用于電阻式存儲(chǔ)器裝置的納米線的納米通道陣列的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]電阻式存儲(chǔ)器元件可以通過(guò)施加編程能量來(lái)編程至不同電阻狀態(tài)。在編程之后，電阻式存儲(chǔ)器元件的狀態(tài)可被讀取并在指定的時(shí)間周期內(nèi)保持穩(wěn)定。電阻式存儲(chǔ)器元件的大陣列可以被用于創(chuàng)建多種電阻式存儲(chǔ)器裝置，包括非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器、可編程邏輯、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、模式識(shí)別裝置和其它應(yīng)用。電阻式存儲(chǔ)器裝置的示例包括憶阻器、相變存儲(chǔ)器和自旋轉(zhuǎn)移矩。
[0002]憶阻器是可以通過(guò)施加編程能量(例如，電壓或電流脈沖)來(lái)編程至不同電阻狀態(tài)的裝置。這種能量生成可以調(diào)制憶阻元件中非易失性開(kāi)關(guān)和非線性選擇功能兩者的導(dǎo)電性的熱效應(yīng)和電場(chǎng)的組合。編程之后，憶阻器的狀態(tài)可以被讀取并在指定的時(shí)間周期內(nèi)保持穩(wěn)定。憶阻元件可以被用于多種應(yīng)用，其包括非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器、可編程邏輯、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、模式識(shí)別和其它應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0003]圖1是透視示意圖，其圖示了根據(jù)示例的存儲(chǔ)器裝置(例如憶阻裝置)中的多個(gè)納米通道。
[0004]圖2是與圖1類似的圖，但是為了清楚消除了電極和絕緣區(qū)域，其中電極之間的離子路徑的示例被示出。
[0005]圖3是與圖1類似的圖，但是為了清楚消除了電極和絕緣區(qū)域，其中核/殼納米線結(jié)構(gòu)的示例被示出。
[0006]圖4是描繪根據(jù)示例的用于制造具有納米通道的存儲(chǔ)器裝置(例如憶阻器)的方法的流程圖。
[0007]圖5是根據(jù)示例的并入例如圖1中示出的存儲(chǔ)器裝置的納米線交叉開(kāi)關(guān)(crossbar)結(jié)構(gòu)的等距視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]如在本文的說(shuō)明書和權(quán)利要求中使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”包括復(fù)數(shù)對(duì)象，除非上下文另外清楚指示。
[0009]如在本說(shuō)明書和所附權(quán)利要求中使用的，“近似”和“大約”意味著由例如制造工藝中的變化引起的±10%的變化。
[0010]在下面詳細(xì)的描述中，參考伴隨本公開(kāi)的附圖，其圖示了其中本公開(kāi)可以被實(shí)踐的具體示例。示例的組件可以被定位在許多不同的取向上，且與組件的取向有關(guān)的所使用的任何方向性的術(shù)語(yǔ)用于圖示的目的且決不是限制性的。方向性術(shù)語(yǔ)包括例如“頂部”、“底部，，、“前面”、“后面”、“頭部”、“尾部”等的詞。
[0011]將理解的是，其中本公開(kāi)可以被實(shí)踐的其它示例存在，并且在不脫離本公開(kāi)的范圍的情況下可以做出結(jié)構(gòu)或邏輯的改變。因此，下面的詳細(xì)描述并不在限制性意義上被理解。替代地，本公開(kāi)的范圍由所附權(quán)利要求限定。
[0012]電阻式存儲(chǔ)器元件可以用于多種應(yīng)用，包括非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器、可編程邏輯、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、模式識(shí)別和其它應(yīng)用。
[0013]如在說(shuō)明書和所附權(quán)利要求中使用的，術(shù)語(yǔ)“電阻式存儲(chǔ)器元件”廣泛地指代可編程非易失性電阻器，諸如電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ReRAM)、相變存儲(chǔ)器(PCRAM)、基于鈣鈦礦(例如Sr(Zr)T13)的憶阻器技術(shù)、過(guò)渡金屬氧化物(諸如N1或T12或TaOx)、硫?qū)倩衔?諸如Ge2Sb2Te5SAgInSbTe)、固態(tài)電解質(zhì)(諸如GeS、GeSe、Cu2S)、有機(jī)電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物(例如CuTCNQ)、有機(jī)施主-受主系統(tǒng)、各種分子系統(tǒng)、或其它非易失性可編程電阻式存儲(chǔ)器元件。
[0014]憶阻器或憶阻裝置是納米尺度裝置，其可以用作諸如存儲(chǔ)器、開(kāi)關(guān)和邏輯電路和系統(tǒng)之類的廣泛范圍的電子電路中的組件。在存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中，可以使用憶阻器的交叉開(kāi)關(guān)。例如，當(dāng)作為用于存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)使用時(shí)，憶阻器可以用于存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于憶阻器是處于其高電阻狀態(tài)還是處于其低電阻狀態(tài)(或反之亦然)的信息位，I或O。當(dāng)用作邏輯電路時(shí)，憶阻器可以被用作邏輯電路中的配置位和開(kāi)關(guān)，所述邏輯電路類似現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，或可以是用于有線邏輯可編程邏輯陣列的基礎(chǔ)。還可能的是，針對(duì)這些和其它應(yīng)用使用能夠進(jìn)行多狀態(tài)或模擬行為的憶阻器。
[0015]當(dāng)用作開(kāi)關(guān)時(shí)，在交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器中憶阻器可以處于低電阻(接通)狀態(tài)中，或者處于高電阻(斷開(kāi))狀態(tài)中。在最近幾年期間，研究者在尋找使這些憶阻器的切換功能高效地運(yùn)轉(zhuǎn)的方法方面已經(jīng)做出巨大進(jìn)步。例如，氧化鉭(TaOx)基憶阻器已經(jīng)被展示以具有在其它能夠進(jìn)行電子切換的納米尺度裝置之上的出眾的持久性。在實(shí)驗(yàn)室設(shè)定中，氧化鉭基憶阻器能夠進(jìn)行超過(guò)100億的切換循環(huán)。
[0016]憶阻器可以包括夾在兩個(gè)電極之間的切換材料，諸如T1x或TaOx。憶阻行為通過(guò)切換材料內(nèi)的離子核素(例如，氧離子或空位)的運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到，以經(jīng)由兩個(gè)電極之間的導(dǎo)電絲的調(diào)制來(lái)創(chuàng)建局部導(dǎo)電性的變化，這導(dǎo)致低電阻“導(dǎo)通”狀態(tài)，高電阻“斷開(kāi)”狀態(tài)，或中間狀態(tài)。最初，當(dāng)憶阻器被首先制備時(shí)，整個(gè)切換材料可以是非導(dǎo)電的。像這樣，形成工藝可被要求來(lái)在兩個(gè)電極之間的切換材料中形成導(dǎo)電通道。已知的形成工藝，經(jīng)常叫作“電成型”，包括跨越電極施加足夠高(閾值)的電壓達(dá)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以在切換材料中引起成核現(xiàn)象(nucleat1n)和局部導(dǎo)電通道(或有源區(qū))的形成。形成工藝所要求的閾值電壓和時(shí)間長(zhǎng)度可以取決于用于切換材料、第一電極和第二電極的材料的類型以及裝置的幾何結(jié)構(gòu)。
[0017]金屬或半導(dǎo)體氧化物可以用在憶阻裝置中；示例包括過(guò)渡金屬氧化物(諸如氧化鉭、氧化鈦、氧化釔、氧化鉿、氧化鈮、氧化鋯、或其它類似氧化物)，或包括非過(guò)渡金屬氧化物(諸如氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鏑、氧化鑭、二氧化硅或其它類似氧化物)。進(jìn)一步的示例包括過(guò)渡金屬氮化物，諸如氮化鉭和氮化鈦。
[0018]現(xiàn)有技術(shù)的憶阻裝置可以包括電極之間的連續(xù)氧化膜。細(xì)絲/離子擴(kuò)散以非常像閃電的隨機(jī)形式(其可以取得最小電阻的路徑)形成在電極之間的氧化膜中。該隨機(jī)路徑引起憶阻器1-V特性中的從切換循環(huán)到切換循環(huán)以及尤其從裝置到裝置的變化?，F(xiàn)有技術(shù)的單極或雙極的憶阻或非易失性電阻式存儲(chǔ)器裝置傾向于具有在電極之間的該隨機(jī)導(dǎo)電路徑。在導(dǎo)電通道形成中的該隨機(jī)性可能引起再現(xiàn)性和/或可靠性問(wèn)題。
[0019]根據(jù)本文教導(dǎo)的，納米尺度通道可以用于建立用于單極和雙極憶阻裝置兩者的導(dǎo)電路徑的精確通道。離子可以在多個(gè)通道中擴(kuò)散，但是電極之間的路徑長(zhǎng)度通?？偸墙葡嗤?。此外，如果使用密集的納米線，則離子可以在納米線中或在納米線表面中擴(kuò)散，這可以具有表面效應(yīng)并允許離子擴(kuò)散更加快速。
[0020]通過(guò)“密集的納米線”或“密集的納米線陣列”意指陣列中納米線的填充密度(packing density)?？紤]納米線陣列的橫截面視圖。在一些示例中，納米線可以處于方形配置。在其它示例中，納米線可以處于三角形或蜂巢配置。此后者配置可以被考慮是緊密堆積的配置。
[0021]無(wú)論如何，在一些示例中，納米線可以接觸鄰近的納米線以形成填充的或緊密填充的結(jié)構(gòu)。在其它示例中，在陣列中，納米線可以與其它納米線隔開(kāi)直到納米線的直徑的距離。
[0022 ] 陣列的大小可以從憶阻單元面積的1 % —直到單元面積的100 %。在一些示例中，陣列的大小可以大于單元面積的50%。作為示例，在標(biāo)稱的10 X 1nm2憶阻單元中，陣列可以具有100X100的每個(gè)直徑為0.1nm的納米線。單元的剩余面積被絕緣區(qū)域占據(jù)。絕緣區(qū)域可以包括氧化物，諸如Ta2O5、T12、Nb205、或其它過(guò)渡金屬氧化物。
[0023]注意，每個(gè)單元中陣列的大小并不需要從一個(gè)單元到下一個(gè)單元是非常一致的，只要在每個(gè)單元中存在足夠的納米通道以提供用于核素運(yùn)動(dòng)的路徑。
[0024]各向異性氧化膜可以由密集的離子/電子通道束組成，使得所有的細(xì)絲/離子擴(kuò)散都具有離相對(duì)的電極近似相同的距離。因?yàn)閼涀柩b置中的電極可以被隔開(kāi)大約10nm，所以納米線的長(zhǎng)度近似相同。可移動(dòng)核素的運(yùn)動(dòng)路徑被限定為對(duì)于不同裝置近似相同，這可以顯著地減小從裝置到裝置的變化性。
[0025]因此，納米尺度通道的存在可以去除傳導(dǎo)路徑(細(xì)絲或離子擴(kuò)散)的形成的隨機(jī)性質(zhì)。進(jìn)一步地，納米尺度通道可以為離子擴(kuò)散提供“高速公路”。
[0026]通道可以由具有直徑為小于I納米(例如0.1nm的直徑)到幾納米(例如2nm)的密集納米線制成。離子路徑根據(jù)納米線的電/化學(xué)/物理性質(zhì)可以在納米線中或在鄰近的納米線(納米線之間)表面上。特別地，在納米線在填充或緊密填充的陣列中接觸的情況下，這樣的多個(gè)納米線之間的界面可以導(dǎo)致改善的離子導(dǎo)電性。因此，除了多個(gè)納米線提供的冗余，沿著界面的改善的導(dǎo)電性可以優(yōu)于給定單元中的一個(gè)(或甚至幾個(gè))納米線。隨著對(duì)于細(xì)絲/離子擴(kuò)散路徑的這種減小的變化性，1-V特性可以是更加可再現(xiàn)的。因?yàn)橥ǖ朗菢O度各向異性導(dǎo)體，所以邊緣處的高場(chǎng)擊穿也顯著減小。
[0027]圖1描繪了根據(jù)這些教導(dǎo)的憶阻裝置100。裝置100具有兩個(gè)將絕緣區(qū)域106夾在中間的電極102、104，其在此處以模型的方式被示出以便更清楚地描繪組成納米尺度通道的納米線110的陣列108。
[0028]圖2描繪了如圖1中示出的納米線110的陣列108，但是并沒(méi)有電極102、104和絕緣區(qū)域106。兩個(gè)電極之間的離子路徑可采取以下兩個(gè)路徑中的一個(gè):在納米線110中，如由箭頭112示出的，或在納米線之間的空隙區(qū)域中，如由箭頭114示出的?？雌饋?lái)，空隙路徑114可提供離子核素的更快(高達(dá)經(jīng)由路徑112通過(guò)納米線的內(nèi)部的10至100倍)運(yùn)輸。
[0029]納米線110的材料可以是金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、硫?qū)倩衔锏?，或半?dǎo)體(諸如S1、Ge等)。關(guān)于金屬氧化物(特別是過(guò)渡金屬氧化物)，例如通過(guò)濺射的沉積可引起空位的形成，由此支持離子傳導(dǎo)。這同樣可以適用于金屬氮化物(富氮的氮化物)和金屬碳化物(富碳的碳化物)ο例如，在金屬氧化物、并且特別是過(guò)渡金屬氧化物的情況下，氧空