鋁(Al)、或其化合物材料形成。第一和第二電極El和E2可由貴金屬和非貴金屬的化合物材料形成。此外，第一和第二電極El和E2可由導(dǎo)電氧化物形成。導(dǎo)電氧化物可以是例如基于鋅氧化物(ZnO)的氧化物諸如銦鋅氧化物(ΙΖ0)或基于錫氧化物(SnO)的氧化物諸如銦錫氧化物(ΙΤ0),或者可以是其它氧化物如諸如IrO2的金屬氧化物。盡管這里沒有披露，但是可以將半導(dǎo)體器件中通常使用的各種電極材料應(yīng)用為第一和第二電極El和E2的材料。下面，參照圖2A和圖2B詳細說明存儲元件MEI的電阻改變機制。如圖2A所示，在置位操作期間，其中正(+ )電壓施加到第一電極El且負(fù)(_)電壓施加到第二電極E2，氧空位可從底層10移動到離子物種交換層20，因此，電流路徑(未示出)可形成在離子物種交換層20中。因此，存儲層Ml的電阻可降低。即，存儲層Ml可從關(guān)閉狀態(tài)改變到導(dǎo)通狀態(tài)。在置位操作中，氧離子可沿與氧空位相反的方向移動，即，從離子物種交換層20到底層10。第一交換層21的氧離子可移動到底層10，第二交換層22的氧離子可移動到底層10。此外，第二交換層22的氧離子可移動到第一交換層21。從第二交換層22移動到第一交換層21的至少一部分氧離子可移動到底層10。如圖2B所示，在復(fù)位操作期間，其中負(fù)(_)電壓施加到第一電極El且正(+ )電壓施加到第二電極E2，氧空位可從 離子物種交換層20移動到底層10，且氧離子可從底層10移動到離子物種交換層20。氧離子可從底層10移動到第一交換層21或第二交換層22。此夕卜，第一交換層21的氧離子可移動到第二交換層22。以此方式，在氧離子和氧空位移動時，形成在離子物種交換層20中的電流路徑(未示出)可被切斷。因此，存儲層21的電阻會增力口。即，存儲層Ml可從導(dǎo)通狀態(tài)改變到關(guān)閉狀態(tài)。如上所述，與離子物種交換層20包括由不同材料形成的多個層(B卩，第一和第二交換層21和22)相關(guān)，存儲層Ml的電阻改變特性和操作條件可以改變并改善。由于離子物種交換層20的結(jié)構(gòu)，存儲層Ml的電阻改變寬度可以更寬，因而根據(jù)存儲層Ml的操作電壓的條件，存儲層Ml可具有各種電阻狀態(tài)(例如，四個或更多電阻狀態(tài))。因此，存儲層Ml可具有多位存儲特性。此外，由于離子物種交換層20的結(jié)構(gòu)，存儲層Ml的操作電壓可降低且因而也可獲得降低功率消耗的效果。圖I的存儲元件MEl可以進行各種修改。例如，可以在第一電極El和底層10之間進一步包括預(yù)定緩沖層。該示例示于圖3中。參照圖3,根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲兀件ME2還可包括位于第一電極MEl和底層10之間的緩沖層BI。緩沖層BI可改善存儲層Ml的電阻改變特性的可靠性、再現(xiàn)性、及穩(wěn)定性。緩沖層BI可包括原子間鍵能大于存儲層Ml的原子間鍵能的材料。S卩，緩沖層BI中的原子間鍵能可大于底層10中的原子間(例如，Ta-O)鍵能。換言之，就鍵能而言，緩沖層BI可由比存儲層Ml更穩(wěn)定的材料形成。此外，緩沖層BI可包括用于增加第一電極El和存儲層Ml之間的勢壘高度的材料。換言之，緩沖層BI和第一電極El之間的導(dǎo)帶偏移可大于底層10和第一電極El之間的導(dǎo)帶偏移。這意味著緩沖層BI可包括抑制第一電極El和底層10之間的過電流的材料。此外，為了得到類似效果，緩沖層BI可包括電阻率高于存儲層Ml的電阻率的材料。詳細地，緩沖層BI可包括選自由AlOx、SiOx, SiNx, ZrOx, HfOx,及其組合組成的組中的至少一種。緩沖層BI可以具有或可以不具有理想配比成分。緩沖層BI可具有合適的成分和厚度以用作緩沖并允許電流流動。緩沖層BI的厚度可以小于或等于例如約10nm。如果緩沖層BI具有理想配比成分，則緩沖層BI的厚度可小于或等于約5nm。如果緩沖層BI具有過大厚度，則緩沖層BI的絕緣特性會不期望地增加。因此，如上所述，緩沖層BI可形成為具有小于或等于約IOnm的厚度。緩沖層BI可以改善置位和復(fù)位操作期間電阻改變特性的穩(wěn)定性、可靠性及再現(xiàn)性。在以高活性材料(例如，非貴金屬)形成第一電極El而沒有緩沖層BI的情況下，與置位或復(fù)位期間電阻改變有關(guān)的氧離子和/或氧空位可移動到第一電極El且然后導(dǎo)致與第一電極El的物理/化學(xué)反應(yīng)，或者存儲層Ml自身和第一電極El可導(dǎo)致彼此的物理/化學(xué)反應(yīng)。因此，這可導(dǎo)致電阻改變特性的穩(wěn)定性、可靠性、及再現(xiàn)性的問題。隨著導(dǎo)通/關(guān)閉操作的重復(fù)，上述問題發(fā)生的可能性會增加。然而，如在本實施例中，如果緩沖層BI施加在第一電極El和存儲層Ml之間，能夠抑制/防止上述問題并改善/保證電阻改變特性的穩(wěn)定性、可靠性、及再現(xiàn)性。特別地，在初始置位(即，形成操作)期間，緩沖層BI可抑制/防止第一電極El和底層10之間及第一電極El和底層10的離子物種之間的化學(xué)反應(yīng)。此外，緩沖層BI也可防止在形成底層10時底層10與第一電極El反應(yīng)。在使用緩沖層BI的情況下，能夠容易地將低成本非貴金屬或?qū)щ娧趸飸?yīng)用于第一電極El的材料。在用低成本非貴金屬或?qū)щ娧趸镄纬傻谝浑姌OEl的情況下，制造成本變低且能夠在制造工藝中獲得各種優(yōu)點。然而，形成緩沖層BI是可選的。取決于第一電極El和/或底層10的材料，緩沖層BI可不是必要的。離子物種交換層20的第二交換層22不僅對存儲特性有影響，而且可以起有些類似于緩沖層BI的作用。即，第二交換層22可防止存儲層Ml和第二電極E2之間的過電流及存儲層Ml和第二電極E2之間的不期望的物理/化學(xué)反應(yīng)。然而，第二交換層22的主要功能是通過與第一交換層21和底層10之間的離子物種交換表現(xiàn)出存儲特性，而作為緩沖層的功能可以是第二交換層22中的額外功能。取決于第二電極E2的材料，第二交換層22可不用作緩沖層。圖4是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲元件的與復(fù)位電壓的變化相關(guān)的導(dǎo)通電流和關(guān)閉電流的改變。用于獲得圖4的結(jié)果的存儲元件具有W/Al203/Ta0x/Ta205/·Hf02/Pt結(jié)構(gòu)。即，根據(jù)實施例的存儲元件具有圖3的結(jié)構(gòu)，并使用W、Al203、Ta0x、Ta205、Hf02、及Pt作為用于分別形成第一電極El、緩沖層BI、底層10、第一交換層21、第二交換層22和第二電極E2的材料。在圖4中，在從3. 4伏到4. 6伏增加復(fù)位電壓時測量導(dǎo)通電流和關(guān)閉電流的改變。置位電壓是-3. 5伏。在圖4中，Il示出導(dǎo)通電流水平，12示出關(guān)閉電流水平。如圖4所示，關(guān)閉電流水平12根據(jù)復(fù)位電壓的變化以寬的寬度相對改變。即，可以理解的是，各種關(guān)閉電流水平根據(jù)復(fù)位電壓的水平而產(chǎn)生。隨著復(fù)位電壓增加，關(guān)閉電流水平12降低。從這個結(jié)果可以理解，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件根據(jù)操作電壓條件(特別地，復(fù)位電壓條件)可具有各種電阻狀態(tài)。因此，通過使用該存儲元件能夠?qū)崿F(xiàn)多位存儲特性。圖5是曲線圖，通過改變圖4的曲線而得到，并示出根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件的與復(fù)位電壓的變化相關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)閉電流比率的改變。參照圖5，導(dǎo)通/關(guān)閉電流比率隨著復(fù)位電壓從約3. 4伏增加到約5. O伏而增加兩個數(shù)量級，即100倍或更多。這是因為存儲元件的關(guān)閉電流水平隨著復(fù)位電壓增加而大大下降。因此，如果使用3. 4伏和5. O伏之間的多個電壓水平作為復(fù)位電壓，能夠產(chǎn)生多個不同電阻狀態(tài)，且所述多個不同電阻狀態(tài)可對應(yīng)于多個數(shù)據(jù)(信息)。因為與復(fù)位電壓的變化相關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)閉電流比率的改變寬度大，所以可以容易地實現(xiàn)在預(yù)定操作電壓范圍內(nèi)彼此清楚區(qū)分的很多電阻狀態(tài)。因此，通過使用根據(jù)本實施例的存儲元件，能夠容易地實現(xiàn)多位存儲特性。圖6是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲元件的與每個開關(guān)條件的開關(guān)數(shù)量相關(guān)的導(dǎo)通電流和關(guān)閉電流的改變。用于獲得圖6的結(jié)果的存儲元件與用于獲得圖4的結(jié)果的存儲元件相同。即，對應(yīng)于圖6的結(jié)果的存儲元件具有W/Al203/Ta0x/Ta205/Hf02/Pt結(jié)構(gòu)。對于該存儲元件，在使用3. 6伏、4. I伏和4. 4伏的復(fù)位電壓重復(fù)開關(guān)操作時測量導(dǎo)通電流和關(guān)閉電流的改變。置位電壓是-3. 5伏。第一曲線Gl表示導(dǎo)通電流，第二曲線G2表示復(fù)位電壓是3. 6伏情況下的關(guān)閉電流，第三曲線G3表示復(fù)位電壓是4. I伏情況下的關(guān)閉電流，第四曲線G4表示復(fù)位電壓是4. 4伏情況下的關(guān)閉電流。如圖6所示，四個曲線Gl至G4的電流水平彼此清楚地區(qū)別而沒有重疊。第一曲線Gl可對應(yīng)于數(shù)據(jù)“00”，第二曲線G2可對應(yīng)于數(shù)據(jù)“01”，第三曲線G3可對應(yīng)于數(shù)據(jù)“ 10”，第四曲線G4可對應(yīng)于數(shù)據(jù)“ 11 ”。通過該結(jié)果，能夠確定，盡管重復(fù)開關(guān)操作(即，導(dǎo)通/關(guān)閉操作)，但是也能穩(wěn)定保持多位存儲特性。這樣，根據(jù)本實施例的存儲元件可具有多位存儲特性，其可連續(xù)保持。圖7是剖視圖，示出根據(jù)用于與本發(fā)明實施例比較的一比較例的存儲元件.參見圖7，離子物種交換層20’具有單層結(jié)構(gòu)。離子物種交換層20’可以是與圖3的第一交換層21相同的材料層。除了離子物種交換層20’具有單層結(jié)構(gòu)以外 ，圖7的存儲元件的結(jié)構(gòu)可與圖3的存儲元件的結(jié)構(gòu)相同。在離子物種交換層20’具有單層結(jié)構(gòu)的情況下，由于電阻改變的寬度有限，可能難以實現(xiàn)各種電阻狀態(tài)。此外，操作電壓(例如，復(fù)位電壓)可變得更高并且因而功耗會增加。圖8是曲線圖，示出根據(jù)圖7的比較例的存儲元件的與復(fù)位電壓的變化相關(guān)的導(dǎo)通電流改變和關(guān)閉電流改變。用于獲得圖8的結(jié)果的存儲元件具有W/Al203/Ta0x/Ta205/Pt結(jié)構(gòu)。即，根據(jù)比較例的存儲元件類似于根據(jù)圖4的實施例的存儲元件，但具有使用具有單層結(jié)構(gòu)的離子物種交換層Ta2O5而沒有第二交換層HfO2的結(jié)構(gòu)。在圖8中，在從3. O伏到
6.5伏增加復(fù)位電壓時測量導(dǎo)通電流和關(guān)閉電流的改變。置位電壓是-4. 5伏。在圖8中，Ill示出導(dǎo)通電流水平，122示出關(guān)閉電流水平。如圖8所示，盡管復(fù)位電壓增加到大約4. O伏，但關(guān)閉電流水平122沒有出現(xiàn)。當(dāng)復(fù)位電壓超過大約4. 5伏時，關(guān)閉電流水平122出現(xiàn)，但在復(fù)位電壓從4. 5伏增加到6. 5伏時，關(guān)閉電流水平122幾乎不改變。因此，可以理解的是，在根據(jù)圖7的比較例的存儲元件的情況下，電阻的改變對復(fù)位電壓的依賴性低。這樣，因為與復(fù)位電壓相關(guān)的關(guān)閉電流水平122的改變小，所以難以實現(xiàn)使用四個或更多電阻狀態(tài)的多位存儲特性。此外，關(guān)閉電流水平122在復(fù)位電壓超過約4. 5伏時出現(xiàn)，這意味著根據(jù)比較例的存儲元件的操作電壓超過約4. 5伏。在根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件中，如圖4所示，關(guān)閉電流水平12可在大約3. 5伏的低復(fù)位電壓出現(xiàn)。因此，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件的操作電壓可低于根據(jù)比較例的存儲元件的操作電壓。因此，與根據(jù)比較例的存儲元件相比，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件在節(jié)能方面會是有利的。圖9是曲線圖，通過改變圖8的曲線而得到，示出根據(jù)比較例的存儲元件的與復(fù)位電壓的變化相關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)閉電流比率的改變。從圖8的結(jié)果到圖9的曲線圖的該改變類似于從圖4的結(jié)果到圖5的曲線圖的改變。參照圖9，導(dǎo)通/關(guān)閉電流比率(B卩，導(dǎo)通電流與關(guān)閉電流的電流比率)在低于大約
4.O伏的復(fù)位電壓時幾乎為“1”，而在超過4. 5伏的復(fù)位電壓時以大約“10”保持。這意味著盡管復(fù)位電壓增加，但導(dǎo)通/關(guān)閉電流比率增加不超過“ I ”個數(shù)量級(即，10倍)。圖10是曲線圖，示出根據(jù)比較例的存儲元件的與每個開關(guān)條件的開關(guān)數(shù)量相關(guān)的導(dǎo)通電流改變和關(guān)閉電流改變。對于根據(jù)比較例的存儲元件，在使用5. 5伏的復(fù)位電壓和-4. 5伏的置位電壓重復(fù)開關(guān)操作時測量導(dǎo)通電流和關(guān)閉電流的改變。在圖10中，第一曲線Gll表示導(dǎo)通電流，第二曲線G22表示關(guān)閉電流。如圖10所示，在根據(jù)比較例的存儲元件(B卩，使用單層結(jié)構(gòu)的離子物種交換層的存儲元件)的情況下，僅兩個電阻狀態(tài)被示出，且難以產(chǎn)生三個或更多電阻狀態(tài)。這意味著根據(jù)比較例的存儲元件具有單個位存儲特性，且難以向根據(jù)比較例的存儲元件提供多位存儲特性。將圖4至圖6和圖8至圖10的結(jié)果放在一起，可以理解的是，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件由于具有多層結(jié)構(gòu)的離子物種交換層而可具有多位存儲特性，且該特性可連續(xù)維持。此外，可以理解的是，與根據(jù)比較例的存儲元件相比，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件可在低電壓操作。根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件可應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的存儲裝置。這里，存儲裝置還可包括連接到存儲元件的開關(guān)元件。圖11是透視圖，示出使用根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件的存儲裝置的一示例。根據(jù)本實施例的存儲裝置是交叉點電阻存儲裝置。 參照圖11，該存儲裝置可包括沿第一方向(例如，X軸方向)彼此平行形成的多條第一導(dǎo)線W10。存儲裝置可包括沿交叉第一導(dǎo)線WlO的第二方向(例如，Y軸方向)形成的多條第二導(dǎo)線W20。此外，存儲裝置可包括多個第一堆疊結(jié)構(gòu)(第一存儲單元)SS1，其每個布置在第一導(dǎo)線WlO和第二導(dǎo)線W20彼此交叉的點處。第一堆疊結(jié)構(gòu)SSl可包括順序堆疊在第一導(dǎo)線WlO上的第一緩沖層B10、第一存儲層M10、第一中間電極N10、及第一開關(guān)元件S10。第一存儲層MlO可包括底層IOA和離子物種交換層20A。離子物種交換層20A可具有包括兩層或更多層的多層結(jié)構(gòu)。例如，離子物種交換層20A可包括第一交換層21a和第二交換層22a。在第一堆疊結(jié)構(gòu)SSl中，下部結(jié)構(gòu)(B卩，B10+M10)的位置和上部結(jié)構(gòu)(即，S10)的位置基于第一中間電極NlO可以彼此交換。第一緩沖層BlO和第一存儲層MlO可分別對應(yīng)于圖3的緩沖層BI和存儲層Ml。第一開關(guān)元件SlO可包括雙向二極管、閾值開關(guān)器件、或變阻器等。如果第一開關(guān)元件SlO是雙向二極管，該雙向二極管可以是氧化物二極管。在硅二極管的情況下，由于硅二極管在大約800°C的高溫工藝中形成，所以在選擇襯底方面存在限制，并且由于高溫會產(chǎn)生各種問題。因此，用在室溫容易形成的氧化物層構(gòu)造第一開關(guān)元件SlO可提供各種優(yōu)點。然而，本發(fā)明構(gòu)思不排除硅作為第一開關(guān)元件SlO的材料。在一些情況下，第一開關(guān)元件SlO可利用硅或各種其它材料形成。第一導(dǎo)線WlO和第一中間電極NlO可分別對應(yīng)于圖I的第一電極El和第二電極E2。第二導(dǎo)線W20可利用與第一導(dǎo)線HO的材料相同的材料形成，但是也可以不利用相同材料形成。此外，可以不形成第一緩沖MBlO0可在圖11的第二導(dǎo)線W20上進一步形成第二存儲單元和第三導(dǎo)線。該示例示于圖12中。參照圖12，可以提供參照圖11說明的第一導(dǎo)線W10、第二導(dǎo)線W20、及第一和第二導(dǎo)線WlO和W20之間的第一堆疊結(jié)構(gòu)(第一存儲單元)SSlo此外，第三導(dǎo)線W30可進一步與第二導(dǎo)線W20的上表面間隔開預(yù)定距離地形成。第三導(dǎo)線W30可交叉第二導(dǎo)線W20，并可布置為彼此間隔開相同的距離。多個第二堆疊結(jié)構(gòu)(第二存儲單元)SS2可布置在第二導(dǎo)線W20和第三導(dǎo)線W30彼此交叉的交叉點處。第二堆疊結(jié)構(gòu)SS2可具有第一堆疊結(jié)構(gòu)SSl的顛倒結(jié)構(gòu)或者與第一堆疊結(jié)構(gòu)SSl的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。這里，示出了第二堆疊結(jié)構(gòu)SS2具有第一堆疊結(jié)構(gòu)SSl的顛倒結(jié)構(gòu)的情況。更詳細地，第二堆疊結(jié)構(gòu)SS2可包括順序堆疊在第二導(dǎo)線W20上的第二開關(guān)元件S20、第二中間電極N20、第二存儲層M20、及第二緩沖層B20。第二存儲層M20可包括離子物種交換層20B和底層10B。離子物種交換層20B可具有包括兩層或更多層的多層結(jié)構(gòu)。例如，離子物種交換層20B可包括第一交換層21b和第二交換層22b。離子物種交換層20B和底層IOB分別可以是與第一堆疊結(jié)構(gòu)SSl的離子物種交換層20A和底層IOA相同的材料層。第二開關(guān)元件S20可具有第一開關(guān)元件SlO的顛倒結(jié)構(gòu)，但在一些情況中，可具有與第一開關(guān)元件SlO相同的堆疊結(jié)構(gòu)。即，第二開關(guān)元件S20的開關(guān)方向可以與第一開關(guān)元件SlO的開關(guān)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。在一些情形下，可以不形成第二緩沖層B20。在第二堆疊結(jié)構(gòu)SS2中，下部結(jié)構(gòu)(B卩，S20)的位置和上部結(jié)構(gòu)(B卩，M20+B20)的位置基于第二中間電極N20可以彼此交換。第三導(dǎo)線W30和第二中間電極N20可分別對應(yīng)于圖I的第一電極El和第二電極E2,或分別對應(yīng)于第二電極E2和第一電極El。在圖11和圖12中，盡管第一和第二堆疊結(jié)構(gòu)SSl和SS2以圓柱形示出，但第一和第二堆疊結(jié)構(gòu)SSl和SS2可具有各種修改形狀，諸如方柱形或?qū)挾认蛳略黾拥男螤睢＠?，第一和第二堆疊結(jié)構(gòu)SSl和SS2可具有延伸到第一和第二導(dǎo)線WlO和W20的交叉點外部及第二和第三導(dǎo)線W20和W30的交叉點外部的不對稱形狀。而且，圖11和圖12的結(jié)構(gòu)可以進行各種修改。盡管沒有示出，但是圖12中示出的電阻存儲裝置還可在第三導(dǎo)線W30上包括與包括第一堆疊結(jié)構(gòu)SSl和第二導(dǎo)線W20的堆疊結(jié)構(gòu)相同的堆疊結(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在第三導(dǎo)線W30上包括與包括第一堆疊結(jié)構(gòu)SS1、第二導(dǎo)線W20、第二堆疊結(jié)構(gòu)SS2及第三導(dǎo)線W30的堆疊結(jié)構(gòu)相同的至少
一組堆疊結(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在第三導(dǎo)線W30上包括與包括順序堆疊的第一堆疊結(jié)構(gòu)SS1、第二導(dǎo)線W20、第二堆疊結(jié)構(gòu)SS2、第三導(dǎo)線W30、第一堆疊結(jié)構(gòu)SSl、及第二導(dǎo)線W20的堆疊結(jié)構(gòu)相同的至少一組堆疊結(jié)構(gòu)。在圖11和圖12的存儲裝置中，通過使用多層結(jié)構(gòu)的離子物種交換層20A，第一存儲層MlO可具有優(yōu)異的存儲特性和操作特性，特別地，由于離子物種交換層20A，第一存儲層MlO可具有多位存儲特性并可在低電壓操作。類似地，由于離子物種交換層20B，圖12的第二存儲層M20可具有多位存儲特性并可在低電壓操作。由于原因類似于參照圖I至圖10說明的，所以省略詳細說明。以此方式，由于根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲裝置可具有多位存儲特性，所以可以有利于增加每單位面積存儲的信息。即，可以有利于實現(xiàn)高密度存儲裝置。在減小存儲裝置的線寬度的按比例縮小法(scale down method)的情況下，由于工藝限制,所以在提高存儲裝置的集成密度方面存在很多困難。然而，如果像在本發(fā)明實施例中那樣在單個存儲單元中存儲多位數(shù)據(jù)，則與單個位存儲相比，能夠增加每單位面積存儲的信息量兩倍或更多倍。因此，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲裝置有利于高集成。圖13是示出根據(jù)示例實施例的存儲卡的示意圖。參照圖13，控制器510和存儲器520可以交換電信號。例如，根據(jù)控制器510的指令，存儲器520和控制器510可以交換數(shù)據(jù)。存儲卡500可以將數(shù)據(jù)存儲在存儲器520中和/或從存儲器520輸出數(shù)據(jù)。存儲器520可以包括以上參照圖I-圖12描述的非易失性存儲器件中的一種。存儲卡500可以用作用于各種便攜式電子設(shè)備的存儲介質(zhì)。例如，存儲卡500可以是多媒體卡(MMC)和/或安全數(shù)字(SD)卡。圖14是不出根據(jù)不例實施例的電子系統(tǒng)的方框圖。參照圖14,處理器610、輸入/輸出器件630和存儲器620可以通過使用總線640來彼此進行數(shù)據(jù)通信。處理器610可以執(zhí)行程序并控制電子系統(tǒng)600。輸入/輸出裝置630可以用于將數(shù)據(jù)輸入到電子系統(tǒng)600/從電子系統(tǒng)600輸出數(shù)據(jù)。電子系統(tǒng)600可以通過使用輸入/輸出器件630而連接到外部設(shè)備例如個人計算機和/或網(wǎng)絡(luò)，并可以與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。存儲器620可以存儲用于處理器610的操作的代碼或程序。例如，存儲器620可以包括以上參照圖I至圖12描述的非易失性存儲器件中的一種。例如，電子系統(tǒng)600可以包括需要存儲器620的各種電子控制系統(tǒng)，例如可以使用在移動電話、MP3播放器、導(dǎo)航設(shè)備、固態(tài)盤(SSD)和/或家用電器中。盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的實施例具體示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 能夠理解，在不脫離本發(fā)明的由權(quán)利要求所定義的精神和范圍的情況下可以進行形式和細節(jié)上的各種改變。例如，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯然的是，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件的結(jié)構(gòu)可以進行各種修改。作為具體示例，在根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件中，離子物種交換層20、20A或20B可包括具有三層或更多層的多層結(jié)構(gòu)。另外，至少一個額外的材料層可以進一步包括在圖I和圖3的存儲元件中，并且圖I和圖3的存儲元件可應(yīng)用于各種其它存儲裝置及圖11和圖12的交叉點存儲裝置。此外，本發(fā)明的構(gòu)思可應(yīng)用于各種其它存儲裝置及電阻存儲裝置。因此，本發(fā)明的范圍不是由本發(fā)明的詳細說明限定，而是由所附權(quán)利要求限定，該范圍內(nèi)的所以差異將解讀為包括在本發(fā)明的構(gòu)思中。
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；及 電阻改變存儲層，在所述第一電極與所述第二電極之間，并且所述存儲層包括 底層，和 離子物種交換層，包括至少兩層。
2.如權(quán)利要求I所述的非易失性存儲元件，其中所述底層是氧供應(yīng)層，所述離子物種交換層是氧交換層。
3.如權(quán)利要求I所述的非易失性存儲元件，其中所述非易失性存儲元件的存儲特性為多位存儲特性。
4.如權(quán)利要求I所述的非易失性存儲元件，其中所述至少兩層包括第一交換層和第二交換層，所述第一交換層在所述底層和所述第二電極之間，所述第二交換層在所述第一交換層和所述第二電極之間。
5.如權(quán)利要求4所述的非易失性存儲元件，其中所述第一交換層和所述第二交換層為不同的金屬氧化物。
6.如權(quán)利要求4所述的非易失性存儲元件，其中所述第二交換層的電阻率大于所述第一交換層的電阻率。
7.如權(quán)利要求4所述的非易失性存儲元件，其中所述第二交換層的氧親和力大于或等于所述第一交換層的氧親和力。
8.如權(quán)利要求4所述的非易失性存儲元件，其中所述第二交換層相對于所述底層的導(dǎo)帶偏移大于所述第一交換層相對于所述底層的導(dǎo)帶偏移。
9.如權(quán)利要求4所述的非易失性存儲元件，其中所述第二交換層的厚度小于或等于所述第一交換層的厚度。
10.如權(quán)利要求5所述的非易失性存儲元件，其中所述第一交換層包括鉭氧化物、鋯氧化物、釔氧化物、釔穩(wěn)定氧化鋯、鈦氧化物、鉿氧化物、錳氧化物、鎂氧化物、及其組合中的至少一種。
11.如權(quán)利要求5所述的非易失性存儲元件，其中所述第二交換層包括鉭氧化物、鋯氧化物、釔氧化物、釔穩(wěn)定氧化鋯、鈦氧化物、鉿氧化物、錳氧化物、鎂氧化物、及其組合中的至少一種。
12.如權(quán)利要求I所述的非易失性存儲元件，其中所述底層包括金屬氧化物。
13.如權(quán)利要求12所述的非易失性存儲元件，其中所述底層的氧濃度低于所述離子物種交換層的氧濃度。
14.如權(quán)利要求12所述的非易失性存儲元件，其中所述底層的金屬氧化物包括鉭氧化物、鋯氧化物、釔氧化物、釔穩(wěn)定氧化鋯、鈦氧化物、鉿氧化物、錳氧化物、鎂氧化物、及其組合中的至少一種。
15.如權(quán)利要求14所述的非易失性存儲元件，其中所述底層的金屬氧化物包括TaOx，并且 0〈x〈2. 5。
16.如權(quán)利要求I所述的非易失性存儲元件,還包括 緩沖層，在所述第一電極和所述存儲層之間。
17.如權(quán)利要求16所述的非易失性存儲元件，其中所述緩沖層包括配置為增大所述第一電極和所述存儲層之間的勢壘的高度的材料。
18.—種存儲裝置，包括 權(quán)利要求I所述的非易失性存儲元件。
19.如權(quán)利要求18所述的存儲裝置，還包括 連接到所述非易失性存儲元件的開關(guān)元件。
20.—種存儲裝置，包括 多條第一導(dǎo)線； 多條第二導(dǎo)線，交叉所述第一導(dǎo)線 '及 多個第一存儲單元，在所述第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線之間的多個第一交叉點處，每個所述第一存儲單元包括電阻改變存儲層，每個所述存儲層包括 底層，和 離子物種交換層，包括至少兩層。
21.如權(quán)利要求20所述的存儲裝置，其中所述底層是氧供應(yīng)層，所述離子物種交換層是氧交換層。
22.如權(quán)利要求20所述的存儲裝置，其中所述存儲層的存儲特性為多位存儲特性。
23.如權(quán)利要求20所述的存儲裝置，其中所述第一存儲單元的每個包括 開關(guān)元件，在所述存儲層和所述第二導(dǎo)線之間 '及 中間電極，在所述存儲層和所述開關(guān)元件之間。
24.如權(quán)利要求20所述的存儲裝置，其中所述至少兩層包括第一交換層和第二交換層，該第二交換層在所述第一交換層的與所述底層相反的一側(cè)。
25.如權(quán)利要求24所述的存儲裝置，其中所述第一交換層和所述第二交換層為不同的金屬氧化物。
26.如權(quán)利要求24所述的存儲裝置，其中所述第二交換層的電阻率大于所述第一交換層的電阻率。
27.如權(quán)利要求24所述的存儲裝置，其中所述第二交換層的氧親和力大于或等于所述第一交換層的氧親和力。
28.如權(quán)利要求24所述的存儲裝置，其中所述第二交換層相對于所述底層的導(dǎo)帶偏移大于所述第一交換層相對于所述底層的導(dǎo)帶偏移。
29.如權(quán)利要求25所述的存儲裝置，其中所述第一交換層包括鉭氧化物、鋯氧化物、釔氧化物、釔穩(wěn)定氧化鋯、鈦氧化物、鉿氧化物、錳氧化物、鎂氧化物、及其組合中的至少一種。
30.如權(quán)利要求25所述的存儲裝置，其中所述第二交換層包括鉭氧化物、鋯氧化物、釔氧化物、釔穩(wěn)定氧化鋯、鈦氧化物、鉿氧化物、錳氧化物、鎂氧化物、及其組合中的至少一種。
31.如權(quán)利要求20所述的存儲裝置，其中所述底層包括金屬氧化物。
32.如權(quán)利要求31所述的存儲裝置，其中所述底層的金屬氧化物包括鉭氧化物、鋯氧化物、釔氧化物、釔穩(wěn)定氧化鋯、鈦氧化物、鉿氧化物、錳氧化物、鎂氧化物、及其組合中的至少一種。
33.如權(quán)利要求32所述的存儲裝置，其中所述底層的金屬氧化物包括TaOx，并且0<x<2. 5o
34.如權(quán)利要求20所述的存儲裝置，其中所述第一存儲單元的每個還包括在所述第一導(dǎo)線和所述存儲層之間的緩沖層。
35.如權(quán)利要求20所述的存儲裝置，還包括 多條第三導(dǎo)線，交叉所述第二導(dǎo)線 '及 多個第二存儲單元，在所述第二導(dǎo)線和第三導(dǎo)線之間的多個第二交叉點處。
36.如權(quán)利要求35所述的存儲裝置，其中所述第二存儲單元為所述第一存儲單元的顛倒結(jié)構(gòu)和與所述第一存儲單元相同的結(jié)構(gòu)中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及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。一種非易失性存儲元件可包括在兩個電極之間的存儲層，存儲層可具有多層結(jié)構(gòu)。存儲層可包括底層和離子物種交換層，并可具有由于離子物種在所述底層和所述離子物種交換層之間的移動而引起的電阻改變特性。離子物種交換層可具有包括至少兩層的多層結(jié)構(gòu)。非易失性存儲元件可具有由于具有所述多層結(jié)構(gòu)的所述離子物種交換層而導(dǎo)致的多位存儲特性。所述底層可以是氧供應(yīng)層，所述離子物種交換層可以是氧交換層。
文檔編號H01L45/00GK102956822SQ201210211660
公開日2013年3月6日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者李承烈, 金英培, 金昌楨, 李明宰, 許智賢, 李東洙, 張晚, 李昌范, 金京旻 申請人:三星電子株式會社