[发明专利]长耐久力的忆阻器的设备结构

说明书

背景技术

通常由纳米级的金属/氧化钛/金属层形成的忆阻器开关设备采用“电成型”工艺来使阻性切换成为可能。所述“电成型”工艺涉及相对高电压或电流的一次施加，所述相对高电压或电流产生通过氧化钛层的电子导电率的明显的永久改变。电切换起因于氧化材料内部的电子和离子的耦合动作。在电成型工艺期间，产生氧空位并且使其向阴极漂移，从而形成氧化物中的低价氧化物的局部导电通道。同时，O^2-离子向阳极漂移，在所述阳极，它们逐步形成O₂气体，从而导致交叉部（junction）的物理变形。气体喷发通常导致在形成导电通道的位置附近的诸如气泡之类的氧化物的物理变形。此外，通过电成型工艺形成的导电通道通常具有取决于电成型工艺如何发生的广泛的属性差异。该属性差异已某种程度上限制了金属氧化物开关在计算设备中的应用。此外，这些设备通常耐久力差，所述耐久力是设备能够可逆地切换导通和关断的次数。

附图说明

以示例的方式示出实施例，并且所述实施例不限于以下的附图中，在所述附图中，类似的附图标记表示类似的要素，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的忆阻器的透视图；

图2示出了根据本发明的实施例的采用图1中描绘的多个忆阻器的交叉开关阵列的透视图；

图3示出了根据本发明的实施例的一对忆阻器的截面图；以及

图4A和4B分别示出了根据本发明的实施例的图1和3描绘的忆阻器的交替结构；

图5示出了根据本发明的实施例的用于制造忆阻器的方法的流程图；

图6示出了根据本发明的实施例的可以在选择本文中公开的忆阻器的切换层的成分（composition）的过程中实现的包含钽和氧的成分的相图。

图7描绘了根据本发明的实施例的本文中公开的忆阻器的操作特性的曲线图；以及

图8描绘了根据本发明的实施例的源自如本文中公开的那样配置的忆阻器的第一个120亿次切换循环的曲线图。

具体实施方式

为了简化和说明性的目的，实施例的原理主要通过参考其示例来描述。在下文的描述中，介绍了许多详细细节以便提供对实施例的透彻的理解。然而，对本领域技术人员而言，显而易见的是可以在不受这些特定细节的限制的情况下实践实施例。在其它实施例中，没有详细地描述公知的方法和结构，以便不必要地使对实施例的描述难以理解。

本文中公开的是忆阻器，所述忆阻器通常可以定义为由一对间隔开的电极以及设置在电极之间的切换材料形成的电驱动装置。第一电极和切换层由相同类型的金属形成。更特别的是，例如，第一电极由钽形成，并且切换层由氧化钽形成。作为其它示例，第一电极由其它类型的金属形成，并且切换层包括所述其它类型的金属形成的氧化物。在任何方面，发明人已经发现在本文中公开的忆阻器中应用的材料的组合出乎意料地产生高耐久力切换，例如，大于120亿次导通-关断循环。

此外，在不要求在忆阻器上执行电成型工艺的情况下，至少一个导电通道被设计为形成在切换层中。替代地，用来形成至少一个导电通道的电压电平类似于用来导通和关断忆阻器的电压电平。此外，本文中公开的忆阻器包含移动离子/空位源，其中，在隔离的系统内部的离子和空穴移动是不对称的，且在切换期间最小化气体喷发/气泡形成。随着忆阻器继续变得更小，例如小于30nm，通道的大小可能与忆阻器本身的大小是可比较的。

可以在由多个忆阻器形成的交叉开关阵列中实施本文中讨论的忆阻器。在一方面，多个忆阻器中的导电通道可以通过本文中讨论的制造工艺彼此同时地形成。

术语“可单次配置的”意味着开关仅能够经由诸如电化学氧化或还原反应之类的不可逆的过程改变一次其状态；例如，这样的开关可以是可编程只读存储器（PROM）的基础。

术语“可重复配置的”意味着切换可以经由诸如电化学氧化或还原之类的可逆过程多次改变其状态；换句话说，所述开关可以打开和闭合多次，例如，随机存取存储器中的存储位。

术语“可配置的”意味着要么是“可单次配置的”，要么是“可重复配置的”。

微米级尺寸指的是大小范围为从1微米至几微米的尺寸。

亚微米尺寸指的是范围为从0.1纳米至1微米的尺寸。

微米级和亚微米级布线指的是宽度或直径尺寸为0.005至10微米，高度范围可以为几纳米至1微米，并且长度为数微米或更长的棒状或带状的导体或半导体。

忆阻器是双端设备，在所述设备中，在端子之间的磁通量是已经经过所述设备的电荷量的函数。