长耐久力的忆阻器的设备结构
专利汇可以提供长耐久力的忆阻器的设备结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种忆阻器（100），包括：第一 电极 （102），由第一金属形成；第二电极（104），由第二材料形成，其中所述第二材料包括与所述第一金属不同的材料；以及切换层（110），设置在所述第一电极（102）与所述第二电极（104）之间。所述切换层（110）由包括所述第一金属的第一材料和第二非金属材料的成分形成，其中所述切换层（110）与所述第一电极（102）直接 接触 ，并且其中至少一个导电通道（120）配置为由所述第一金属与所述第二非金属材料之间的相互作用在所述切换层（110）中形成。，下面是长耐久力的忆阻器的设备结构专利的具体信息内容。
1.一种忆阻器（100），包括：
第一电极（102），由第一金属形成；
第二电极（104），由第二材料形成，其中所述第二材料包括与所述第一金属不同的材料；以及
切换层（110），设置在所述第一电极（102）与所述第二电极（104）之间，所述切换层（110）由包括所述第一金属的第一材料和第二非金属材料的成分形成，其中所述切换层（110）与所述第一电极（102）的所述第一金属直接接触，并且其中至少一个导电通道（120）配置为由所述第一金属与所述第二非金属材料之间的相互作用形成在所述切换层中。
2.根据权利要求1所述的忆阻器（100），其中，所述第一金属包括钽，并且所述非金属材料包括氧。
3.根据权利要求1所述的忆阻器（100），其中，所述第一金属包括选自由以下金属构成的组中的金属：钽（Ta）、铪（Hf）、钇（Y）、钴（Co）、铒（Er）、钪（Sc）及其组合。
4.根据权利要求1所述的忆阻器（100），其中，所述第二非金属材料包括选自由以下材料构成的组中的材料：氧、氮、碳、硫、磷和氯。
5.根据权利要求1所述的忆阻器（100），其中，所述第一金属和所述第二非金属材料满足：
（a）形成所述至少一个导电通道（120）的一种或多种材料与形成支持所述至少一个导电通道（120）的基体的一种或多种材料处于热力学平衡；以及
（b）形成所述第一电极（102）并与氧形成所述至少一个导电通道（120）的所述第一金属在室温下具有预定量的氧溶解度。
6.根据权利要求1所述的忆阻器（100），进一步包括：
至少一个中间层（420），设置在所述第一电极（102）与所述第二电极（104）之间，其中，所述至少一个中间层（420）由金属材料形成；以及
至少一个第二切换层（110），设置在所述至少一个中间层（420）与所述第二电极（104）之间。
7.根据权利要求6所述的忆阻器（100），其中，所述至少一个中间层（420）由所述第一金属形成。
8.一种用于制造忆阻器（100）的方法（500），所述方法包括：
提供（502）由第一金属形成的第一电极（102）；
在所述第一电极（102）上且与所述第一电极（102）直接接触地提供（504）切换层（110），所述切换层（110）由包括所述第一金属的第一材料和第二非金属材料的成分形成；
在所述切换层（110）上方提供（506）由第二材料形成的第二电极（104），其中，所述第二材料包括与所述第一金属不同的材料；并且
通过所述第一金属和所述第二非金属材料之间的相互作用在所述切换层（110）中形成（508）至少一个导电通道（120）。
9.根据权利要求8所述的方法（500），进一步包括：
通过满足以下条件来选择所述第一金属和所述第二非金属材料：
（a）形成所述至少一个导电通道的一种或多种材料与形成支持所述至少一个导电通道（120）的基体的一种或多种材料处于热力学平衡；以及
（b）形成所述第一电极（102）并与氧形成所述至少一个导电通道的所述第一金属在室温下具有预定量的氧溶解度。
10.根据权利要求9所述的方法（500），进一步包括：
在选择所述第一金属和所述第二非金属材料的成分的过程中，实现描绘在不同成分下所述第一金属与所述第二非金属材料之间的相互作用的相图。
11.根据权利要求8所述的方法（500），其中，所述第一金属包括钽，并且所述第二非金属材料包括氧。
12.根据权利要求8所述的方法（500），其中，所述第一金属包括选自由以下金属构成的组中的金属：钽（Ta）、铪（Hf）、钇（Y）、钴（Co）、铒（Er）、钪（Sc）及其组合。
13.根据权利要求8所述的方法（500），进一步包括：
提供设置在所述第一电极（102）与所述第二电极（104）之间的至少一个中间层（420），其中，所述至少一个中间层（420）由金属材料形成；以及
在所述至少一个中间层（420）与所述第二电极（104）之间提供至少一个第二切换层（110）。
14.一种交叉开关阵列（200），包括：
多个忆阻器（100），所述忆阻器中的每一个由以下部件形成：
第一电极（102），由第一金属形成；
第二电极（104），由第二材料形成，其中所述第二材料包括与所述第一金属不同的材料；以及
切换层（110），设置在所述第一电极（102）与所述第二电极（104）之间，所述切换层（110）由包括所述第一金属的第一材料和第二非金属材料的成分形成，其中所述切换层（110）与所述第一电极（102）的所述第一金属直接接触，并且其中至少一个导电通道（120）配置为由所述第一金属与所述第二非金属材料之间的相互作用在所述切换层（110）中形成。
15.根据权利要求14所述的交叉开关阵列（200），其中，所述第一金属包括钽，并且所述非金属材料包括氧。
长耐久力的忆阻器的设备结构
背景技术
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
2-
而形成氧化物中的低价氧化物的局部导电通道。同时，O 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
具体实施方式
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。
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。
/或修改本文中描述的部件中的一些。也应当理解在图1中描绘的部件并非按比例绘制，并
且因此，所述部件可以具有除了如本文中所示的之外的相对于彼此的不同的相对大小。
当用作存储器的基础时，忆阻器100可以用来存储信息的一位，1或0。当用作开关时，忆阻器100可以是在交叉部存储器中的闭合或打开开关。当用作逻辑电路时，忆阻器100可以
用作类似于场可编程栅极阵列的逻辑电路中的位，或者用作布线逻辑可编程逻辑阵列的基
础。本文中公开的忆阻器100也配置为用于多种多样的其它应用中。
极104布置。第一电极102和第二电极104中的一个或两者可以由金属或半导体材料形
成。根据实施例，第一电极102由第一金属形成且第二电极104由第二金属形成，例如，所
述金属为稀有金属，其中，第一金属和第二金属彼此不同。举例而言，第一电极102由诸如钽（Ta）、铪（Hf）、钇（Y）、钴（Co）、铒（Er）、钪（Sc）之类的金属形成。此外，第二电极104由诸如铂（Pt）、钨（W）、铜（Cu）、铝（Al）、金（Au）、钛（Ti）、银（Ag）、氮化钛（TiN）、氮化钨（WN）之类的金属形成。作为另一特别的示例，第二电极104由掺杂的硅形成。在任何方面，用于第一电极102、第二电极104和切换层110的材料可以选择为使得第一电极102与切换层110
之间的接触是欧姆接触且第二电极104与切换层110之间的接触是非欧姆接触。根据图1
所示的结构，第一电极102的相对位置可以相对于第二电极104反转。
相对地大于第一电极102和第二电极104，并且因此在图1中仅描绘出切换层110的一部
分。在其它实施例中，切换层110可以相对地小于第一电极102和第二电极104，或者具有
几乎与第一电极102和第二电极104相同的宽度。切换层110包括切换材料112的成分，
所述切换材料112的成分促进在切换层110中的导电通道120的形成。
根据特别的示例，切换材料112包括钽和氧的成分。根据其它示例，切换材料112包括其它
成分，例如：氧化钇、氧化钴、氧化铒、氧化钪等。根据进一步的示例，切换材料112包括二氧化钛（TiO2）或其它氧化物种类，例如：氧化镍、氧化锌、氧化铪、氧化锆等。切换材料112也可以由三元或四元氧化物、或者其它复杂的氧化物形成，例如：STO、PCMO等。切换材料112也可以由氮化物和/或硫化物形成。
择形成切换材料112的材料的成分。该选择可以基于在相图中包含的信息，所述相图描绘
如在下文中更详细讨论的材料相对于彼此的相互作用。
局部原子改性来形成，所述局部原子改性是由施加通过切换层110的成型电压导致的。在
切换材料112包括TaO2的具体示例中，在成型工艺期间，TaO2层将分解为Ta2O5和Ta(O)。
Ta(O)相是Ta和氧的固溶体，其用作导电通道120。Ta2O5相是绝缘相，其用作支持（host）导电通道120的基体（matrix）。Ta(O)导电通道120可以在施加电场的情况下根据电场的
极性在Ta2O5基体中生长或后退（retreat），从而导致导通和关断的切换。一个或多个导电通道120配置为在包含减少的TaO2-x的区域中形成，并且这些导电通道120负责忆阻器100
中的随后的切换。
状态。
100可以基于在第一电极102和第二电极104上施加的偏压而重复配置。然而，在其它例子
中，切换层110形成为可单次配置。
在不脱离交叉开关阵列200的范围的情况下，可以去除和/或修改本文中描述的部件中的
一些。
交，虽然在所述层之间的取向角度可以变化。两层210和220形成点阵或交叉开关，其中，第二层220的每个第二电极104位于所有的第一层210的第一电极102的上方，并且在相应
的交叉部处与第一层210的每个第一电极102紧密接触，所述相应的交叉部表示第一和第
二电极102和104两者之间的最接近的接触。交叉开关阵列200可以根据应用而由微米、
亚微米或纳米级的电极102、104制造。
3）。
形成的“导通”导电通道312。导电通道312被解释为“导通”，因为导电通道312从第一电极102延伸至第二电极104，或者在导电通道120的尖端与第一电极102之间形成非常小的
间隙，并且因此对于第一忆阻器310的第一电极102与第二电极104之间所供应的电能的
电阻相对较低。
断”，因为导电通道322没有从第一电极102延伸至第二电极104，或者在导电通道120的尖
端与第一电极102之间形成较大的间隙。在这方面，间隙122描绘为存在于导电通道322
中，并且因此，与对于第一忆阻器310的第一电极102与第二电极104之间所供应的电能的
电阻相比，对于第二忆阻器320的第一电极102与第二电极104之间所供应的电能的电阻
相对更高。
和4B所示，与图1-3中描绘的忆阻器100、300相比，忆阻器100、300可以包括在一个或多
个额外的切换层110之间设置的一个或多个中间层420。虽然没有明确示出，但是图4A和
4B中描绘的忆阻器400和410中的任意一个可以如图2中所描绘的交叉开关阵列200中的
忆阻器100那样实施。
104。更特别的是，中间层420设置在切换层110之间，所述切换层110设置在第一电极102
与第二电极104之间。如图4B中所示，忆阻器410描绘为包括设置在第一电极102与第二
电极104之间的三个中间层420和四个切换层110。虽然已经在图4B中描绘了中间层420
和切换层110的特定数目，但是应当清楚理解忆阻器410可以包括设置在第一电极102与
第二电极104之间的任意合理适当数目的中间层420和切换层110。
忆阻器的I-V曲线（例如，如图7中所示）中产生非线性。在中间层420由与切换层110的
金属元素相同的材料形成的例子中，中间层420也用作切换层110的移动掺杂剂储层。
的情况下，可以去除和/或修改本文中描述的步骤中的一些步骤。例如，虽然第一电极102
描述为在第二电极104之前提供，但是应当理解在不脱离方法500的范围的情况下，可以在
第一电极102之前提供第二电极104。
的第一层210的多个第一电极102。如上文讨论的，例如，第一金属可以包括：钽（Ta）、铪（Hf）、钇（Y）、钴（Co）、铒（Er）、钪（Sc）等。
一示例，在第一电极102上沉积材料成分之前将第一金属材料和第二非金属材料散布到切
换材料112中。根据另一实施例，在电极102上生长包含第一金属材料和第二非金属材料的
切换材料112。在该示例中，例如，切换材料112可以通过使用以下方法来生长：由气相、液相或固相前体的金属催化生长、由化学溶液的生长、旋转涂布或者从固体源汽化的材料的
快速沉积。根据进一步的示例，切换材料112由来自亚稳相的相分解形成，所述亚稳相在通过退火或局部焦耳热加热时分解为两相。两相中的一个是导电相，用作导电通道120，并且另一个相是绝缘相，用作支持导电通道120的基体。选择切换材料的标准是：（1）形成导电通道120的材料与支持导电通道120的基体的材料是处于热力学平衡的；以及（2）与氧形
成导电通道120以及第一电极102的第一金属需要具有室温下的至少预定量的氧溶解度。
在一个示例中，室温下的氧溶解度大于1%。
式与第二非金属材料反应。更特别的是，例如，所述成分比可以选择为使得两种材料的成分具有相对长时期的平衡状态且具有两种稳定的相。根据示例，第一金属材料和第二非金属
材料的百分比可以从第一金属材料和第二非金属材料的相图中选择。在图6中描绘了合适
的相图600的示例。
和少量导电通道相。在一个示例中，平均成分是67%氧和33%的钽。
切换层110中包含的第一金属不同的材料。
切换层110和第二电极104上施加相对低的电压以使一个或多个导电通道120在第一电极
102和第二电极104的一个或多个交叉部中形成，所述相对低的电压约为在忆阻器110的用
来形成至少一个导电通道120的导通-关断操作期间使用的电压电平。如上文讨论的，向
切换层110施加电压导致在切换材料112中的材料成分之间发生化学反应，所述化学反应
设计为使得导电通道120形成在切换层110中。
包括用于提供如上文针对图4A和4B讨论的忆阻器中的一个或多个中间层420和一个或多
个第二切换层110的一个或多个额外的步骤。
器100中形成导电通道120的例子中，也可以实施方法500以同时在忆阻器100中形成导
电通道。
器100（例如，第一和/或第二电极102和104）施加的以伏特为单位的设备电压。y轴（或
纵轴）描绘了流动通过切换层110的以安培为单位的电流。如其中所示，曲线图700描绘了
忆阻器100处于相对低的电阻状态下的导通状态以及忆阻器100处于相对高的电阻状态下
的关断状态。曲线图700也描绘了在导电通道120成型操作期间的电压和电流。如其中提
示的，形成导电通道120所需的电压与用于导通状态和关断状态的电压是可比较的。正因
为如此，本文中公开的忆阻器被认为是无需电成型的忆阻器。
水平。
的精神和范围内的许多变化都是可能的，本主题的精神和范围意在由以下的权利要求及其
等同形式来定义，在所述权利要求及其等同形式中，除非另有说明，所有的术语均应以它们最广泛的合理含义进行解释。
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