非线性忆阻器制造技术

非线性忆阻器，包括底电极、顶电极和在所述底电极和所述顶电极之间的绝缘体层。所述绝缘体层包括金属氧化物。所述非线性忆阻器进一步包括由所述底电极向所述顶电极延伸的在所述绝缘体层内的切换通道和在所述切换通道和所述顶电极之间的金属-绝缘体-过渡材料的纳米帽层。所述顶电极包括与所述金属-绝缘体-过渡材料中的金属相同的金属。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】政府声明本申请在政府支持下完成。政府对本申请具有一定权利。
技术介绍
电子设备的持续发展趋势为使设备尺寸最小化。尽管当前阶段的商业微电子是基于亚微米设计规则，但重要研究和开发力度是针对探索纳米级的设备，设备尺寸通常以纳米或数十纳米测量。除了与微米级设备相比显著减小的单个设备尺寸以及高得多的组装密度，由于纳米级的物理现象(无法在微米级上观察到)，纳米级设备还可提供新的功能。例如，最近报导了纳米级设备中使用氧化钛作为切换材料的电子开关。已将该设备的电阻开关特性与L.O.Chua在1971年最初预测的忆阻器电路元件理论联系在一起。纳米级开关中的忆阻特性的发现已产生重大影响，并且存在实质的继续研究努力以进一步开发这种纳米级开关并且以各种应用使之实施。众多重要的潜在应用之一是使用这种开关设备作为记忆单元以存储数字数据。为了与CMOS FLASH存储器竞争，出现的电阻开关需要具有超过至少数百万的开关循环的开关耐久性。设备内部的可靠的切换通道可显著改善这些开关的耐久性。正在探索不同的切换材料系统以获得具有诸如高速、高耐久性、长保持力、低能量和低成本的理想电子性能的忆阻器。附图说明图1A至1C各自为侧视图，描绘了基于本文公开的原理的忆阻器设备的一个实施例。图2A为根据本文公开的原理在电流(以A计)和设备电压(以V计)的坐标上的Pt/TaOx/纳米帽VO2/V系统的切换电流/电压回路的图。图2B为根据本文公开的原理在电流(以A计)和设备电压(以V计)的坐标上的Pt/TaOx/纳米帽VO2/V系统的切换电流/电压回路的图。图3A为根据本文公开的原理在电流(以A计)和设备电压(以V计)的坐标上的Pt/TaOx/纳米帽NbO2/Nb系统的切换电流/电压回路的图。图3B为根据本文公开的原理在电流(以A计)和设备电压(以V计)的坐标上的Pt/TaOx/纳米帽NbO2/Nb系统的切换电流/电压回路的图。图4描绘了根据本文公开的原理形成非线性忆阻器的实施例方法的流程图。图5为根据本文公开的原理的装有非线性电子设备的交叉纳米线结构的等距视图。具体实施方式现详细参考公开的非线性忆阻器的具体实施例和用于制造公开的非线性忆阻器的方法的具体实施例。当可应用时，还简要描述可替代的实施例。非线性电子设备不呈现线性电流/电压(I/V)关系。非线性电子设备的实施例包括二极管、晶体管、一些半导体结构以及例如忆阻器的其它设备。非线性电子设备可广泛用于各种应用，包括放大器、振荡器、信号/功率调节、运算、存储和其它应用。然而，尽管忆阻器在高阻态通常可呈现非线性，但它们在低阻态的线性I/V特性可限制其应用，例如在大的无源交叉杆阵列中。除非另作说明，如本文的说明书和权利要求中所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”包括复数指代。如说明书和所附权利要求中所使用的，“大约”和“约”是指由例如制造过程中的变化引起的±10％的偏差。在以下的详细描述中，参考本公开的附图，附图说明了可实现本公开的具体的实施例。可以多种不同方位布置实施例的组件，并且在涉及组件的方位中使用的任何方向术语是为了说明的目的而使用而绝不为限制。方向术语包括例如“顶部”、“底部”、“前面”、“后面”、“前列”、“尾部”等的词。应理解的是存在可实现本公开的其它实施例，并且可做出结构或逻辑的改变而不背离本公开的范围。因此，以下详细的描述不是限制意义上做出的。相反，由所附的权利要求限制本公开的范围。忆阻器是可在宽范围的电子电路(例如存储器、开关以及逻辑电路和系统)中用作组件的纳米级设备。在存储结构中，可使用忆阻器的交叉杆。当用作存储器的基础时，可使用忆阻器存储一些信息，1或0。当用作逻辑电路时，忆阻器可用作类似于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的逻辑电路中的结构位和开关，或可为布线逻辑的可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)的基础。当用作开关时，忆阻器在交叉点存储器中可为关闭的或打开的开关。在过去几年期间，研究人员在寻找使这些忆阻器性能的开关功能有效运行的方法上已取得了很大进展。例如，已证实了氧化钽(TaOx)类忆阻器具有比其它能够电子转换的纳米级设备更好的耐久性。在实验室设置中，氧化钽类忆阻器能够进行超过100亿次开关循环，而其它忆阻器，例如氧化钨(WOx)或氧化钛(TiOx)类忆阻器，可能需要精细的反馈机制以避免过驱动(over-driving)设备或者用更强的电压脉冲给设备充电的额外步骤以获得在1千万次开关循环的范围内的耐久性。忆阻器设备通常可包括插入绝缘体层的两个电极。可在两个电极之间的绝缘体层中形成一个或多个导电通道，该导电通道能够在两种状态之间转换，一种状态中，导电通道形成在两个电极之间的导电路径(“接通(ON)”)，另一种状态中导电通道不形成在两个电极之间的导电路径(“关断(OFF)”)。根据本文的教导，提供了非线性忆阻器。在图1A至1C中描述了设备的实施例。如三张图中各自所示，设备100包括底电极或第一电极102、绝缘体层104和顶电极或第二电极106。所述设备进一步包括在绝缘体层104内并且从底电极102向顶电极106延伸的切换通道108。切换通道108与底电极102形成转换界面110。虽然显示了一个切换通道108，但是可能存在多于1个的切换通道，尽管即使在一个时间点上，通常一个通道支配该开关。切换通道108不接触顶电极106，而是突然停止，留下一块区域。如图1A所示，在切换通道108的顶部和顶电极106之间的区域被金属-绝缘体-过渡材料的纳米帽层112所占据。发现顶电极106与纳米帽层112和绝缘体层104接触，绝缘体层104包围纳米帽层104和切换通道108。在纳米帽层112的形成中，沿着114所表示的生长前沿而生长，从顶电极106进入导电通道108。纳米帽112的生长可受到自顶电极106的金属(阳离子)通过纳米帽层的扩散所限制。图1B描述了纳米帽层112的形成的另一个实施例。在该实施例中，导电通道108从底电极102向顶电极106延伸，并且通过氧从导电通道扩散进入顶电极，而沿着生长前沿114’形成纳米帽层112。在该实施例中，纳米帽层112的生长可受到氧(阴离子)通过纳米帽层的扩散的限制。图1C描述了纳米帽层112的形成的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非线性忆阻器，包括：底电极；顶电极；在所述底电极和所述顶电极之间的绝缘体层，所述绝缘体层包括金属氧化物；在所述绝缘体层内的切换通道，所述切换通道由所述底电极向所述顶电极延伸；和在所述切换通道和所述顶电极之间的金属‑绝缘体‑过渡材料的纳米帽层，其中所述顶电极包括与所述金属‑绝缘体‑过渡材料中的金属相同的金属。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种非线性忆阻器，包括：
底电极；
顶电极；
在所述底电极和所述顶电极之间的绝缘体层，所述绝缘体层包括金属氧化物；
在所述绝缘体层内的切换通道，所述切换通道由所述底电极向所述顶电极延
伸；和
在所述切换通道和所述顶电极之间的金属-绝缘体-过渡材料的纳米帽层，
其中所述顶电极包括与所述金属-绝缘体-过渡材料中的金属相同的金属。
2.根据权利要求1所述的非线性忆阻器，其中所述绝缘体层包括选自由TaOx和
HfOy组成的组中的金属氧化物，其中x在约2至2.5的范围内，y在约1.5至2的范围
内。
3.根据权利要求1所述的非线性忆阻器，其中所述切换通道为具有比所述绝缘层
包括的金属氧化物更少氧的相。
4.根据权利要求3所述的非线性忆阻器，其中所述绝缘体层为TaOx，其中x在
约2至2.5的范围内，并且其中所述切换通道为具有过饱和氧的Ta-氧固溶体。
5.根据权利要求3所述的非线性忆阻器，其中所述绝缘体层为HfOx，其中x在
约1.5至2的范围内，并且其中所述切换通道为具有过饱和氧的Hf-氧固溶体。
6.根据权利要求1所述的非线性忆阻器，其中所述纳米帽层的金属-绝缘体-过渡
材料为在切换时刻也尽可能导电的金属的高阶氧化物。
7.根据权利要求6所述的非线性忆阻器，其中所述纳米帽层的金属-绝缘体-过渡
材料为VO2并且所述顶电极为V或VOx，其中0<x<2。
8.根据权利要求6所述的非线性忆阻器，其中所述纳米帽层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建华，民贤·马克斯·张，马修·D·皮克特，R·斯坦利·威廉姆斯，
申请(专利权)人：惠普发展公司，有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国;US