專利名稱：具有用電壓相關(guān)電阻器形成的本征二極管的可開關(guān)結(jié)的制作方法
具有用電壓相關(guān)電阻器形成的本征二極管的可開關(guān)結(jié)
背景技術(shù)：
納米級(jí)電子裝置預(yù)示了許多優(yōu)點(diǎn)，包括明顯減小的特征尺寸和針對(duì)自組裝和針對(duì)其它相對(duì)廉價(jià)的、基于非光刻的制造方法的潛力。納米線交叉桿(crossbar)陣列能夠用來形成多種電子電路和器件，包括超高密度非易失性存儲(chǔ)器。可以在兩個(gè)納米線相互重疊的交叉點(diǎn)處的納米線之間插入結(jié)元件?？梢詫⑦@些結(jié)元件編程以保持兩個(gè)或更多傳導(dǎo)狀態(tài)。 例如，結(jié)元件可以具有第一低電阻狀態(tài)和第二較高電阻狀態(tài)?？梢酝ㄟ^選擇性地設(shè)置納米線陣列內(nèi)的結(jié)元件的狀態(tài)來將數(shù)據(jù)編碼到這些結(jié)元件中。增加結(jié)元件的穩(wěn)健性和穩(wěn)定性能夠提供顯著的操作和制造優(yōu)點(diǎn)。


通過結(jié)合附圖進(jìn)行的以下詳細(xì)說明，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的，附圖一起以示例的方式舉例說明本發(fā)明的特征；并且在附圖中
圖1是納米線交叉桿架構(gòu)的一個(gè)說明性實(shí)施例的透視圖2是根據(jù)本文所述原理的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)合了結(jié)元件的納米線交叉桿架構(gòu)的等距視圖3A和:3B是示出根據(jù)本文所述原理的一個(gè)實(shí)施例的通過交叉桿存儲(chǔ)器陣列的一部分的電流路徑的說明性圖示；
圖4A、4B是根據(jù)本文所述原理的一個(gè)實(shí)施例的說明性可開關(guān)(switchable)結(jié)元件的兩個(gè)操作狀態(tài)的圖示；
圖5A和5B是為保護(hù)電路免受電壓尖峰而與該電路并聯(lián)放置的電壓相關(guān)電阻器 (voltage dependent resistor)的圖不；
圖6是根據(jù)本文所述原理的一個(gè)實(shí)施例的具有電壓相關(guān)電阻器的可開關(guān)結(jié)元件的說明性實(shí)施例的圖示；以及
圖7是根據(jù)本文所述原理的實(shí)施例的具有電壓相關(guān)電阻器的可開關(guān)結(jié)元件的另一說明性實(shí)施例的圖示。現(xiàn)在將對(duì)所示的示例性實(shí)施例進(jìn)行參考，并且將在本文中使用特定語言來對(duì)其進(jìn)行描述。然而，將理解的是并不由此意圖限制本發(fā)明的范圍。
具體實(shí)施例方式納米級(jí)電子裝置預(yù)示了許多優(yōu)點(diǎn)，包括明顯減小的特征尺寸以及使用其它相對(duì)廉價(jià)的、基于非光刻的制造方法。一種類型的納米級(jí)器件是交叉桿架構(gòu)。納米級(jí)交叉線器件中的開關(guān)的研究先前已報(bào)告說這些器件可以被可逆地開關(guān)并且可以具有 IO3的“開-關(guān)” 電導(dǎo)比。這些器件已被用來構(gòu)造交叉桿電路并提供用于產(chǎn)生超高密度非易失性存儲(chǔ)器的途徑。另外，交叉桿架構(gòu)的多用性有助于產(chǎn)生其它通信和邏輯電路。例如，可以完全由交叉桿開關(guān)陣列或由開關(guān)和晶體管所組成的混合結(jié)構(gòu)來構(gòu)造邏輯系列。這些器件可以增加CMOS 電路的計(jì)算效率。這些交叉桿電路在某些情況下可以代替CMOS電路，并且使得能夠在不必進(jìn)一步縮小晶體管的情況下實(shí)現(xiàn)若干數(shù)量級(jí)的性能改善。納米級(jí)電子器件的設(shè)計(jì)和制造提出許多挑戰(zhàn)，正在解決這些挑戰(zhàn)以改善納米級(jí)電子器件的商業(yè)生產(chǎn)并將這些器件結(jié)合到微米級(jí)和較大尺度的系統(tǒng)、器件和產(chǎn)品中。在以下說明中，出于解釋的目的，闡述許多特定細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本系統(tǒng)和方法的透徹理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將顯而易見的是可以在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施本設(shè)備、系統(tǒng)和方法。在說明書中對(duì)“實(shí)施例”、“示例”或類似語言的引用意指結(jié)合該實(shí)施例或示例所述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少那一個(gè)實(shí)施例中，但不一定在其它實(shí)施例中。在本說明書中的各個(gè)位置中的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或類似短語的各種實(shí)例不一定全部指代同一實(shí)施例。遍及本說明書，使用用于電流的流動(dòng)的常規(guī)標(biāo)志法。具體地，正電荷(“空穴”)的流動(dòng)方向是從電源的正側(cè)到電源的更負(fù)側(cè)。圖1是說明性納米線交叉桿陣列(100)的等距視圖。交叉桿陣列(100)由被第二層近似平行納米線(106)覆蓋的第一層近似平行納米線(108)組成。第二層納米線(106) 在取向上大致垂直于第一層納米線(108)，不過這些層之間的取向角可以改變。這兩層納米線形成柵格或交叉桿，每個(gè)第二層納米線(106)覆蓋全部第一層納米線(108)并在表示兩個(gè)納米線之間的最緊密接觸的納米線交叉點(diǎn)處與每個(gè)第一層納米線(108)達(dá)到緊密接觸。雖然圖1中的單獨(dú)納米線(102、104)示出為具有矩形橫截面，但納米線還可以具有正方形、圓形、橢圓形或更復(fù)雜的橫截面。納米線還可以具有許多不同的寬度或直徑和縱橫比或偏心率。術(shù)語“納米線交叉桿”可以指代除納米線之外還具有一層或多層亞微米級(jí)導(dǎo)線、微米級(jí)導(dǎo)線或具有更大尺度的導(dǎo)線的交叉桿?？梢允褂冒ǔＲ?guī)光刻法以及機(jī)械納米壓印技術(shù)的多種技術(shù)來制造這些層?？商鎿Q地，納米線可以被化學(xué)合成，并且可以作為各層近似平行的納米線在一個(gè)或多個(gè)處理步驟(包括Langmuir-Blodgett過程)中進(jìn)行沉積。還可以采用用于制造納米線的其它替換技術(shù)，諸如干涉光刻法。許多不同類型的導(dǎo)電和半導(dǎo)電納米線可以由金屬和半導(dǎo)體物質(zhì)、由這些類型的物質(zhì)的組合以及由其它類型的物質(zhì)化學(xué)合成?？梢酝ㄟ^多種不同方法來將納米線交叉桿連接到微米級(jí)地址線引線或其它電子引線以便將納米線結(jié)合到電路中。在納米線交叉點(diǎn)處，能夠制造諸如電阻器的納米級(jí)電子組件及其它熟悉的基本電子組件以將兩個(gè)重疊的納米線互連。用開關(guān)連接的任何兩個(gè)納米線被稱為“交叉桿結(jié)”。圖2示出揭示設(shè)置在第一層近似平行納米線(108)與第二層近似平行納米線 (106)之間的中間層(210)的說明性納米線交叉桿架構(gòu)(200)的等距視圖。根據(jù)一個(gè)說明性實(shí)施例，中間層(210)可以是電介質(zhì)層。在頂層中的導(dǎo)線(106)與底層中的導(dǎo)線(108)之間的導(dǎo)線交叉點(diǎn)處的中間層中形成了許多結(jié)元件(202 - 208)。這些結(jié)元件(202 — 208) 可以執(zhí)行多種功能，包括提供納米線之間的可編程開關(guān)。出于說明的目的，在圖2中僅示出幾個(gè)結(jié)元件(202 - 208)。如上文所討論的，在許多器件中可能期望在每個(gè)納米線交叉點(diǎn)處存在結(jié)元件。由于第一層納米線(108)中的每個(gè)導(dǎo)線與第二層納米線(106)中的每個(gè)導(dǎo)線交叉，所以在每個(gè)交叉點(diǎn)處放置結(jié)元件允許將第一層中的任何納米線(108)連接到第二層中的任何導(dǎo)線(106)。根據(jù)一個(gè)說明性實(shí)施例，可以使用納米線交叉桿架構(gòu)(200)來形成非易失性存儲(chǔ)器陣列?？梢允褂妹總€(gè)結(jié)元件(202 — 208)來表示數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)位。例如，在最簡單情況下，結(jié)元件可以具有兩個(gè)狀態(tài)導(dǎo)電狀態(tài)和不導(dǎo)電狀態(tài)。導(dǎo)電狀態(tài)可以表示二進(jìn)制“1” 且不導(dǎo)電狀態(tài)可以表示二進(jìn)制“0”，反之亦然。可以通過改變結(jié)元件的導(dǎo)電狀態(tài)將二進(jìn)制數(shù)據(jù)寫入交叉桿架構(gòu)(200)中。然后可以通過感測結(jié)元件(202 - 208)的狀態(tài)來取回二進(jìn)制數(shù)據(jù)。下面更詳細(xì)地描述改變結(jié)元件的導(dǎo)電狀態(tài)的能力。以上示例僅僅是納米線交叉桿架構(gòu)(200)的一個(gè)說明性實(shí)施例。可以使用多種其它配置。例如，交叉桿架構(gòu)(200)可以結(jié)合具有不止兩個(gè)狀態(tài)的結(jié)元件。在另一示例中，可以使用交叉桿架構(gòu)來形成基于蘊(yùn)涵(implication)邏輯結(jié)構(gòu)和交叉桿的自適應(yīng)電路，諸如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。圖3A是示出說明性交叉桿架構(gòu)(300 )的圖示。出于說明的目的，僅示出交叉桿架構(gòu)(300)的一部分，并且將納米線(302、304、314、316)示為線。納米線A和B (302,304) 上層納米線中，并且納米線C和D (314、316)在下層納米線中。結(jié)(306 — 312)在各納米線的交叉點(diǎn)處將其連接。根據(jù)一個(gè)說明性實(shí)施例，可以通過向?qū)Ь€B (304)施加負(fù)(或接地)讀電壓并向?qū)Ь€C (316)施加正電壓來讀取導(dǎo)線B (304)與導(dǎo)線C (316)之間的結(jié)(312)的狀態(tài)。理想地，如果電流(324)在施加讀電壓時(shí)流過結(jié)(312)，則讀電路能夠確定結(jié)(312)處于其導(dǎo)電狀態(tài)。如果沒有電流或無實(shí)質(zhì)電流流過結(jié)(312)，則讀電路能夠確定結(jié)(312)處于其電阻狀態(tài)。然而，如果結(jié)(306 - 310)本質(zhì)上是純電阻性的(即相對(duì)低的電阻是導(dǎo)電狀態(tài)而相對(duì)高的電阻是電阻狀態(tài))，則許多漏電流還可以穿過其它路徑行進(jìn)?？梢詫⑦@些漏電流視為 “電噪聲”，其使結(jié)(312)的期望讀取混淆。圖;3B示出穿過導(dǎo)線C (316)與導(dǎo)線B (304)之間的替換路徑行進(jìn)的漏電流(3沈)。 在圖:3B中，漏電流(3 )穿過三個(gè)結(jié)(310、308、306)行進(jìn)并出現(xiàn)在線B (304)上。如能夠設(shè)想的，在比圖3B所示的尺寸更大的陣列中，各種漏電流可以穿過大量替換路徑行進(jìn)并在其被讀電路感測時(shí)出現(xiàn)在線B (304)上。這些漏電流能夠產(chǎn)生相當(dāng)大量的不期望電流，其使結(jié)(312)的狀態(tài)的期望讀取混淆。圖4A-4B是示出了可以包括減少串?dāng)_的類似于二極管的行為的可開關(guān)結(jié)元件 (400)的一個(gè)說明性實(shí)施例的圖示。根據(jù)一個(gè)說明性實(shí)施例，結(jié)元件包括上鉬電極(418)和下鉬電極(422)。通常，電極(418、422)是交叉導(dǎo)線，但是電極可以是被電連接到交叉導(dǎo)線的分離元件。結(jié)元件(400)的中心部分可以由憶阻基體材料構(gòu)成。憶阻基體材料是包含許多移動(dòng)摻雜劑的半導(dǎo)電材料。在相對(duì)高的編程電壓(即>1 MV/cm)的影響下，使移動(dòng)摻雜劑移動(dòng)穿過半導(dǎo)電材料，從而改變結(jié)的性質(zhì)。在施加較低的讀電壓時(shí)移動(dòng)摻雜劑仍留在原位， 允許結(jié)的狀態(tài)保持穩(wěn)定，直至施加另一編程電壓?？梢允褂迷S多不同類型的基體/摻雜劑組合來形成憶阻基體。下表1列出可以使用的許多說明性材料和摻雜劑。表1.摻雜材料、未摻雜材料和移動(dòng)摻雜劑的說明性列表
未摻雜_ _mmmn
Ti02Ti02-x氧空位
Zr02Zr02-x氧空位
Hf02Hf02-x氧空位TaOTaCVx氧空位
VaOVaCVx氧空位
MbOMbCVx氧空位
SrTi 03SrTi03-x氧空位
GaNGaNl-χ氮空位
CuClCuCll-X氯空位
GaNGaN: S硫化物離子
為了成功地構(gòu)造具有期望整流行為的結(jié)元件，可以考慮許多因素，包括半導(dǎo)體基體的帶隙、半導(dǎo)體中的摻雜劑的類型和濃度、電極金屬的功函數(shù)及其它因素，如能夠認(rèn)識(shí)到的。能夠被用作電極以與憶阻基體對(duì)接的其它類型的說明性導(dǎo)電材料包括金、銀、鋁、 銅、鉬、鈀、釕、銠、鋨、鎢、鉬、鉭、鈮、鈷、鎳、鐵、鉻、釩、鈦、銥、氧化銥、氧化釕、氮化鈦、碳化鈦、氮化鉭以及碳化鉭。還可以使用各種類型的合金、復(fù)合物和導(dǎo)電聚合物作為電極。用來形成電極的材料被選擇以形成電極/憶阻基體界面，其提供使得憶阻基體內(nèi)的移動(dòng)摻雜劑能夠移動(dòng)至足以改變界面區(qū)域的阻抗的期望范圍的開關(guān)電壓。根據(jù)一個(gè)說明性實(shí)施例，憶阻基體可以是二氧化鈦(TiO2)基體(420)，并且移動(dòng)摻雜劑(424 )可以是二氧化鈦基體(420 )內(nèi)的氧空位。氧空位摻雜劑(424 )是帶正電的，并且將被吸引到負(fù)電壓，并被正電壓排斥。因此，通過向上電極(418)施加負(fù)編程電壓并向底部電極(422)施加正編程電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)具有足以使摻雜劑(似4)向上移動(dòng)的強(qiáng)度的電場。在納米線陣列的其它結(jié)內(nèi)將不存在此強(qiáng)度的電場，因?yàn)閮H存在一個(gè)其中被連接到上電極和下電極的導(dǎo)線交叉(即在結(jié)(400)處)的結(jié)。結(jié)果，能夠?qū)⒓{米線陣列內(nèi)的每個(gè)結(jié)單獨(dú)地編程為具有被建模為電阻器(444)的可變電阻。移動(dòng)摻雜劑(似4)向上漂移并且挨著憶阻基體 (420)與上電極(418)之間的界面形成摻雜區(qū)域(438)。這些移動(dòng)摻雜劑從基體(420)的下區(qū)域的移動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)輕摻雜的區(qū)域，稱為未摻雜區(qū)域(436)。遍及本說明書、附圖和所附權(quán)利要求，術(shù)語“摻雜區(qū)域”和“未摻雜區(qū)域”用來指示可能存在于材料中的摻雜劑或其它雜質(zhì)的比較水平。例如，術(shù)語“未摻雜”不指示雜質(zhì)或摻雜劑的完全不存在，而是指示與在“摻雜區(qū)域”中相比存在明顯更少的雜質(zhì)。二氧化鈦基體 (420)是在摻雜區(qū)域中展現(xiàn)出明顯較高的導(dǎo)電率且在未摻雜區(qū)域中展現(xiàn)出較低導(dǎo)電率的半導(dǎo)體。上電極(418)的高導(dǎo)電率和摻雜區(qū)域(438)中的相對(duì)高的導(dǎo)電率產(chǎn)生界面處的電氣性質(zhì)方面的相對(duì)好的匹配。因此，在這兩個(gè)材料之間存在平滑的電學(xué)過渡。上電極(418) 與基體(420)之間的此電學(xué)過渡稱為歐姆界面(似6)。歐姆界面(4 )的特征在于相對(duì)高的導(dǎo)電率。在結(jié)元件(400)的物理圖示的右側(cè)，示出了相應(yīng)電氣圖。歐姆界面(似6)被建模為電阻器Rl (430)。如上文所討論的，電阻器Rl (430)將由于界面兩端的低電阻而具有相對(duì)低的電阻。在基體(420)與下電極(422)之間的界面處，導(dǎo)電金屬電極(422)直接與二氧化鈦基體的未摻雜區(qū)域(436)對(duì)接。在此界面處，存在毗鄰材料的導(dǎo)電率及其它性質(zhì)的相對(duì)大的差異。此界面處的電學(xué)行為明顯不同于歐姆界面(似6)。下界面形成類似于肖特基 (Schottky-Iike)的界面(4 )，而不是歐姆界面。肖特基界面(428)具有在金屬-半導(dǎo)體界面處形成的勢(shì)壘，其具有類似于二極管的整流特性。肖特基界面與p-n界面的不同之處在于其在金屬中具有小得多的耗盡層寬度。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用多個(gè)薄膜形成各種層來產(chǎn)生可開關(guān)結(jié)元件(400)。在多層薄膜中，界面行為可能不是與傳統(tǒng)肖特基勢(shì)壘完全相同。因此，將說明性薄膜之間的各種界面描述為“類似于肖特基”。相應(yīng)的電氣元件被建模為二極管Dl (434)。在適中電壓下， 二極管Dl (434)允許電流僅沿著一個(gè)方向流動(dòng)。在圖4A所示的說明性實(shí)施例中，二極管 Dl (434)僅允許電流從下電極(422)流到上電極(418)。通過將此二極管行為結(jié)合到交叉桿陣列中的每個(gè)結(jié)元件中，能夠阻擋大部分的串?dāng)_電流。在一個(gè)實(shí)施例中，圖4A所示的器件狀態(tài)可以被稱作接通(ON)狀態(tài)。通過返回圖3A和;3B能夠更好地理解此二極管行為的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)元件(306 - 312)中的每一個(gè)結(jié)合了此二極管行為。因此，電流能夠從下導(dǎo)線(314、316)流到上導(dǎo)線(302、304)而不能沿相反的方向流動(dòng)。圖3A的讀電流未被阻止，因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)是從導(dǎo)線C (316)向上至導(dǎo)線B (304)。然而，圖:3B所示的漏電流(3 )被阻擋，因?yàn)槁╇娏鲊L試向下穿過線A (302)與線D (314)之間的結(jié)元件(308)行進(jìn)。納米線陣列內(nèi)的其它泄漏路徑被類似地阻擋，因?yàn)槠鋰L試從陣列的上層中的納米線傳至下層中的納米線。然而，當(dāng)較高的反向電壓施加在結(jié)元件兩端時(shí)，二極管行為擊穿。二極管和類似于二極管的界面具有特性反向電壓，在該特性反向電壓下針對(duì)電流流動(dòng)的勢(shì)壘擊穿。這個(gè)特性反向電壓被稱作電介質(zhì)擊穿電壓。在超過電介質(zhì)擊穿電壓之后，界面能夠變成永久導(dǎo)電并且電流能夠相對(duì)不受阻止地流過勢(shì)壘。在一些實(shí)施例中，界面可以可替換地通過施加高反向電壓使得其具有非常高的電阻而被改變。如說明書和所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語“擊穿電壓”指代在界面處的不可逆的化學(xué)變化而非可逆的擊穿機(jī)制，諸如在雪崩或齊鈉二極管中使用的那些。電介質(zhì)擊穿可以沿反向電流方向(如上所述)以及沿正向方向二者發(fā)生。 沿正向方向的電介質(zhì)擊穿可能在電場相對(duì)小，但是電流和加熱大得足以化學(xué)地更改界面時(shí)發(fā)生。圖4B舉例說明處于第二狀態(tài)的可開關(guān)結(jié)元件(400)。在一個(gè)實(shí)施例中，這個(gè)狀態(tài)能夠被稱為斷開(OFF)狀態(tài)。在理想的情況下，底部界面保持類似于二極管的整流界面以阻擋串?dāng)_電流并且移動(dòng)摻雜劑(4 )能夠通過施加適當(dāng)?shù)碾妷憾苿?dòng)離開頂部電極(418)。 例如在移動(dòng)摻雜劑(424)是氧空位的情況下，向頂部電極(418)施加正電壓、向底部電極 (422)施加負(fù)電壓或者二者的組合能夠產(chǎn)生帶正電的氧空位向下朝向基體(420)的中心的運(yùn)動(dòng)。這產(chǎn)生上未摻雜區(qū)域(446)、中心摻雜區(qū)域(448)以及下未摻雜區(qū)域(450)。上界面于是變成類似于肖特基的上界面(452)，其由未摻雜上區(qū)域(446)和金屬電極(418)之間的直接電接觸產(chǎn)生。在橫截面圖的右側(cè)示出了結(jié)的電氣模型。上二極管D2(442)和下二極管Dl (434) 處于頭接頭的配置，其防止任何顯著的電流流過結(jié)(400)。下二極管Dl (434)防止電流的向下流動(dòng)，而上二極管D2 (442)防止電流的向上流動(dòng)。電阻R2 (444)表示殘余電阻，諸如界面電阻以及構(gòu)成界面(418)的材料的電阻。圖4B所示的結(jié)狀態(tài)是不導(dǎo)電狀態(tài)。當(dāng)向該結(jié)施加讀電壓時(shí)，沒有顯著量的電流將通過該結(jié)。因此，通過更改移動(dòng)摻雜劑(4M)的位置，能夠更改結(jié)(400)的狀態(tài)。移動(dòng)摻雜齊IK424)保持基本相同的分布，直到施加產(chǎn)生足以造成移動(dòng)摻雜劑(424)運(yùn)動(dòng)的電場的編程電壓。在一些情形下，為引發(fā)移動(dòng)摻雜劑在憶阻基體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)而施加的編程電壓可以接近二極管擊穿電壓。高編程電壓使移動(dòng)摻雜劑快速地且可重復(fù)地移動(dòng)到所期望的位置中。 例如，憶阻基體內(nèi)的摻雜劑的遷移率可以與所施加的電壓成指數(shù)相關(guān)。當(dāng)施加高編程電壓 Ol MV/cm)時(shí)，一些摻雜劑種類的摻雜劑運(yùn)動(dòng)能夠極其地快速且可重復(fù)。因而，能夠期望使用高編程電壓來實(shí)現(xiàn)快速的寫時(shí)間和準(zhǔn)確的結(jié)狀態(tài)。然而，如果編程電壓接近在特定界面處的電介質(zhì)擊穿，則一個(gè)或多個(gè)界面中的類似于肖特基的勢(shì)壘可以擊穿，從而允許電流浪涌通過該結(jié)和納米線。這出于若干原因可能是不期望的。首先，過量的電流流動(dòng)增加了器件的功耗。其次，電流浪涌能夠引發(fā)結(jié)或納米線中的生成熱量的加熱。這一熱量能夠損壞納米線陣列內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組件。例如，該熱量可能造成導(dǎo)線或基體中的不期望地更改其性質(zhì)的化學(xué)變化。較高熱量可能造成一個(gè)或多個(gè)組件熔化，從而產(chǎn)生電短路。因此，針對(duì)較高編程電壓的期望能夠與擊穿可開關(guān)結(jié)元件內(nèi)的類似于二極管的界面的可能性進(jìn)行權(quán)衡。根據(jù)一個(gè)說明性實(shí)施例，添加一層材料以在電極之一和憶阻基體材料之間形成電壓相關(guān)電阻器(VDR)可能在產(chǎn)生穩(wěn)定的二極管界面方面是有利的。VDR的性質(zhì)能夠減小界面兩端的電壓降，從而減小或消除二極管擊穿電壓發(fā)生的機(jī)會(huì)。這允許使用期望的編程電壓并且快速地把數(shù)據(jù)寫到交叉桿存儲(chǔ)器陣列。VDR是具有顯著的非歐姆電流-電壓特性的電子組件。最普通類型的VDR是金屬氧化物變阻器(MOV)。MOV器件包含其它金屬氧化物的基體中的諸如氧化鋅的大量陶瓷氧化物顆粒。金屬氧化物能夠包括少量的鉍、鈷和錳。各種組件通常夾在兩個(gè)金屬板(電極) 之間。每個(gè)顆粒與其近鄰之間的邊界形成二極管結(jié)，其允許電流僅僅沿一個(gè)方向流動(dòng)。大量的隨機(jī)取向的顆粒在電學(xué)上等同于背對(duì)背二極管對(duì)的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)對(duì)能夠被認(rèn)為是與許多其它對(duì)并聯(lián)。當(dāng)小的或適中的電壓被施加在電極兩端時(shí)，僅僅微小的電流流動(dòng)。這個(gè)小電流由通過二極管結(jié)網(wǎng)絡(luò)的反向泄露造成。當(dāng)大電壓被施加在電極兩端時(shí)，二極管結(jié)由于熱電子發(fā)射和電子遂穿的組合而暫時(shí)擊穿，從而產(chǎn)生流過VDR的相對(duì)大的電流。這個(gè)行為的結(jié)果是高度非線性的電流-電壓特性，其中VDR在低電壓下具有高電阻而在高電壓下具有低電阻。通過與VDR用來保護(hù)的電路并聯(lián)放置VDR，VDR通常用來保護(hù)電路以防過量的瞬態(tài)電壓。例如，圖如和恥示出與電路(504)并聯(lián)放置的VDR (502)，所述電路(504)由VDR 保護(hù)以免受瞬態(tài)電壓尖峰。當(dāng)電壓相對(duì)低時(shí)，VDR (502)的高電阻引導(dǎo)電流(503)以流過 VDR (502)并流過電路(504)，如圖5A所示。然而，當(dāng)施加較高電壓諸如過量瞬態(tài)電壓時(shí)， VDR (502)的電阻顯著降低。VDR (502)的相對(duì)低的電阻造成電流(505)被引導(dǎo)通過VDR (502)，如圖5B所示。這使得電路(504)能夠得到保護(hù)以免受瞬態(tài)電壓尖峰，其否則可能損壞在受保護(hù)電路(504)中的敏感組件。圖6是具有用VDR (640)形成的類似于肖特基的本征界面(628)的可開關(guān)結(jié)器件 (600)的一個(gè)說明性實(shí)施例的圖示。VDR (640)用來減小當(dāng)器件處于“接通”狀態(tài)時(shí)在寫操作期間界面兩端的電壓降。當(dāng)可開關(guān)結(jié)器件(600)處于“接通”狀態(tài)時(shí)，摻雜區(qū)域(638)中的移動(dòng)摻雜劑(624)鄰近電極(618)定位。這形成由電阻器(630)表示的歐姆界面(6沈)。 歐姆界面的電阻相對(duì)低，其范圍約為幾十歐姆到幾百千歐。歐姆界面的實(shí)際電阻量與可開關(guān)結(jié)元件中的層厚度相關(guān)。納米尺寸的器件(小于1微米)具有在該范圍的下端的電阻，而微米尺寸的和更大的器件能夠具有在該范圍的上端的電阻。歐姆界面兩端的電壓降因此是相對(duì)小的。然而，在可開關(guān)結(jié)器件(600)的另一端，在未摻雜區(qū)域(636)和電極(622)之間產(chǎn)生的類似于肖特基的界面(6 )能夠具有大得多的在幾百千歐到千兆歐姆的范圍的電阻。這造成界面(6 )兩端的大得多的電壓降。這個(gè)電壓降可能在開關(guān)電壓下足以通過類似于肖特基的界面(6 )的反向電壓擊穿而對(duì)界面造成損壞。為了減小類似于肖特基的界面(6 )的反向電壓擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，VDR (640)可以實(shí)施在第一(618)和第二(622)電極之間。VDR由對(duì)應(yīng)的電氣圖示中的符號(hào)(642)建模。VDR (642)被電氣建模為與表示類似于肖特基的二極管界面的二極管(634)并聯(lián)。電阻器R2 (644)表示未摻雜區(qū)域(636)的電阻，并且電阻Rl (630)表示歐姆界面(6 )的電阻。在圖6所示的示例實(shí)施例中，VDR (640)位于憶阻基體(620)和第二電極(622)之間。在相對(duì)高的電壓(諸如可開關(guān)結(jié)器件(600)的開關(guān)電壓(例如>2V))下，VDR (640)的電阻顯著降低。這使得大部分電壓降出現(xiàn)在電極(618)和憶阻基體(620)之間的界面兩端，從而允許可開關(guān)結(jié)器件(600)開關(guān)。當(dāng)開關(guān)電壓被施加在可開關(guān)結(jié)器件(600)兩端時(shí)，VDR (640)的電阻顯著降低，但是仍然處在幾十歐姆到幾百千歐的范圍內(nèi)，如先前所討論的。在開關(guān)電壓下確實(shí)出現(xiàn)在VDR (640)兩端的電壓降減小了類似于肖特基的界面(6 )兩端的電壓降，從而保護(hù)該界面以免當(dāng)施加開關(guān)電壓時(shí)由該界面兩端的過量電壓降造成損壞。在較低電壓(諸如讀電壓(例如<0. 5V))下，VDR (640)的電阻是相對(duì)高的，從而在電極622和VDR 640之間形成類似于肖特基的界面(628)并且最小化漏電流和串?dāng)_。相對(duì)于不包括VDR的可開關(guān)結(jié)器件，VDR (640)在可開關(guān)結(jié)器件(600)中的使用也用于增加在讀電壓和寫電壓階段中器件的總電阻。這一增加的電阻減小了在讀操作和寫操作期間流過結(jié)的電流量，從而降低在納米線交叉桿架構(gòu)(諸如圖2所示的示例架構(gòu)(200)) 中消耗的功率量?；谝苿?dòng)摻雜劑(6M)的電荷來確定開關(guān)電壓的極性。將極性選擇為在憶阻基體內(nèi)產(chǎn)生電場，所述電場朝著第一電極(618)驅(qū)動(dòng)摻雜劑以形成可開關(guān)結(jié)元件(600)的“接通”狀態(tài)。選擇相反極性以使可開關(guān)結(jié)元件(600)移動(dòng)至“關(guān)斷”狀態(tài)。直觀地，可以任意地或基于較大系統(tǒng)的需要來選擇被選為“接通”和“關(guān)斷”的狀態(tài)?？梢酝ㄟ^施加小于開關(guān)電壓的電壓來讀取可開關(guān)結(jié)元件(600)的狀態(tài)。類似于肖特基的二極管界面(628)顯著地限制在讀和寫周期期間發(fā)生漏電流和串?dāng)_。VDR (640)也在讀周期期間添加了顯著的附加電阻，進(jìn)一步限制在讀操作期間的電流流動(dòng)。在圖7所示的另一示例實(shí)施例中，可開關(guān)結(jié)器件(700)能夠用第一電極(718)、憶阻基體(720)和第二電極(722)形成。所述電極可以由相對(duì)于憶阻基體(720)材料具有期望的開關(guān)電壓的導(dǎo)電材料形成。在這一示例中，鉬用來形成電極。憶阻基體(720)能夠由如先前討論的所選材料形成。在這一示例中，二氧化鈦材料能夠用來形成憶阻基體。鉬電極 (718)和二氧化鈦基體(720)之間的開關(guān)電壓近似為1.5伏特。如先前討論的，負(fù)電壓能夠用來造成移動(dòng)摻雜劑(724)朝向第一電極(718)遷移，從而使可開關(guān)結(jié)器件切換至“接通” 狀態(tài)并且在第一電極(718)和TiO2憶阻基體(720)之間形成歐姆界面(7沈)。負(fù)電壓能夠被施加在電極之間以造成移動(dòng)摻雜劑(724)遷移離開第一電極(718)，從而使可開關(guān)結(jié)器件切換至“斷開”狀態(tài)。處于“接通”狀態(tài)的界面(7 )的電阻是“斷開”狀態(tài)下的電阻的約 IO2至IO4分之一、或約IO3分之一。如上文所討論的，能夠通過施加讀電壓來感測電阻的此大的變化。類似于肖特基的二極管界面(7 )的電壓降被VDR (740)減小，所述VDR (740)與二極管并聯(lián)連接地被電連接，如先前所討論的。VDR在所施加的開關(guān)電壓下變成導(dǎo)電。這使得大多數(shù)所施加的電壓能夠用于開關(guān)，這否則可能造成界面(728)兩端的反向電壓擊穿的問題。該開關(guān)電壓使得移動(dòng)摻雜劑(7M)能夠以較高的速率遷移通過憶阻基體(720)，從而使得可開關(guān)結(jié)器件能夠以較高的速率進(jìn)行開關(guān)。另外，VDR用于減小在讀和寫周期二者期間通過可開關(guān)結(jié)元件的電流流動(dòng)。這使得可開關(guān)結(jié)元件能夠用在諸如納米線交叉桿架構(gòu)的大陣列中。VDR能夠顯著減少可能在這樣的陣列中發(fā)生的由二極管擊穿造成的物理缺陷。流經(jīng)陣列的減小電流能夠減小為讀取和寫入數(shù)字信息而需要的功率量，從而增加在諸如納米線交叉桿架構(gòu)的架構(gòu)中使用可開關(guān)結(jié)元件的大陣列的能力。減小的功耗能夠?qū)崿F(xiàn)元件陣列在電池操作的器件中的高效使用。雖然前述示例在一個(gè)或多個(gè)特定應(yīng)用中說明本發(fā)明的原理，但對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說將顯而易見的是在不運(yùn)用創(chuàng)造性能力且在不違背本發(fā)明的原理和概念的情況下，可以進(jìn)行實(shí)施方式的形式、使用和細(xì)節(jié)方面的許多修改。因此，除了由下文闡述的權(quán)利要求限制本發(fā)明之外，并不意圖限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種具有用電壓相關(guān)電阻器(640)形成的本征二極管(634)的可開關(guān)結(jié)元件(600)， 包括第一電極(618);第二電極(622);憶阻基體(620)，其被配置為與所述第一電極(618)形成電界面(630)，所述電界面具有可編程電導(dǎo)；以及與所述憶阻基體(620)電接觸的所述電壓相關(guān)電阻器(VDR) (640)，所述電壓相關(guān)電阻器被配置為與所述第二電極(622)形成整流二極管界面(6觀)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可開關(guān)結(jié)元件(600)，其中，第一(618)和第二(622)電極由選自由金、銀、鋁、銅、鉬、鈀、釕、銠、鋨、鎢、鉬、鉭、鈮、鈷、鎳、鐵、鉻、釩、鈦、銥、氧化銥、氧化釕、氮化鈦、碳化鈦、氮化鉭以及碳化鉭組成的組中的材料形成。
3.上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的可開關(guān)結(jié)元件(600)，其中，憶阻基體(620)由選自由二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鉿、氧化鉭、氧化釩、氧化鉬、三氧化鍶鈦、氮化鎵和氯化銅組成的組中的材料形成。
4.上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的可開關(guān)結(jié)元件(600)，其中，所述憶阻基體材料包括選自由氧空位、氮空位、氯空位和硫化物離子組成的組中的移動(dòng)摻雜劑。
5.上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的可開關(guān)結(jié)元件(600)，其中，VDR(640)的電阻隨著VDR (640)兩端的電壓增加而降低。
6.上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的可開關(guān)結(jié)元件(600)，其中，當(dāng)在第一(618)與第二 (622)電極兩端施加寫電壓時(shí)，VDR (640)兩端的電壓降使與第二電極(622)的整流二極管界面(6 )兩端的電壓降降低。
7.上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的可開關(guān)結(jié)元件，進(jìn)一步包括被對(duì)準(zhǔn)以形成交叉桿陣列 (200)的多個(gè)可開關(guān)結(jié)元件。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的可開關(guān)結(jié)，其中，所述可開關(guān)結(jié)元件(600)被配置為在交叉桿陣列(200)中的兩個(gè)納米線(102、104)之間形成可開關(guān)電連接。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的可開關(guān)結(jié)，其中，移動(dòng)摻雜劑(624)配置為通過在第一(618)和第二(622)電極兩端施加編程電壓而被移動(dòng)通過憶阻基體(620);其中移動(dòng)摻雜劑分布被配置為定義電界面(630)的可編程電導(dǎo)。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的可開關(guān)結(jié)元件，其中，當(dāng)在第一(618)和第二 (622 )電極兩端施加開關(guān)電壓和讀電壓中的一個(gè)時(shí)，VDR (640 )減小通過可開關(guān)結(jié)元件(600 ) 的電流流動(dòng)。
11.一種具有用電壓相關(guān)電阻器形成的本征二極管(634)的可開關(guān)結(jié)元件(600)，包括第一電極(618)；第二電極(622)；憶阻基體(620)，其具有移動(dòng)摻雜劑(6M)；所述憶阻基體與第一電極(618)之間的第一電界面(6 )，其在操作中用于形成第一整流二極管界面(630)；其中所述電壓相關(guān)電阻器(640)與所述憶阻基體(620)電接觸；所述電壓相關(guān)電阻器與第二電極(622)之間形成的第二電界面(6觀)，其在操作中用于形成第二整流二極管界面(634)；且其中，當(dāng)在第一(618)與第二(622)電極之間施加開關(guān)電壓時(shí)，電壓相關(guān)電阻器(640) 兩端的電壓降減小第二電界面(628)兩端的電壓降。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的可開關(guān)結(jié)元件(600)，其中，當(dāng)在第一(618)和第二(622) 電極之間施加讀電壓和開關(guān)電壓中的一個(gè)時(shí)，電壓相關(guān)電阻器減小通過可開關(guān)結(jié)元件的電流流動(dòng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的可開關(guān)結(jié)，其中，VDR(640)的電阻隨著VDR (640)兩端的電壓增加而降低。
14.根據(jù)權(quán)利要求11、12和13所述的可開關(guān)結(jié)，其中，所述可開關(guān)結(jié)(600)被配置為在交叉桿陣列(200)中的兩個(gè)納米線(102、104)之間形成可開關(guān)電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求11、12、和13以及14所述的可開關(guān)結(jié)，其中，移動(dòng)摻雜劑(6M)配置為通過在第一(618)和第二(622)電極兩端施加編程電壓而被移動(dòng)通過憶阻基體(620);移動(dòng)摻雜劑分布被配置為定義電界面(6 )的可編程電導(dǎo)。
全文摘要
公開了一種具有用電壓相關(guān)電阻器(640)形成的本征二極管(634)的可開關(guān)結(jié)(600)。所述可開關(guān)結(jié)包括第一電極(618)；第二電極(622)；以及憶阻基體(620)，其被配置為與所述第一電極(618)形成電界面(626)。所述電界面具有可編程電導(dǎo)。所述電壓相關(guān)電阻器(640)與所述憶阻基體(620)電接觸。所述電壓相關(guān)電阻器被配置為與所述第二電極(622)形成整流二極管界面(628)。
文檔編號(hào)H01L29/861GK102484128SQ200980161240
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月4日
發(fā)明者P. 斯特拉錢 J., 博爾蓋蒂 J., 楊 J., D. 皮克特 M. 申請(qǐng)人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)