專利名稱：憶阻設(shè)備以及制造和使用所述憶阻設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總體上涉及憶阻設(shè)備，并且涉及制造和使用所述憶阻設(shè)備的方法。
背景技術(shù)：
先前已報告了可以可逆地切換并且具有高達(dá)IO3的接通到斷開電導(dǎo)的納米級交叉線開關(guān)設(shè)備。這樣的設(shè)備已經(jīng)被用于構(gòu)造交叉桿(crossbar)電路并且為具有動態(tài)/突觸邏輯的超高密度非易失性存儲器和系統(tǒng)的創(chuàng)建提供有前景的途徑。已由交叉線開關(guān)的串聯(lián)連接制造了鎖存器(其是用于邏輯電路并且用于邏輯和存儲器之間的通信的重要部件)。也描述了完全由開關(guān)的交叉桿陣列構(gòu)造或者作為包括開關(guān)和晶體管的混合結(jié)構(gòu)的新邏輯系列。 這些新的邏輯系列具有顯著提高CMOS電路的計算效率的潛力。


通過參考下面的詳細(xì)描述和附圖，本公開的實施例的特征和優(yōu)點將變得顯而易見，在下面的詳細(xì)描述和附圖中相似的附圖標(biāo)記對應(yīng)于相同或者相似(盡管可能不相等)的部件。為了簡潔起見，可能結(jié)合具有先前描述的功能的附圖標(biāo)記出現(xiàn)的后續(xù)附圖或者可能不結(jié)合它們來描述所述附圖標(biāo)記。圖IA是連接兩個不同的交叉線的固態(tài)電氣致動(electrically actuated)開關(guān)的實施例的透視圖IB是示出也被稱為交叉桿的圖IA的開關(guān)陣列的透視圖； 圖2是此處公開的憶阻設(shè)備的實施例的示意性橫截面圖； 圖3A至圖3C是設(shè)備以及對應(yīng)的電流-電壓曲線圖的實施例的示意圖； 圖4A和圖4B是經(jīng)歷閾值切換事件的導(dǎo)帶以及對應(yīng)的電流-電壓曲線圖的示意圖； 圖5A和圖5B示意性地描述在致動之前和之后的設(shè)備實施例的有源區(qū)中的雜質(zhì)帶，由此在致動之后產(chǎn)生新的狀態(tài)；以及
圖6A和圖6B示意性地描述在致動之前和之后的設(shè)備的另一實施例的有源區(qū)中的雜質(zhì)帶，由此在致動之后現(xiàn)有的狀態(tài)被鈍化。
具體實施例方式在此處所公開的設(shè)備的實施例包括位于兩個電極之間的有源區(qū)。金屬電極和半導(dǎo)體有源區(qū)之間的接觸區(qū)形成用于電流載體(例如電子或空穴)的肖特基勢壘。至少兩個移動離子物種(ionic species)被引入到了有源區(qū)，并且這樣的物種可以被調(diào)節(jié)以實現(xiàn)期望的界面性質(zhì)(例如諸如電勢/肖特基勢壘高度和/或?qū)挾?或者期望的體積性質(zhì)(例如諸如傳導(dǎo)或雜質(zhì)帶輸送)。在此處所公開的實施例中，所述至少兩個物種(它們中的一些是離子)具有不同的移動性、不同的濃度、不同的電荷狀態(tài)、相反的電荷、不同的化學(xué)性質(zhì)、不同的物理性質(zhì)(例如活化能壘)或其組合。因此，當(dāng)該物種在電場和/或升高的溫度下漂流和/或擴散通過整個有源區(qū)或部分有源區(qū)時，將改變該設(shè)備的狀態(tài)變量。要了解的是，在制造期間，此處所公開的設(shè)備可以被調(diào)節(jié)成實現(xiàn)期望的電氣性質(zhì)。在一些實施例中，此處所公開的設(shè)備是可配置的，意味著它可以經(jīng)由可逆的過程而多次改變其狀態(tài)。換句話說，此處所公開的設(shè)備可以被開啟和關(guān)閉多次，例如非易失性隨機存取存儲器(RAM)中的存儲位。在其他實施例中，此處所公開的設(shè)備可以是可單獨配置的，意味著它可以經(jīng)由不可逆過程來改變其狀態(tài)一次。這樣的開關(guān)可以例如是可編程只讀存儲器(PROM)的基礎(chǔ)。要理解，此處所公開的多狀態(tài)可變設(shè)備表現(xiàn)了許多不同的中間狀態(tài)， 其可以適合于多位存儲。當(dāng)與由單個狀態(tài)變量表征的憶阻器比較時，此處所公開的設(shè)備具有由更高維度空間限定的更高的自由度。所增加的維度提供增加的狀態(tài)集，從而提供具有附加能力(例如邏輯電路應(yīng)用)的設(shè)備。在憶阻器中，歐姆定律(即偏置電壓V和電流I之間的關(guān)系(V=R*I))是憶阻性 M[q]而不是歐姆電阻的非線性動態(tài)函數(shù)，其中q是穿過憶阻器的電荷。由此，
V(t)=M[q(t)]*I(t)(等式 1)
憶阻性提供了穿過設(shè)備的電荷q和與偏置電壓V共軛的磁通量( 之間的函數(shù)關(guān)系，其中M=C^Mq和φ = pv(t，)dt，在時間t上通過的電
荷q通常被看作憶阻設(shè)備的狀態(tài)變量。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)通過將多種移動物種結(jié)合到憶阻設(shè)備中，可以實現(xiàn)不同的狀態(tài)變量1、％、···(! 。在這種情況下，實現(xiàn)下面的函數(shù)關(guān)系
其中包括離子物種(1…η)的非常不同的移動性。圖IA和圖IB分別描繪了已知的固態(tài)電氣致動的開關(guān)100和已知的交叉桿陣列 1000。在圖IA中，兩種不同的交叉線或電極12、14在其之間具有切換結(jié)(switch junction) 16。該切換結(jié)16包括初級有源區(qū)16a和次級有源區(qū)16b。在一個實施例中，初級有源區(qū)16a 是一種電子半導(dǎo)電和弱離子導(dǎo)體二者的材料，所述離子導(dǎo)體可以被摻雜電子施主作為空位或替位雜質(zhì)。在另一實施例中，初級有源區(qū)16a的材料是名義上電氣絕緣并且弱離子導(dǎo)體。 次級有源區(qū)16b是一種作為摻雜物種的源和宿(sink)的材料。如圖IA所示，切換結(jié)16還可以包括分子層16c，作為共價或非共價鍵合的界面，在此處分子層16c包括可以是或可以不是可切換的分子。電極12、14中的一個或兩個可以是金屬或半導(dǎo)體材料。在一些情況下， 這兩個電極12、14是金屬。交叉桿陣列1000還可以被形成為包括多個如在圖IA中示出的固態(tài)電氣致動的開關(guān)10。如圖IB所示，近似平行的電極12的第一層18由近似平行的電極14的第二層20覆蓋。第二層20在方位上與第一層18的電極12大致垂直。然而，要理解，層18、20之間的方位角可以改變。電極12、14的兩個層18、20形成晶格或交叉桿。第二層20的每個電極 14覆蓋第一層18的所有電極12，并且在表示兩個電極12、14之間的最緊密接觸的電極交點處與第一層18的每個電極12緊密接觸。切換結(jié)16被示出在這些接觸點處放置在電極 12、14之間。盡管示出了三個這樣的切換結(jié)16，但是要理解，在電極12與電極14的每個交點處形成切換結(jié)16。這樣的交叉桿1000可以由微米、亞微米或納米級線制造，這取決于應(yīng)用。盡管在圖中示出了具有方形或矩形截面的單獨電極12、14，但是電極12、14還可以具有圓形、橢圓形或更復(fù)雜的截面。電極12、14還可以具有許多不同的寬度或直徑以及縱橫比或離心率。如公知的那樣，這樣的開關(guān)100可以被用作存儲器(例如位信息(1或0)的存儲)， 被用作交叉點存儲器中的閉合或開啟的開關(guān)，以用于組裝現(xiàn)場可編程門陣列的邏輯電路中的配置位，或者被用作有線邏輯可編程邏輯陣列的基礎(chǔ)。這些開關(guān)100還能夠用于各種各樣的其他應(yīng)用中。在此處公開的設(shè)備10 (參見圖2A和2B)和10’(參見圖3A和的實施例類似于開關(guān)1000?，F(xiàn)在參考圖2，描繪了憶阻設(shè)備10的一個實施例。如所示的那樣，設(shè)備10包括第一和第二電極12、14以及其之間的有源區(qū)22。設(shè)備10可以被橫向或垂直構(gòu)造。在圖2中所示的示例中，設(shè)備10被垂直構(gòu)造并且因此電極12、14分別是底部和頂部電極。然而，如先前所描述的那樣，設(shè)備電極12、14可以是橫向設(shè)備內(nèi)的第一和第二電極。作為非限制示例，可以使用傳統(tǒng)技術(shù)(例如影印平版印刷或電子束平版印刷)或通過更先進(jìn)的技術(shù)(例如壓印平版印刷)來制造底部電極12。在一個實施例中，底部電極12 的厚度從約5nm變化到約30nm。底部電極12可以是任何適合的導(dǎo)電材料，例如金、鉬、鋁、 銀、鎢、銅等等。如圖2所示，在底部電極12上建立有源區(qū)22。有源區(qū)22用作設(shè)備10的切換結(jié) (類似于此處前面簡單描述的切換結(jié)16)。在此處公開的實施例中，有源區(qū)22能夠運送并且托管移動物種對、26以控制電子通過設(shè)備10的流動。設(shè)備10的基本操作模式是跨越設(shè)備 10應(yīng)用足夠大的電場(漂移場，其可以超過用于使得一種或多種物種MJ6能夠在有源區(qū) 22中運動的某一閾值)和/或升高的溫度以使得至少具有較高移動性的物種MJ6被經(jīng)由離子運送非線性地在整個有源區(qū)22中運送。在其他憶阻設(shè)備中，在有源區(qū)(例如氧空位)中利用單個移動離子物種，并且移動物種的移動改變有源區(qū)的導(dǎo)電性，從低導(dǎo)電性(即非摻雜的半導(dǎo)體或絕緣體-斷開配置)到高導(dǎo)電性(被摻雜以提供更高的導(dǎo)電性-接通配置)或者從高導(dǎo)電性到低導(dǎo)電性(接通到斷開)。這樣的突然變化在I-V曲線中展現(xiàn)出非常顯著的滯后現(xiàn)象。在這樣的設(shè)備中，想得到的滯后現(xiàn)象的機制包括設(shè)備的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)中的突然變化，例如非均勻變化(例如導(dǎo)電溝道的形成和消失)或者接觸界面處的強變化。這樣的變化可能包括設(shè)備內(nèi)部單個移動離子種類的重新分布，其導(dǎo)致設(shè)備的電阻率的變化。例如，氧空位聚集在一起并且形成用于簡化的電子流的相當(dāng)導(dǎo)電的區(qū)域(例如細(xì)絲和枝狀細(xì)絲結(jié)構(gòu))。在此處所公開的實施例中，另一移動物種到有源區(qū)22的添加產(chǎn)生用于兩個移動物種M、26中的較輕者的移動的級(即特定的靜電電勢)。一般來說，在兩個移動物種M、 26的移動性之間存在相當(dāng)大的差異(即至少約一個數(shù)量級)。更具體地，移動性之間的差異使得較少移動的物種可以在足夠強的場中被重新配置，但是不參加由移動較多的物種提供的電荷運送。在設(shè)備10致動時，物種MJ6中的一個或兩個在有源區(qū)22中被重新布置，這使得能夠?qū)崿F(xiàn)特定可變的狀態(tài)。要理解，兩個或更多不同移動物種M、26的性質(zhì)(例如移動性、濃度、電荷、電荷狀態(tài)等等)可以被改變以便控制可以實現(xiàn)的狀態(tài)變量。要理解，將在下面進(jìn)一步描述移動物種對、26。
有源區(qū)22是電子地半導(dǎo)電或名義上電氣絕緣并且是弱離子導(dǎo)體的材料的薄膜 (例如等于或小于500nm)。要理解，弱離子導(dǎo)體的定義取決于設(shè)備10被設(shè)計成用于的應(yīng)用。 晶格中的物種的移動性和擴散常數(shù)經(jīng)由“愛因斯坦關(guān)系式”而彼此成正比例。因此，如果晶格中的物種的移動性非常高，則擴散常數(shù)也高。一般來說，期望使設(shè)備10保持特定狀態(tài)(通或斷)一定時間量，根據(jù)應(yīng)用，所述時間量可以從不到一秒到若干年。因此，在一個實施例中，這種設(shè)備10的擴散常數(shù)足夠低以確保期望水平的穩(wěn)定性，從而避免無意地將設(shè)備10經(jīng)由物種MJ6擴散從一個I-V狀態(tài)轉(zhuǎn)化到另一個，或者從通到斷(或者反之亦然);而不是有意地利用電壓脈沖來設(shè)置設(shè)備10的狀態(tài)。因此，“弱離子導(dǎo)體”是這樣的導(dǎo)體，其中物種移動性以及由此擴散常數(shù)足夠小以確保在期望的條件下(例如設(shè)備10不因為移動物種24 J6 的擴散而改變狀態(tài))設(shè)備10的通或斷狀態(tài)穩(wěn)定達(dá)所需要的那么長的時間。這樣，有源區(qū)22材料被選擇以使得移動物種MJ6漂移到有源區(qū)22中或之外是可能的，但是不太容易做到。這通常確保設(shè)備10將處于所設(shè)置的任何狀態(tài)達(dá)相當(dāng)長的時間。這還對設(shè)備10是非易失性的(即它在漂移場已被移除之后保持其狀態(tài))做出貢獻(xiàn)。在一些情況下，設(shè)備10是兩端設(shè)備-對設(shè)備10應(yīng)用高偏壓使得電子電流和離子電流二者都流動，而在低偏壓處，離子電流的流動是可忽略的，這允許設(shè)備10保持其電阻狀態(tài)。用于有源區(qū)22的適當(dāng)材料的非限制性示例包括硅、過渡金屬、稀有金屬或堿土金屬的氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物、砷化物、氯化物、碘化物和溴化物。然而，要理解，存在展現(xiàn)期望的性質(zhì)組合的各種各樣的材料電子半導(dǎo)電的或絕緣的和弱離子導(dǎo)體，以使得能夠通過漂移將移動物種對、26注入有源區(qū)22、射出有源區(qū)22、和/或在有源區(qū)22中移動。一般來說，相對于可以電摻雜半導(dǎo)體的移動物種M、26也是弱離子導(dǎo)體的任何半導(dǎo)電材料(構(gòu)成有源區(qū)22)將在此處公開的實施例中工作。換句話說，用于有源區(qū)22的可能的切換化合物是對鍵合有顯著離子貢獻(xiàn)的半導(dǎo)電化合物。在非限制性示例中，有源區(qū)22 是未被摻雜的并按照化學(xué)計量的材料，并且移動物種2436具有高濃度的陰離子或陽離子空位和包含在相同或相關(guān)親本材料的層中的陰離子或陽離子。如先前所提到的那樣，在一個實施例中，用于有源區(qū)22的材料選自過渡和稀土金屬的氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物、砷化物、氯化物、碘化物和溴化物，其中堿土金屬通常存在于化合物中。此外，存在類似化合物彼此的各種合金，如果它們彼此互相可溶則其提供大范圍的組成。還存在混合的化合物，其中存在與一些電負(fù)性元素結(jié)合的兩種、三種或更多種不同的金屬原子。用于有源區(qū)22的材料(包括元素Ti、Zr和Hf)因為它們可以與Si集成電路技術(shù)兼容而特別有吸引力，因為所有三種金屬的初級氧化態(tài)是+4，與Si相同。因此，這些元素將不會產(chǎn)生Si的非有意摻雜。這些化合物的氧化物分別也被稱為氧化鈦、氧化鋯、和氧化鉿，并且還通過特定于每一個的各種多型體的其他名稱來命名。又一實施例包括成對的或三種同時存在的三種氧化物的合金(例如TixZryHfzO2，其中x+y+z=l)。相關(guān)的化合物集合包括鈦酸鹽、鋯酸鹽和鉿酸鹽，它們由特定示例SrTiO3表示，其中Sr是二價元素鍶。存在各種各樣的這種化合物，其中Ca、Ba和其他二價元素(例如Mg、Zn、Cd)可以代替Sr，并且Ir和 Hf代替Ti。這些化合物可以被表示為ABO3化合物，其中A是至少一個二價元素，并且B是 Ti、Zr和Hf中的至少一個，并且可以具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
還有可能利用這些各種化合物的合金，例如CaaSrbBaeTiJryHfzO3,其中a+b+c=l并且x+y+z=l。還存在各種各樣的可以被單獨使用并且作為更復(fù)雜的化合物來使用的具有不同化合價的過渡金屬和稀土金屬的其他氧化物。適用于有源區(qū)22的化合物的另一實施例包括具有某些電離鍵合特性的過渡金屬的硫化物和硒化物，尤其是上面提到的氧化物的S和％類似物。適用于有源區(qū)22的化合物的又一實施例包括半導(dǎo)電氮化物，例如々116鄉(xiāng)、5(^、￥11^鄉(xiāng)、稀土氮化物以及這些化合物以及更復(fù)雜混合的金屬氮化物的合金。適用于有源區(qū)22的化合物的再一實施例包括半導(dǎo)電鹵化物(例如CuCl、CuBr和AgCl )，或者各種過渡和稀土金屬(例如Sc、Y、La等)的磷化物和砷化物。還要理解的是，有源區(qū)22可以包括從上述示例選擇的不同材料或化合物的子層。適合的有源區(qū)22的沉積技術(shù)包括傳統(tǒng)的物理和化學(xué)技術(shù)，包括來自加熱源(例如燈絲或努森池)的蒸發(fā)，來自坩堝的電子束(即e-束)，來自目標(biāo)的濺射，其他形式的蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、分子束外延，原子層沉積或者各種其他形式的從活性前體生長的化學(xué)蒸汽或束。適當(dāng)?shù)某练e或生長條件(例如速度和溫度)可以被選擇以實現(xiàn)期望的化學(xué)組成和有源區(qū)22所期望的局部原子結(jié)構(gòu)。在設(shè)備致動之前(圖2)，有源區(qū)22包括所述至少兩個移動物種對、26。在該狀態(tài)中，物種MJ6通常在空間上是不均勻的。盡管有源區(qū)22被描述為建立在電極12、14之間，但是要理解移動物種MJ6可以是在有源區(qū)22的整個體積或者僅僅特定體積(例如一個電極12、14以及有源區(qū)22內(nèi)的電子形成的溝道的尖端之間)內(nèi)活動的/移動的，只要物種MJ6能夠在外部偏置電壓下改變它們的空間分布(具有或不具有特定閾值)。移動物種MJ6可以是離子物種(例如陽離子、陰離子、帶電的空位)或者捕獲的電子或空穴(例如在有源區(qū)22的深中間能隙狀態(tài)中捕獲的)。離子物種的非限制性示例包括帶電的氧空位、鉻離子(Cr2+)、鎳離子、氫離子、鋰離子、銀離子、鈹離子、鈉離子、鎂離子、鉀離子、鋇離子等等。要理解，兩種不同的離子物種可以結(jié)合到有源區(qū)22中，或者一種離子物種可以被引入到在其中具有缺陷捕獲的電子或空穴的有源區(qū)22中。此外，要理解，選擇的物種MJ6將至少部分取決于為有源區(qū)22選擇的材料，并且可以利用不同于此處所列出的那些的物種對、26。在圖2中示出的物種MJ6是具有不同移動性的電性相反的物種。如上文所提到的那樣，所選擇的移動物種MJ6具有不同的移動性、不同的濃度、 不同的電荷狀態(tài)、相反的電荷、不同的化學(xué)性質(zhì)或其組合。這樣的物種對、26被選擇以使得物種M、26中的至少一個(在某些情況下，兩個物種M、26中的較慢的一個)遍及有源區(qū)22 的運送是非線性的。這樣的移動使得能夠獲得唯一的狀態(tài)變量。要理解，在某些實施例中， 設(shè)備10是二進(jìn)制系統(tǒng)，其中移動物種沈、對中的一個(例如兩個移動物種的較快的一個)將為另一個移動物種M、26 (例如兩個移動物種中較慢的一個)的移動設(shè)置級。在某些情況下，所述至少兩個移動物種26、24中的一個的移動性通常是比所述至少兩個移動物種24、 26的另一個的移動性大至少約一個數(shù)量級。然而，要理解，每個物種24 J6的移動性至少部分取決于施加于設(shè)備10的溫度和場。如在本文下面的等式3中闡述的那樣，可以使用特定物種的跳躍活化能量來確定移動性。例如，用于Ti02_x中的Li或Ti間隙缺陷的活化能量大約是OjeV (電子伏特)并且用于Ti02_x中的氧空位的活化能量大約是1. leV。將這些值插入下面的等式3使得可以計算每個物種的移動性。在該示例中活化能量中的該差異轉(zhuǎn)換成與在室溫中Li或Ti間隙缺陷相比較來說氧空位低大約12個數(shù)量級的移動性。在一個非限制示例中，Cr2+陽離子可以與氧空位一起包括在至少一部分有源區(qū)22 中。在被暴露于預(yù)定電場和/或溫度時，氧空位將在由Cr2+陽離子產(chǎn)生的場中移動。要理解，陽離子的濃度分布可以改變以便改變氧空位的移動。這樣，通過在包含氧空位的有源區(qū) 22中配置Cr2+陽離子，設(shè)備10的I-V特性可以被控制。有源區(qū)22中的Cr2+陽離子的分布然后可以由外部脈沖來控制，由此將設(shè)備10從一個I-V狀態(tài)切換到另一個。因為物種24、 26 (在該實例中，氧空位和Cr2+陽離子)的移動性非常不同，所以在Cr2+陽離子的初始移動之后，與氧空位相比這樣的陽離子將是相當(dāng)靜態(tài)的。在另一非限制示例中，兩個物種MJ6可以具有相似的移動性，但不同的濃度、電荷狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)或其組合。在這樣的情況下，物種對、26的移動將被耦合，由此提供具有兩個耦合狀態(tài)變量的設(shè)備10。具有不同移動性的等電子物種24 J6的非限制示例包括Ti4+ 和 Li+，Ti4+ 和 Na+，Ti4+ 和 Ba2+，Cr2+ 和 Na+，或 Be2+ 和 Ba2+。在又一個非限制性示例中，物種M、26具有不同的移動性并且是電性相反的(如圖2所示)。這些物種M、26 (例如受主和施主)的移動將受到期望電氣中性系統(tǒng)的庫侖力的強烈影響。在這樣的情況下，導(dǎo)致雙極性的擴散，其中有效擴散系數(shù)近似于兩個物種24、 26中的較慢的一個的擴散系數(shù)。該設(shè)備10可以被表征為具有兩個強耦合的狀態(tài)變量。圖 2特別圖示外部電場下的電性相反的物種M、26以及移動的方向。在又另一示例中，物種MJ6具有相同的電荷但是具有不同的移動性。在一個狀態(tài)變量中，物種MJ6被局部化，例如鄰近于電極對、26中的一個。在致動時(即暴露于預(yù)定偏置電壓達(dá)相對短的時間)，兩個物種對、26中的較快的一個朝向電極14、12中的另一個漂移，由此設(shè)備10處于第二狀態(tài)。在該特定情況下，還可能適合于使用濃度分布而不是電荷來將狀態(tài)變量與移動物種對、26相關(guān)聯(lián)(即通過指定大多數(shù)特定物種MJ6存在于設(shè)備 10中的哪些位置)。例如，如果每個物種MJ6具有各自的濃度分布N24 (x，y，z)和N26 (χ, y，ζ)(其中x，y, ζ是空間坐標(biāo))，則與每個物種相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)可以是濃度的質(zhì)心，即
物種對的狀態(tài)=矢量(《>，<7>，《>)，其中
<y> = Iy N24(x y,2)<Jy;以及 <z> = L N24(x,y,z)dz；以及物種洸的狀態(tài)=矢量(《>，<7>，《>)，其中
< > = h Nz6{K,y,z)dy;以及為了在處于物種沈的狀態(tài)時活化(即，使移動物種沈移動)該示例的設(shè)備10，物種M的狀態(tài)被強制成某一其他值。在其他情況下，適合于通過使用特定位置(例如設(shè)備10 內(nèi)的界面附近(電極12、14和有源區(qū)22之間)中的濃度來將狀態(tài)變量與移動物種24、沈相關(guān)聯(lián)。一般來說，有源區(qū)22包括兩個或更多移動物種MJ6而沒有任何其他摻雜物。然而，在一些情況下，除了移動物種MJ6之外，可以期望有源區(qū)22還包括本底摻雜物分布。 這樣的摻雜物分布被認(rèn)為幫助控制移動物種對、26的動態(tài)以及要實現(xiàn)的設(shè)備的非線性電導(dǎo)的類型。這樣的本底摻雜物分布通常是固定的非均勻摻雜物。在非限制性示例中，本底摻雜物分布可以是受主摻雜物(例如TW2有源區(qū)中的碳或氮摻雜)，并且物種24 J6是施主物種，例如氫或鋰陰離子和帶負(fù)電的氧空位(其中陰離子具有比氧空位更高的移動性)。在一些實施例中，本底摻雜可以使費米能級偏移，并且結(jié)果使移動物種M、26中的一個或兩個的電荷狀態(tài)偏移。電荷狀態(tài)可以改變以高度非線性方式跳躍的離子的活化能量。例如，對于Ti02_x中的間隙離子Ti4+和Ti1+的跳躍活化能量差異大約0. 3eV,而且移動性以指數(shù)的方式取決于活化能量
移動性 exp (_U/kBT) *exp(aqE/kBT) 等式(3)
其中U=活化能量，T=溫度，kB=玻爾茲曼常數(shù)，a=晶格距離，q=元電荷，并且E=材料中的凈電場。這樣，可以通過改變物種2446中的一個的電荷狀態(tài)來調(diào)制該物種的移動性。例如，氧空位可以被一個深的和一個淺的水平來充電。擴散活化能量(以及由此離子移動性) 可以從+1改變到+2狀態(tài)。電荷狀態(tài)取決于局部化學(xué)電勢，并且因此可以經(jīng)由其他移動物種沈、對和/或本底摻雜物的存在來增加或減少。在其他實施例中，本底摻雜可以改變有源區(qū)22的整體電阻率，這將導(dǎo)致改變局部功率耗散，由此局部降低或增加自加熱效應(yīng)。根據(jù)上面的等式3，物種M、26的移動性非線性地依賴于溫度，這樣，自加熱中的變化可以影響物種對、26的移動性。在建立有源區(qū)22時，沉積或以其他方式引入所利用的任何本底摻雜物。在一些情況下，移動物種MJ6在有源區(qū)22的建立期間或之后被引入到有源區(qū)22 中。在其他情況下，有可能在設(shè)備10編程期間引入來自單獨區(qū)(未示出)的移動物種對、26。 當(dāng)從單獨的區(qū)引入時，這樣的引入可以在區(qū)22已建立在電極12上之前或之后發(fā)生。這至少部分取決于設(shè)備10的幾何結(jié)構(gòu)(例如有源區(qū)22是在包含移動物種M、26的單獨區(qū)下方還是上方)。適合于將移動物種對、26引入到有源區(qū)22的技術(shù)的某些非限制性示例包括下述各項i)將移動物種M、26中的一個或二者植入到有源區(qū)22中(在其建立期間或之后)； 或者ii)擴散來自氣體源或前體的移動物種M、26 (在有源區(qū)22的建立期間或之后);或者 iii)將移動物種2436植入到鄰近于所建立的有源區(qū)22的區(qū)(未示出)中并且然后擴散來自鄰近區(qū)的移動物種對、26。在非限制性示例中，將物種擴散到有源區(qū)22中可以經(jīng)由暴露于熱而完成。在另一個非限制性示例中，離子植入可以例如經(jīng)由離子槍來實施。在又一個非限制性示例中，當(dāng)氣體源或前體被利用時，氣體可以在碰撞到有源區(qū)材料上之前被離子化。一旦有源區(qū)22和移動物種MJ6被建立，頂部電極14被建立在有源區(qū)22上。頂部電極22可以是與底部電極12相同的材料或不同的材料，并且可以經(jīng)由用于建立底部電極12的相同或不同技術(shù)而被建立。在一個示例中，頂部電極14被電子束蒸發(fā)器蒸發(fā)。頂部電極的厚度也通常從約5納米變化到多至幾百納米。如先前所提到的那樣，設(shè)備10可以通過暴露于預(yù)定電場和/或升高溫度而被致動。在某些情況下，當(dāng)溫度升高時施加電場。在其他情況下，電流流過設(shè)備10的結(jié)果是溫度升高(例如自加熱)。所施加的電場和溫度將至少部分取決于所選擇的移動物種對、26，它們的濃度，它們在有源區(qū)22中的配置(例如狀態(tài))，以及任何本底分布。這樣，將根據(jù)一個或多個所列出的因素來選擇外部電壓或電流。溫度還可以取決于局部電阻率，并且結(jié)果取決于局部自加熱。在某些情況下，期望從外部源來施加熱量。一旦設(shè)備10被致動，具有較高移動性的移動物種MJ6將在有源區(qū)22中比具有較低移動性的移動物種26J4漂移(歸因于電場)和/或擴散(歸因于升高的溫度)得更快。 這樣的移動將改變設(shè)備10的狀態(tài)變量。要理解，其它性質(zhì)(例如濃度、電荷和/或電荷狀態(tài)、 化學(xué)性質(zhì)等等)也將限定所實現(xiàn)的狀態(tài)變量。通常期望物種M、26的運送與電場或溫度或電荷狀態(tài)是非線性的。物種M、26中的至少一個的移動在設(shè)備10被暴露于預(yù)定電場時開始。要理解，例如當(dāng)滿足下式時，
qEa>kBT(等式 4)
電場可以足以引起非線性運送，其中T =溫度，kB=玻爾茲曼常數(shù)，a=晶格距離，q=元電荷，并且E=材料中的電場。在某些情況下，物種M、26的非線性移動通過引入新的狀態(tài) (參見例如圖5A和5B，在下文所討論的)或者鈍化現(xiàn)有的狀態(tài)(參見例如圖6A和6B，在下文所討論的)來影響設(shè)備10的體積性質(zhì)。在其它情況下，物種M、26的非線性移動影響界面性質(zhì)(也在下文進(jìn)一步討論)。圖3A圖示設(shè)備10的非限制示例以及設(shè)備10的對應(yīng)電壓(V)與電流(I)之間的關(guān)系的曲線圖。在此處所討論的所有實施例中，要理解I-V取決于兩個物種M、26中較慢的一個的位置。在圖3A所示的實施例中，每個物種24J6可以具有各自的濃度分布^ (x, y，ζ) 和N26 (χ, y，ζ)(其中x，y，ζ是空間坐標(biāo))，并且與每個物種MJ6相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)可以是濃度的質(zhì)心。物種Μ、26的濃度分布還可以是其中存在相對恒定的值以及在特定位置(其是一個狀態(tài)變量)處存在到零的驟減的階梯函數(shù)。在該實施例中，偏置電壓的應(yīng)用將改變狀態(tài)變量的位置。在一些情況下，當(dāng)施加“小的”電壓或電流時，意味著電壓或電流不足以對于給定的初始或平衡較快的移動物種26J4濃度分布而開始移動物種24 J6的較慢的一個的運送的非線性狀態(tài)。然而，這樣的小電壓或電流足以移動移動物種26、24中的較快一個。快移動物種沈、對濃度分布中的小變化將不會影響慢物種對、26，并且一旦移除電壓或電流，較快的移動物種26J4將安置于原始狀態(tài)。然而，快物種沈、對可以遍及有源區(qū)22移動得足夠遠(yuǎn)以便增加電場或電流或者改變電荷狀態(tài)，從而導(dǎo)致較慢物種對、26的非線性運送，如在圖:3Β中示出的那樣。一旦被移動，較慢移動的移動物種MJ6將不會再次改變位置，除非設(shè)備10被再次致動。在這樣的情況下，可以利用比用于移動較快移動的移動物種沈、24 的偏壓更小的偏壓來讀取設(shè)備10法圖3Α的I-V曲線圖中示出小偏壓或電流的非限制性示例)。在圖3C中，示意示新的狀態(tài)(在物種MJ6移動之后)，并且I-V曲線圖中的虛線圖示針對新狀態(tài)的I-V曲線。要理解，所施加的電壓或電流將至少部分依賴于所選擇的有源區(qū)22和物種24、 26，所形成的導(dǎo)電溝道的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)備10的熱性質(zhì)，有源區(qū)22和電極12、14的厚度、較慢的移動物種Μ、26的任何活化勢壘等等或者其組合。作為非限制示例，小的電壓是足夠低的，以便不會使得電場超過從約lMV/cm到約5MV/cm，并且電流足夠低以使得不會在設(shè)備10 內(nèi)造成焦耳加熱。物種24 J6的較慢的一個的非線性移動可以通過如上所述兩個物種沈、對中的較快一個的漂移而被活化。非線性移動還可以經(jīng)由強制進(jìn)行電壓或電流閾值切換來實現(xiàn)。在圖4A和4B中示出了這樣的非線性移動的非限制示例。在該示例中，示出在閾值切換事件之前(圖4A)和之后(圖4B)的導(dǎo)帶32。如圖4B中所示的那樣，可以通過利用兩個移動物種沈、24 (其非限制性示例包括電子)中的較快的一個來填充深的陷阱能級30 (在下文中被稱為深能級缺陷)來達(dá)到高的電場或電流。填充深的陷阱能級30引起閾值切換事件，其使得移動物種M、26中的較慢一個隨后在暴露于比電壓閾值更大的偏壓時被移動，如圖4B 中的曲線圖所示。要相信，在一個實施例中，當(dāng)較快的移動物種沈的注入速率比其在設(shè)備10內(nèi)的移動速率更大時出現(xiàn)閾值切換事件。圖4A示出分別具有淺的和深的能級缺陷觀、30的帶圖。 要理解，在其它情況下，可以存在連續(xù)的能量狀態(tài)。在該示例中，較快物種沈的移動性(以及因此材料傳導(dǎo)性)將取決于其能量。當(dāng)施加外部電壓時，較快的物種沈?qū)⒁运俾蔙l隧穿界面(例如肖特基勢壘)進(jìn)入導(dǎo)帶32。如果材料22中的平衡費米能級接近于深陷阱30的能量，則隧穿的較快的物種26將在深陷阱30放松并且緩慢地以速率R2朝向右邊的電極(未在該圖中示出)移動(跳躍)。對于小的偏壓，R2>R1并且電場大致均勻，而設(shè)備10電導(dǎo)與注入速率Rl成比例。當(dāng)增加偏壓時，速率Rl變得比速率R2更大，這意味著所有深陷阱30將被較快的物種26 (即以比移除物種沈的速率更快的速率注入該物種沈)快速填充，因此將準(zhǔn)費米能級提升到接近淺能級。在新的準(zhǔn)費米能量處，較快的物種26是非常活動的，并且該區(qū)的對應(yīng)電導(dǎo)是非常高的。因此，幾乎所有電場都將遭遇(dropped across)肖特基勢壘， 使得勢壘更低。在當(dāng)Rl變得大于R2的點處，將存在電流的驟升(參見圖4B的I-V曲線圖)并且還存在相應(yīng)電極12、14和有源區(qū)22 (參見圖4B的導(dǎo)帶)之間的界面上的電場的驟升。高電流和高場二者可以被用來調(diào)制較慢電離移動物種M的移動性，如上文討論的那樣。物種M、26中的一個或多個的非線性移動/運動調(diào)制設(shè)備10的電子電導(dǎo)。在一些情況下，設(shè)備10的界面性質(zhì)的調(diào)制是期望的。各個電極12、14和有源區(qū)22之間的一個界面或兩個界面處的電阻可以經(jīng)由肖特基勢壘調(diào)制而被連續(xù)調(diào)節(jié)。在這種情況下，界面偶極層(未示出)可以被置于底部電極12和有源區(qū)22和/或頂部電極14和有源區(qū)22之間的界面處。界面偶極層可以包括界面間隙和界面表面狀態(tài)，其與有源區(qū)22的體積能量相比具有作為能量函數(shù)的不同的狀態(tài)密度形狀。當(dāng)存在界面狀態(tài)時，這樣的狀態(tài)可以是非相互作用的(即由有源區(qū)22限定)或可以是相互作用的(即由電極12、14和有源區(qū)22限定)。在其它情況下，可以存在界面間隙而不存在界面狀態(tài)。界面偶極層通常根據(jù)所施加的電壓而呈現(xiàn)勢壘高度。在其它情況下，可以通過經(jīng)由淺移動物種M、26的添加補償任何本底固定的摻雜，或通過結(jié)合能夠調(diào)制雜質(zhì)帶的深能級移動物種24 J6來調(diào)制設(shè)備10的體積性質(zhì)。如此處所使用的那樣，淺移動物種的淺能級接近于導(dǎo)帶(或價帶)，即相對于導(dǎo)帶邊緣來說其能量差小于kBT (玻爾茲曼常數(shù)乘以溫度)。還如此處所使用的那樣，深能級移動物種的深能級與淺能級相對，即能量差遠(yuǎn)大于kBT。如圖5A和圖5B示意性示出的那樣，深能級移動物種MJ6可以在設(shè)備10致動之后在雜質(zhì)帶內(nèi)產(chǎn)生新狀態(tài)。例如，在一些情況下，當(dāng)金屬離子(例如Ni+，Li+)在有源材料22內(nèi)移動時它們引入新的深電子能量狀態(tài)。如在圖6A和6B 中示出的那樣，深能級移動物種M、26可以在設(shè)備10致動之后鈍化雜質(zhì)帶內(nèi)的現(xiàn)有狀態(tài)。例如，氫離子(通常非?；顒拥?趨向于鈍化硅中的懸空鍵。盡管未在圖2中示出，但是要理解可以在基底上建立任何一個電極12、14。一般來說，當(dāng)基底被利用時，它是絕緣基底，例如二氧化硅、氮化硅、氧化鎂、鈦酸鍶、玻璃等等。而且，盡管未在圖2中示出，但是要理解可以在基底和鄰近于這種基底的頂部電極或底部電極12、14之間建立粘附層。一般來說，這樣的粘附層增強基底以及隨后建立的鄰近電極12、14之間的鍵合。在一些情況下，粘附層可以是用于有源區(qū)22的移動物種24、 26中的至少一個的源，當(dāng)其暴露于某些條件時擴散通過鄰近電極12、14。認(rèn)為適合于粘附層的材料的非限制性示例包括鈦、鉻、鋁、鎂、鋅、鈮、鉭、錳、釩、皓、釕或鉿。當(dāng)粘附層被利用時，可以經(jīng)由任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)(例如噴濺、e束蒸發(fā)、分子束外延、化學(xué)氣相沉積(CVD)、或原子層沉積(ALD))來在基底或電極12、14上建立粘附層。要理解，如在圖2的實施例中示出的那樣，如果需要粘附層可以被省略。還將理解，當(dāng)該層僅被用作移動物種M、26的源時， 這樣的層可以鄰近于任何電極12、14 (或鄰近于側(cè)電極，未示出)而放置。條款1 一種憶阻設(shè)備，包括 第一電極；
第二電極；
設(shè)置在所述第一和第二電極之間的有源區(qū)；以及
在所述有源區(qū)中存在的至少兩個移動物種，所述至少兩個移動物種中的每一個被配置成限定所述憶阻設(shè)備的單獨狀態(tài)變量。條款2 如條款1所述的憶阻設(shè)備，其中所述至少兩個移動物種的每一個是離子物種，或者其中所述至少兩個移動物種之一是離子物種并且所述至少兩個移動物種中的另一個是移動捕獲的電子或空穴。條款3 如前述任一條款所述的憶阻設(shè)備，其中所述至少兩個移動物種具有不同的濃度、不同的移動性、不同的電荷狀態(tài)、相反的電荷、不同的化學(xué)性質(zhì)或其組合。條款4 如條款3所述的憶阻設(shè)備，其中所述至少兩個移動物種具有不同的移動性，并且其中所述至少兩個移動物種中的一個的移動性比所述至少兩個移動物種中的另一個的移動性大至少一個數(shù)量級。條款5 如前述任一條款所述的憶阻設(shè)備，其中所述有源區(qū)具有控制所述至少兩個移動物種的動態(tài)的本底摻雜分布。條款6 如條款5所述的憶阻設(shè)備，其中所述有源區(qū)的本底摻雜分布是靜態(tài)的。條款7 如前述任一條款所述的憶阻設(shè)備，其中所述至少兩個移動物種的每一個都獨立地選自帶電的空位、陰離子、陽離子、電子以及空穴。條款8 如前述任一條款所述的憶阻設(shè)備，還包括定位在i)第二電極和有源區(qū)之間的界面處，ii)第一電極和有源區(qū)之間的界面處，或者ii) i和ii 二者的界面偶極層。條款9 如前述任一條款所述的憶阻設(shè)備，其中當(dāng)所述至少兩個移動物種暴露于預(yù)定電場時，所述至少兩個移動物種以不同的速率漂移通過有源區(qū)。條款10 如前述任一條款所述的憶阻設(shè)備，其中在預(yù)定電場下所述設(shè)備是可逆的。條款11 一種用于使用如前述任一條款所述的憶阻設(shè)備的方法，所述方法包括 將有源區(qū)暴露于預(yù)定的電場，由此使得至少兩個移動物種以不同的速率漂移通過所述有源區(qū)以形成與所述設(shè)備在這樣的暴露之前的狀態(tài)變量不同的狀態(tài)變量。條款12 如條款10所述的方法，其中所述預(yù)定電場具有低電壓和小電流，其中暴露使得所述至少兩個移動物種中的一個以與所述至少兩個移動物種中的另一個不同的移動速率移動，并且其中所述方法還包括
移除所述預(yù)定的電場，由此使得所述至少兩個移動物種中的一個移回到平衡狀態(tài)。條款13 —種用于制造如條款1至10中的任一項所述的憶阻設(shè)備的方法，所述方法包括
將所述至少兩個移動物種引入到有源區(qū)；以及
將所述有源區(qū)暴露于電場或升高的溫度中的至少一個，由此使得所述至少兩個移動物種以不同的速率漂移通過有源區(qū)的附加部分，并且改變所述憶阻設(shè)備的狀態(tài)變量。條款14 如條款13所述的方法，其中所述至少兩個移動物種的漂移引入新狀態(tài)或者鈍化現(xiàn)有狀態(tài)。條款15 如條款13或14任一項所述的方法，其中在暴露之前，所述方法還包括 在第一和第二電極之間建立有源區(qū)；以及
與建立有源區(qū)同時地或者在建立有源區(qū)之后引入所述至少兩個移動物種，其中通過以下方式來完成獨立地引入所述至少兩個移動物種i)將至少兩個移動物種中的至少一個植入到有源區(qū)或與其直接或間接鄰近的區(qū)中；或者ii)將來自氣體源或前體的至少兩個移動物種中的至少一個擴散到有源區(qū)或與其直接或間接鄰近的區(qū)中；或者iii)將所述至少兩個移動物種中的至少一個植入到鄰近于所建立的有源區(qū)的區(qū)中，并且然后擴散來自所述鄰近區(qū)的第一或第二摻雜物中的至少一個。盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了若干實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到所公開的實施例可以被修改。因此，前述描述被認(rèn)為是示例性而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種憶阻設(shè)備，包括第一電極；第二電極；設(shè)置在所述第一和第二電極之間的有源區(qū)；以及在所述有源區(qū)中存在的至少兩個移動物種，所述至少兩個移動物種中的每一個被配置成限定所述憶阻設(shè)備的單獨狀態(tài)變量。
2.如權(quán)利要求1所述的憶阻設(shè)備，其中所述至少兩個移動物種的每一個是離子物種， 或者其中所述至少兩個移動物種之一是離子物種并且所述至少兩個移動物種中的另一個是移動捕獲的電子或空穴。
3.如權(quán)利要求1所述的憶阻設(shè)備，其中所述至少兩個移動物種具有不同的濃度、不同的移動性、不同的電荷狀態(tài)、相反的電荷、不同的化學(xué)性質(zhì)或其組合。
4.如權(quán)利要求3所述的憶阻設(shè)備，其中所述至少兩個移動物種具有不同的移動性，并且其中所述至少兩個移動物種中的一個的移動性比所述至少兩個移動物種中的另一個的移動性大至少一個數(shù)量級。
5.如權(quán)利要求1所述的憶阻設(shè)備，其中所述有源區(qū)具有控制所述至少兩個移動物種的動態(tài)的本底摻雜分布。
6.如權(quán)利要求5所述的憶阻設(shè)備，其中所述有源區(qū)的本底摻雜分布是靜態(tài)的。
7.如權(quán)利要求1所述的憶阻設(shè)備，其中所述至少兩個移動物種的每一個都獨立地選自帶電的空位、陰離子、陽離子、電子以及空穴。
8.如權(quán)利要求1所述的憶阻設(shè)備，還包括定位在i)第二電極和有源區(qū)之間的界面處， ii)第一電極和有源區(qū)之間的界面處，或者ii) i和ii 二者的界面偶極層。
9.如權(quán)利要求1所述的憶阻設(shè)備，其中當(dāng)所述至少兩個移動物種暴露于預(yù)定電場時， 所述至少兩個移動物種以不同的速率漂移通過有源區(qū)。
10.如權(quán)利要求1所述的憶阻設(shè)備，其中在預(yù)定電場下所述設(shè)備是可逆的。
11.一種用于使用如權(quán)利要求1所述的憶阻設(shè)備的方法，所述方法包括將有源區(qū)暴露于預(yù)定的電場，由此使得至少兩個移動物種以不同的速率漂移通過所述有源區(qū)以形成與所述設(shè)備在這樣的暴露之前的狀態(tài)變量不同的狀態(tài)變量。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述預(yù)定電場具有低電壓和小電流，其中暴露使得所述至少兩個移動物種中的一個以與所述至少兩個移動物種中的另一個不同的移動速率移動，并且其中所述方法還包括移除所述預(yù)定的電場，由此使得所述至少兩個移動物種中的一個移回到平衡狀態(tài)。
13.一種用于制造如權(quán)利要求1所述的憶阻設(shè)備的方法，所述方法包括將所述至少兩個移動物種引入到有源區(qū)；以及將所述有源區(qū)暴露于電場或升高的溫度中的至少一個，由此使得所述至少兩個移動物種以不同的速率漂移通過有源區(qū)的附加部分，并且改變所述憶阻設(shè)備的狀態(tài)變量。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述至少兩個移動物種的漂移引入新狀態(tài)或者鈍化現(xiàn)有狀態(tài)。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中在暴露之前，所述方法還包括在第一和第二電極之間建立有源區(qū)；以及與建立有源區(qū)同時地或者在建立有源區(qū)之后引入所述至少兩個移動物種，其中通過以下方式來完成獨立地引入所述至少兩個移動物種i)將至少兩個移動物種中的至少一個植入到有源區(qū)或與其直接或間接鄰近的區(qū)中；或者ii)將來自氣體源或前體的至少兩個移動物種中的至少一個擴散到有源區(qū)或與其直接或間接鄰近的區(qū)中；或者iii)將所述至少兩個移動物種中的至少一個植入到鄰近于所建立的有源區(qū)的區(qū)中，并且然后擴散來自所述鄰近區(qū)的第一或第二摻雜物中的至少一個。
全文摘要
此處公開了一種憶阻設(shè)備。該設(shè)備包括第一電極，第二電極，以及設(shè)置在所述第一和第二電極之間的有源區(qū)。在所述有源區(qū)中存在至少兩個移動物種。所述至少兩個移動物種中的每一個被配置成限定所述憶阻設(shè)備的單獨狀態(tài)變量。
文檔編號H01L21/336GK102265397SQ200880132493
公開日2011年11月30日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者布拉特科夫斯基 A., B. 斯特魯科夫 D., S. 威廉斯 R. 申請人:惠普開發(fā)有限公司