具有阻变层的非易失性存储器件及其操作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月31日提交的申请号为10-2019-0179517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

本公开总体上涉及一种非易失性存储器件，更具体地，涉及具有阻变层的非易失性存储器件及其操作方法。

背景技术

由于半导体器件的趋势包括减小设计规则和增加集成度，因此对能够保证结构稳定性和信号存储操作可靠性的半导体器件结构的研究在持续进行。当前，已经广泛应用了例如采用三层层叠结构作为电荷存储结构的快闪存储器的非易失性存储器件，所述三层层叠结构包括：电荷隧穿层、电荷陷阱层和电荷阻挡层。

近来，已经提出了具有不同于现有快闪存储器件的结构的各种非易失性存储器件。非易失性存储器件的一个示例是阻变存储器件。当快闪存储器器件经由电荷存储来实现存储功能时，在阻变存储器件中，存储器单元中存储层的电阻状态在高电阻状态与低电阻状态之间以可变方式改变，并且改变后的电阻状态以非易失性的方式存储，从而将预定的信号信息写入存储器单元。

发明内容

根据本公开的一个方面的非易失性存储器件包括：衬底；阻变层，其设置在所述衬底之上；栅绝缘层，其设置在所述阻变层上；栅电极层，其设置在所述栅绝缘层上，以及第一电极图案层和第二电极图案层，其分别设置在所述衬底上并且设置为接触所述阻变层的不同部分。

根据本公开的另一方面的非易失性存储器件包括：衬底；栅电极层，其设置在所述衬底之上；栅绝缘层，其设置在所述衬底之上并且设置为包围所述栅电极层；第一电极图案层和第二电极图案层，其设置在所述衬底上并且分别设置在所述栅电极层的相对侧上，以及阻变层，其设置在所述栅绝缘层上以及所述第一电极图案层和所述第二电极图案层上。所述阻变层包括氧空位和可移动金属离子。

根据本公开的又一方面的非易失性存储器件包括：衬底；第一电极图案层和第二电极图案层，其设置在所述衬底上并且设置为彼此间隔开；阻变层，其设置在所述第一电极图案层和所述第二电极图案层之上；以及栅绝缘层和栅电极层，其顺序地设置在所述阻变层上。阻变层包括氧空位和可移动金属离子。

根据本公开的另一方面，公开了一种操作非易失性存储器件的方法。在所述非易失性存储器件的操作方法中，提供了一种非易失性存储器件，其包括：阻变层，其设置在衬底之上；栅绝缘层和栅电极层，其顺序地设置在所述阻变层上；以及第一电极图案层和第二电极图案层，其分别设置为在所述衬底之上以接触所述阻变层的不同部分。将第一栅极电压施加至所述栅电极层，以将所述阻变层中的氧空位或可移动金属离子移动至所述阻变层的细丝形成区域。在所述第一电极图案层与所述第二电极图案层之间施加设定电压，以在所述阻变层中形成导电细丝，并且将所述第一电极图案层与所述第二电极图案层彼此电连接。

附图说明

图1是示意性地示出根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件的截面图。

图2至图4是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件的设定操作的视图。

图5是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件的复位操作的视图。

图6是根据比较性示例的非易失性存储器件的截面图。

图7是示意性地示出根据本公开的另一个实施例的非易失性存储器件的截面图。

图8至图10是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件的设定操作的视图。

图11是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件的复位操作的视图。

图12是示意性示出根据本公开的另一个实施例的非易失性存储器件的截面图。

图13和图14是分别说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件的设定操作和复位操作的视图。

图15是示意性地示出根据本公开的另一个实施例的非易失性存储器件的截面图。

图16和图17是分别说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件的设定操作和复位操作的视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更详细地描述本公开的实施例。在附图中，为了清楚地表示每个器件的组件，将组件的尺寸(例如，组件的宽度和厚度)放大。本文中使用的术语可以对应于考虑到它们在实施例中的功能而选择的词语，并且根据实施例所属领域的普通技术人员，术语的含义可以被解释为不同。如果明确地具体限定，则可以根据限定解释这些术语。除非另有限定，否则本文中使用的术语(包括技术术语和科学术语)具有与实施例所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。

此外，除非在上下文中另外明确地利用，否则词语的单数形式的表述应理解为包括词语的复数形式。将理解的是，术语“包含”、“包括”或“具有”旨在指定特征、数字、步骤、操作、组件、元件、部件、或其组合的存在，但不用于排除添加一个或多个其它特征、数字、步骤、操作、组件、元件、部件或其组合的存在或可能性。

此外，在执行方法或制造方法时，构成该方法的每个过程可以不同于规定的次序进行，除非在上下文中明确地描述了特定的顺序。换言之，可以采用与所陈述的次序相同的方式执行每个过程，并且可以基本上同时执行每个过程。此外，可以采用相反的次序执行以上每个过程的至少一部分。

在本说明书中，术语“预定的方向”可以表示包括在坐标系中确定的一个方向以及与该方向相反的方向的方向。作为一个示例，在x-y-z坐标系中，z方向可以包括与z方向平行的方向。即，z方向可以表示如下的全部方向：在从原点0起沿着z轴的正方向z轴的绝对值增大的方向，以及在从原点0起沿着z轴的负方向z轴的绝对值增大的方向。在x-y-z坐标系中，x方向和y方向可以分别以基本上相同的方式进行解释。

图1是示意性地示出根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件的截面图。参见图1，非易失性存储器件1可以包括：衬底101；阻变层120，设置在衬底101之上；栅绝缘层130，设置在阻变层120上；栅电极层140，设置在栅绝缘层130上；以及第一电极图案层150和第二电极图案层160，设置为在衬底101之上分别与阻变层120的不同部分接触。栅绝缘层130可以包围栅电极层140，并且可以将栅电极层140与阻变层120、第一电极图案层150和第二电极图案层160绝缘。另外，非易失性存储器件1还可以包括在衬底101上的器件绝缘层105。器件绝缘层105可以设置为将栅绝缘层130、栅电极层140、第一电极图案层150和第二电极图案层160与衬底101绝缘。

参见图1，所提供的衬底101可以包括半导体材料。具体地，半导体材料可以包括例如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。衬底101可以掺杂有n型掺杂剂或p型掺杂剂。作为一个示例，衬底101可以包括掺杂有n型掺杂剂或p型掺杂剂的阱区。

器件绝缘层105可以设置在衬底101上。器件绝缘层105可以使栅绝缘层130、栅电极层140、第一电极图案层150和第二电极图案层160与衬底101绝缘。器件绝缘层105可以例如包括氧化物、氮化物、氮氧化物或其两种或更多种的组合。

尽管在图1中未示出，但是可以在衬底101与器件绝缘层105之间设置至少一个导电层和至少一个绝缘层。导电层和绝缘层可以形成各种电路图案。即，作为非限制性示例，导电层和绝缘层可以形成多个布线，或者可以构成诸如电容器或电阻器的无源元件，或者诸如二极管或晶体管的有源元件。

再次参见图1，栅电极层140可以设置在器件绝缘层105上。栅电极层140可以是导电薄膜的图案。栅电极层140可以包括导电材料。导电材料可以例如包括掺杂的半导体材料、金属、导电金属氮化物、导电金属碳化物、导电金属硅化物或导电金属氧化物。导电材料可以例如包括：n型掺杂的硅(Si)、钨(W)、钛(Ti)、铜(Cu)、铝(Al)、钌(Ru)、铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱、氮化钨、氮化钛、氮化钽、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽、氧化钌，或者其两种或更多种的组合。

栅绝缘层130可以设置在栅电极层140上。在一个实施例中，栅绝缘层130可以设置为包围栅电极层140。栅绝缘层130可以在诸如x轴方向的横向方向上接触第一电极图案层150和第二电极图案层160。栅绝缘层130可以使第一电极图案层150和第二电极图案层160与栅电极层140电绝缘。另外，栅绝缘层130可以防止阻变层120内的氧空位或可移动金属离子移动至栅电极层140。栅绝缘层可以例如包括：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪等。

参见图1，第一电极图案层150和第二电极图案层160可以基于器件绝缘层105上的栅电极层140设置在彼此的相对侧上。第一电极图案层150和第二电极图案层160可以各自在横向方向上接触栅绝缘层130。第一电极图案层150和第二电极图案层160可以通过栅绝缘层130与栅极电极层140电绝缘。第一电极图案层150和第二电极图案层160的上表面可以位于与栅绝缘层130的上表面相同的水平。

第一电极图案层150和第二电极图案层160可以各自包括导电材料。导电材料可以例如包括掺杂的半导体材料、金属、导电金属氮化物、导电金属碳化物、导电金属硅化物或导电金属氧化物。导电材料可以例如包括：n型掺杂的硅(Si)、钨(W)、钛(Ti)、铜(Cu)、铝(Al)、钌(Ru)、铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱、氮化钨、氮化钛、氮化钽、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽、氧化钌，或者其两种或更多种的组合。

阻变层120可以设置在第一电极图案层150和第二电极图案层160上以及栅绝缘层130上。阻变层120可以具有第一表面LS120和与第一表面LS120相对的第二表面US120。如图所示，阻变层120可以在第一表面LS120处接触第一电极图案层150和第二电极图案层160以及栅绝缘层130。

阻变层120可以包括可变电阻材料。在可变电阻材料中，内部电阻状态可以根据施加的电压的极性或大小而以可变方式改变。另外，可以在去除施加的电压之后，以非易失性的方式将改变的内部电阻状态存储在可变电阻材料中。作为一个示例，可以将彼此区分的高电阻状态和低电阻状态选择性地存储在可变电阻材料中。换句话说，可变电阻材料可以具有与高电阻状态相对应的预定第一电阻值，并且可以具有与低电阻状态相对应的预定第二电阻值。可以根据可变电阻材料的种类来确定阻变层的第一电阻值和第二电阻值。

在一个实施例中，可变电阻材料可以包括氧空位或可移动金属离子。氧空位可以带正电荷。金属离子可以是具有正电荷的阳离子或具有负电荷的阴离子。在一个实施例中，可变电阻材料可以例如包括：氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化锆、氧化锰、氧化铪、氧化钨、氧化钽、氧化铌、氧化铁，或者它们中的两种或更多种的组合。在其它实施例中，可变电阻材料可以包括：PCMO(Pr

参见图1，第一电极图案层150可以具有位于与阻变层120与栅绝缘层130接触的边界区域中的图案边缘部分150A。类似地，第二电极图案层160可以在与阻变层120和栅绝缘层130接触的边界区域中具有图案边缘部分160A。尽管在图1中未具体示出，但是图案边缘部分150A和160A可以沿着y方向延伸。当在第一电极图案层150和第二电极图案层160之间施加电压时，由施加的电压产生的电场可以集中在图案边缘部分150A和160A上。

在下文中，将参照图2至图5描述操作非易失性存储器件1的方法。图2至图4是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件1的设定操作的视图。当非易失性存储器件1的阻变层具有高电阻状态时，设定操作可以是将阻变层的电阻状态改变为低电阻状态的操作。图5是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件1的复位操作的视图。复位操作可以是将阻变层的电阻状态从低电阻状态转变为高电阻状态的操作。

参见图2，可以提供以上参照图1描述的非易失性存储器件1。阻变层120可以包括氧空位或可移动金属离子125。在一个实施例中，氧空位或可移动金属离子125可以均匀地分布在阻变层120内部。在一个示例中，阻变层120设置有具有正电荷的氧空位125。作为另一个实施例，当阻变层120包括可移动金属离子125时，可以应用基本上相同的操作方法。

参见图3，可以将第一栅极电压施加至栅电极层140。第一栅极电压可以包括具有负极性的偏压。在第一栅极电压的影响下，阻变层120内部的氧空位125可以移动至与第一表面LS120相邻的细丝形成区域。细丝形成区域是随后将描述的用于生成导电细丝10的区域，并且可以指阻变层120的与栅绝缘层130以及与第一电极图案层150和第二电极图案层160相邻的内部区域。

根据一个实施例，可以通过控制第一栅极电压的大小来控制移动至细丝形成区域的氧空位125的浓度或大小。氧空位125的浓度可以确定在以下描述的操作中形成的导电细丝的直径。

参见图4，当将第一栅极电压施加至栅电极层140时，可以在第一电极图案层150与第二电极图案层160之间施加设定电压。结果，可以在阻变层120的内部形成由设定电压产生的电场，并且可以在阻变层120中形成将第一电极图案层150与第二电极图案层160电连接的导电细丝10。

在本实施例的非易失性存储器件1的结构中，当施加设定电压时，电场可以集中在第一电极图案层150和第二电极图案层160的图案边缘部分150A和160A上。因此，在阻变层120的与图案边缘部分150A和160A相邻的区域中的氧空位125可以更活跃地聚集或彼此结合，从而可以如图4所示形成第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2。第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2可以形成为分别接触第一电极图案层150和第二电极图案层160。

此外，氧空位125可以持续地聚集或结合至第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2，从而连接细丝125c可以生长。连接细丝125c连接第一触发细丝125t1与第二触发细丝125t2，使得导电细丝10可以形成连续的且连接的细丝。将第一电极图案层150与第二电极图案层160电连接的导电细丝10减小了阻变层120的电阻。即使在去除设定电压和栅极电压之后，导电细丝10仍保留在阻变层120内部，从而阻变层120可以被写入并保持在低电阻状态。

在一个实施例中，形成在图案边缘部分150A和160A中、集中有电场的第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2可以比连接细丝125c具有更高的氧空位125浓度。因此，第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2中的每个的直径可以大于连接细丝125c的直径。

在一些实施例中，由第一栅极电压引至细丝形成区域中的氧空位125的浓度可以确定导电细丝10的直径。随着引起的氧空位125的浓度增加，由于施加的设定电压而聚集或结合的氧空位125的数量可以增加。因此，可以增大由设定电压形成的导电细丝10的直径。另外，随着导电细丝10的直径的增加，阻变层120的电阻值可以减小。如上所述，通过利用阻变层120的电阻值根据导电细丝10的宽度而变化的特性，可以在阻变层120中写入多个电阻值。结果，可以利用能够形成具有可变直径的导电细丝的结构来实现在阻变层120中存储多个信号信息的非易失性存储器件。

此外，将参照图5来描述根据本公开的另一个实施例的复位操作。可以将第二栅极电压施加至栅电极层140。第二栅极电压可以包括具有正极性的偏压。此外，在施加第二栅极电压时，可以在第一电极图案层150与第二电极图案层160之间施加复位电压。复位电压可以具有与设定电压不同的极性。

根据一个实施例，可以通过复位电压来分解阻变层120中的导电细丝10的氧空位125。在一些实施例中，复位电压可以在导电细丝10中产生焦耳热，并且焦耳热可以分解来自导电细丝10的氧空位125。另外，可以通过第二栅极电压的具有正极性的偏压将可从分解中获得的氧空位125从细丝形成区域中排出。即，分解的氧空位125可以远离阻变层120的与第一表面LS120相邻的区域并且朝向阻变层120的与第二表面US120相邻的区域移动。

在一个实施例中，由复位电压产生的导电细丝10的分解可以在连接细丝125c中更活跃地发生，连接细丝125c具有相对较低的聚集或结合的氧空位125的浓度。因此，与连接细丝125c的束缚的氧空位125相比，具有相对较高的聚集或结合的氧空位125的浓度的第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2，可以在第一电极图案层150和第二电极图案层160的图案边缘部分150A和160A中保留更长的持续时间。

如上所述，随着导电细丝10的至少一部分退化，阻变层120的电阻可以增加。因此，当导电细丝断开时，阻变层120的内部电阻状态可以从低电阻状态转变为高电阻状态。即使在去除第二栅极电压和复位电压之后，也保持导电细丝10的断开程度，使得阻变层120可以保持高电阻状态。

根据本公开的上述实施例，当在非易失性存储器件1上执行设定操作时，可以在与图案边缘部分150A和160A(其是电场集中部分)相邻的阻变层120中形成第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2。然后，形成连接细丝125c以连接第一触发细丝125t1与第二触发细丝125t2，从而可以形成完整的且连接的导电细丝10。结果，可以通过控制第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2的位置来有效地限制导电细丝10的密度和分布。另外，通过在图案边缘部分150A和160A中稳定地形成第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2，能够防止发生非易失性存储器件1的设定操作错误和复位操作错误。即，利用触发细丝使导电细丝10的连接状态或断开状态在结构上稳定，从而可以提高信号信息的保持性和耐久性。

在其它实施例中，非易失性存储器件1的导电细丝10可以形成有分布在阻变层120内部的可移动金属离子125。作为一个实施例，当阻变层120包括正金属离子125时，在阻变层120中产生或断开导电细丝的现象可以分别由与以上参照图2至图4描述的设定操作和以上参照图5描述的复位操作相同的操作引起。

在另一个实施例中，当阻变层120包括负金属离子125时，可以将包括具有正极性的偏压的第一栅极电压施加至栅电极层140。因此，负金属离子125可以移动至阻变层120的与第一表面LS120相邻的细丝形成区域。随后，在施加第一栅极电压时，可以在第一电极图案层150与第二电极图案层160之间施加设定电压，以在阻变层120中形成导电细丝。该实施例中的设定电压可以具有与以上结合图4描述的实施例中的设定电压不同的极性。此外，当执行复位过程时，可以将包括具有负极性的偏压的第二栅电压施加至栅电极层140。此外，在施加第二栅极电压时，可以在第一电极图案层150和第二电极图案层160之间施加复位电压。因此，该实施例的复位电压可以具有与以上参照图5描述的实施例的复位电压不同的极性。因此，可以将通过复位电压从导电细丝分解的负金属离子125有效地排出，并使其移动远离细丝形成区域。

图6是示意性示出根据比较性示例的非易失性存储器件的截面图。参见图6，非易失性存储器件1000可以包括沿着z方向彼此面对的第一电极层1100和第二电极层1200。此外，非易失性存储器件1000可以包括设置在第一电极层1100与第二电极层1200之间的阻变层1300。因为第一电极层1100和第二电极层1200设置为沿着z方向彼此面对，所以当施加设定电压时，可以在阻变层1300与第一电极层1100和第二电极层1200的界面之间随机地生长多个导电细丝1400。也就是说，在比较性示例的情况下，控制导电细丝1400的密度和分布可能相对困难。相反，在本公开的实施例中，如图4所示，第一电极图案层150和第二电极图案层160不彼此面对，并且在它们之间具有阻变层。另外，在本公开的实施例中，形成在图案边缘部分150A和160A中的第一触发细丝125t1和第二触发细丝125t2可以确定导电细丝10的起始位置。因此，可以有效地控制导电细丝10的密度和分布。

图7是示意性地示出根据本公开的另一个实施例的非易失性存储器件的截面图。参见图7，非易失性存储器件2可以包括：衬底101；阻变层220，设置在衬底101之上；栅绝缘层230，设置在阻变层220上；栅电极层240，设置在栅绝缘层230上；以及第一电极图案层250和第二电极图案层260，设置在衬底101之上以接触阻变层220的不同部分。另外，非易失性存储器件2可以进一步包括器件绝缘层105，器件绝缘层105将第一电极图案层250和第二电极图案层260与衬底101电绝缘。另外，非易失性存储器件2还可以包括层间绝缘层110，层间绝缘层110设置在器件绝缘层105上第一电极图案层250与第二电极图案层260之间。

器件绝缘层105可以设置在衬底101上。第一电极图案层250和第二电极图案层260可以设置在器件绝缘层105上以在x方向上彼此间隔开。第一电极图案层250和第二电极图案层260可以分别具有边缘部分250A和260A。第一电极图案层250和第二电极图案层260以及边缘部分250A和250B的构造可以与以上参照图1至图5所述的第一电极图案层150和第二电极图案层160以及图案边缘部分150A和160A的构造基本上相同。

可以从第一电极图案层250和第二电极图案层260起沿着横向方向设置层间绝缘层110。层间绝缘层110可以使第一电极图案层250和第二电极图案层260电绝缘。层间绝缘层110可以包括绝缘材料。绝缘材料可以是例如氧化物、氮化物或氧氮化物。在一个实施例中，层间绝缘层110以及第一电极图案层250和第二电极图案层260的上表面可以在z轴上位于相同的水平。

阻变层220可以设置在第一电极图案层250和第二电极图案层260上以及层间绝缘层110上。阻变层220可以包括第一表面LS220和与第一表面LS220相对的第二表面US220。阻变层220的第一表面LS220可以接触第一电极图案层250和第二电极图案层260以及层间绝缘层110。阻变层220的构造可以与以上参照图1所述的非易失性存储器件1的阻变层120的构造基本上相同。

栅绝缘层230可以设置在阻变层220的第二表面US220上。栅绝缘层230可以设置为接触第二表面US220。除了结构配置方面之外，栅绝缘层230可以与以上参照图1所述的非易失性存储器件1的栅绝缘层130相同。例如，栅绝缘层230可以具有与栅绝缘层130相同的材料。另外，栅绝缘层230可以具有与栅绝缘层130相同的功能。

可以在栅绝缘层230上设置栅电极层240。除了结构配置方面之外，栅电极层240可以与以上参照图1所述的非易失性存储器件1的栅电极层140基本上相同。例如，栅电极层240可以具有与栅电极层140相同的材料。另外，栅电极层240可以具有与栅电极层140相同的功能。

在下文中，将参照图8至图11描述操作非易失性存储器件2的方法。图8至图10是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件2的设定操作的视图。图11是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件2的复位操作的视图。

参见图8，可以提供上面结合图7描述的非易失性存储器件2。阻变层220可以具有氧空位或可移动金属离子225。在一个实施例中，氧空位或可移动金属离子225可以均匀地分布在阻变层220内部。在下文中，作为一个示例，阻变层220包括具有正极性的氧空位。在另一个实施例中，当阻变层220包括可移动金属离子125时，可以应用基本上相同的操作方法。

参见图9，可以将包括具有正极性的偏压的第一栅极电压施加至栅电极层240。通过施加第一栅极电压，阻变层220内部的氧空位225可以移动至与第一表面LS220相邻的细丝形成区域。细丝形成区域可以指阻变层220的与层间绝缘层110相邻并且与第一栅电极图案层250和第二栅电极图案层260相邻的内部区域。

根据一个实施例，可以通过控制第一栅极电压的大小来控制移动至细丝形成区域的氧空位225的浓度或大小。氧空位225的浓度可以确定在以下描述的操作中形成的导电细丝的直径。

参见图10，在将第一栅极电压施加至栅电极层240时，可以在第一电极图案层250与第二电极图案层260之间施加设定电压。结果，可以在阻变层220中形成将第一电极图案层250与第二电极图案层260电连接的导电细丝20。

在一个实施例中，当施加设定电压时，电场可以集中在第一电极图案层250和第二电极图案层260的图案边缘部分250A和250B上，从而第一触发细丝225t1和第二触发细丝225t2可以形成在阻变层220的与图案边缘部分250A和260A相邻的细丝形成区域中。第一触发细丝225t1和第二触发细丝225t2可以形成为接触第一电极图案层250和第二电极图案层260。另外，可以从第一触发细丝225t1和第二触发细丝225t2分别生长连接细丝225c，并将它们彼此结合，从而形成连续的且连接的导电细丝20。通过形成导电细丝20，可以减小阻变层220的电阻。即使在去除第一栅极电压和设定电压之后，导电细丝20仍然保留，从而阻变层120的内部电阻状态可以被写入并保持在低电阻状态。

形成导电细丝20的方法以及由其形成的导电细丝20可以与以上参照图2至图4所述的形成导电细丝10的方法以及由其形成的导电细丝10基本上相同。

此外，将参照图11来描述根据本公开的另一个实施例的复位操作。可以将具有负极性的偏压的第二栅极电压施加至栅电极层240。在施加第二栅极电压时，可以在第一电极图案层250与第二电极图案层260之间施加复位电压。复位电压可以具有与以上参照图10描述的设定操作的设定电压不同的极性。

根据一个实施例，阻变层220中的导电细丝20的氧空位225可以由复位电压提供的能量分解。作为一个示例，能量可以是电能或由电能产生的热能。另外，可以通过第二栅极电压从细丝形成区域排出可由分解获得的氧空位225。随着氧空位225的分解，导电细丝20的至少一部分可以断开。结果，可以增加阻变层220的电阻。因此，当导电细丝断开时，阻变层220的内部电阻状态可以从低电阻状态转变为高电阻状态。即使在去除第二栅极电压和复位电压之后，导电细丝20的断开状态也被写入并保持，使得阻变层220可以保持高电阻状态。

图12是示意性示出根据本公开的另一个实施例的非易失性存储器件的截面图。参照图12，非易失性存储器件3可以包括：衬底101、阻变层320，设置在衬底101之上；栅绝缘层330，设置在阻变层320上；栅电极层340，设置在栅绝缘层330上；以及第一电极图案层350和第二电极图案层360，分别设置在衬底101上并且设置为接触阻变层320的不同部分。另外，非易失性存储器件3可以进一步包括器件绝缘层105，以将第一电极图案层350和第二电极图案层360与衬底101电绝缘。另外，非易失性存储器件3可以进一步包括设置在器件绝缘层105上第一电极图案层350第二电极图案层360之间的层间绝缘层110。

非易失性存储器件3可以具有与以上参照图7描述的非易失性存储器件2基本上相同的配置，除了阻变层320之外。也就是说，栅绝缘层330、栅电极层340、第一电极图案层350和第二电极图案层360的构造可以与上面参照图7所述的栅绝缘层230、栅电极层240、第一电极图案层250和第二电极图案层260基本上相同。

在一个实施例中，阻变层320可以包括顺序地设置在第一电极图案层350和第二电极图案层360上以及层间绝缘层110上的第一电阻材料层320a和第二电阻材料层320b。第一电阻材料层320a可以接触第一电极图案层350和第二电极图案层360以及层间绝缘层110，并且第二电阻材料层320b可以接触栅绝缘层330。

第一电阻材料层320a和第二电阻材料层320b可以分别包括可变电阻材料。可变电阻材料可以包括氧空位或可移动金属离子。金属离子可以是阳离子或阴离子。可变电阻材料可以与构成以上参照图1所述的非易失性存储器件1的阻变层120的可变电阻材料基本上相同。

第一电阻材料层320a和第二电阻材料层320b可以分别包括不同的可变电阻材料。与第二电阻材料层320b相比，第一电阻材料层320a可以具有较低的氧空位浓度或较低的可移动金属离子浓度。第一电阻材料层320a可以是比第二电阻材料层320b更高的电阻体。此外，第一电阻材料层320a可以更薄并且具有比第二电阻材料层320b更小的厚度。

图13和图14是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件3的设定操作和复位操作的视图。为了便于描述，利用实现设置有具有正电荷的氧空位325的阻变层320的一个示例，但是实施例不限于此。在其它实施例中，例如，阻变层320包括可移动金属离子325，并且可以采用与以下将描述的基本相同的方式利用可移动金属离子325。

参见图13，在设定操作中，可以将包括具有正极性的偏压的第一栅极电压施加至栅电极层340。另外，在将第一栅极电压施加至栅电极层340时，可以在第一电极图案层350与第二电极图案层360之间施加设定电压。因此，可以在阻变层320的内部形成归因于设定电压的电场。

这里，由设定电压产生的电场可以集中在第一电极图案层350和第二电极图案层360的图案边缘部分350A和360A上。另外，因为第一电阻材料层320a是比第二电阻材料层320b更高的电阻体，所以当在第一电阻材料层320a和第二电阻材料层320b上施加设定电压时，可以是将相对较大的电压施加至第一电阻材料层320a上。结果，可以在与图案边缘部分350A和360A相邻的第一电阻材料层320a中分别形成第一触发细丝325t1和第二触发细丝325t2。

第一触发细丝325t1和第二触发细丝325t2可以形成为接触第一电极图案层350和第二电极图案层360。另外，可以在第二电阻材料层320b中形成连接至第一触发细丝325t1和第二触发细丝325t2的连接细丝325c。连接细丝325c可以连接第一触发细丝325t1和第二触发细丝325t2以形成连续的且连接的导电细丝30。

参见图14，可以将包括具有负极性的偏压的第二栅极电压施加至栅电极层340。另外，在施加第二栅极电压时，可以在第一电极图案层350与第二电极图案层360之间施加复位电压。复位电压可以具有与设定电压不同的极性。

根据一个实施例，阻变层320中的导电细丝30的氧空位325可以由复位电压产生的焦耳热分解。来自导电细丝30的氧空位325的分解可以以相对较高的频率发生在第二电阻材料层320b的连接细丝325c中。另外，由于施加的第二栅极电压，分解的氧空位325可以被排出并移动而远离细丝形成区域。随着氧空位325的分解，导电细丝30的至少一部分可能断开。结果，可以增加阻变层320的电阻。因此，阻变层320的内部电阻状态可以从低电阻状态转变为高电阻状态。

图15是示意性地示出根据本公开的另一个实施例的非易失性存储器件的截面图。参见图15，非易失性存储器件4可以包括：衬底101；阻变层420，设置在衬底101之上；栅绝缘层430，设置在阻变层420上；栅电极层440，设置在栅绝缘层430上；以及第一电极图案层450和第二电极图案层460，分别设置在衬底101之上以接触阻变层420的不同部分。另外，非易失性存储器件4可以进一步包括器件绝缘层105，器件绝缘层105用于将第一电极图案层450和第二电极图案层460与衬底101电绝缘。另外，非易失性存储器件4还可以包括层间绝缘层110，层间绝缘层110设置在器件绝缘层105上第一电极图案层450与第二电极图案层460之间。

非易失性存储器件4可以具有与以上参照图12所述的非易失性存储器件3基本上相同的构造，除了阻变层420之外。也就是说，栅绝缘层430、栅电极层440、第一电极图案层450和第二电极图案层460的构造可以与以上参照图12所述的栅绝缘层330、栅电极层340、第一电极图案层350和第二电极图案层360基本上相同。

在一个实施例中，阻变层420可以包括顺序地设置在第一电极图案层450和第二电极图案层460以及层间绝缘层110上的第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b。第一电阻材料层420a可以接触第一电极图案层450和第二电极图案层460以及层间绝缘层110，并且第二电阻材料层420b可以接触栅绝缘层430。

第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b可以各自包括可变电阻材料。可变电阻材料可以包括氧空位或可移动金属离子425。金属离子可以是阳离子或阴离子。可变电阻材料可以与构成以上参照图1所述的非易失性存储器件1的阻变层120的可变电阻材料基本上相同。

在一个实施例中，第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b中的每个可以包括相同的可变电阻材料。这里，第一电阻材料层420a与第二电阻材料层420b相比，可以具有较低的氧空位425浓度或较低的可移动金属离子425浓度。因此，第一电阻材料层420a可以是比第二电阻材料层420b电阻更高的电阻体。此外，第一电阻材料层420a可以更薄并且具有比第二电阻材料层420b的厚度更小的厚度。

在根据一个实施例的制造方法中，可以利用相同的源材料在第一电极图案层450和第二电极图案层460上以及在层间绝缘层110上形成第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b。这里，可以通过在制造过程中提供相对较低的氧浓度来形成包括具有高的氧空位浓度的氧化物的第一电阻材料层420a。随后，可以通过在制造过程中增加注入氧的浓度来形成第二电阻材料层420b，第二电阻材料层420b包括具有相对较低的氧空位浓度的氧化物。在一些实施例中，在第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b内部的氧空位425可以形成为具有浓度梯度。即，可以将第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b的氧空位425的浓度从第一电阻材料层420a的下表面LS420至第二电阻材料层420b的上表面US420增大。

在根据另一个实施例的制造方法中，第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b可以利用相同的源材料形成在第一电极图案层450和第二电极图案层460上以及层间绝缘层110上。这里，可以注入相对较低浓度的可移动金属离子425以形成第一电阻材料层420a。随后，可以增加要注入的可移动金属离子425的浓度，以形成第二电阻材料层420b。在一些实施例中，在第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b内部的可移动金属离子425可以形成为具有浓度梯度。也就是说，可以使分布在第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b内部的可移动金属离子425的浓度从第一电阻材料层420a的下表面LS420至第二电阻材料层420b的上表面US420增大。

图16和图17是说明根据本公开的一个实施例的非易失性存储器件4的设定操作和复位操作的视图。为了便于描述，将以具有正电荷的氧空位425的阻变层42的示例作为一个实施例进行描述，但实施例不限于此。在其它实施例中，例如，可以以基本上相同的方式利用包括可移动金属离子425的阻变层420。

参见图16，在设定操作中，可以将包括具有正极性的偏压的第一栅极电压施加至栅电极层440。另外，在将第一栅极电压施加至栅电极层440时，可以在第一电极图案层450与第二电极图案层460之间施加设定电压。

这里，由设定电压产生的电场可以分别集中在第一电极图案层450和第二电极图案层460的图案边缘部分450A和460A上。另外，因为第一电阻材料层420a是比第二电阻材料层420b电阻更高的电阻体，所以当在第一电阻材料层420a和第二电阻材料层420b上施加设定电压时，可以将相对较高的电压施加至第一电阻材料层420a上。结果，可以在与图案边缘部分450A和460A相邻的第一电阻材料层420a中分别形成第一触发细丝425t1和第二触发细丝425t2。

随后，可以在第二电阻材料层420b中形成连接至第一触发细丝425t1和第二触发细丝425t2的连接细丝425c。连接细丝425c将第一触发细丝425t1与第二触发细丝425t2连接，从而形成连续的且连接的导电细丝40。

参见图17，可以将包括具有负极性的偏压的第二栅极电压施加至栅电极层440。另外，在施加第二栅极电压时，可以在第一电极图案层450与第二电极图案层460之间施加复位电压。复位电压可以具有与设定电压不同的极性。

根据一个实施例，阻变层420中的导电细丝40的氧空位425可以由复位电压产生的焦耳热分解。来自导电细丝40的氧空位425的分解可以以相对较高的频率发生在第二电阻材料层420b的连接细丝425c中。另外，通过施加第二栅极电压，分解的氧空位425可以排出并且移动而远离细丝形成区域。随着氧空位425分解，导电细丝40的至少一部分可以断开。结果，可以增加阻变层420的电阻。因此，阻变层420的内部电阻状态可以从低电阻状态转变为高电阻状态并存储在存储器单元中。

在其它实施例中，以上参照图12所述的阻变层320和以上参照图15所述的阻变层420的结构可以应用至以上参照图1所述的阻变层120。即，阻变层120可以具有与第一电极图案层150和第二电极图案层160以及栅绝缘层130接触的第一电阻材料层和设置在第一电阻材料层上的第二电阻材料层。与第二电阻材料层相比，第一电阻材料层可以是电阻更高的电阻体。因此，可以在第一电阻材料层中形成触发细丝，并且可以在第二电阻材料层中形成连接细丝。

以上出于说明性目的已经公开了本发明构思的实施例。本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离所附权利要求书中公开的发明构思的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。