高可靠性高速忆阻器

摘要

忆阻器具有第一电极、平行于第一电极的第二电极以及布置在第一电极和第二电极之间的切换层。切换层包含传导沟道和储蓄器区。传导沟道带有具有可变的移动离子浓度的费米玻璃材料。储蓄器区相对于传导沟道横向地布置，并对传导沟道充当移动离子的源/吸收体。在切换操作中，在电场和热效应的协作驱动力下，移动离子移动进或出横向布置的储蓄器区以改变传导沟道中的移动离子的浓度，从而改变费米玻璃材料的传导率。

权利要求

1.一种忆阻器，包括：

第一电极；

第二电极，其平行于所述第一电极；以及

切换层，其布置在所述第一电极和所述第二电极之间，并包含传导沟道和储蓄器区，所述传导沟道具有费米玻璃材料，所述费米玻璃材料具有可变的移动离子的浓度，所述储蓄器区相对于所述传导沟道横向地布置，并在切换操作期间对所述传导沟道充当移动离子的源/吸收体，其中所述移动离子移动到所述横向布置的储蓄器区内或者从所述横向布置的储蓄器区移动出来，以改变所述传导沟道中的所述移动离子的浓度，从而改变所述费米玻璃材料的传导率。

2.如权利要求1所述的忆阻器，其中所述费米玻璃材料是金属和所述移动离子的固溶体。

3.如权利要求2所述的忆阻器，其中所述金属是钽。

4.如权利要求3所述的忆阻器，其中所述移动离子是氧负离子。

5.如权利要求1所述的忆阻器，其中所述费米玻璃材料选自于由氧化物、氮化物、磷化物、硫属化物、碳化物、硼化物和氟化物构成的组。

6.如权利要求1所述的忆阻器，其中所述费米玻璃材料为硫化物。

7.如权利要求1所述的忆阻器，其中所述传导沟道具有截头锥的形状，其中较窄的端部与所述第二电极接触。

8.如权利要求7所述的忆阻器，其中所述横向布置的储蓄器区形成围绕所述传导沟道的较窄端部的环形区域。

9.如权利要求8所述的忆阻器，其中所述费米玻璃材料是钽和氧的固溶体。

10.如权利要求9所述的忆阻器，其中所述储蓄器区包含氧化钽。

11.如权利要求10所述的忆阻器，其中所述储蓄器区由结晶Ta2O5围绕。

12.如权利要求10所述的忆阻器，其中所述第一电极由钽形成，而所述第二电极由铂形成。

13.一种切换忆阻器的方法，所述忆阻器具有平行的第一电极和第二电极、布置在所述第一电极和所述第二电极之间并包含费米玻璃材料的传导沟道、以及用于提供和吸收移动离子的横向布置的储蓄器区，所述方法包括：将第一切换电压施加到所述第一电极和所述第二电极以接通忆阻器，所述第一切换电压与第一热效应协作使移动离子从所述传导沟道朝向所述横向布置的储蓄器区移动，从而减小费米玻璃材料中的所述移动离子的浓度；以及将第二切换电压施加到所述第一电极和所述第二电极以断开所述忆阻器，所述第二切换电压在极性上与所述第一切换电压相反并与第二热效应协作使移动离子从所述横向布置的储蓄器区朝向所述传导沟道移动，从而增加所述费米玻璃材料中的所述移动离子的浓度。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述费米玻璃材料是金属和氧的固溶体。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述金属是钽。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述第一热效应是热泳，而所述第二热效应是热扩散。

说明书

高可靠性高速忆阻器

背景技术

[0001] 当前的存储器技术——包括DRAM（动态随机存取存储器）、SRAM（静态RAM）和NAND闪存——快速接近其可扩性限制。因此，存在对可满足未来的存储器应用的性能要求的新存储器技术的强烈需要。作为一种类型的忆阻器的电阻性RAM是有前途的技术，且被证明展示极大的可扩性、非易失性、多状态操作、3D可堆叠性和CMOS兼容性。然而，在提高这样的设备的性能例如设备耐久性、热稳定性和切换速度方面存在挑战。

附图说明

[0002] 参考下面的附图作为例子描述本发明的一些实施例：

[0003] 图1是根据本发明的实施例的高耐久性、高速和低能忆阻器的顶视图的示意图；

[0004] 图2是根据本发明的实施例的具有独特的新结构和新切换机制的忆阻器的示意性透视图；

[0005] 图3是图1的高耐久性、高速和低能忆阻器的I-V曲线的例子；

[0006] 图4是示出图1的忆阻器的传导沟道中的材料的电阻的温度系数的曲线图；以及

[0007] 图5是示出新切换机制的图2的忆阻器结构的示意性横截面视图。

具体实施方式

[0008] 如下所述，本发明的发明人发现忆阻器的独特的新结构。与独特的切换结构耦合的忆阻器的独特结构允许设备提供优于以前知道的切换设备的明显提高的性能特征，包括
提高得多的耐久性、低切换能量和快切换速度。

[0009] 图1以示意图的形式示出根据本发明的实施例的忆阻器100的范例的顶视图。范例性设备100具有由Ta形成的上电极、由Pt形成的下电极以及布置在上电极和下电极之间的
切换层。在设备制造过程中，切换层被形成为包含非晶Ta2O5。然而如下面更详细描述的，当设备被操作时，切换层的成分改变。设备甚至在150亿个接通-断开循环之后也通过保持可
切换而展示高耐久性，而没有任何反馈或功率限制电路。对于接通切换和断开切换，设备使用相对低的电压——小于2V——而可切换。此外，对接通和断开的切换时间小于2纳秒。作为结果，设备展示非常低的切换能量（<1pJ）。

[0010] 图1中的顶视图是借助于压力调制电导显微镜（PCM）得到的图像的示意性表示。通过使用非传导原子力显微镜（AFM）末端（tip）来拍摄PCM图像以将压力施加到示范性设备100的上电极，并同时在小电流偏置下监测设备的电阻的变化。这产生作为AFM末端位置的
函数的电阻图。图中的电阻变化允许设备的切换层中的传导沟道被识别出。如图1所示，发现切换层具有良好限定的传导沟道110。观察到的传导沟道具有在纳米级上的尺寸，并且对于示范性设备而言为大约100nm。围绕纳米级传导沟道110的是通常环形的区域120，其如下所述是对传导沟道110起移动离子种类（mobile ion species）的源/吸收体（sink）的作用的储蓄器区。如将在下面更详细地描述的，切换机制涉及在传导沟道110和横向布置的储蓄器区120之间的移动离子种类的移动，这允许提高的切换特性，例如高速、低能和高耐久性。

[0011] 在示范性设备的切换层中的传导沟道110的位置通过PCM技术来识别出之后，示范性设备使用聚焦离子束（FIB）沿着图1中的线A-A被截面地切割。接着使用横截面透射电子显微镜（X-TEM）和电子能量损失能谱法（EELS）来检查传导沟道及其周围区域的结构和成分。基于使用那些技术的物理特征，形成对传导沟道区域以及切换机制的理解。

[0012] 图2是具有根据本发明的独特的新结构的忆阻器200的结构和成分的示意图。设备具有上电极202、通常平行于上电极的下电极204以及布置在电极之间的切换层206。切换层
206包括在上电极和下电极之间的纳米级传导沟道210。如在本文使用的，词“纳米级”意味着部件的尺寸在纳米标度上。在一些实施例中，传导沟道210可具有如图2所示的截头锥的
形状，使得它在上电极202附近较宽，而朝着下电极204较窄。相邻于传导沟道210的是能够提供或吸收选定种类的移动离子的储蓄器区220。在这个实施例中，储蓄器区220是围绕传
导沟道210的通常环形的区。储蓄器区220相对于传导沟道210横向地布置，因为它在侧面，而不是沿着上电极和下电极之间的传导沟道210的垂直中心线212串行布置。这是彻底不同
于以前已知的忆阻器（例如，基于作为切换材料的氧化钛的设备）的惊人的特征。如下面解释的，认为这个特征与允许忆阻器220具有多个期望的切换特征的独特切换机制相关。

[0013] 传导沟道210包含表现为“费米玻璃”的材料。费米玻璃材料能够根据由横向储蓄器区提供（source）或被横向储蓄器区吸收的移动离子的种类的浓度而经历成分诱导金属-绝缘体过渡。作为结果，传导沟道201可通过调节费米玻璃材料中的移动离子的浓度而被置于高电阻状态（断开状态）或低电阻状态（接通状态）中。可用于识别费米玻璃的另一特性是作为移动离子浓度的函数的其传导率的温度系数的符号（或极性）。

[0014] 在这点上，存在可用作传导沟道中的材料以用于切换的很多不同的费米玻璃。它们包括氧化物、氮化物、硫化物、磷化物、碳化物、硼化物、氟化物、硫属化物等，其可以是二元的、三元的、四元的或更多元的组分。这样的费米玻璃材料的一些例子包括TaOx、HfOx、ZrOx、YOx、ErOx、SmOx、SeOx、GdOx、TiOx、MnOx、SnOx、CrOx、WOx、NbOx、MoOx、VOx、CoOx、FeOx、NiOx、ZnOx、MgOx、CaOx、AlOx、SiOx、GaOx、AlNx、GaNx、SiNx、SiCx、BCx、AgxS、CuxS、BNx、SrTiO3-x、CaZrO3-x、LiTiOx、PCMO(Pr0.7Ca0.3MnOx)等，其中0

[0015] 基于从分析如上所述的范例性设备100得到的信息，在一个实施例中，传导沟道210包含钽和氧的固溶体，虽然氧的浓度可能超过如Ta的教科书相图所提供的20%限制。Ta-O固溶体保持为非晶的。钽-氧固溶体可以可选地被视为氧化钽的非晶膜，其中的钽具有多
个效价值。在这种情况下，Ta-O固溶体表现为费米玻璃，其中氧负离子（O2-）作为移动离子种类。O2-浓度的相对小的变化可引起Ta-O固溶体的总传导率的显著变化。在低电阻状态（LRS）或接通状态中，传导沟道中的Ta-O溶液展示由图3中的接通状态中的线性I-V曲线段230证
实的金属行为和如图4中的接通状态的线240的斜率所示的正的电阻热系数（TCR）。断开状态也显示出图3中的几乎线性的I-V曲线段232，但具有如图4中的断开状态的线242所示的
负的TCR。

[0016] Ta-O固溶体的费米玻璃行为通过对作为O2-浓度的函数的这样的材料的传导率变化的研究以及还有从过渡的金属侧上的正到绝缘侧上的负的电阻温度系数（TCR）的符号变化来确认。基于使TCR与具有不同的氧浓度的Ti-O膜的参考膜匹配，传导沟道的平均氧浓度值被确定为对于接通状态是大约15±5原子%，对于中间状态是23±5原子%，且对于断开状
态是54±5原子%。围绕传导沟道的环形源/吸收体区由氧化钽（TiOx）形成，氧化钽的成分被预期为接近Ta2O5。紧邻储蓄器区220的区域222大量包含Ta2O5，且一些部分被观察到被结晶（高温正方α-Ta2O5晶相），证明由切换操作引起的明显加热。在结晶Ta2O5区域222外部的切换层的其余部分是（生长而成的）非晶Ta2O5。

[0017] 新忆阻器的结构和成分分析揭示了与以前已知的忆阻器的切换机制非常不同的独特的切换机制。在这里作为例子使用基于作为沟道材料的Ta-O的设备来解释新的切换机
制。如图5所示，设备的活性区具有在底部部分中由氧化钽（TiOx）的横向储蓄器区220围绕的传导沟道210。设备220可通过改变传导沟道210中的Ta-O固溶体（其表现为费米玻璃）中
2-
的O 负离子的浓度来从接通转变到断开或从断开转变到接通。换句话说，设备200通过传导沟道210中的材料中的成分诱导传导率变化来进行切换。

[0018] 该切换是双极的，因为接通切换电压和断开切换电压具有相反的极性。为了将设备从断开（HRS）状态切换到接通（LRS）状态，正电压被施加到上电极202，而下电极204被等同地负偏置，如在图5的左侧中所示的。所产生的电场E向上驱动氧负离子。同时，陡温度梯度被通过在断开状态中的电流的焦耳加热产生，引起也被称为热泳的索雷特（Soret）效应。
热泳是在陡温度梯度下移动种类（例如原子、离子或空位）的扩散，在该温度梯度下稀释空位（例如氧空位）可优先朝着较高的温度扩散。在这种情况下，热泳效应使氧空位从储蓄器区220朝着传导沟道210的中心向内径向扩散。等效视图是，氧负离子从传导沟道210朝着横向储蓄器220向外扩散。因此，氧负离子由于外加电场而从传导沟道的下部分向上漂移，并接着从沟道径向扫出来、到达横向储蓄器。由于由电场引起的垂直漂移和由热泳引起的横
向扩散的组合或协同效应，氧负离子O2-沿着非线性路径从传导沟道的下部分移动出来，如弯曲箭头250和252所示的。在传导沟道210中的氧浓度的减小导致低电阻，从而将设备置于接通状态中。

[0019] 为了将设备从接通状态转变到断开状态，正切换电压被施加到下电极，如在图5的右侧中所示的。因此，断开-切换的电场与接通-切换的电场相反。当设备在接通状态中启动时，穿过传导沟道210的初始切换电流是大的。高功率使传导沟道210及其四周变热。当功率被施加到设备时，在接通状态中的沟道的较高电和热传导率更均匀地分布热。作为结果，所产生的温度梯度较平坦（与在断开切换期间的大梯度相反），这实现氧负离子O2-从横向储蓄器区220（高浓度）到传导沟道的中心（低浓度）的快速菲克扩散。所扩散的氧负离子同时由切换电压所产生的电场E向下驱动。氧负离子的一般路径由弯曲箭头250和252示出。作为结果，在传导沟道210的下部分中的氧浓度被补充，使Ta-O固溶体的电阻率明显增加，从而将设备置于断开或HRS状态中。再次，当在接通切换操作中时，移动氧负离子在横向储蓄器220和传导通道210的下部分之间的交换是用于切换的主要机制。

[0020] 上面描述的切换机制利用布置到传导沟道的侧面的横向储蓄器以提供或吸收移动离子来引起成分诱导传导率变化。应注意，这个切换机制不涉及隧穿间隙减小（对于接通切换）或增加（对于断开切换），因为在这个图片中没有隧穿间隙。这使新切换机制非常不同于如针对其它已知的切换氧化物所发现的基于隧道间隙的调节的切换机制。

[0021] 它也明显不同于其它已知的忆阻器，例如基于氧化钽的设备，其中离子源/吸收体与传导沟道串联（即，沿着从一个电极到另一电极的轴或电场布置）。因为沟道的切换部分控制电子传递，串联的储蓄器通常比沟道的切换部分更有传导性，并由更多的氧空位组成
（在Ti-O情况中），而并联的储蓄器通常比沟道的切换部分更有电阻性，并由更多的氧负离子组成（在Ta-O情况中）。因此，热扩散有利于后者（并联）但不是前者（串联）的断开切换。事实上，热扩散由于其与电场相反的驱动方向而明显减慢在基于Ti-O的设备中的断开切换，
在那些系统的一些中导致慢几个数量级的断开切换。此外，为了得到快速断开切换（例如，
10ns），明显更大的功率是需要的，这使断开切换成为那些设备中的功耗最大的过程。

[0022] 相反，使用新的设备结构和机制，如上面对作为实施例的Ta-O切换系统描述的，电场和热效应协作地组合在一起，导致超快的切换速度，其中电压的相同低幅值用于以相似的速度针对接通和断开切换来切换设备。这进一步对这样类型的设备实现低得多的操作能
量，其中与Ti-O纳米设备的超过100μA的电流相比，亚-10μA电流可用于切换50nm x50nm设备。

[0023] Ta-O系统在上面被描述为提供高度可靠的忆阻器的新设备结构/成分的一个实施例。然而其它系统被预期展示类似的结构和切换行为，且因此在本发明的范围内。作为一个例子，Hf-O系统可展示如上面关于Ta-O系统所描述的结构和切换机制。认为忆阻器的可靠
性在切换过程期间直接与传导沟道的热力学稳定性相关。因此，所使用的系统可受益于作
为简单的二进制系统，其中最小数量（例如两个）热力学稳定相处于平衡中。

[0024] 在前述描述中，阐述了很多细节以提供对本发明的理解。然而，本领域中的技术人员将理解，可在没有这些细节的情况下实践本发明。虽然关于有限数量的实施例公开了本发明，本领域技术人员将认识到本发明的很多修改和变化。意图是所附权利要求涵盖落在
本发明的真实精神和范围内的这样的修改和变化。