CN104303301A - 切换装置结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述切换装置结构及方法。切换装置可包含包括形成于第一电极与第二电极之间的材料的竖直堆叠。所述切换装置可进一步包含第三电极，所述第三电极耦合到所述竖直堆叠且经配置以接收施加到第三电极的电压以控制在所述第一电极与所述第二电极之间的所述材料中的导电路径的形成状态，其中所述导电路径的所述形成状态可在接通状态与关断状态之间切换。

Description

切换装置结构及方法
技术领域
本发明大体上涉及切换装置结构及方法。
背景技术
切换装置为可断开电路、中断电流或将电流从一个导体转向到另一导体的电组件。切换装置可包含半导体装置(例如双极结式晶体管或场效晶体管)及若干端子。当将控制信号施加于切换装置时，切换装置可断开及/或闭合。当切换装置闭合时，小残余电阻可继续存在于若干端子之间。
存储器装置通常被提供为计算机或其它电子装置中的内部半导体集成电路。存在许多不同类型存储器，包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态随机存储器(DRAM)、同步动态随机存取存储器(SDRAM)、快闪存储器及电阻性(例如，电阻可变)存储器等。电阻性存储器的类型包含可编程导体存储器、相变随机存取存储器(PCRAM)及电阻性随机存取存储器(RRAM)等。
存储器装置被利用作为需要高存储器密度、高可靠性及低功率消耗的广泛范围电子应用的非易失性存储器。非易失性存储器可用于(例如)个人计算机、便携式内存条、固态驱动器(SSD)、数码相机、蜂窝式电话、便携式音乐播放器(例如MP3播放器)、电影播放器及其它电子装置中。
存储器装置可包含布置成矩阵(例如，阵列)的若干存储器单元。电阻性存储器单元可包括电阻性存储元件及选择装置。作为一实例，选择装置可为用以选择(例如，存取)存储器单元的二极管、场效应晶体管(FET)或双极结式晶体管(BJT)以及其它切换装置。存储器单元的选择装置可耦合到(例如)形成阵列的“行”的存取线(例如，字线)。每一存储器单元的存储元件可耦合到在阵列的“列”中的数据/感测线(例如，位线)。以此方式，可经由通过选择耦合到一行存储器单元的栅极电极的字线而激活一行存储器单元的行解码器来存取存储器单元的选择。通过取决于与所选存储器单元的经编程状态相关联的电阻引起不同电流在存储器元件中流动，可确定(例如，感测)一行所选存储器单元的经编程状态。
存储器单元可经编程(例如，写入)到所要状态。即，可针对存储器单元设定若干经编程状态(例如，电阻水平)中的一者。例如，单级单元(SLC)可表示两个逻辑状态中的一者，例如，1或0。电阻性存储器单元还可经编程到两个以上经编程状态中的一者，例如表示两个以上二进制数字，例如，1111、0111、0011、1011、1001、0001、0101、1101、1100、0100、0000、1000、1010、0010、0110或1110。此类单元可称为多状态存储器单元、多位单元或多级单元(MLC)。
附图说明
图1A到图1C说明根据本发明的一或多个实施例的切换装置的横截面图。
图2为说明根据本发明的一或多个实施例的用于形成导电路径的方法的实例的流程图。
图3为根据本发明的一或多个实施例的包含切换装置的电阻性存储器阵列的一部分的示意图。
具体实施方式
在本文中描述切换装置结构及方法。一或多个切换装置可包含包括形成于第一电极与第二电极之间的材料的竖直堆叠。所述切换装置可进一步包含第三电极，所述第三电极耦合到所述竖直堆叠且经配置以接收施加到所述第三电极的电压，以控制所述第一电极与所述第二电极之间的所述材料中的导电路径的形成状态，其中所述导电路径的所述形成状态可在接通状态与关断状态之间切换。
根据本发明的实施例的切换装置结构及方法可提供三电极(例如，三端子)可伸缩装置，其可充当晶体管而非(例如)二极管及/或电阻器。根据文本中描述的实施例的多种切换装置可包括与先前切换装置相比具有不同的位置的电极(例如，栅极电极)，与先前切换装置相比，所述电极可在切换装置内提供增大的电场。电场还可以若干不同角度形成，从而导致与经设计以经由大约90度的电场操作的装置相比更小、更紧凑装置。例如，与如参考本发明的实施例在本文中进一步描述的更加紧凑的竖直切换装置相比，经由以90度作用的电场执行导电路径(例如，导电细丝)的形成及/或断开的平面装置可导致较大装置。
在若干实施例中，切换装置可类似于晶体管而运行且可用以(例如)放大及/或切换电信号及功率。根据本发明的实施例的切换装置与先前晶体管(例如，执行相同或类似切换功能的场效应晶体管(FET))相比在大小上可更紧凑且可具有更大面积密度。
在本发明的下文详细描述中，参考形成描述的一部分的附图，且在其中以说明的方式展示可如何实践本发明的若干实施例。充分详细地描述这些实施例以使所属领域的一般技术人员能够实践本发明的若干实施例，且应了解，可利用其它实施例且在不脱离本发明的范围的情况下，可进行工艺、电或机械改变。
如将了解，在本文中的多种实施例中展示的元件可经添加、互换及/或去除以便提供本发明的若干额外实施例。此外，如将了解，在图中所提供的元件的比例及相对尺度旨在说明本发明的实施例，且不应以限制意义理解。如在本文中所使用，“若干”某物可指代一或多个此类事物。例如，若干存储器装置可指代一或多个存储器装置。
本文中描述的多种处理阶段(包含使用材料来形成组件)可包含以此项技术领域中众所周知的若干方式使用材料沉积。一些实例包含化学气相沉积(CVD)及/或原子层沉积(ALD)等。如所属领域的技术人员将了解，涉及材料移除的处理阶段可包含使用(例如)光刻、图案化、湿式及/或干式蚀刻及类似物。
本文中的图遵循编号惯例，其中第一位数或前几位数对应于图式编号且剩余位数识别图式中的元件或组件。可通过使用类似数识别不同图之间的类似元件或组件。例如，100可指图1A到图1C中的元件“00”，且图4中的类似元件可被标记为400。如将了解，在本文中多种实施例中展示的元件可经添加、互换及/或去除以便提供本发明的若干额外实施例。此外，如将了解，在图中所提供的元件的比例及相对尺度旨在说明本发明的实施例，且不应以限制意义理解。
图1A到图1C说明根据本发明的一或多个实施例的切换装置100的横截面图。在若干实施例中，切换装置100经由离子移动而操作，例如，在“接通”状态与“关断”状态之间切换。因而，切换装置100可称为纳米离子切换装置。如在图1A到图1C中所说明，切换装置100可包含电极102、电极104及电极106。电极102、104及106可包括(例如)导电材料，例如，钨、氮化钛等。装置100可形成于衬底(未展示)上，所述衬底可为硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底或蓝宝石上硅(SOS)及多种其它衬底材料。例如，装置100可呈柱形或台面形等。
可经由施加电信号来控制切换装置(例如分别在图1A、图1B及图1C中说明的切换装置100-1、100-2及100-3)的操作，电信号的施加导致切换操作中的离子(例如，金属离子)的扩散及其还原及/或氧化过程以形成及/或湮灭导电路径，例如，导电细丝及/或金属原子桥。在若干实施例中，导电路径可包含(例如)可在所施加场下建立的任意类型导电通路及/或体积。例如，在混合价氧化物(MVO)材料(例如PCMO(PrxCayMgzO))中，氧空位可在所施加电场下在材料体积中均匀地移动且在未形成细丝的情况下改变材料电阻。
例如，在接通状态中，导电路径可在切换装置的两个电极之间建立导电通路。在若干实施例中，此原子切换装置可为三电极装置且可执行与晶体管类似的功能。装置100可展现类似于(例如)互补金属氧化物半导体(CMOS)装置的电性能。
图1A说明切换装置100-1的横截面图。切换装置100-1包含邻近于且围绕电极102形成的电极106-1。在若干实施例中，电极106-1邻近于但不围绕电极102。如在图1A中所说明，例如，绝缘材料103可形成于电极106-1与电极102之间以使它们彼此隔离。材料110形成于电极104与电极102及106-1之间，且在材料110内可为材料111。材料110可为(例如)层间电介质，例如，氮化物电介质(例如，氮化硅(Si3N4))。在若干实施例中，材料111可包括电阻可变材料。在材料111为电阻可变材料的实施例中，材料111可为(例如)RRAM材料。在若干实施例中，材料111可形成于电极104、102及106-1之间。
实例RRAM材料可包含(例如)二氧化锆(ZrO2)或氧化钆(GdOx)。其它RRAM材料可包含(例如)庞磁阻材料，例如Pr(1-x)CaxMnO3(PCMO)、La(1-x)CaxMnO3(LCMO)及Ba(1-x)SrxTiO3。RRAM材料还可包含金属氧化物，例如碱金属氧化物(例如，Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、BeO、MgO、CaO、SrO及BaO)、折射金属氧化物(例如，NbO、NbO2、Nb2O5、MoO2、MoO3、Ta2O5、W2O3、WO2、WO3、ReO2、ReO3及Re2O7)及二元金属氧化物(例如，CuxOy、WOx、Nb2O5、Al2O3、Ta2O5、TiOx、ZrOx、NixO及FexO)。RRAM材料还可包含GexSey及可支持固相电解质行为的其它材料。在一些实施例中，用于离子存储器的材料可包含反应性离子及固体电解质材料。在当前装置中的反应性离子可包含(例如)Cu、Ag及/或Zn。固体电解质可包含(例如)金属硫化物、基于Ge的硫族化合物及/或氧化物。
其它RRAM材料可包含钙钛矿氧化物(例如，掺杂或未掺杂的SrTiO3、SrZrO3及BaTiO3)及聚合物材料(例如，孟加拉国玫瑰红(Bengala Rose)、AlQ3Ag、Cu-TCNQ、DDQ、TAPA)及基于荧光素的聚合物以及其它类型的RRAM材料。本发明的实施例不限于特定类型的RRAM材料。
如在图1A中展示，切换装置100-1为材料的竖直堆叠。在操作中，可施加电压到电极102、104及/或106-1以控制材料111中的导电路径108(例如，导电细丝)的形成状态。在若干实施例中，导电路径108的形成状态可在接通状态(例如，导电性)与关断状态(例如，非导电性)之间切换。可施加电压到电极102、104及/或106-1使得(例如)电极102/106-1与104之间的组合电压差建立足以控制形成状态的电场。
在若干实施例中，电极102可用作为源极电极，电极104可用作为漏极电极，且电极106-1可用作为切换装置100-1的栅极电极。例如，电极102可形成为接触支柱。例如，电极104及106-1可形成为导电线，或切换装置100-1可形成为竖直支柱。在图1A中说明的实例中，电极102及106-1可独立于彼此受到控制。在若干实施例中，电极102及106-1可一起受控制且可一起充当单个电极。
图1B说明切换装置100-2的横截面图。切换装置100-2包含形成于材料110及/或材料111内的电极106-2。在图1B中说明的实例中，切换装置100-2为材料的竖直堆叠。在操作中，可施加电压到电极102、104及/或106-2以控制材料111内的导电路径108的形成状态。例如，可施加电压到电极102、104及/或106-2，使得电极102/106-2与104之间的组合电压差建立足以控制形成状态的电场。
如在图1B中展示，电极106-2形成于电极102与104之间且形成于材料110的一部分内。在一些实施例中，电极106-2可形成于材料111的一部分内。电极102与106-2之间的距离103小于电极102与104之间的距离105。与参考图1A展示的切换装置100-1的电极106-1与104之间的电场相比较，这可导致电极106-2与104之间的增大的电场。电极102与106-2可独立于彼此受到控制，例如，可对电极102及106-2施加不同电压。
图1C说明切换装置100-3的横截面图。切换装置100-3包含形成于材料110之外的电极106-3。在一些实例中，电极106-3可形成于材料111之外。在图1B中说明的实例中，切换装置100-3为材料的竖直堆叠。在操作中，可施加电压到电极102、104及/或106-3以控制材料111中的导电路径108的形成状态。如在图1B中所说明，电极106-3可形成于电极102与104之间及/或围绕材料110的一部分形成。在一些实施例中，电极106-3可形成于电极102与104之间及/或围绕材料111的一部分形成。在若干实施例中，电极102与106-3之间的距离107小于电极102与104之间的距离109。与图1A中展示的切换装置100-1的电极106-1与104之间的电场相比较，这可导致电极106-3与104之间的增大的电场。电极102与106-3可独立于彼此受到控制，例如，可对电极102及106-3施加不同电压。
在若干实施例中，切换装置结构(例如，切换装置100-1、100-2及100-3)可作为存储器单元操作。例如，可施加电压到切换装置的电极以控制导电路径108的形成(其可表示经编程状态)及导电路径108的湮灭(其可表示擦除状态)。
在若干实施例中，切换装置(例如，切换装置100-1、100-2及100-3)可耦合到存储元件以形成存储器单元。如将参考图3在本文中进一步论述，切换装置可与存储元件(例如，其可为电阻性存储元件)串联耦合。
图2是说明根据本发明的一或多个实施例的用于形成导电路径的方法218的实例的流程图。在220处，形成包括第一电极、第二电极、第三电极及第一电极与第二电极之间的电阻可变材料的竖直堆叠。在若干实施例中，竖直堆叠可包括切换装置，例如结合图1A到图1C描述的装置100-1、100-2及100-3。
在222处，施加第一电压到第一电极(例如，其可为源极电极)。在224处，施加第二电压到第二电极(其可为栅极电极)。在若干实施例中，第二电压大于第一电压；然而，实施例并不因此受限。施加到第一电极及第二电极的电压可足以使得第一/第二电极与第三电极(例如，漏极电极)之间的电场(例如)导致在第一电极与第三电极(例如，源极电极与漏极电极)之间形成导电路径。这可导致切换装置充当晶体管。在若干实施例中，第一电极与第二电极可分开受控。如在226处说明，导电路径可经由离子移动而形成，且在若干实施例中可引起切换装置充当晶体管。在若干实施例中，可通过施加不同电压到第一电极及第二电极(例如，通过分开控制第一电极及第二电极)来控制第一/第二电极与第三电极之间的总电压差。
因而，可通过施加电压(例如，所需偏压)于栅极电极与漏极电极之间或通过控制切换装置的漏极电极与源极电极/栅极电极之间的累积电场来控制导电路径。可通过测量源极电极与漏极电极之间的电流感测切换装置的状态。在若干实施例中，切换装置可耦合到RRAM或导电桥接RAM(CBRAM)存储元件等。
图3为根据本发明的一或多个实施例的包含切换装置300的电阻性存储器阵列328的一部分的示意图。电阻性存储器阵列328包含若干存储器单元330，每一存储器单元包含耦合到电阻性存储元件332的切换装置300。电阻性存储元件332可包含电阻可变材料，例如在图1A到图1C中描述的所述电阻可变材料。例如，电阻性存储元件332可包含包括在一对电极之间的存储材料的双端子电阻可变存储元件。在若干实施例中，切换装置可用作为存储器单元的选择装置。
切换装置300可包含包括形成于两电极之间的材料的竖直堆叠，且切换装置300可包含第三电极，其耦合到竖直堆叠且经配置以接收施加到所述第三电极的电压以控制导电路径(例如，一导电路径)的形成状态。在若干实施例中，形成状态可在接通状态与关断状态之间切换。
在图3中说明的实例中，切换装置300与电阻性存储元件332串联耦合以形成存储器单元330。切换装置300可为例如图1A到图1C中描述的所述切换装置的切换装置。可根据本文中描述的实施例形成存储器单元330。
在图3中说明的实例中，切换装置300为三端子切换装置。如在图3中展示，每一切换装置300的电极(例如，栅极电极)耦合到若干字线336-1(WL0)、336-2(WL1)、......、336-N(WLN)中的一者，即每一字线336-1、336-2、......、336-N耦合到一行存储器单元330。指示符“N”用以指示电阻性存储器阵列328可包含若干字线。
在图3中说明的实例中，每一电阻性存储元件432耦合到若干位线338-1(BL0)、338-2(BL1)、......、338-M(BLM)中的一者，即，每一位线338-1、338-2、......、338-M耦合到一列存储器单元330。指示符“M”用以指示电阻性存储器阵列328可包含若干位线。指示符M及N可具有多种值。例如，M及N可为64、128或256。在一些实施例中，位线方向垂直于字线方向，例如，存储器单元330的行及存储器单元330的列彼此垂直。
例如，切换装置300可经操作(例如，接通/关断)以选择/取消选择存储器单元330以便执行例如数据编程的操作(例如，写入)及/或数据读取操作。在操作中，适宜电压及/或电流信号(例如，脉冲)可施加到位线及字线以便将数据编程到存储器单元330及/或从存储器单元330读取数据。作为一实例，由阵列328的存储器单元330存储的数据可通过接通切换装置300及感测通过电阻性存储元件332的电流加以确定。可经由导致如上进一步描述的导电路径的形成/湮灭的离子移动而接通/关断切换装置300。在对应于经读取的所选存储器单元330的位线上感测到的电流对应于电阻性存储元件332的电阻可变材料的电阻水平，其又可对应于特定数据状态，例如，二进制值。如所属领域的一般技术人员将了解，电阻性存储器阵列328可具有除图3中说明的架构外的架构。在图3中展示的实例中，切换装置的电极(例如，漏极电极)耦合到接地电压。然而，实施例并不因此受限。
尽管本文中已说明及描述特定实施例，但所属领域的一般技术人员将了解经计算以实现相同结果的布置可代替展示的特定实施例。本发明旨在涵盖本发明的多种实施例的调适或变动。应了解，以上描述是以阐释性方式而非限制性方式进行。所属领域的技术人员在检视以上描述之后将清楚以上实施例及其它未在本文中具体描述的实施例的组合。本发明的多种实施例的范围包含其中使用以上结构及方法的其它应用。因此，本发明的多种实施例的范围应参考所附权利要求书连同此权利要求书有资格具有的等效物的完整范围加以确定。
在前述实施方式中，多种特征一起分组于单个实施例中用于简化揭示内容的目的。此揭示方法不应解释为反映本发明的所揭示实施例必须使用多于在每一权利要求中明确引述的特征的意图。实情是，如所附权利要求书反映，本发明标的物在于少于单个所揭示实施例的所有特征的特征。因此，所附权利要求书特此并入实施方式中，其中每一权利要求独立作为单独的实施例。

Claims (26)

1.一种切换装置，其包括：
竖直堆叠，其包括形成于第一电极与第二电极之间的材料；以及
第三电极，其耦合到所述竖直堆叠，且经配置以接收施加到所述第三电极的电压，以控制在所述第一电极与所述第二电极之间的所述材料中的导电路径的形成状态；
其中所述导电路径的所述形成状态可在接通状态与关断状态之间切换。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电极经配置以接收施加到所述第二电极的电压，所述施加到所述第二电极的电压结合施加到所述第三电极的所述电压以控制所述形成状态。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电极与所述第三电极之间的距离小于所述第一电极与所述第二电极之间的距离。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第三电极邻近于所述第二电极。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第三电极邻近于所述第二电极且围绕所述第二电极。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第三电极形成于所述第一电极与所述第二电极之间且在所述材料的一部分内。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第三电极形成于所述第一电极与所述第二电极之间且围绕所述材料的一部分。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的装置，其中所述第二电极形成于支柱上。
9.一种切换装置，其包括：
竖直堆叠，其包括形成于第一电极与第二电极之间的电阻可变材料，所述第二电极形成于支柱上；以及
第三电极，其耦合到所述竖直堆叠，且经配置以接收施加到所述第三电极的电压，以控制在所述第一电极与所述第二电极之间的所述电阻可变材料中的导电路径的形成状态；
其中所述导电路径的所述形成状态可在接通状态与关断状态之间切换。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第三电极耦合到导电线。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一电极耦合到导电线。
12.根据权利要求9所述的装置，其中所述装置为纳米离子切换装置。
13.根据权利要求9所述的装置，其中所述装置为CMOS装置。
14.根据权利要求9到13中任一权利要求所述的装置，其中所述第一电极为漏极电极。
15.根据权利要求9到13中任一权利要求所述的装置，其中所述第二电极为源极电极。
16.根据权利要求9到13中任一权利要求所述的装置，其中所述第三电极为栅极电极。
17.根据权利要求9到13中任一权利要求所述的装置，其中所述电阻可变材料为电阻性随机存取存储器材料。
18.根据权利要求9到13中任一权利要求所述的装置，其中所述电阻可变材料包含过渡金属氧化物材料。
19.根据权利要求9所述的装置，其中所述电阻可变材料包含金属合金材料。
20.一种存储器单元，其包括：
存储元件；
切换装置，其与所述存储元件串联耦合，所述切换装置包括：
竖直堆叠，其包括形成于第一电极与第二电极之间的材料；以及
第三电极，其耦合到所述竖直堆叠，且经配置以接收施加到所述第三电极的电压，以控制在所述第一电极与所述第二电极之间的所述材料中的导电路径的形成状态；
其中所述导电路径的所述形成状态可在接通状态与关断状态之间切换。
21.根据权利要求20所述的存储器单元，其中所述存储元件为包括一对电极之间的存储材料的双电极电阻可变存储元件。
22.根据权利要求20到21中任一权利要求所述的存储器单元，其中所述切换装置用作为所述存储器单元的选择装置。
23.一种操作切换装置的方法，其包括：
施加第一电压到竖直堆叠的栅极电极，所述竖直堆叠包括形成于源极电极与漏极电极之间的材料；以及
施加第二电压于所述源极电极与所述漏极电极之间以控制导电路径的形成状态，
其中所述第一电压及所述第二电压的施加引起经由离子移动对所述切换装置进行编程。
24.一种形成导电路径的方法，其包括：
形成包括第一电极、第二电极、第三电极及所述第一电极与所述第二电极之间的电阻可变材料的竖直堆叠；
施加第一电压到所述第一电极；以及
施加第二电压到所述第二电极，其中所述第二电压大于所述第一电压，
其中所述第一电压及所述第二电压的施加引起经由离子移动在所述第一电极与所述第三电极之间形成导电路径。
25.根据权利要求24所述的方法，其进一步包括通过控制所述第一电极与所述第三电极之间的累积电场控制所述导电路径。
26.根据权利要求24到25中任一权利要求所述的方法，其中所述第一电极包含源极电极，所述第二电极包含栅极电极，且所述第三电极包含漏极电极。
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