纳米级开关器件制造技术

一种纳米级开关器件(400)包括：具有纳米级宽度的第一电极(102)；具有纳米级宽度的第二电极(108)；被置于所述第一和第二电极之间的有源区(106)，所述有源区包含开关材料；所述有源区5内的区域(402)，其将所述第一电极与所述第二电极之间的电流流动约束到所述有源区的中心部分；以及层间介电层(110)，其由介电材料形成并且被置于所述有源区之外在所述第一和第二电极之间。还公开了一种纳米级交叉阵列(900)和形成所述纳米级开关器件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米级开关器件 政府利益的声明 本专利技术是根据国防高级研究计划署授予的合同N0.HR0011-09-3-0001在政府支持下做出的。政府享有本专利技术中的一定权利。_2] 相关申请的交叉引用 本申请与2010年3月31日提交的申请序列号PCT/US2010/029423有关，该申请使用金属氧化物位封装涂层来最小化寄生电阻并且消除侧壁短路。
技术介绍
重大研究和发展努力目前针对设计和制造纳米级电子器件，诸如纳米级存储器。纳米级电子技术有显著发展的前景，包括显著降低的特征尺寸和电位以用于自组装及用于其他相对便宜的、基于非光刻的制作方法。然而，纳米级电子器件的设计和制造提出了许多新的挑战。例如，近来已报告了使用诸如示出电阻性开关行为的氧化钛的开关材料的纳米级器件。此类器件的开关行为已被链接到原来由L.0.Chua在1971年预测的忆阻器电路元件理论。纳米级开关中的忆阻性行为的发现已产生了重大利益，并且存在基本上持续的研究努力以进一步发展这样的纳米级开关并且将它们实现在各种应用中。许多重要的潜在应用中的一个是将此类开关器件用作为存储器单元以存储数字数据，其中有源区被夹在两个电极之间。存储器器件可以被构建作为处于交叉(crossbar)配置中的此类开关器件的阵列以提供非常高的器件密度。然而，存在必须解决以便使开关器件用于实际应用的技术挑战。一个重大问题是如何维持开关器件在多个0N/0FF (导通/关断)周期期间的开关特性以提供相当长的工作寿命。附图说明通过示例的方式针对以下附图对本专利技术的一些实施例进行描述: 图1是依照本专利技术的示例的位(bit)构造的侧视图。图2是示出该位构造的可能问题、与图1的视图类似的视图。图3是示出依照本专利技术的教导的封装位、与图1的视图类似的视图。图4是示出依照本专利技术的示例的在有源区中采用径向变化的氧分布的可替换示例、与图1的视图类似的视图。图5是依照本专利技术的示例的在有源区中具有径向变化的氧分布的图4的纳米级开关器件的示意性透视图。图6是更详细的图5的纳米级开关器件的示意性截面图。图7是示出了依照本专利技术的教导的用于制作具有保护性包覆层的纳米级开关器件的示例方法的流程图。图8A-8F是示出了与图7的方法的步骤相对应的衬底上的层的形成的示意截面图。图9是依照本专利技术的示例的每个都具有保护性包覆层的纳米级开关器件的交叉阵列的示意性透视图。具体实施例方式在纳米级交叉存储器的构造中，有源区被置于第一和第二电极之间，每个电极具有纳米级宽度。有源区包含开关材料。在一些示例中，由介电材料形成的层间介电层被置于有源区之外的第一和第二电极之间。图1示出了本专利技术的位构造100，其中底部电极102被置于衬底104上。有源区106 (在下面更完整地讨论)被置于底部电极102上。顶部电极108被置于有源区106上并且被定向为与底部电极102大致正交。或者底部电极102或者顶部电极108可以为第一电极，而另一个为第二电极。介电材料110填充在邻近的有源区108之间的空间中；该介电材料在下面被更详细地讨论。包括夹在两个电极102、108之间的有源区106的单个单元被称为位112。在相邻的有源区106之间存在并联的等效寄生电容Cs和寄生电阻Rs(在图1中未示出，但被示出在图2中)。该构造可能出现的潜在问题包括侧壁传导、邻近的位112之间的泄露通路、不可靠的位传导通路(沿着器件边界)以及器件特性的易变性。图2示出了这些潜在问题。侧壁传导被示出为沿着侧壁116的短路114。邻近的位112之间的泄露通路通过寄生电容Cs和寄生电阻Rs的存在被示出。不可靠的位传导通路通过由大括号118来示出而被表示，在所述大括号118中传导可以取许多通路中的一个，所述许多通路每个都可以具有不同的长度，从而影响开关时间。器件特性的易变性通过传导通路120a、120b被示出，因为小变化可以每次都发生在该传导通路中。图3示出了作为相对于图1和2的结构的改进的结构300的示例，即，用介电包覆层302封装位112。该封装的添加通过使位112彼此绝缘来最小化寄生电阻的影响。进一步地，消除了沿着侧壁116行进的短路114 (在图2中示出)。在图3中示出的实施例中，包覆层302环绕有源区106并且在高度上从至少底部电极102延伸到顶部电极108。以这种方式，保护性包覆层使有源区106与层间介电层110绝缘或者屏蔽，并且防止开关材料接触层间介电层的介电材料和/或与层间介电层的介电材料以化学方式交互。保护性包覆层可以由非导电的包覆材料形成，所述非导电的包覆材料在化学上是稳定的并且与开关材料不起反应，而且对于开关材料中的掺杂剂而言是基本上不可透过的。如本文所用的那样，术语“不可透过的”意味着掺杂剂不能够在正常工作条件下迁移通过包覆材料。在这方面，层间电介质典型地被选择为具有低介电常数以使得器件的电容将是低的以便允许更快的存取时间。然而，此类介电材料可能具有与开关材料以化学方式相互作用的趋势。与此相对照，包覆材料被选择为基本上在化学方面为惰性的。因此，开关材料中的掺杂剂被限制在有源区106中并且无法透过保护性包覆层302而失去或者被得到。作为示例，当包括有源区106的开关材料是TiO2时(在下面对开关材料进行更详细的描述)，掺杂剂是氧空位。包括包覆层302的材料在这种情况下可以为二氧化铪(HfO2),其是热力学上更稳定的氧化物并且因此在防止氧空位或防止氧远离TiO2开关材料移动方面是有效的。可使用的包覆材料的其他示例包括氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化铝(Al2O3)等。与此相对照，形成层间介电层的介电材料不同于包覆材料并且可以为例如氧化物、氮化物或碳化物，诸如二氧化硅(S i O2)、氮化硅(S i 3N4 )、氮碳化硅(SiCxNy)、氮氧化硅(SiOxNy)等。层间介电层通常具有低介电常数。例如，介电常数可以为4或更小。图4示出了依照本专利技术的示例的纳米级开关器件400。器件400被构建得很像图1中示出的器件100，但具有差异，S卩，将第一电极与第二电极之间的电流流动约束到有源区的中心部分的有源区内的区域402。更具体地，该区域可以包括绝缘材料，诸如其中氧含量径向地变化的横向氧化，所述横向氧化在位112的外围处较高(即，在有源区106的外围处较高)而在位的中心附近较低(即，在有源区的中心处较低)。如上所述，虽然有源区能够携带掺杂剂种类并在电场下运送该掺杂剂，但是横向氧化物不能够携带掺杂剂种类并在电场下运送掺杂剂。可以以诸如使用氧气的等离子氧化之类的各种方式来获得电流流动约束区域。作为采用电流流动约束区域的结果，解决了以下问题:通过使位绝缘而使得寄生电阻的影响最小化；消除沿着侧壁行进的短路；获得在位的中心处的电流约束；介电常数沿着径向方向的调制(在向外移动时损失较少)；以及电流的减小和因此的工作功率的减小以及耐久性的提闻。图5示出了器件400的单个位112的透视图。开关器件400包括:底部接触结构，其包括字线404和底部电极102 ;以及顶部接触结构，其包括顶部电极108和位线406。置于顶部电极108与底部电极102之间的是包含开关材料的有源区106。如在下面更详细地描述的那样，开关材料具有能够被可控地修改以允许器件被切换到具有低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：G里贝罗，JH尼克尔，J杨，
申请(专利权)人：惠普发展公司，有限责任合伙企业，
类型：
国别省市：