TWI529988B - 具有摻雜物來源之憶阻器結構 - Google Patents
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本發明係在(美國)政府的支持下所做。該政府在本發明中具有一定的權利。
本發明係有關具有摻雜物來源之憶阻器結構。
電子裝置發展的持續趨勢已經是去縮小裝置的尺寸及改善裝置的功能性。雖然當代的商業微電子產品係以亞微米設計規則為基礎,隨著裝置的尺寸通常以奈米或數十奈米計算,重大研究與發展努力均是朝向探索在奈米尺度上的裝置。除了跟微米裝置相比下個體裝置尺寸的顯著縮小及更高的包封密度外,由於無法以微米尺度觀測的奈米尺度上的物理現象,奈米尺度裝置也可提供新的功能性。
例如,使用鈦氧化物為切換材料之奈米尺度裝置中的電子切換最近已被報導。此一裝置之電阻性切換行為已被關連至源於1971年由L.O.Chua所預料之憶阻器電路元件理論。在奈米尺度切換開關中憶阻性行為的發現已引起重大興趣,以及有實質上正在進行的研究努力來更進一步發展此等奈米尺度切換開關並將其等在多種應用中實現。許多重要潛在的應用之一係使用此一切換裝置為一記憶體單元以儲存數位資料。
憶阻器開關裝置,其通常以奈米尺度金屬/金屬氧化物
/金屬層形成,使用「電形成」製程以使電阻性切換成為可能。該電形成製程涉及一相對高電壓或電流的一次施加,其透過金屬氧化物層產生電子傳導性的顯著變化。電切換係由氧化物材料中電子與離子的耦合動作產生。例如,在電形成製程期間,氧空缺可被製造並向陰極飄移,在氧化物中形成局部傳導通道。同時地,O2-離子向陽極飄移而在此發展為O2氣體並造成接面之物理形變。氣體噴發通常在接近傳導通道形成的位置造成氧化物之物理形變(例如氣泡),並且造成在氧化物與電極間之脫層。透過電形成製程所形成的傳導通道通常具有廣泛的特性變異,其特性變異取決於電形成製程如何發生。此特性變異已相對限制了在運算裝置中金屬氧化物開關之採用。
此外,為了與CMOS FLASH記憶體競爭,新興的電阻性開關須具有超過至少百萬的切換循環之切換耐用性。在裝置內可靠的切換通道可顯著地改善這些開關的耐用性。
本發明係關於一種憶阻器,其包含:一電極;一包含一傳導材料、一摻雜物來源材料及一摻雜物之傳導性合金;以及一置於該電極與該傳導性合金之間的切換層,其中該切換層包含一電子半導性或名義上絕緣性且弱離子性之切換材料。
詳細描述將參照下列圖式,其中類似的參考數字可對
應到相似(雖然或許非完全相同的)組件。為了簡潔,具有前述功能的參考編號參考數字就其等出現於其中的其它圖式可能有或沒有被描述。
第1A圖為一在OFF狀態中之不具有一摻雜物來源之一實例憶阻器的橫截面圖。
第1B圖為一在ON狀態中之不具有一摻雜物來源之一實例憶阻器的橫截面圖。
第2A圖為一依照本文所揭露之實例在OFF狀態中之具有一氧來源之一實例憶阻器的橫截面圖。
第2B圖為一依照本文所揭露之實例在ON狀態中之具有一氧來源之一實例憶阻器的橫截面圖。
第3圖為一以自由能(KJ)及溫度(K)為座標之結構埃林漢圖(Ellingham diagram),其描繪標準自由能相關於以下氧化物之形成溫度的變化:切換層之氧化物(M1Ox)、傳導性合金中電極材料之氧化物(M2Oy)及氧來源之氧化物(M3Oz),其對建構一依照本文教示之實例憶阻器有幫助。
第4圖為一以電阻(歐姆)及循環為座標之憶阻器耐用性測試圖,其描繪一包含鉭、鉭氧化物及鉑之憶阻器在ON狀態及OFF狀態於一百五十億次循環期間之電阻。
第5A圖為一以電阻(歐姆)及循環為座標之實例圖,其圖描繪當不使用氧來源時一憶阻器於多數次ON-OFF循環期間在電阻上的變化之趨勢。
第5B圖為一以電阻(歐姆)及循環為座標之實例圖,其圖描繪當使用一氧來源時一憶阻器於多數次ON-OFF循環
期間在電阻上的變化之趨勢。
第6圖為一描繪依照本文所揭露之實例用以製造一憶阻器之一實例方法之流程圖。
現在詳細地參照所揭露之包含一摻雜物來源之憶阻器之特定實例以及用以製造所揭露之包含一摻雜物來源之憶阻器的方法之特定實例。適當時,替代性的實例也會簡要地描述。
本文中所使用者,除非內文清楚地另有指明,單數形式的「一」、「一個」及「該」包含複數個所指對象。
本說明書和附加之申請專利範圍中所使用者,「近乎」及「大約」意指±10%之變異,例如,由製造過程中之變化所造成。
在下列詳細說明中,參照伴隨本揭露內容之圖式,其闡明本揭露內容可為實現之特定實例。該實例之組件可定位成若干不同方向,且所用之與該組件之方向相關的任何方向性術語乃用以說明且絕非侷限性。方向性術語包含諸如「頂部」、「底部」、「前端」、「後端」、「超前」及「尾隨」等字詞。
應領會到,仍存在有可實現本揭露內容之其它實例,且可作出結構上或邏輯上的改變而不會脫離本揭露內容的範圍。因此,下列詳細說明不是以侷限性的意義採用。反之,本揭露內容的範圍係由附加之申請專利範圍所界定。
憶阻器為奈米尺度裝置,可在電子電路廣泛的範圍中作為組件使用,諸如記憶體、開關及邏輯電路與函數。當用來作為記憶體之基礎時,憶阻器可用以儲存一位元之資訊,1或0。用作為邏輯電路時,憶阻器可於類似現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array)之邏輯電路中使用作為位元,或可為線邏輯可程式邏輯陣列(wired-logic Programmable Logic Array)之基礎。
用作為開關時,憶阻器可為交叉點記憶體中之閉開關或開開關任一。在過去幾年以來,研究人員已做出重大的進展來改善這些憶阻器之切換效率。例如,以鉭氧化物為基礎之憶阻器顯示有優於其它有電子切換能力之奈米尺度裝置的卓越耐用性。在實驗室環境中,以鉭氧化物(TaOx)為基礎之憶阻器顯示多於一百億以上之切換循環,然而其它憶阻器,諸如鎢氧化物(WOx)或鈦氧化物(TiOx)為基礎之憶阻器,需要一精密的回授機制,用以避免過度驅動該裝置,或者需要一以更強大的電壓脈波來更新該裝置之額外步驟,以獲得在一千萬切換循環範圍中之耐用性。
然而,久而久之,以鉭氧化物為基礎之憶阻器及其它相似的以氧化物、氮化物或硫化物為基礎之憶阻器兩者都因為在切換區域中摻雜物的損失而遭遇性能問題。在切換區域中摻雜物的損失,如以下更進一步所描述,可造成憶阻器切換區域在OFF狀態下變得更少電阻性。據此,此在電阻性上的減少可造成憶阻器之ON/OFF電阻比的降減而因此造成電阻器性能的降低。
揭露一新憶阻器結構,其包含一結合進憶阻器切換電極的摻雜物來源,使得一摻雜物可從切換電極被提供至摻雜物已耗損的憶阻器切換區域,而恢復摻雜物對金屬的平衡。在憶阻器的切換區域中摻雜物含量的恢復可恢復憶阻器的耐用性及性能,藉由憶阻器的ON/OFF電阻比所量測。此外,此新憶阻器結構之形成係與電流製造製程相容。
第1A圖為不具有一摻雜物來源之一實例憶阻器在OFF狀態中之橫截面圖。在OFF狀態中,憶阻器100a包含一第一電極110、一包括一切換通道140之切換層120、及一第二電極130。在過去,包含一開關之憶阻器係已在實驗室環境中被研究。(參見,例如R.Stanley Williams,美國專利公開號2008-0090337A1,2008年4月17日,其全文內容藉由參照而併入本文中)。
在某些實例中,憶阻器100a之切換功能可在該切換層120中所實現。一般來說,該切換層120可為一半導性及/或絕緣性之弱離子性導體而不具有摻雜物。這些材料可由俱生摻雜物所摻雜,諸如氧空缺或雜質摻雜物(例如有意地引進不同的金屬離子進入該切換層120)。因為摻雜物為帶電的,且在電場下為可移動的,因此造成的經摻雜材料為導電的。據此,在這些材料(或該切換層120)之內之摻雜物的濃度廓形圖可因電場重新組構,造成在電場下裝置的電阻變化,即電切換。
在某些實例中,該切換層120可包含一過渡金屬氧化物,諸如鉭氧化物、釔氧化物、鉿氧化物、鋯氧化物或其
它類似氧化物,或者可包含一金屬氧化物,諸如鋁氧化物、鈣氧化物或鎂氧化物或其它類似氧化物。在一實例中,該切換層120可包含該第一電極110之金屬的氧化物型態。在替代性的實例中,該切換層120可為三元氧化物、四元氧化物或其它複合氧化物所形成,諸如鈦酸鍶氧化物(STO)或鐠鈣錳氧化物(PCMO)。在另外的其它實例中,該切換層120可包含氮化物或硫化物。
一種回火製程或其它熱形成製程,諸如藉由暴露在高溫環境下之加熱、藉由暴露在電阻加熱或其它合適的製程,可使用來形成一或多條切換通道140,因為這些製程可造成在該切換層120中局部的原子改質。在某些實例中,該切換通道140之傳導性可藉由施加橫跨於該第一電極110及該第二電極130之不同的偏壓所調整。在其它實例中,該切換層120可為可單獨配置的。
在某些實例中,憶阻器的切換層120可由一單層結構、一雙層結構或一多層結構組成。在某些實例中,該切換層120可具有一雙層結構,包含一薄的絕緣性氧化物層與一厚的重度還原式(heavily reduced)氧化物層。在一實例中,該絕緣性氧化物層大約為3奈米至6奈米厚,而該還原式氧化物層大約為10奈米至200奈米厚。在這些實例中,也被稱為免形成憶阻器,無需用以形成切換通道140之製程,因為氧化物層是如此薄以至於無需施加一高電壓或熱來形成切換通道140。在開關的正常操作期間所施加的電壓係足以形成一切換通道140。在另外的其它實例中,切換層非為
憶阻器內的局部特徵,但反之為,憶阻器內的均勻特徵。在這些實例中,整個切換層120可視為一單獨均勻具切換能力的通道。
在一實例中,當氧、其它摻雜物或金屬原子在電場下移動,造成在切換層120中該切換通道140的重新組構,憶阻器可切換為OFF 100a及ON 100b。特別地,當原子移動使所形成的切換通道140從該第一電極110到達至該第二電極130,憶阻器係在ON狀態100b且對於施加在該第一電極110與該第二電極130之間的電壓具有相當低的電阻。同樣地,當原子移動使所形成的切換通道140具有一已知為切換區域150之在該第一電極110與該第二電極130之間的間隙時,憶阻器係在OFF狀態100a且對於施加在該第一電極110與該第二電極130之間的電壓具有相當高的電阻。在某些實例中,加熱時在該切換層120中可形成超過一條切換通道140。
該切換層120可在該第一電極110與該第二電極130之間。在某些實例中,該第一電極110及該第二電極130可包含任何慣用的電極材料。慣用的電極材料之實例可包含,但不為限於,鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、釕(Ru)、二氧化釕(RuO2)、銀(Ag)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鎢(W)及氮化鎢(WN)。
第1B圖為一不具有一摻雜物來源之一實例憶阻器在ON狀態中之橫截面圖。在ON狀態100b中憶阻器含有與描述於第1A圖中在OFF狀態100a中之憶阻器實質上相同
的組件。然而,如先前所描述,當憶阻器在ON狀態100b,該切換通道140連接該第一電極110及該第二電極130使得沒有間隙或切換區域150在該切換通道140與該第二電極130之間被形成。
其次,第2A圖為一具有一氧來源之一實例憶阻器在OFF狀態中之橫截面圖,其係依照本文所揭露之實例,且第2B圖為一具有一氧來源之一實例憶阻器在ON狀態中之橫截面圖,其亦係依照本文所揭露之實例。由於第2A圖及第2B圖兩者皆描繪以氧化物為基礎之憶阻器實例(或換句話說,其中該切換層120包含氧化物),所用之摻雜物來源,如同以下更進一步描述,為氧來源。
一般來說,具有一摻雜物來源之憶阻器200a及200b可含有如同不具有一摻雜物來源之憶阻器100a及100b之相似的組件,如同以上所描述。具有一摻雜物來源之憶阻器如同不具有一摻雜物來源之憶阻器係能以相同的方式實現一OFF狀態200a及一ON狀態200b。然而,代替第二電極130,具有一摻雜物來源之憶阻器包含一傳導性合金210,其合金可具有理想的摻雜物溶解度且可作為於該切換層120之一摻雜物來源。
據此,在OFF狀態200a中,具有一摻雜物來源之實例憶阻器通常包含一電極110、一包括一切換通道140及一切換區域150之切換層120、及一傳導性合金210。在某些實例中,該切換層120在厚度上係可在從大約1奈米至100奈米之範圍,該電極110及該傳導性合金130在厚度上係
各可為100奈米或更大,以及該切換區域150在厚度上係可為1奈米或更小。
如同不具有一摻雜物來源之憶阻器100a及100b,在某些實例中,該電極110可包含任何慣用的電極材料(顯示在第2A圖及第2B圖中之M1),諸如鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、釕(Ru)、二氧化釕(RuO2)、銀(Ag)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鎢(W)及氮化鎢(WN)。
如同先前所討論,在設計能作有效切換行為之耐用性憶阻器的挑戰之一為ON/OFF切換比隨著時間而降減,其係因為在該切換層120中摻雜物含量降低,且更特定受衝擊的是該切換區域150。在該切換區域150中摻雜物含量之降低可造成該切換區域150變得更加金屬化,其可造成該OFF狀態200a隨著時間變得更少電阻性。據此,在該ON狀態200b與該OFF狀態200a之間的憶阻器電阻比可隨著切換循環而降低,其可造成憶阻器具有更短的工作生命。
為了要逆轉此趨勢,可透過該傳導性合金210供應摻雜物220給該切換區域150,其可包含一電極材料(M2)及一更進一步內含摻雜物220之摻雜物來源材料(M3)。在某些實例中,該傳導性合金210之電極材料(M2)可包含任何慣用的電極材料,如上所述,且可允許該傳導性合金210具傳導性。
在某些其中憶阻器為一以氧化物為基礎之裝置(或當切換層120包含氧化物)的實例中,在該傳導性合金210中
之摻雜物來源材料(M3)可儲存用以供應給該切換區域150之氧220。在此實例中,在製造製程期間,氧220可被配給進入該傳導性合金210中之摻雜物來源材料(M3)用為儲存。氧220,一般來說,經由熱力學因素及動力學因素可接著從該摻雜物來源材料(M3)移動至該切換區域150或移動至該切換層120。在一實例中,該氧220藉由化學擴散可傳送至該切換區域150,其擴散由在該切換區域150與該傳導性合金210之間的氧化學位能之差異所造成。如同先前所討論,氧220進入該切換區域150之此移動可在該切換區域150中恢復氧含量,從而恢復憶阻器在該ON狀態200b與該OFF狀態200a之間的電阻比並且恢復憶阻器的性能。
在某些實例中,該摻雜物來源材料(M3)可具有三種特徵。在其中憶阻器為一以氧化物為基礎之憶阻器的實例中,第一種特徵為該摻雜物來源材料氧化物(M3Oz)的形成自由能可比在該傳導性合金210中之該電極材料氧化物(M2Oy)的形成自由能負值更高但比在該切換層120中之該切換氧化物(M1Ox)的形成自由能負值更低。替代性地,當下列兩種反應兩者的自由能皆為負值,係滿足第一種特徵:x M3Oz+z M1=z M1Ox+x M3
z M2Oy+y M3=y M3Oz+z M2,其中「x」、「y」及「z」代表任何正實數、M1為該電極110之材料、M2為該傳導性合金210之電極材料以及M3
為在該傳導性合金210中之摻雜物來源材料。此外,M1Ox、M2Oy及M3Oz各自為在該切換層120中之切換氧化物、該傳導性合金210之電極材料(M2)氧化物及該摻雜物來源材料(M3)氧化物。
此第一種特徵的存在表示該摻雜物來源材料氧化物(M3Oz)比該傳導性合金210之該電極材料氧化物(M2Oy)係更加穩定,但比在該切換層120中之該氧化物(M1Ox)係更不穩定。因此,氧220只可從該傳導性合金210傳送至該切換區域150而不可從該切換區域150傳送至該傳導性合金210。此外,氧220可較佳地被引導至傳導性合金210之該摻雜物來源材料(M3)而非引導至該電極材料(M2)。
該摻雜物來源材料(M3)可具有的第二種特徵為氧220可溶在該摻雜物來源材料(M3)中。此第二種特徵的存在允許該摻雜物來源材料(M3)儲存氧220使得所儲存的氧220可被利用來重新補充在該切換區域150中之降減的氧。
該摻雜物來源材料(M3)可具有的第三種特徵為該摻雜物來源材料(M3)可溶在該傳導性合金210之該電極材料(M2)中,其實例係如同先前所描述。此第三種特徵允許該摻雜物來源材料(M3)形成一於該傳導性合金220之電極材料(M2)中帶有或具有可覺察溶解度之連續單一相結構固溶體。該摻雜物來源材料(M3)形成一於該傳導性合金210之電極材料(M2)中帶有或具有可覺察溶解度之連續單一相結構固溶體的能力係允許在該傳導性合金210中氧220的分布為均勻的。假如一單一相結構固溶體無法形成,則所得
的傳導性合金210可為雙相結構,其雙相結構可妨礙該氧220擴散進入局部的切換區域150。
應領會到,雖然前述的憶阻器參照具有以氧化物為基礎之切換層120的憶阻器已被廣泛地描述及解釋,本發明不為如此受限。如上所述,在某些實例中,切換層120可包含一硫化物或一氮化物而非一氧化物。在此等實例中,憶阻器可實質上以與包含一以氧化物為基礎之切換層120之憶阻器相同的方式來作用。此外,無論是否該切換層120為以氧化物、氮化物或硫化物為基礎,用以決定對各個憶阻器組件之適當材料的方法係可實質上相同。唯一的不同為,當使用一以氮化物為基礎之切換層時,該摻雜物來源材料(M3)可儲存氮,以及當使用一以硫化物為基礎之切換層時,該摻雜物來源材料(M3)將儲存硫。據此,決定對各個憶阻器組件之合適材料的方法可調整以反映出係使用氮或硫而非氧作為摻雜物。例如,假如該切換層120包含氮化物,合適摻雜物來源材料的決定可取決於對各種氮化物之形成自由能的比較。
一實例憶阻器之一埃林漢圖,其中電極110包含鉭(Ta或M1),切換層120包含鉭氧化物(TaOx或M1Ox),以及傳導性合金210包含電極材料鉑(Pt或M2)、摻雜物來源材料鈷(Co或M3)及氧220,可使用來解釋對於該摻雜物來源材料(M3)所要求的特徵。
第3圖為一以自由能(KJ)及溫度(K)為座標之實例結構埃林漢圖,其圖描繪標準自由能相關於用以形成TaOx
(M1Ox)310、PtOy(M2Oy)330及CoOz(M3Oz)320之溫度。所有描繪形成自由能之變化的方程式係標準化為1莫耳的氧,如同在描繪TaOx(M1Ox)之形成自由能的變化之方程式360、描繪PtOy(M2Oy)之形成自由能的變化之方程式340及描繪CoOz(M3Oz)之形成自由能的變化之方程式350中所見。
在埃林漢圖中,一負值更高的形成自由能表示一更強鍵結之化合物的形成,其可為更加穩定及需要更多能量來破壞。如同在第3圖中所見,TaOx(M1Ox)310比PtOy(M2Oy)330或CoOz(M3Oz)320更加穩定。因此,在該電極110及切換層120中包括Ta(M1)以及在該傳導性合金210中包括Pt(M2)、Co(M3)及氧的憶阻器中,氧220可從該摻雜物來源材料,Co(M3),釋放至切換區域150,因為所造成的形成氧化物,TaOx(M1Ox),可為更加穩定。
換句話說,第一,Co可為一合適的摻雜物來源材料(M3),因為以下的反應具有一負值自由能:x CoO+Ta→TaOx+x Co。以上的反應具有一負值自由能,因為Co(M3)(該摻雜物來源材料)之氧化物形式的形成自由能係比TaOx(M1Ox)(切換氧化物)的形成自由能負值更低。
第二,Co可為一合適的摻雜物來源材料(M3),因為氧可溶於Co。此外,從第3圖中,因為對於Co(M3)之形成自由能的變化係比對於PtOy(M2Oy)之形成自由能的變化負值更高,任何在傳導性合金210中的氧可與Co(M3)儲存而對比於與Pt(M2)。如同先前所討論,因為可在氧與Co
(M3)之間形成的更強鍵結,可存在此種排列。最後,第三,Co可與該傳導性合金210之電極材料(Pt或M2)形成一連續固溶體,允許在該傳導性合金210中氧220的均勻分布。
在其它實例中,其它材料可為合適的摻雜物來源材料。在某些實例中,可先決定切換氧化物(M1Ox)之材料。其次,可選擇傳導性合金210之材料。在某些實例中,該傳導性合金210之電極材料(M2)可比電極110之材料(M1)或摻雜物來源材料(M3)更貴重。因此,M2Oy 330之形成自由能可比M1Ox 310或M3Oz 320之形成自由能負值更低。此外,在此實例中,該摻雜物來源材料(M3)可比該傳導性合金210之該電極材料(M2)更不貴重但比該電極110之該材料(M1)更貴重。
在某些實例中,TaOx可使用為切換氧化物M1Ox。在這些實例中,該傳導性合金210之該電極材料(M2)可包含任何傳導性材料,諸如Ag、Au、Pd、Pt、Co、Cu、Mo或Ni。其次,在這些實例中,如同以上所描述,基於所選擇之傳導性材料(M1及M2)的特性可選擇該摻雜物來源材料(M3)。一些該傳導性合金210之組成實例可包含M2為銀且M3為鈀、M2為金且M3為銅、M2為鈀且M3為鈷、M2為鈀且M3為銅、M2為鉑且M3為銅、M2為銅且M3為鎳或是M2為鉬且M3為鉻。
第4圖為一以電阻(歐姆)及循環為座標之憶阻器耐用性測試圖,其圖描繪一包含鉭、鉭氧化物及鉑之憶阻器在ON狀態及OFF狀態於一百五十億次循環期間之電阻。在
此圖400中,上方資料點410描繪憶阻器在OFF狀態中的電阻,而下方資料點420描繪憶阻器在ON狀態中的電阻。
耐用性係藉由交替使用不具有回饋迴路之固定的正及負電壓脈衝所量測。裝置的電阻值係在一特定數量的切換脈衝之後藉由不擾亂裝置狀態的小電壓掃查所詢問。如同在該圖400所見,當憶阻器經歷數循環,OFF狀態410之電阻降低,減低憶阻器的效能以及限制其使用生命。如同先前所討論,OFF狀態410之電阻降低可因為在切換層中之氧的損耗,且最後可因為在ON狀態與OFF狀態之間電阻比的降低而造成憶阻器性能的降低。
第5A圖為一以電阻(歐姆)及循環為座標之概要圖,其圖描繪當不使用氧來源時一憶阻器於多數次ON-OFF循環期間在電阻上的變化趨勢。在此實例圖500a中,上方趨勢線510描繪憶阻器在OFF狀態中之電阻,而下方趨勢線520描繪憶阻器在ON狀態中的電阻。如同在實例圖500a所見,當憶阻器經歷ON-OFF數循環,憶阻器在OFF狀態510之電阻降低,表示憶阻器性能的降低。
另一方面,第5B圖為一以電阻(歐姆)及循環為座標之結構圖,其圖描繪當使用一氧來源時一憶阻器於多數次ON-OFF循環期間在電阻上的變化趨勢。在此實例圖500b中,上方趨勢線530描繪憶阻器在OFF狀態中之電阻,而下方趨勢線520描繪憶阻器在ON狀態中的電阻。如同在實例圖500b中所見,假如供應氧220至切換區域150,OFF狀態之電阻保持實質上恆定530且憶阻器的性能在切換循
環期間不會因為在切換區域150或切換層120中氧的損耗而降低。因此,當對憶阻器提供一氧來源,該憶阻器的性能比一不具有氧來源之憶阻器可於更長一段時間保持恆定。
第6圖為一描繪依照本文所揭露之實例用以製造一憶阻器之一實例方法600之流程圖。應領會到,描繪於第5圖中之方法600可包含額外的步驟,且可移除及/或修改本文所描述的某些步驟而不脫離方法600的範圍。
第一,傳導性合金210可被形成610。如同先前所討論,該傳導性合金210包含一慣用的電極材料(M2)、一摻雜物來源材料(M3)及摻雜物220。在某些實例中,可使用共濺鍍製程而將摻雜物220配給進入該摻雜物來源材料(M3)。在此製程中可使用兩種不同的濺鍍靶材來同時在基材(例如矽晶圓)上以不同的沉積速率沉積兩種材料,其取決於所需的最終組成物。在一共濺鍍之實例中,傳導性合金210可藉由在包含摻雜物220的環境下,提供一慣用的電極材料(M2)及一摻雜物來源材料(M3)作為兩種濺鍍靶材所形成。在共濺鍍製程中摻雜物220的存在可造成摻雜物220被提供至及被儲存在該摻雜物來源材料(M3)中。如同先前所討論,於形成在摻雜物220與該摻雜物來源材料(M3)間的鍵結更加穩定之下,該摻雜物220係更可能儲存在該摻雜物來源材料(M3)中而非該慣用的電極(M2)中。在其它實例中,可使用熱氧化法、在氧環境下之反應性濺鍍法、化學氣相沉積法或其它合適的製程來將摻雜物220配給於該摻雜物
來源材料(M3)中。在另外的其它製程中,包含摻雜物220之摻雜物來源材料(M3)可為一自然可獲得的或商業上可獲得的化合物。
第二,該切換層120可形成在該傳導性合金210上620。在一實例中,切換層120為一電子半導性或名義上絕緣性且弱離子性導體。在該傳導性合金210上之該切換層120的沉積可透過濺鍍法、原子層沉積法、化學氣相沉積法、蒸發法、離子束輔助沉積法、陽極化法或其它合適的製程所實現。
第三,該電極110可形成在該切換層120上630。該電極110可透過任何合適的形成製程所提供,諸如化學氣相沉積法、濺鍍法、蝕刻法、微影法或其它合適的製程。在某些實例中,可提供超過一個電極。在該切換層120上之該電極110的沉積可透過濺鍍法、原子層沉積法、化學氣相沉積法、熱蒸發法、電子束蒸發法、離子束輔助沉積法或其它合適的製程所實現。假如提供超過一個電極,在每一個之上的額外電極的沉積物也可透過實質上相同的製程所實現。
在某些實例中,可形成一切換通道140。在一實例中,該切換通道140係藉由加熱該切換層120所形成。可使用許多不同的製程來達成加熱,包含熱回火或使電流通過憶阻器。在其它實例中,其中使用一具有內建傳導通道之免形成憶阻器,無須加熱,因為該切換通道140係內建的,且如同先前所討論,第一電壓(其電壓係可與操作電壓大約
相同)施加於憶阻器的原始狀態係可足夠用以形成一切換通道140。
然而在上述實例中,第一可形成傳導性合金210,在其它實例中,第一可形成電極110。在此等實例中,第一可形成電極110、第二可在該電極上形成切換層120以及第三可在該切換層120上形成傳導性合金210。在這些實例中,該等層被形成且以如同上述之實質相同的方式層層堆積。
應領會到本文所描述之憶阻器,諸如描繪於第1A、1B、2A及2B圖之實例憶阻器可包含額外的組件且某些本文所描述之組件可移除及/或修改而不脫離在此等圖式中之憶阻器的範圍。也應領會到,這些圖式中所描繪之組件非依比例繪出,且因此,組件相對於彼此可具有不同於圖式中所示者之相對尺寸。例如,該電極110可實質上垂直於傳導性合金210排列,或者可以相對於彼此呈某些其它非零角度排列。作為另一實例,切換層120可比電極110或傳導性合金210相對地更小或相對地更大。
100a‧‧‧憶阻器(OFF狀態)
100b‧‧‧憶阻器(ON狀態)
110‧‧‧(第一)電極
120‧‧‧切換層
130‧‧‧第二電極
140‧‧‧切換通道
150‧‧‧切換區域
200a‧‧‧憶阻器(OFF狀態)
200b‧‧‧憶阻器(ON狀態)
210‧‧‧傳導性合金
220‧‧‧氧
300‧‧‧埃林漢圖(Ellingham diagram)
310、320、330‧‧‧氧化物
340、350、360‧‧‧方程式
400‧‧‧圖
410、420‧‧‧資料點
500a、500b‧‧‧實例圖
510、520、530‧‧‧趨勢線
600‧‧‧方法
610、620、630‧‧‧步驟
620‧‧‧步驟
630‧‧‧步驟
第1A圖為一在OFF狀態中之不具有一摻雜物來源之一實例憶阻器的橫截面圖。
第1B圖為一在ON狀態中之不具有一摻雜物來源之一實例憶阻器的橫截面圖。
第2A圖為一依照本文所揭露之實例在OFF狀態中之具有一氧來源之一實例憶阻器的橫截面圖。
第2B圖為一依照本文所揭露之實例在ON狀態中之具
有一氧來源之一實例憶阻器的橫截面圖。
第3圖為一以自由能(KJ)及溫度(K)為座標之結構埃林漢圖(Ellingham diagram),其描繪標準自由能相關於以下氧化物之形成溫度的變化:切換層之氧化物(M1Ox)、傳導性合金中電極材料之氧化物(M2Oy)及氧來源之氧化物(M3Oz),其對建構一依照本文教示之實例憶阻器有幫助。
第4圖為一以電阻(歐姆)及循環為座標之憶阻器耐用性測試圖,其描繪一包含鉭、鉭氧化物及鉑之憶阻器在ON狀態及OFF狀態於一百五十億次循環期間之電阻。
第5A圖為一以電阻(歐姆)及循環為座標之實例圖,其圖描繪當不使用氧來源時一憶阻器於多數次ON-OFF循環期間在電阻上的變化之趨勢。
第5B圖為一以電阻(歐姆)及循環為座標之實例圖,其圖描繪當使用一氧來源時一憶阻器於多數次ON-OFF循環期間在電阻上的變化之趨勢。
第6圖為一描繪依照本文所揭露之實例用以製造一憶阻器之一實例方法之流程圖。
110‧‧‧第一電極
120‧‧‧切換層
140‧‧‧切換通道
150‧‧‧切換區域
200a‧‧‧憶阻器(OFF狀態)
210‧‧‧傳導性合金
220‧‧‧氧
Claims (20)
- 一種憶阻器,其包含:一電極;一包含一傳導材料、一摻雜物來源材料及一摻雜物之傳導性合金;以及一位在該電極與該傳導性合金之間的切換層,其中該切換層包含一電子半導性或名義上絕緣性且弱離子性之切換材料,其中:該摻雜物來源材料係可溶於該傳導材料,該摻雜物係可溶於該摻雜物來源材料,並且一包括該摻雜物及包含該摻雜物來源材料之材料之化合物的形成自由能,係比一包括該摻雜物及包含該傳導材料之材料之化合物的形成自由能負值更高,且係比一包括該摻雜物及包含該電極之材料之化合物的形成自由能負值更低。
- 如申請專利範圍第1項之憶阻器,其中該切換層為一單層結構、一雙層結構或一多層結構。
- 如申請專利範圍第1項之憶阻器,其中該切換層或其一部份係要形成一切換通道。
- 如申請專利範圍第1項之憶阻器,其中該電極及該傳導材料包含一選自於由下列成分組成之群組中的材料:鋁、銅、金、鉬、鈮、鈀、鉑、釕、氧化釕、銀、鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢及氮化鎢。
- 如申請專利範圍第1項之憶阻器,其中:該切換層包含一氧化物且該摻雜物為氧; 該切換層包含一氮化物且該摻雜物為氮;或者該切換層包含一硫化物且該摻雜物為硫。
- 如申請專利範圍第1項之憶阻器,其中:該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鉑且該摻雜物來源材料包含鈷;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含銀且該摻雜物來源材料包含鈀;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含金且該摻雜物來源材料包含銅;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鈀且該摻雜物來源材料包含鈷;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鈀且該摻雜物來源材料包含銅;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鉑且該摻雜物來源材料包含銅;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含銅且該摻雜物來源材料包含鎳;或者該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鉬且該摻雜物來源材料包含鉻。
- 一種用以製造憶阻器的方法,該憶阻器係為如申請專利範圍第1項之憶阻器,該方法包含:提供該傳導性合金或該電極作為一第一層;在該第一層上提供該切換層;在該切換層上提供該傳導性合金或該電極; 散佈該摻雜物進入該摻雜物來源材料;以及散佈該摻雜物來源材料進入該傳導材料。
- 如申請專利範圍第7項之方法,其中該電極及該傳導材料包含一選自於由下列成分所組成之群組中的材料:鋁、銅、金、鉬、鈮、鈀、鉑、釕、氧化釕、銀、鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢及氮化鎢。
- 如申請專利範圍第7項之方法,其中:該切換層包含一氧化物且該摻雜物為氧;該切換層包含一氮化物且該摻雜物為氮;或者該切換層包含一硫化物且該摻雜物為硫。
- 如申請專利範圍第7項之方法,其中該摻雜物來源材料係可溶於該傳導材料,該摻雜物係可溶於該摻雜物來源材料,並且一包括該摻雜物及包含該摻雜物來源材料之材料之化合物的形成自由能,係比一包括該摻雜物及包含該傳導材料之材料之化合物的形成自由能負值更高,且係比一包括該摻雜物及包含該電極之材料之化合物的形成自由能負值更低。
- 如申請專利範圍第7項之方法,其更包含形成一切換通道。
- 如申請專利範圍第7項之方法,其更包含藉由化學氣相沉積法、原子層沉積法、反應濺鍍法或熱擴散法來形成該摻雜物來源材料。
- 如申請專利範圍第12項之方法,其更包括在一包含該摻雜物的環境中形成該摻雜物來源材料。
- 一種憶阻器,其包含:一電極;包含一傳導材料、散佈於該傳導材料中的一摻雜物來源材料、及散佈於該摻雜物來源材料中的一摻雜物之一傳導性合金;以及位在該電極與該傳導性合金之間的一切換層,其中該切換層包含一電子半導性或名義上絕緣性且弱離子性之切換材料。
- 如申請專利範圍第14項之憶阻器,其中該切換層為一單層結構、一雙層結構或一多層結構。
- 如申請專利範圍第14項之憶阻器,其中該切換層或其一部份係要形成一切換通道。
- 如申請專利範圍第14項之憶阻器,其中該電極及該傳導材料包含一選自於由下列成分所組成之群組中的材料:鋁、銅、金、鉬、鈮、鈀、鉑、釕、氧化釕、銀、鉭、氮化鉭、氮化鈦、鎢及氮化鎢。
- 如申請專利範圍第14項之憶阻器,其中:該切換層包含一氧化物且該摻雜物為氧;該切換層包含一氮化物且該摻雜物為氮;或者該切換層包含一硫化物且該摻雜物為硫。
- 如申請專利範圍第14項之憶阻器,其中該摻雜物來源材料係可溶於該傳導材料,該摻雜物係可溶於該摻雜物來源材料,並且一包括該摻雜物及包含該摻雜物來源材料之材料之化合物的形成自由能,係比一包括該摻雜物及 包含該傳導材料之材料之化合物的形成自由能負值更高,且係比一包括該摻雜物及包含該電極之材料之化合物的形成自由能負值更低。
- 如申請專利範圍第14項之憶阻器,其中:該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鉑且該摻雜物來源材料包含鈷;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含銀且該摻雜物來源材料包含鈀;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含金且該摻雜物來源材料包含銅;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鈀且該摻雜物來源材料包含鈷;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鈀且該摻雜物來源材料包含銅;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鉑且該摻雜物來源材料包含銅;該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含銅且該摻雜物來源材料包含鎳;或者該電極包含鉭、該切換材料包含鉭氧化物、該傳導材料包含鉬且該摻雜物來源材料包含鉻。
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