用于SIOX切换设备性能中的改进的多孔隙SIOX材料制造技术

一种多孔隙存储器设备，诸如存储器或开关，可以提供顶部和底部电极，存储器材料层(例如，SiOx)被定位在电极之间。存储器材料层可以提供纳米多孔隙结构。在某些实施例中，纳米多孔隙结构可以电化学地形成，诸如通过阳极蚀刻。穿透存储器材料层的细丝的电铸可以以极低的电铸电压在内部发生而穿过该层，而不是在边缘处形成。多孔隙存储器设备也可以提供多位存储、高接通—断开比率、长高温寿命、优秀的循环耐久性、快速切换，和较低的功率消耗。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求2013年11月19日提交的美国临时专利申请No.61/906,011的权益，该专利申请的公开内容通过引用整体结合于此。关于联邦资助研究的说明本专利技术由政府支持做出，在美国国防部授予的批准号N00014-09-1-1066；美国国防部授予的批准号FA9550-12-1-0035；和美国国防部授予的批准号FA9550-09-1-0581下。政府拥有本专利技术中的特定权利。
本专利技术涉及诸如氧化硅之类的多孔隙存储器材料。更具体地，涉及在切换或存储器设备中利用多孔隙氧化硅材料。
技术介绍
多半个世纪中，常规的基于硅的互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管已经成为电子存储器行业的支柱。此外，与竞争的存储器技术相比，基于硅的闪存器的卓越性能及其制造的容易性已经使其成为CMOS存储器的主导形式。然而，由快速成长需求驱动的下一代存储器的高标准已经揭示了当今基于硅的闪存器技术的局限性，表现在以下方面：基础的尺寸限制、能源消耗、成本、和几微秒的切换速度。尽管用于替代基于硅的闪存器的很多种类的基于氧的材料和设备结构已经被广泛地研究，但还没有任何能充分地解决未来存储器计划。通常地，基于氧的阻性随机存取存储器(RRAM)可以归类成单极(可以由相同电压极性编程)和双极(可以通过反转电压极性来编程)存储器。很多单极存储器已经展示了由纳米尺度的细丝(filamentary)切换进行的操作，其允许它们遵循激进的尺寸缩小趋势；然而，纳米尺度的金属细丝由于在控制它们的随机形成中的困难，可以呈现不稳定的切换表现以及高的或不可预测的形成电压(V形成)。相比而言，由于具有较低V形成和较宽的材料可用性范围的离子运动或氧化还原过程，双极存储器在切换稳定性中有相当的优势。然而，这些以如下为代价：较低的切换接通—断开比率、材料的受限热稳定性，或对于在高密度交叉阵列中抑制潜行电流的集成构架的限制。单极性和双极性存储器的制造通常都包括用于材料沉积的高温工艺。此外，设备一般具有高的切换电流并需要顺应性电流(Ic)来防止电短路，其在每个单元上要求附加的电阻器并且增加功率消耗。为了改进未来的非易失性存储器，期待解决前面提到每个基于氧化物的存储器系统的挑战，诸如通过消除对于Ic或高温制造工艺的需求。纳米多孔隙(nanoporous，NP)金属氧化物已经被广泛地用于能量产生和储存的电子设备中。尽管NP材料已经被用作氧化物存储器应用的模板，但它们还没有用作用于阻性非易失性存储器应用的有源切换介质。以下公开讨论了用作单极切换介质的多孔隙氧化硅材料和用于制造多孔隙氧化硅材料的方法。此在电子设备中多孔隙氧化物材料的新的实施方式满足了下一代工业性能所期待的标准。这些新的实施方式还优于当今的单极性存储器系统并且也可以给双极性存储器带来好处。这些也可以用作忆阻器(memristor)。使用此多孔隙材料结构，可控制切换细丝的随机形成，其导致设备规格的显著提高，并且可在室温中制造设备。
技术实现思路
在一个实施例中，用于形成或制造存储器设备的方法可以包括以下步骤：在基板上沉积底部电极和在底部电极上沉积材料层。该方法可以进一步包括蚀刻该材料层以形成多孔隙结构和沉积顶部电极。在某些实施例中，多孔隙结构通过阳极蚀刻来形成。在某些实施例中，蚀刻可以用HF/乙醇溶液来执行。在某些实施例中，方法可以进一步包括将电压扫描施加于多孔隙材料层以形成穿透该层的细丝。在某些实施例中，该细丝可以穿透多孔隙材料层在内部形成。在一个实施例中，多孔隙设备，诸如存储器或开关，可以提供顶部和底部电极，材料层(例如，SiOx)被定位在电极之间。材料层可以提供纳米多孔隙结构。在某些实施例中，纳米多孔隙结构可以电化学地形成，诸如通过阳极蚀刻。穿透材料层的细丝的电铸可以在内部发生而穿过该层，而不是以极低的电铸电压在边缘处形成。多孔隙存储器设备也可以提供多位存储、高接通—断开比率、长高温寿命、优秀的循环耐久性、快速切换，和较低的功率消耗。前文已经相当广泛地概述了本公开的各种特征，以便后面细致的描述可以被更好地理解。下文将描述本公开的附加特征和优势。附图说明为了更完整地理解本文公开及其优点，现在结合描述本公开的特定实施例的附图，对以下描述作出参考，其中：图1A-1G为(a)NPSiOx存储器设备的非限制性示意图，其具有经选择的单元的横截面SEM图像，(b)以45°倾斜的NPSiOx膜的SEM图像，(c)NPSiOx膜的TEM图像，(d)在沉积Pt的硅基板上的非多孔隙和纳米多孔隙(NP)SiOx层的反射谱，以及基于使用测量的厚度的解析公式的数值拟合曲线，(e)和(f)分别为非多孔隙和NPSiOx膜(x＝1.63至1.76)的XPSSi2p和Ols谱，以及(g)NPSiOx的代表性I-V特性以及初始I-V扫描(插图)；图2A-2H示出用于NPSiOx存储器的制造顺序的说明性实施例；图3A-3B示出用于密封的NPSiOx存储器的交叉结构的说明性实施例的俯视图和侧视图；图4提供二端二极管和选择器材料的非限制性概要的表格(表格1)；图5A-5B示出一个二极管-一个电阻器(1D-1R)结结构的说明性实施例的俯视图和侧视图；图6A-6B示出1D-1R结结构的说明性实施例的俯视图和侧视图，其可以扩展至3D可堆叠存储器；图7为堆叠式1D-1R结的结构的说明性实施例的侧视图；图8A-8D是(a)在暴露于不同的V脉冲(以ΔV＝1V从13到4V改变)后的单个NPSiOx单元的一组I-V特性，(b)在104s期间在20℃(顶部)和100℃(底部)的不同V脉冲过程后的NPSiOx单元上的保留测试，(c)103个循环内的说明性的非多孔隙和NPSiOx单元的耐久性循环测试，以及(d)105
个周期内的NPSiOx单元的的耐久性循环测试(设定电压＝5V，重设电压＝15V，以及读取电压＝1V，～500μs用于设定、重设和读取电压脉冲)；图9A-9C是(a)示出在插图中具有放大的通孔的Au纳米线的击穿之前(左)与之后(右)的平坦Au/SiOx存储器的顶部SEM图像，(b)在经过纳米孔隙的Au(或Pt)通道的击穿之前(顶部)和之后(底部)的NPSiOx存储器结构的示意图，以及(c)示出具有60nm的Au纳米线宽度的纳米间隙设备的典型I-V切换特性的曲线图(顶部附图)以及初始的I-V扫描(插图)；图10A-D是对应于NPSiOx和其他报告的单极存储器设备的耐久性循环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于形成存储器设备的方法，所述方法包括：在基板上沉积底部电极；在所述底部电极上沉积存储器材料层；蚀刻所述存储器材料层以形成多孔隙结构；以及沉积顶部电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.19 US 61/906,0111.一种用于形成存储器设备的方法，所述方法包括：
在基板上沉积底部电极；
在所述底部电极上沉积存储器材料层；
蚀刻所述存储器材料层以形成多孔隙结构；以及
沉积顶部电极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储器材料层是SiOx，其中
0.2<x<2。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储器材料层的多孔隙结构
提供具有纳米尺度孔隙尺寸的孔隙。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多孔隙结构由阳极蚀刻、电
子束光刻或利用纳米粒子的RIE来形成。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在HF/乙醇溶液中执行所述阳极
蚀刻。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述HF/乙醇溶液具有等于
0.01-10％的浓度或在0.01-10％之间的浓度。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括电铸所述存储器材料层，其中电铸
电压为10V或更小。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，切换路径形成在所述存储器材料
层内。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储器设备提供等于或大于
2×103次循环的循环耐久性。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储器设备提供单个单元中
的多位存储。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储器设备提供6×10-5W/
位或更低的功率消耗。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储器设备是一个二极管-
一个电阻器(1D-1R)、一个选择器-一个电阻器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·M·图尔，G·王，杨杨，Y·吉，
申请(专利权)人：威廉马歇莱思大学，
类型：发明
国别省市：美国;US