KR20170037965A - 다상 셀렉터 - Google Patents
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Abstract
상 셀렉터(multiphase selector)는 제 1 전극, 상기 제 1 전극에 연결된 스위칭 층, 상기 스위칭 층에 연결된 캡핑 층, 및 상기 캡핑 층에 연결된 제 2 전극을 포함한다. 상기 스위칭 층은 상대적으로 절연성인 제 1 상의 천이 금속 산화물을 포함하는 매트릭스(matrix)와, 상기 매트릭스 내에 분포된 상대적으로 도전성인 제 2 상의 천이 금속 산화물과, 상기 매트릭스 내에 위치하여서 상기 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 상기 매트릭스 내에서 상기 제 2 상의 천이 금속 산화물을 선택적으로 형성하여 그 위치가 정해지게 하는 촉매를 포함할 수 있다.
Description
셀렉터는 자신을 포함하는 전자 디바이스의 전기적 특성을 제어할 수 있는 디바이스다. 셀렉터는 멤리스터와 결합되어서 메모리 디바이스의 크로스바 어레이를 형성할 수 있다. 멤리스터는 전압과 같은 프로그래밍 에너지를 인가함으로써 상이한 저항성 상태로 프로그래밍될 수 있는 디바이스이다. 메모리 디바이스의 대형 크로스바 어레이는 랜덤 액세스 메모리, 휘발성 고체상 메모리, 프로그램가능한 로직, 신호 프로세싱 제어 시스템, 패턴 인식 용도 및 다른 용도를 포함하는 다양한 용도들에서 사용될 수 있다.
다음의 상세한 설명은 도면을 참조한다.
도 1(a)는 실례에 따른 예시적인 다상 셀렉터의 단면도이다.
도 1(b)는 실례에 따른, 도 1(a)의 다상 셀렉터의 스위칭 층의 단면도이다.
도 2는 실례에 따른, 멤리스터 및 다상 셀렉터를 갖는 예시적인 메모리 디바이스의 블록도이다.
도 3(a)는 실례에 따른, 다상 셀렉터를 제조하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 3(b)는 실례에 따른, 스위칭 층에 대한 원자 스캐터링, 산소 배출, 열적 어닐링을 포함하는 다상 셀렉터를 제조하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 4는 실례에 따른, 도 3(b)의 방법의 실행 동안에 예시적인 다상 셀렉터의 개략적 단면도이다.
도 5(a)는 실례에 따른, 다상 스위칭 층이 없는 셀렉터의, 전류(A) 및 전압(V) 좌표로의, 예시적인 I-V 플롯이다.
도 5(b)는 실례에 따른, 셀렉터의, 전류(A) 및 전압(V) 좌표로의, 예시적인 I-V 플롯이다.
도 1(a)는 실례에 따른 예시적인 다상 셀렉터의 단면도이다.
도 1(b)는 실례에 따른, 도 1(a)의 다상 셀렉터의 스위칭 층의 단면도이다.
도 2는 실례에 따른, 멤리스터 및 다상 셀렉터를 갖는 예시적인 메모리 디바이스의 블록도이다.
도 3(a)는 실례에 따른, 다상 셀렉터를 제조하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 3(b)는 실례에 따른, 스위칭 층에 대한 원자 스캐터링, 산소 배출, 열적 어닐링을 포함하는 다상 셀렉터를 제조하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 4는 실례에 따른, 도 3(b)의 방법의 실행 동안에 예시적인 다상 셀렉터의 개략적 단면도이다.
도 5(a)는 실례에 따른, 다상 스위칭 층이 없는 셀렉터의, 전류(A) 및 전압(V) 좌표로의, 예시적인 I-V 플롯이다.
도 5(b)는 실례에 따른, 셀렉터의, 전류(A) 및 전압(V) 좌표로의, 예시적인 I-V 플롯이다.
멤리스터는 메모리, 스위치, 무선 주파수 회로, 및 로직 회로 및 시스템과 같은 광범위한 전자 회로에서 구성요소로서 사용될 수 있는 디바이스이다. 메모리 구조에서, 멤리스터를 갖는 메모리 디바이스의 크로스바 어레이가 사용될 수 있다. 메모리 디바이스에 대한 기초요소로서 사용될 때에, 멤리스터는 비트 정보 1 또는 0을 저장하는데 사용될 수 있다. 멤리스터의 저항은 멤리스터를 통한, 전압 또는 전류와 같은 전기적 자극을 인가함으로써 변할 수 있다. 일반적으로, 2 개의 상태들, 즉 채널이 전기 도전성 경로를 형성하는 상태(ON 상태) 및 채널이 전기 도전성이 덜한 경로를 형성하는 상태(오프 상태) 간에서 스위칭될 수 있는 적어도 하나의 채널이 형성될 수 있다. 일부 다른 경우들에서, 도전성 경로는 "오프" 상태를 나타내며, 도전성이 덜한 경로는 "온" 상태를 나타낸다.
크로스바 어레이 내에서 멤리스터를 사용할 때에 목표되지 않은 메모리 셀들, 예를 들어서, 목표 셀과 동일한 열 또는 행에 있는 셀들을 통해서 스니크 전류(sneak current)가 흐르면 판독 또는 기록 실패가 발생할 수 있다. 목표되지 않은 이웃 셀들을 통해서 스니크 전류가 흐르게 됨으로 인해서, 인가된 전압으로부터 회로를 통해서 흐르는 총 전류가 목표된 멤리스터를 통과하는 전류보다 높게 되어서 실패가 발생할 수 있다. 각 셀을 격리하고 스니크 전류를 해결하기 위해서 각 멤리스터와 직렬로 연결된 트랜지스터를 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 크로스바 어레이에서 각 멤리스터와 함께 트랜지스터를 사용하는 것은 어레이 밀도를 제한하며 비용을 증가시키며, 이는 상업화에 영향을 준다. 그러한 결과, 크로스바 어레이의 각 메모리 셀의 전류-전압 비선형성을 증가시키기 위해서 각 멤리스터와 직렬로 연결된 비선형 셀렉터를 사용하는 것에 대한 연구가 있어 왔다. 연구 중인 일 타입의 셀렉터는 이른바 절연체에서 금속으로의 천이를 보이며, 이는 셀렉터가 전기적으로 절연성 상태에서 금속과 유사한 전기적으로 도전성 상태로 천이하는 것을 의미한다.
그러나, 일부 제안된 셀렉터들은 절연체("비선택된") 상태에서 과잉 누설 전류를 허용한다. 달리 말하면, 일부 셀렉터들은 비선택된 상태에서 충분하게 저항성이지 않거나, 지나치게 도전성일 수 있다. 한편, 일부 제안된 셀렉터들은 상대적으로 높은 임계 전압에서 천이한다. 달리 말하면, 셀렉터를 비선택, 절연 상태에서 선택, 도전성 상태로 스위칭하기 위해서 높은 전압이 인가되어야 할 수 있다. 이러한 두 문제들이 합쳐져서, 비선택된 상태에서의 목표 저항이 통상적으로 스위칭을 위한 상대적으로 높은 임계 전압을 갖기 때문에 본 제안된 해법들이 필요하게 된다.
본 명세서에서의 실례들은 다상 셀렉터들을 가능하게 한다. 예시적인 구현예들에서, 다상 셀렉터는 스위칭 층을 가지며, 상기 스위칭 층은 천이 금속 산화물의 상대적으로 절연성 상인 제 1 상(phase)을 포함하는 매트릭스; 상기 매트릭스 내에 분포된 상기 천이 금속 산화물의 상대적으로 도전성 상인 제 2 상; 및 상기 매트릭스 내에 위치하여서 상기 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 상기 매트릭스 내에서 상기 제 2 상의 천이 금속 산화물을 선택적으로 형성하고 이의 위치가 정해지게 하는 촉매를 포함한다. 임계 전압보다 큰 전압이 인가되면, 제 2 상의 금속 산화물이 전류가 스위칭 층을 통해서 흐르도록 도전성 채널들을 형성하고, 이로써 스위칭 층이 비선택된 상태에서 선택된 상태로 천이할 수 있게 된다. 절연성 매트릭스 및 보다 도전성인 제 2 상을 갖는 스위칭 층을 구비함으로써, 다상 셀렉터는 매트릭스 내에서의 제 1 상의 현저함으로 인해서 비선택된 상태에서 목표된 높은 저항을 가지며, 매트릭스 내에서의 제 2 상의 분포로 인해서 낮은 임계 전압을 가질 수 있다. 따라서, 본원에서의 다상 셀렉터들은 크로스바 또는 다른 메모리 구조물 내에서 멤리스터 또는 다른 메모리 디바이스와 함께 사용되기에 바람직할 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 예시적인 다상 셀렉터(100)의 단면도를 도시한다. 다상 셀렉터(100)는 제 1 전극(110), 스위칭 층(120), 캡핑 층(130), 및 제 2 전극(140)을 가질 수 있다. 스위칭 층(120)은 제 1 전극(110)에 연결될 수 있으며, 스위칭 층(120)은 천이 금속 산화물의 상대적으로 절연성 상(phase)인 제 1 상으로 된 매트릭스(122); 매트릭스(122) 내에 분포된 상기 천이 금속 산화물의 상대적으로 도전성 상(phase)인 제 2 상(124); 및 매트릭스(122) 내에 위치하며 상기 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 매트릭스(122) 내에서의 상기 제 2 상 천이 금속 산화물(124)을 선택적으로 형성하여 그 위치가 정해지게 하는 촉매(126)를 가질 수 있다.
다상 셀렉터(100)는 결과적인 결합 디바이스의 전체 전기적 특성들을 제어하는, 멤리스터와 같은 다른 구성요소들과 직렬로 배치된 전기적 구성요소일 수 있다. 다상 셀렉터(100)는 특정 전압 범위에서 절연체에서 금속으로의 천이를 보이는 재료들을 포함하여, 다양한 재료들의 복수의 상들을 가질 수 있는 스위칭 층(120)을 가질 수 있다. 달리 말하면, 재료는 절연체로서 거동하는 상태에서 임계 전압보다 높은 전압이 인가되는 때에 도전성 금속으로 거동하는 상태로 스위칭할 수 있다. 이에 대응하여서, 재료는 전압이 가해지지 않거나 임계 전압보다 낮은 전압이 인가되면 절연체로서 거동할 수 있다. 따라서, 임계 전압에서의 도전성의 급격한 변화로 인해서, 다상 셀렉터(100)는 특정 전압 범위에서 비선형 전류-전압 거동을 보일 수 있다. 달리 말하면, 임계 전압보다 높은 전압이 다상 셀렉터(100) 양단에 인가되면, 다상 셀렉터(100)를 통과하는 전류는 전압에 비례하여서 증가하는 것보다 크게 변할 수 있다. 일부 구현예들에서, 다상 셀렉터(100)의 임계 전압은 예를 들어서, 크로스바 어레이 내의 메모리 디바이스를 판독 또는 기록하기 위해서 사용되는 전압 범위와 같은 관심 전압 범위 내에 있을 수 있다.
상술한 바와 같이, 다상 셀렉터(100)는 제 1 전극(110)에 연결된 스위칭 층(120)을 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 구성요소들은 구성요소들 간의 전기적 접속부를 형성함으로써 연결될 수 있다. 예를 들어서, 스위칭 층(120)은 이 층과 제 1 전극 간에 직접적 표면 컨택트를 형성함으로써 제 1 전극(110)에 연결될 수 있다. 제 1 전극(110)은 일부 구현예들에서, 다상 셀렉터(100)을 다른 구성요소들로 연결하는 접속부 역할을 하는 전기적 커넥터일 수 있다. 예를 들어서, 제 1 전극(110)은 다상 셀렉터(100)를 크로스바 어레이의 라인들에 연결할 수 있다. 제 1 전극(110)의 비한정적 예시적인 재료는 Pt, Ta, Hf, Zr, Al, Co, Ni, Fe, Nb, Mo, W, Cu, Ti, TiN, TaN, Ta2N, WN2, NbN, MoN, TiSi2, TiSi, Ti5Si3, TaSi2, WSi2, NbSi2, V3Si, 전기적으로 도핑된 다결정질 Si, 전기적으로 도핑된 다결정질 Ge, 및 이들의 조합을 포함한다.
스위칭 층(120)은 다상 셀렉터(100)의 스위칭 특성을 제공하는 다상 셀렉터(100) 내의 활성 영역일 수 있다. 스위칭 층(120)은 상대적으로 절연성 상인 제 1 상을 갖는 천이 금속 산화물을 포함하는 매트릭스(122)를 가질 수 있다. 매트릭스(122)는 스위칭 층(122)의 지배 구조물일 수 있으며, 일부 구현예들에서, 매트릭스(122)는 스위칭 층(120) 전체를 구성할 수 있다. 일부 다른 실례들에서, 매트릭스(122)는 스위칭 층(120)의 일부를 구성할 수 있다. 스위칭 층(120)은 매트릭스(122) 내의 지배적인 제 1 상의 천이 금속 산화물로 인해서 대체적으로 절연성일 수 있다. 금속 산화물을 형성하는 금속은 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 크롬(Cr)을 포함하여, 다수의 적합한 후보물질로부터 선택될 수 있다. 일 특정 실례에서, 매트릭스(122) 내의 제 1 상 천이 금속 산화물은 니오븀 펜토사이드(pentoxide)(Nb2O5)일 수 있다.
스위칭 층(120)은 비동종일 수 있으며 또한 매트릭스(122) 내의 제 2 상의 천이 금속 산화물(124)를 가질 수 있다. 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 제 1 상의 매트릭스(122)에 비해서 상대적으로 도전성일 수 있다. 일부 실례들에서, 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 제 1 상 천이 금속 산화물보다 산소가 덜 풍부할 수 있다. 특정 실례에서, 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 니오븀 이산화물(NbO2)일 수 있다. 일부 실례들에서, 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 매트릭스(122) 내에서 제 1 상 천이 금속 산화물로부터 형성될 수 있다. 달리 말하면, 스위칭 층(120)은, 예를 들어서, 먼저 Nb2O5로 된 매트릭스(122)를 형성함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 화학 반응이 촉진되어서 NbO2가 Nb2O5로 된 매트릭스로부터 형성된다. 이러한 반응으로부터, 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 단분자들의 클러스터들 및 수 나노미터 범위 또는 그 이상의 클러스터들을 포함하는, 다양한 크기의 클러스터들로 형성되는 경향이 있을 수 있다. 일부 실례들에서, 매트릭스(122) 내에서의 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 클러스터들의 평균 크기는 2 나노미터 이하일 수 있다.
매트릭스(122) 내에서의 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 존재는 스위칭 층(120)의 절연체에서 금속으로의 천이 능력의 인자일 수 있다. 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 제 1 상의 천이 금속 산화물보다 더 도전성이기 때문에, 전류 채널이 제 2 상 천이 금속 산화물(124)이 없을 때에 매트릭스(122)를 통해서 정상적으로 요구될 낮은 전압보다 낮은 전압에서 매트릭스(122) 내에서 형성될 수 있다. 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 매트릭스(122)에 걸쳐서 분포되어서, 전류 채널들이 스위칭 층(120) 전체를 통해서 형성되게 하고 스위칭 층(120)을 통한 연속적인 전류 경로가 생성되게 한다.
제 2 상 천이 금속 산화물(124) 이외에, 촉매(126)가 매트릭스(122) 내에 위치하여서 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 매트릭스(122) 내에서 제 2 상 천이 금속 산화물(124)을 선택적으로 형성하여 그 위치가 정해지게 할 수 있다. 촉매는 반응에 참여 또는 그의 존재로 인해서 화학 반응 속도를 증가시키는 재료일 수 있다. 본 명세서에서의 실례들에서, 촉매(126)는 매트릭스(122) 내에서 제 1 상 천이 금속 산화물로부터 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 형성을 촉진시킬 수 있다. 특정 실례에서, 촉매(126)는 산호 원자에 대한 억셉터 역할을 할 수 있는 실리콘일 수 있다. 다른 예시적인 재료들은 Al, Hf, Zr, Ca, Mg, Sc, Sm, Er, Gd, Ho, Dy, Y, Sr, 및 Ba를 포함한다. 일반적으로, 촉매(126)는 제 1 상의 매트릭스(122)를 환원시켜 매트릭스(122)의 천이 금속의 산화물보다 열역학적으로 안정한 전기 절연성 산화물을 형성할 수 있다. 특정 실례에서, 실리콘은 매트릭스(122)의 제 1 상 Nb2O5으로부터 산호 원자들을 끌어당겨서 실리콘 산화물(SiO2)을 형성할 수 있다. 제 1 상 천이 금속 산화물로부터 산소 원자를 제거하는 것은 제 2 상 천이 금속 산화물(124)인 NbO2를 형성할 수 있다.
촉매(126)는 제 2 상 천이 금속 산화물(124)을 선택적으로 형성하여 그 위치가 정해지게 하도록 매트릭스(122) 내에서 분포될 수 있다. 일부 실례들에서, 촉매(126)는 캡핑 층(130)이 스위칭 층(120)에 연결된 후에 매트릭스(122) 내로 도입될 수 있다. 촉매(126)를 도입하는 프로세스에 대한 상세사항은 이하에서 기술된다.
캡핑 층(capping layer: 130)이 스위칭 층(120)에 연결될 수 있다. 일부 실례들에서, 스위칭 층(120)은 특히 대기와 같은 환경들에 노출될 때에 적합한 화학량론을 형성 및 유지하게 어려울 수 있는 재료들을 포함할 수 있다. 캡핑 층(130)은 스위칭 층(120)을 피복하며 외부 환경 또는 다른 재료들에 노출되지 않게 스위칭 층(120)의 재료들을 보호할 수 있다. 캡핑 층(130)은 금속, 반도체, 또는 이들의 조합을 포함하는, 다수의 재료를 가질 수 있다. 캡핑 층 재료들의 실례는 Ta, Ti, Si, Ge, TaSi2, 및 TiSi2를 포함한다. 일부 구현예들에서, 캡핑 층(130)은 상이한 재료들로 된 다수의 층들을 포함할 수 있다. 상술한 특정 실례에서, 캡핑 층(130)은 니오븀을 가질 수 있다. 스위칭 층(120)을 피복하는 것 이외에, 캡핑 층(130)은 이하에서 세부적으로 기술되는 추가 이점들을 제공할 수 있다.
제 2 전극(140)이 캡핑 층(130)에 연결될 수 있다. 제 1 전극(110)과 마찬가지로, 제 2 전극(140)은 일부 구현예들에서, 다상 셀렉터(100)를 다른 구성요소들로 연결하는 접속부 역할을 하는 전기적 커넥터일 수 있다. 예를 들어서, 제 2 전극(140)은 다상 셀렉터(100)를 크로스바 어레이의 라인들에 연결할 수 있다. 제 2 전극(140)의 비한정적 예시적인 재료는 Pt, Ta, Hf, Zr, Al, Co, Ni, Fe, Nb, Mo, W, Cu, Ti, TiN, TaN, Ta2N, WN2, NbN, MoN, TiSi2, TiSi, Ti5Si3, TaSi2, WSi2, NbSi2, V3Si, 전기적으로 도핑된 다결정질 Si, 전기적으로 도핑된 다결정질 Ge, 및 이들의 조합을 포함한다.
촉매(126)는 상술한 다상 셀렉터(100)의 구조물이 제조된 이후에 수행되는 프로세스들을 포함하는, 다양한 프로세스들에 의해서 매트릭스(126) 내로 도입될 수 있다. 일부 실례들에서, 제 1 전극(110), 스위칭 층(120), 캡핑 층(130), 및 제 2 전극(140)각각은 순차적 성막에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들어서, 스위칭 층(120)은 제 1 전극(110) 상에 성막될 수 있으며, 이어서 캡핑 층(130)이 스위칭 층(120) 상에 성막될 수 있으며, 이어서 제 2 전극(140)이 캡핑 층(130) 상에 성막될 수 있다. 스위칭 층(120)은 매트릭스(122)가 제 1 상의 천이 금속 산화물을 가지면서 성막될 수 있다. 2 개의 상들을 갖는 매트릭스를 직접적으로 형성하는 것에 비해서 제 1 상 천이 금속 산화물로부터 제 2 상 천이 금속 산화물(124)을 형성하는 것이 용이하기 때문에, 촉매(126)가 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 생성을 촉진하기 위해서, 캡핑 층(130)이 스위칭 층(120)에 연결된 이후에 도입될 수 있다.
일부 구현예들에서, 다상 셀렉터(100)를 촉매(126) 원자들로 밤바드(bombard)함으로써 촉매(126)는 매트릭스(122) 내에 도입될 수 있다. 원자의 밤바드 정도를 제어함으로써 매트릭스(122) 내로의 촉매(126)의 침투량이 제어될 수 있다. 일반적으로, 밤바드된 촉매(126) 원자는 제 2 전극(140) 및 캡핑 층(130)을 통과할 수 있다. 제 2 전극(140) 및 캡핑 층(130)의 존재가 일부 또는 수많은 밤바드된 촉매(126) 원자들이 매트릭스(122)에 도달하는 것을 막을 수 있다. 그러나, 촉매(126) 원자들이 캡핑 층(130)의 일부 원자들과 충돌할 때에, 캡핑 층(130)의 일부 원자들은 되튀게 될 수 있으며 스위칭 층(120)의 매트릭스(122) 내로 스캐터링될 수 있다. 캡핑 층(130)이 매트릭스(122)의 천이 금속 산화물의 금속과 동일한 금속을 포함하는 사례에서, 캡핑 층(130)의 스캐터링된 원자들은 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 제 2 상 천이 금속 산화물(124)을 형성할 수 있다. 특정 실례의 경우에, 캡핑 층(130)의 Nb 원자들은 제 1 상 천이 금속 산화물로서 Nb2O5를 갖는 매트릭스(122) 내로 되튀게 될 수 있다. 추가 Nb 원자들이 Nb2O5와 반응하여서 제 2 상 천이 금속 산화물(124)로서 NbO2의 클러스터들을 형성할 수 있다. 이러한 반응들은 예를 들어서, 산소 원자들을 제 1 상의 천이 금속 산화물로부터 이탈시킴으로써 추가 산소 원자들을 생성할 수 있으며, 일부 실례들에서, 이러한 산소 원자들 중 일부는 매트릭스(122) 외부로 배출되어서, 산소 공공이 매트릭스(122) 내에 남게 된다.
촉매(126)가 제 2 전극(140)을 통과하여서 캡핑 층(130)의 일부 원자들과 충돌하는 것이 바람직하기 때문에, 제 2 전극(140)은 캡핑 층(130)의 재료의 스캐터링 단면보다 작은 스캐터링 단면을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 스캐터링 단면은 입자가 매체를 통과하여서 이동 줄일 때에 스캐터링 충돌 확률에 영향을 주는 매체 내에서의 스캐터링 센터들의 면적을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 실리콘과 같은 촉매(126) 원자들이 다상 셀렉터(100)를 밤바드할 때에, 밤바드된 원자들은 캡핑 층(130)의 보다 큰 스캐터링 단면으로 인해서 제 2 전극의 원자들에 의해서 스캐터링되기 보다는 캡핑 층(130)의 원자들에 의해서 스캐터링될 가능성이 더 높을 수 있다.
마지막으로, 촉매(126)를 주입하는 것은 매트릭스(122) 내에서의 가열을 초래할 수 있다. 가열은 촉매(126) 원자들의 밤바드 동안에 원자들 및 입자들의 충돌로 인해서 발생할 수 있다. 일부 실례들에서, 이러한 가열은 매트릭스(122) 내에서의 어닐링 효과를 촉진할 수 있다. 어닐링 효과는 제 1 상 물질로부터 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 생성과 같은 반응들을 자극할 수 있다. 특정 실례의 경우에, 가열 어닐링 효과는 Nb2O5의 추가 Nb 또는 촉매(126) 원자들과의 반응을 촉진하여서 NbO2 생성을 촉진한다. 촉매(126)의 주입 및 제 1 상의 매트릭스(122)로부터 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 생성에 대한 자세한 사항은 도 4를 참조하여서 이하에서 세부적으로 기술된다.
도 1(b)는 예시적인 스위칭 층(150)의 단면도이며, 이 층은 도 1에 도시된 예시적인 다상 셀렉터(100)의 스위칭 층(120)일 수 있다. 스위칭 층(150)은 제 1 상을 갖는 매트릭스(160)인 상대적으로 절연성 상의 천이 금속 산화물, 예를 들어서, Nb2O5를 포함한다. 매트릭스(160)는 매트릭스(160)에 걸쳐서 분포된 제 2 상 천이 금속 산화물(162)을 함유할 수 있다. 제 2 상 천이 금속 산화물(162)은 제 2, 보다 도전성 상의 천이 금속 산화물, 예를 들어서, NbO2일 수 있다. 제 2 상 천이 금속 산화물(162)은 제 1 상 천이 금속 산화물로 형성되며, 이 때에 반응은 매트릭스(160) 내에 위치한 촉매(164)에 의해서 자극될 수 있다.
촉매(164)는 도 1(a)를 참조하여서 기술된 바와 같은 밤바드 방법에 의해서 매트릭스(160) 내로 주입될 수 있다. 이러한 프로세스는 매트릭스(160)의 금속과 동일한 금속일 수 있는, 캡핑 층의 금속의 스캐터링된 원자들(166)을 도입시킬 수 있다. 특정 실례의 경우에, Nb 원자들(166)은 캡핑 층으로부터 매트릭스(160) 내로 스캐터링될 수 있으며, 이 때에 원자들(166)은 제 1 상의 매트릭스(160)와 반응한다. 예를 들어서, 추가 Nb은 Nb2O5와 반응하여서 제 2 상 천이 금속 산화물(164)인 NbO2를 형성할 수 있다. 따라서, 촉매(164)를 주입하는 프로세스는 제 2 상 천이 금속 산화물(162)의 형성 반응 동안에 나온 산소 원자들을 배출함으로써 매트릭스(160) 내에 산소 공공들(oxygen vacancies)(168)을 또한 도입할 수 있다.
제 2 상 천이 금속 산화물(162)의 존재로 인해서, 스위칭 층(150)은 임계 전압보다 높은 전압이 인가되는 때에 전류 채널(170)을 형성할 수 있다. 도 1(b)는 스위칭 층(150)을 통해서 형성된 하나의 전류 채널(170)을 도시하지만, 다수의 전류 채널이 형성될 수 있으며, 이들 중 일부는 스위칭 층(150) 전부를 통해서 연장하며 이들 중 일부는 매트릭스(160) 내에 종단될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 보다 절연성인 제 1 상이 지배적으로 존재하므로, 스위칭 층(150)은 비선택된 상태에서 상대적으로 높은 저항을 가질 수 있다. 그러나, 제 2 상 천이 금속 산화물(162)에 의해서 형성된 전류 채널(170)의 존재는 스위칭 층(150)으로 하여금 제 2 상 천이 금속 산화물(162)이 없는 경우의 스위칭 층에서의 임계 전압보다 낮은 임계 전압에서 도전성("선택된") 상태로 스위칭되게 할 수 있다. 이러한 천이는 상술한 절연체에서 금속으로의 천이로 지칭될 수 있다.
도 2는 멤리스터(210) 및 다상 셀렉터(220)를 갖는 메모리 디바이스(200)를 도시한다. 다상 셀렉터(220)는 제 1 전극(222), 스위칭 층(224), 캡핑 층(226), 및 제 2 전극(228)을 가질 수 있다. 스위칭 층(224)은 제 1 전극(222)과 연결될 수 있으며, 스위칭 층(224)은 상대적으로 절연성 상인 제 1 상의 천이 금속 산화물로 된 매트릭스(224A); 매트릭스(224A) 내에 분포된 상기 천이 금속 산화물의 상대적으로 도전성 상인 제 2 상(224B); 및 매트릭스(224A) 내에 위치하며 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 매트릭스(224A) 내에서 제 2 상 천이 금속 산화물(224B)을 선택적으로 형성하여 그 위치가 정해지게 하는 촉매(224C)를 가질 수 있다.
도 1(a)의 다상 셀렉터(100)와 유사하게, 다상 셀렉터(220)는 메모리 디바이스(200)의 결과적인 결합 디바이스의 전체 전기적 특성을 제어하는 멤리스터(210)와 같은 다른 구성요소들과 직렬로 배치된 전기적 구성요소일 수 있다. 다상 셀렉터(220)는 스위칭 층(224)에 의해서 제어될 수 있는, 임계 전압에서의 절연체에서 금속으로의 천이를 보일 수 있다. 스위칭 층(224)은 제 1 상의 천이 금속 산화물을 갖는 매트릭스(224A)를 포함할 수 있다. 제 2 상 천이 금속 산화물(224B) 및 촉매(224C)는 매트릭스(224A) 내에 분포될 수 있으며, 촉매(224C)는 매트릭스(224A) 내로 도입되어서 제 1 상 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 제 2 상 천이 금속 산화물(224B)을 형성할 수 있다. 일부 실례들에서, 촉매(224C)는 캡핑 층(226)이 스위칭 층(224)에 연결된 이후에 매트릭스(224A) 내로 도입될 수 있다. 이러한 실례들에서, 매트릭스(224A)는 산소 공공들(oxygen vacancies) 및 캡핑 층의 원자들과 같은, 다른 성분들을 함유할 수 있다. 캡핑 층(226)은 금속, 반도체, 또는 다수의 재료들을 포함하는 다양한 재료들을 함유할 수 있다. 일부 실례들에서, 캡핑 층(226)은 매트릭스(224A)의 천이 금속 산화물의 금속과 동일한 금속을 함유할 수 있다.
제 2 상 천이 금속 산화물(224B)의 존재로 인해서, 스위칭 층(224)은 임계 전압보다 높은 전압이 인가될 시에 전류 채널을 형성할 수 있다. 매트릭스(224A) 내에 보다 절연성인 제 1 상의 물질이 지배적으로 존재하기 때문에, 스위칭 층(224)은 비선택된 상태에서 상대적으로 높은 저항을 가질 수 있다. 그러나, 제 2 상 천이 금속 산화물(224B)에 의해서 형성된 전류 채널의 존재로 인해서, 스위칭 층(224)은 제 2 상 천이 금속 산화물(224B)이 없는 경우의 스위칭 층의 임계 전압보다 낮은 임계 전압에서 도전성 상태로 천이될 수 있다. 따라서, 다상 셀렉터(220)는 멤리스터(210)를 갖는 메모리 디바이스 내에서 효과적으로 사용될 수 있다.
멤리스터(210)는 멤리스터(210) 양단에 또는 이를 통해서 전압이 인가되면 변하는 저항을 갖는 전기적 디바이스일 수 있다. 또한, 멤리스터(210)는 그의 마지막 저항 값을 "기억"할 수 있다. 이러한 방식으로, 멤리스터(210)를 갖는 메모리 디바이스(200)는 적어도 2 개의 상태들로 설정될 수 있다. 메모리 디바이스(200)는 크로스바 어레이와 같은 대형 구조물 내의 수많은 디바이스 중 하나일 수 있다. 예를 들어서, 각 메모리 디바이스(200)는 어레이 내의 단일 메모리 셀일 수 있다. 멤리스터(210) 및 다상 셀렉터(220)를 갖는 다중 메모리 디바이스(200)의 어레이가 예를 들어서, 비휘발성 저항성 메모리에서 사용될 수 있다.
멤리스터(210)는 다양한 재료들에 기초할 수 있다. 멤리스터(210)는 산화물-계일 수 있으며, 이는 멤리스터의 적어도 일부가 산화물 함유 재료로 형성된다는 것을 의미한다. 멤리스터(210)는 또한 질화물-계일 수 있으며, 이는 멤리스터의 적어도 일부가 질화물 함유 성분으로 형성된다는 것을 의미한다. 또한, 멤리스터(210)는 옥시-질화물 계일 수 있으며, 이는 멤리스터의 적어도 일부가 산화물 함유 재료로 형성되고 멤리스터의 적어도 일부가 질화물 함유 재료로 형성된다는 것을 의미한다. 일부 실례들에서, 멤리스터(210)는 탄탈륨 산화물(TaOx) 또는 하프늄 산화물(HfOx) 조성물에 기초하여 형성될 수 있다. 멤리스터(210)의 다른 예시적인 재료들은 티타늄 산화물, 이트륨 산화물, 니오븀 산화물, 지르코늄 산화물, 알루미늄 산화물, 칼슘 산화물, 마그네슘 산화물, 디스프로슘 산화물, 란탄 산화물, 실리콘 이산화물 또는 다른 유사 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실례들은 알루미늄 질화물, 갈륨 질화물, 탄탈륨 질화물, 및 실리콘 질화물과 같은 질화물을 포함한다. 또한, 다른 기능적 멤리스터가 본 명세서에서의 교시사항의 실시 시에 사용될 수 있다. 예를 들어, 멤리스터(210)는 전극 재료 및 유전체 재료를 포함하는 다중 층을 가질 수 있다.
도 3(a)는 다상 셀렉터를 제조하기 위한 예시적인 방법(300)을 도시하는 흐름도이다. 방법(300)은 스위칭 층을 제 1 전극에 연결하는 블록(310), 캡핑 층을 스위칭 층에 연결하는 블록(315), 제 2 전극을 캡핑 층에 연결하는 블록(320), 및 촉매를 스위칭 층의 매트릭스 내로 주입하는 블록(325)을 포함할 수 있다. 방법(300)의 실행이 도 1(a)의 다상 셀렉터(100)를 참조하여서 본 명세서에서 기술되지만, 방법(300)의 구현을 위한 다른 적합한 대상이 명백해야 한다.
방법(300)은 블록(305)에서 시작하여서 블록(310)으로 진행하며, 이 블록에서 스위칭 층(120)이 제 1 전극(110)에 연결된다. 연결은 구성요소들 간의 전기 도전성 연결을 형성하는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어서, 셀렉터(100)는 제 1 전극(110)과 물리적으로 접촉하게 배치될 수 있다. 제 1 전극(110)은 일부 구현예들에서, 다상 셀렉터(100)를 다른 구성요소들로 연결하기 위한 접속부 역할을 하는 전기적 커넥터일 수 있다. 예를 들어서, 제 1 전극(110)은 다상 셀렉터(100)를 크로스바 어레이의 라인들에 연결할 수 있다. 특정 실례에서, 제 1 전극(110)은 티타늄 질화물(TiN)로 이루어질 수 있다.
스위칭 층(120)은 다상 셀렉터(100)의 스위칭 특성을 제공하는 다상 셀렉터(100) 내의 활성 영역일 수 있다. 스위칭 층(120)은 상대적으로 절연성인 제 1 상을 갖는 천이 금속 산화물을 포함하는 매트릭스(122)를 포함할 수 있다. 스위칭 층(120)은 매트릭스(122) 내에서 제 1 상의 천이 금속 산화물이 지배적이기 때문에 대체적으로 절연성일 수 있다. 스위칭 층(120)은 또한 매트릭스(122) 내에 분포된 제 2 상의 천이 금속 산화물(124)를 가질 수 있다. 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 제 1 상의 매트릭스(122)에 비해서 상대적으로 도전성일 수 있다. 일부 실례들에서, 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 매트릭스(122) 내에서 화학 반응을 통해서 제 1 상 천이 금속 산화물로부터 형성될 수 있다. 이러한 반응으로부터, 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 단분자들의 클러스터들 및 수 나노미터 범위 또는 그 이상의 클러스터들을 포함하는, 다양한 크기의 클러스터들로 형성되는 경향이 있을 수 있다. 특정 실례들에서, 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 클러스터들의 평균 크기는 2 나노미터 이하일 수 있다.
매트릭스(122) 내에서의 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 존재는 스위칭 층(120)의 절연체에서 금속으로의 천이 능력을 초래할 수 있다. 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 제 1 상의 천이 금속 산화물보다 더 도전성이기 때문에, 도전성 채널이 제 2 상 천이 금속 산화물(124)이 없을 때에 매트릭스(122)를 통해서 정상적으로 요구될 낮은 전압보다 낮은 전압에서 매트릭스(122) 내에서 형성될 수 있다. 제 2 상 천이 금속 산화물(124)은 매트릭스(122)에 걸쳐서 분포되어서, 도전성 채널들이 스위칭 층(120) 전체를 통해서 형성되게 하고 스위칭 층(120)을 통한 연속적인 전기 경로가 생성되게 한다.
제 2 상 천이 금속 산화물(124) 이외에, 촉매(126)가 매트릭스(122) 내에 위치하여서 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 매트릭스(122) 내에서 제 2 상 천이 금속 산화물(124)을 선택적으로 형성하여 그 위치가 정해지게 할 수 있다. 본 명세서에서의 실례들에서, 촉매(126)는 매트릭스(122) 내에서 제 1 상 천이 금속 산화물로부터 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 형성을 촉진시킬 수 있다. 촉매(126)는 제 2 상 천이 금속 산화물(124)을 선택적으로 형성하여 그 위치가 정해지게 하도록 매트릭스(122) 내에서 분포될 수 있다. 촉매(126)는 캡핑 층(130)이 스위칭 층(120)에 연결된 후에 매트릭스(122) 내로 도입될 수 있으며, 이러한 도입은 방법(300)의 블록(325)에서 발생할 수 있다.
제 1 전극(110) 및 스위칭 층(120)을 연결한 후에, 방법(300)은 블록(315)으로 진행하며, 이 블록에서 캡핑 층(130)이 스위칭 층(120)에 연결된다. 캡핑 층(130)은 스위칭 층(120)을 피복하며 외부 환경 또는 다른 재료들에 노출되지 않게 스위칭 층(120)의 재료들을 보호할 수 있다. 캡핑 층(130)은 금속, 반도체, 또는 이들의 조합을 포함하는, 다수의 재료를 가질 수 있다. 일부 실례들에서, 캡핑 층(130)의 금속은 스위칭 층(120)의 천이 금속 산화물을 형성하는 금속과 동일한 금속일 수 있다.
스위칭 층(120) 및 캡핑 층(130)을 연결한 후에, 방법(300)은 블록(320)으로 진행하며, 이 블록에서 제 2 전극(140)은 캡핑 층(130)에 연결된다. 제 1 전극(110)과 유사하게, 제 2 전극(140)은 다상 셀렉터(100)를 다른 구성요소들로 연결하는 접속부 역할을 하는 전기적 커넥터일 수 있다. 예를 들어서, 제 2 전극(140)은 다상 셀렉터(100)를 크로스바 어레이의 라인들에 연결할 수 있다. 특정 실례에서, 제 2 전극(140)은 티타늄 질화물(TiN)로 이루어질 수 있다.
캡핑 층(130) 및 제 2 전극(140)을 연결한 후에, 방법(300)은 블록(325)으로 진행하며, 이 블록에서 촉매(126)가 스위칭 층(120)의 매트릭스(122) 내에 주입된다. 일부 구현예들에서, 다상 셀렉터(100)를 촉매(126) 원자들로 밤바드함으로써 촉매(126)는 매트릭스(122) 내에 도입될 수 있다. 원자의 밤바드 정도를 제어함으로써 매트릭스(122) 내로의 촉매(126)의 침투량이 제어될 수 있다. 촉매(126)를 주입하는 프로세스의 추가 세부사항들은 도 3(b)에 도시된 바와 같은 방법(350)을 참조하여서 이하에서 더 기술된다. 촉매(126)를 주입한 후에, 방법(300)은 블록(330)으로 진행하며, 여기서 방법(300)은 정지될 수 있다.
도 3(b)는 다상 셀렉터를 제조하는 예시적인 방법(350)을 도시하는 흐름도로서, 이 방법은 스위칭 층을 제 1 전극에 연결하는 블록(360), 캡핑 층을 스위칭 층에 연결하는 블록(365), 제 2 전극을 캡핑 층에 연결하는 블록(370), 촉매를 스위칭 층의 매트릭스에 주입하는 블록(375), 스위칭 층의 매트릭스 내로 캡핑 층의 원자들을 스캐터링하는 블록(380), 산소 원자들을 스위칭 층의 매트릭스로부터 배출시키는 블록(385), 및 스위칭 층을 열적으로 어닐링하는 블록(390)을 포함할 수 있다. 방법(350)의 실행이 도 1(a)의 다상 셀렉터(100)를 참조하여서 본 명세서에서 기술되지만, 방법(350)의 구현을 위한 다른 적합한 대상이 명백해야 한다.
방법(350)은 블록(355)에서 시작하여 블록(360)으로 진행할 수 있으며, 여기서 스위칭 층(120)은 제 1 전극(110)에 연결된다. 블록(360)은 방법(300)의 블록 (310)과 유사할 수 있다. 방법(350)은 블록(365)으로 진행하며, 여기서 캡핑 층(130)은 스위칭 층(120)에 연결된다. 블록(365)은 방법(300)의 블록(315)과 유사할 수 있다. 방법(350)은 블록(370)으로 진행하며, 여기서 제 2 전극(140)이 캡핑 층(130)에 연결된다. 블록(370)은 방법(300)의 블록(320)과 유사할 수 있다.
캡핑 층(130) 및 제 2 전극(140)을 연결한 후에, 방법(300)은 블록(375)으로 진행할 수 있으며, 여기서 촉매(126)가 스위칭 층(120)의 매트릭스(122) 내로 주입된다. 일부 구현예들에서, 다상 셀렉터(100)를 촉매(126) 원자들로 밤바드함으로써 촉매(126)는 매트릭스(122) 내에 도입될 수 있다. 원자의 밤바드 정도를 제어함으로써 매트릭스(122) 내로의 촉매(126)의 침투량이 제어될 수 있다. 일반적으로, 밤바드된 촉매(126) 원자는 제 2 전극(140) 및 캡핑 층(130)을 통과할 수 있다. 제 2 전극(140) 및 캡핑 층(130)의 존재가 일부 또는 수많은 밤바드된 촉매(126) 원자들이 매트릭스(122)에 도달하는 것을 막을 수 있다. 그러나, 촉매(126) 원자들이 캡핑 층(130)의 일부 원자들과 충돌할 때에, 방법(300)은 블록(380)으로 진행할 수 있으며, 여기서 캡핑 층(130)의 일부 원자들은 되튀게 될 수 있으며 스위칭 층(120)의 매트릭스(122) 내로 스캐터링될 수 있다.
또한, 캡핑 층(130)이 매트릭스(122)의 천이 금속 산화물의 금속과 동일한 금속을 포함하는 사례에서, 캡핑 층(130)의 되튀게 된 원자들은 매트릭스(122) 내의 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 제 2 상 천이 금속 산화물(124)을 형성할 수 있다. 특정 실례의 경우에, 캡핑 층(130)의 Nb 원자들은 제 1 상 천이 금속 산화물로서 Nb2O5를 갖는 매트릭스(122) 내로 되튀게 될 수 있다. 추가 Nb 원자들이 Nb2O5와 반응하여서 제 2 상 천이 금속 산화물(124)로서 NbO2의 클러스터들을 형성할 수 있다. 이러한 반응들은 추가 산소 원자들을 생성할 수 있으며, 일부 실례들에서, 방법(300)은 블록(385)으로 진행하며, 여기서 이러한 산소 원자들 중 일부는 매트릭스(122) 외부로 배출되어서, 산소 공공이 매트릭스(122) 내에 남게 된다.
상술한 바와 같이, 촉매(126)가 제 2 전극(140)을 통과하여서 캡핑 층(130)의 일부 원자들과 충돌하는 것이 바람직하기 때문에, 일부 실례들에서, 제 2 전극(140)은 캡핑 층(130)의 재료의 스캐터링 단면보다 작은 스캐터링 단면을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 구체적으로, 실리콘과 같은 촉매(126) 원자들이 다상 셀렉터(100)를 밤바드할 때에, 밤바드된 원자들은 캡핑 층(130)의 보다 큰 스캐터링 단면으로 인해서 제 2 전극의 원자들에 의해서 스캐터링되기 보다는 캡핑 층(130)의 원자들에 의해서 스캐터링될 가능성이 더 높을 수 있다.
마지막으로, 방법(350)은 블록(390)으로 진행할 수 있으며, 여기서 스위칭 층(120)은 열적으로 어닐링된다. 어닐링 효과는 제 1 상 물질로부터 제 2 상 천이 금속 산화물(124)의 생성과 같은 반응들을 자극할 수 있다. 특정 실례의 경우에, 가열 어닐링 효과는 Nb2O5의 추가 Nb와의 반응을 촉진하여서 NbO2 생성을 촉진한다. 열은 블록들(375, 380, 및 385)을 참조하여서 기술된 프로세스들에 의해서 생성될 수 있다. 이와 달리 또는 추가적으로, 어닐링을 자극하도록 열이 제공될 수 있다. 스위칭 층(120)을 열적으로 어닐링한 후에, 방법(350)은 블록(395)으로 진행하여서 정지된다. 블록들(380, 385, 및 390)이 순차적으로 발생한 것으로 본 명세서에서 기술되지만, 방법(350)의 이러한 블록들은 블록(375)의 실행의 결과로서 임의의 순서로 발생하거나, 구현예에 따라서 전혀 발생하지 않을 수도 있다.
도 4는 도 3(b)의 방법(350)의 실행 동안에 예시적인 다상 셀렉터(400)의 단면도를 도시한다. 다상 셀렉터(400)는 도 1(a)의 다상 셀렉터(100)와 유사할 수 있으며, 제 1 전극, 스위칭 층, 캡핑 층, 및 제 2 전극을 가질 수 있으며, 이들 각각은 방법(350)의 블록들(360, 365, 및 370)의 실행에 의해서 형성 및 연결될 수 있다. 촉매를 스위칭 층의 매트릭스 내로 주입하기 위해서 블록(375)을 실행하는 동안에, 다상 셀렉터(400)는 촉매 원자들(410)에 의해서 밤바드될 수 있다.
촉매 원자들(410)의 밤바드 동안에, 밤바드된 원자들 중 일부 또는 대부분은 다상 셀렉터(400)의 최상으로 도시된 제 2 전극을 통과하는데, 그 이유는 제 2 전극은 상대적으로 작은 스캐터링 단면을 갖는 재료를 가질 수 있기 때문이다. 캡핑 층의 상대적으로 큰 스캐터링 단면으로 인해서, 보다 적은 촉매 원자들(410)이 캡핑 층을 통과할 수 있다. 도 4에서, 제 2 전극 및 캡핑 층을 통과하지 못한 원자들은 참조부호(415)로 도시된다. 제 2 전극 및 캡핑 층을 성공적으로 통과하여서 매트릭스 내에 주입된 촉매 원자들(410)은 참조부호(420)로 도시된다.
일부 촉매 원자들(410)은 밤바드 동안에 캡핑 층의 원자들과 충돌할 수 있다. 방법(350)의 블록(380)을 참조하여서 설명한 바와 같이, 캡핑 층의 원자들 중 일부는 도 4에서 참조부호(425)로 도시된 바와 같이, 캡핑 층으로부터 스위칭 층의 매트릭스 내로 스캐터링될 수 있다. 또한, 추가 산소 원자들이 제 1 상 천이 금속 산화물로부터 제 2 상의 천이 금속 산화물을 형성하는 특정 반응들로부터 생성되며, 추가 산소 원자들 중 일부는 매트릭스로부터 배출될 수 있다. 이러한 배출될 산소 원자들 중 일부는 도 4에서 참조부호(430)로 도시된 바와 같이, 캡핑 층 내에서 자리를 잡거나, 또는 다상 셀렉터(400)의 외측을 포함하여 다른 위치들 내에 자리를 잡는다. 마지막으로, 촉매 원자들(410)의 밤바드는 촉매 원자들을 매트릭스 내로 주입하는 것, 캡핑 층의 원자들을 매트릭스 내로 스캐터링하는 것, 및 매트릭스로부터 산소 원자들을 배출시키는 것의 시퀀스를 포함하는, 참조부호(435)로 도시된 연쇄 반응을 초래할 수 있다.
도 5(a)는 전압이 셀렉터 양단에 인가되는 때에, 다상 물질들을 함유하지 않는 스위칭 층을 갖는 예시적인 셀렉터의 스위칭 거동을 도시하는 전류(A) 및 전압(V) 좌표로의, 예시적인 I-V 플롯을 도시한다. 구체적으로, 셀렉터는 천이 금속 산화물을 갖는 스위칭 층, 및 제 1 및 제 2 전극을 포함하는 구조를 갖는다. 그러나, 제 2 상 천이 금속 산화물은 스위칭 층 내에 도입되지 않으며, 셀렉터의 I-V 특성은 스위칭 층의 I-V 특성으로부터 변화되지 않았다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 대략 3.0 볼트보다 큰 전압(임계 전압)이 인가되는 때에 셀렉터는 절연체에서 금속으로의 천이를 경험하며, 이러한 천이는 셀렉터를 통과하는 전류의 양의 급격한 도약으로 표시된다.
도 5(b)는 전압이 다상 셀렉터 양단에 인가되는 때에, 도 1(a)의 다상 셀렉터(100)와 같은, 예시적인 다상 셀렉터의 스위칭 거동을 도시하는 전류(A) 및 전압(V) 좌표로의, 예시적인 I-V 플롯을 도시한다. 구체적으로, 보다 도전성 상인 제 2 상의 천이 금속 산화물이 다상 셀렉터의 스위칭 층 내에 존재하므로, 절연체에서 금속으로의 천이 임계 전압이 도 1(a)의 셀렉터의 것보다 낮을 수 있다. 상술한 바와 같이, 제 2 상 천이 금속 산화물은 제 1 상 천이 금속 산화물보다 낮은 전압 레벨에서 전류 채널을 형성할 수 있다. 따라서, 도 5(b)는 대략 2.2 볼트보다 큰 전압이 인가되는 때에 다상 셀렉터는 절연체에서 금속으로의 천이를 경험하는 것을 도시하며, 이러한 천이는 다상 셀렉터를 통과하는 전류의 양의 급격한 도약으로 표시된다. 이는 절연체에서 금속으로의 천이의 낮아진 임계 전압을 말할 수 있다.
전술한 설명은 다수의 실례의 다상 셀렉터들을 기술하였다. 본 명세서에서 기술된 다상 셀렉터들은 추가 구성요소들을 포함할 수 있으며, 본 명세서에서 기술된 구성요소들 중 일부는 다상 셀렉터의 범위 또는 그의 용도를 벗어나지 않으면서 제거 또는 수정될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 도면에서 도시된 구성요소들은 실제 비율대로 도시되지 않으며, 이로써 구성요소들은 도면에서 도시된 것과는 서로 상이한 상대적 크기를 가질 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다.
Claims (15)
- 다상 셀렉터(multiphase selector)로서,
제 1 전극과,
상기 제 1 전극에 연결된 스위칭 층―상기 스위칭 층은 상대적으로 절연성인 제 1 상의 천이 금속 산화물을 포함하는 매트릭스(matrix)와, 상기 매트릭스 내에 분포된 상대적으로 도전성인 제 2 상의 천이 금속 산화물과, 상기 매트릭스 내에 위치하여 상기 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 상기 매트릭스 내에서 상기 제 2 상의 천이 금속 산화물을 선택적으로 형성하고 위치 지정하는 촉매를 포함함―과,
상기 스위칭 층에 연결된 캡핑 층(capping layer)과,
상기 캡핑 층에 연결된 제 2 전극을 포함하는
다상 셀렉터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 층은 절연체에서 금속으로의 천이를 보이는
다상 셀렉터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 촉매는 상기 캡핑 층이 상기 스위칭 층에 연결된 이후에 상기 스위칭 층의 매트릭스 내에 주입된
다상 셀렉터.
- 제 3 항에 있어서,
상기 촉매 주입은 가열을 발생시키며 가열은 어닐링 효과를 촉진하는
다상 셀렉터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 캡핑 층은 금속, 반도체, 또는 다수의 재료들을 포함하는
다상 셀렉터.
- 제 5 항에 있어서,
상기 매트릭스는,
상기 캡핑 층의 재료의 스캐터링된 원자들과,
산소 공공들(vacancies)과,
중 적어도 하나를 더 포함하는
다상 셀렉터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 상기 캡핑 층의 스캐터링 단면보다 작은 스캐터링 단면을 갖는
다상 셀렉터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 상의 천이 금속 산화물은 2 나노미터 이하의 평균 크기를 갖는 클러스터들을 포함하는
다상 셀렉터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 상의 천이 금속 산화물은 니오븀 펜토사이드(niobium pentoxide)이며,
상기 제 2 상의 천이 금속 산화물은 니오븀 이산화물(niobium dioxide)이며,
상기 캡핑 층은 니오븀(niobium)을 함유하는
다상 셀렉터.
- 다상 셀렉터와 전기적으로 직렬로 연결된 멤리스터를 포함하는 메모리 디바이스로서,
상기 다상 셀렉터는,
제 1 전극과,
상기 제 1 전극에 연결된 스위칭 층―상기 스위칭 층은 상대적으로 절연성인 제 1 상의 천이 금속 산화물을 포함하는 매트릭스와, 상기 매트릭스 내에 분포된 상대적으로 도전성인 제 2 상의 천이 금속 산화물과, 상기 매트릭스 내에 위치하여 상기 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 상기 매트릭스 내에서 상기 제 2 상의 천이 금속 산화물을 선택적으로 형성하고 위치 지정하는 촉매를 포함함―과,
상기 스위칭 층에 연결된 캡핑 층과,
상기 캡핑 층에 연결된 제 2 전극을 포함하는
메모리 디바이스.
- 다상 셀렉터를 제조하는 방법으로서,
스위칭 층을 제 1 전극에 연결하는 단계―상기 스위칭 층은 상대적으로 절연성인 제 1 상의 천이 금속 산화물로 된 매트릭스를 포함함―와,
캡핑 층을 상기 스위칭 층에 연결하는 단계―상기 캡핑 층은 상기 스위칭 층의 천이 금속 산화물의 금속과 동일한 금속을 포함함―와,
제 2 전극을 상기 캡핑 층에 연결하는 단계와,
촉매를 상기 스위칭 층의 매트릭스 내에 주입하는 단계―상기 촉매는 상기 제 1 상의 천이 금속 산화물과 상호작용하여서 상대적으로 도전성인 제 2 상의 천이 금속 산화물을 선택적으로 형성하고 위치 지정함―를 포함하는
방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 캡핑 층의 재료의 원자들을 상기 스위칭 층의 매트릭스 내로 스캐터링하는 단계와,
상기 스위칭 층의 매트릭스로부터 산소 원자들을 배출시키는 단계와,
중 적어도 하나를 더 포함하는
방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 스위칭 층을 열적으로 어닐링하는 단계를 더 포함하는
방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 스위칭 층은 절연체에서 금속으로의 천이를 나타내는
방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 각각은 티타늄 질화물을 포함하며, 상기 제 2 상의 천이 금속 산화물은 2 나노미터 이하의 평균 크기를 갖는 상기 제 2 상의 천이 금속 산화물의 클러스터들을 포함하는
방법.
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-
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