用于电阻式存储器装置的纳米线的纳米通道阵列的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]电阻式存储器元件可以通过施加编程能量来编程至不同电阻状态。在编程之后，电阻式存储器元件的状态可被读取并在指定的时间周期内保持稳定。电阻式存储器元件的大阵列可以被用于创建多种电阻式存储器装置，包括非易失性固态存储器、可编程逻辑、信号处理、控制系统、模式识别装置和其它应用。电阻式存储器装置的示例包括忆阻器、相变存储器和自旋转移矩。
[0002]忆阻器是可以通过施加编程能量(例如，电压或电流脉冲)来编程至不同电阻状态的装置。这种能量生成可以调制忆阻元件中非易失性开关和非线性选择功能两者的导电性的热效应和电场的组合。编程之后，忆阻器的状态可以被读取并在指定的时间周期内保持稳定。忆阻元件可以被用于多种应用，其包括非易失性固态存储器、可编程逻辑、信号处理、控制系统、模式识别和其它应用。
【附图说明】
[0003]图1是透视示意图，其图示了根据示例的存储器装置(例如忆阻装置)中的多个纳米通道。
[0004]图2是与图1类似的图，但是为了清楚消除了电极和绝缘区域，其中电极之间的离子路径的示例被示出。
[0005]图3是与图1类似的图，但是为了清楚消除了电极和绝缘区域，其中核/壳纳米线结构的示例被示出。
[0006]图4是描绘根据示例的用于制造具有纳米通道的存储器装置(例如忆阻器)的方法的流程图。
[0007]图5是根据示例的并入例如图1中示出的存储器装置的纳米线交叉开关(crossbar)结构的等距视图。
【具体实施方式】
[0008]如在本文的说明书和权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另外清楚指示。
[0009]如在本说明书和所附权利要求中使用的，“近似”和“大约”意味着由例如制造工艺中的变化引起的±10%的变化。
[0010]在下面详细的描述中，参考伴随本公开的附图，其图示了其中本公开可以被实践的具体示例。示例的组件可以被定位在许多不同的取向上，且与组件的取向有关的所使用的任何方向性的术语用于图示的目的且决不是限制性的。方向性术语包括例如“顶部”、“底部，，、“前面”、“后面”、“头部”、“尾部”等的词。
[0011]将理解的是，其中本公开可以被实践的其它示例存在，并且在不脱离本公开的范围的情况下可以做出结构或逻辑的改变。因此，下面的详细描述并不在限制性意义上被理解。替代地，本公开的范围由所附权利要求限定。
[0012]电阻式存储器元件可以用于多种应用，包括非易失性固态存储器、可编程逻辑、信号处理、控制系统、模式识别和其它应用。
[0013]如在说明书和所附权利要求中使用的，术语“电阻式存储器元件”广泛地指代可编程非易失性电阻器，诸如电阻式随机存取存储器(ReRAM)、相变存储器(PCRAM)、基于钙钛矿(例如Sr(Zr)T13)的忆阻器技术、过渡金属氧化物(诸如N1或T12或TaOx)、硫属化合物(诸如Ge2Sb2Te5SAgInSbTe)、固态电解质(诸如GeS、GeSe、Cu2S)、有机电荷转移复合物(例如CuTCNQ)、有机施主-受主系统、各种分子系统、或其它非易失性可编程电阻式存储器元件。
[0014]忆阻器或忆阻装置是纳米尺度装置，其可以用作诸如存储器、开关和逻辑电路和系统之类的广泛范围的电子电路中的组件。在存储器结构中，可以使用忆阻器的交叉开关。例如，当作为用于存储器的基础使用时，忆阻器可以用于存储对应于忆阻器是处于其高电阻状态还是处于其低电阻状态(或反之亦然)的信息位，I或O。当用作逻辑电路时，忆阻器可以被用作逻辑电路中的配置位和开关，所述逻辑电路类似现场可编程门阵列，或可以是用于有线逻辑可编程逻辑阵列的基础。还可能的是，针对这些和其它应用使用能够进行多状态或模拟行为的忆阻器。
[0015]当用作开关时，在交叉点存储器中忆阻器可以处于低电阻(接通)状态中，或者处于高电阻(断开)状态中。在最近几年期间，研究者在寻找使这些忆阻器的切换功能高效地运转的方法方面已经做出巨大进步。例如，氧化钽(TaOx)基忆阻器已经被展示以具有在其它能够进行电子切换的纳米尺度装置之上的出众的持久性。在实验室设定中，氧化钽基忆阻器能够进行超过100亿的切换循环。
[0016]忆阻器可以包括夹在两个电极之间的切换材料，诸如T1x或TaOx。忆阻行为通过切换材料内的离子核素(例如，氧离子或空位)的运动来达到，以经由两个电极之间的导电丝的调制来创建局部导电性的变化，这导致低电阻“导通”状态，高电阻“断开”状态，或中间状态。最初，当忆阻器被首先制备时，整个切换材料可以是非导电的。像这样，形成工艺可被要求来在两个电极之间的切换材料中形成导电通道。已知的形成工艺，经常叫作“电成型”，包括跨越电极施加足够高(阈值)的电压达足够长的时间以在切换材料中引起成核现象(nucleat1n)和局部导电通道(或有源区)的形成。形成工艺所要求的阈值电压和时间长度可以取决于用于切换材料、第一电极和第二电极的材料的类型以及装置的几何结构。
[0017]金属或半导体氧化物可以用在忆阻装置中；示例包括过渡金属氧化物(诸如氧化钽、氧化钛、氧化钇、氧化铪、氧化铌、氧化锆、或其它类似氧化物)，或包括非过渡金属氧化物(诸如氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化镝、氧化镧、二氧化硅或其它类似氧化物)。进一步的示例包括过渡金属氮化物，诸如氮化钽和氮化钛。
[0018]现有技术的忆阻装置可以包括电极之间的连续氧化膜。细丝/离子扩散以非常像闪电的随机形式(其可以取得最小电阻的路径)形成在电极之间的氧化膜中。该随机路径引起忆阻器1-V特性中的从切换循环到切换循环以及尤其从装置到装置的变化。现有技术的单极或双极的忆阻或非易失性电阻式存储器装置倾向于具有在电极之间的该随机导电路径。在导电通道形成中的该随机性可能引起再现性和/或可靠性问题。
[0019]根据本文教导的，纳米尺度通道可以用于建立用于单极和双极忆阻装置两者的导电路径的精确通道。离子可以在多个通道中扩散，但是电极之间的路径长度通常总是近似相同。此外，如果使用密集的纳米线，则离子可以在纳米线中或在纳米线表面中扩散，这可以具有表面效应并允许离子扩散更加快速。
[0020]通过“密集的纳米线”或“密集的纳米线阵列”意指阵列中纳米线的填充密度(packing density)。考虑纳米线阵列的横截面视图。在一些示例中，纳米线可以处于方形配置。在其它示例中，纳米线可以处于三角形或蜂巢配置。此后者配置可以被考虑是紧密堆积的配置。
[0021]无论如何，在一些示例中，纳米线可以接触邻近的纳米线以形成填充的或紧密填充的结构。在其它示例中，在阵列中，纳米线可以与其它纳米线隔开直到纳米线的直径的距离。
[0022 ] 阵列的大小可以从忆阻单元面积的1 % —直到单元面积的100 %。在一些示例中，阵列的大小可以大于单元面积的50%。作为示例，在标称的10 X 1nm2忆阻单元中，阵列可以具有100X100的每个直径为0.1nm的纳米线。单元的剩余面积被绝缘区域占据。绝缘区域可以包括氧化物，诸如Ta2O5、T12、Nb205、或其它过渡金属氧化物。
[0023]注意，每个单元中阵列的大小并不需要从一个单元到下一个单元是非常一致的，只要在每个单元中存在足够的纳米通道以提供用于核素运动的路径。
[0024]各向异性氧化膜可以由密集的离子/电子通道束组成，使得所有的细丝/离子扩散都具有离相对的电极近似相同的距离。因为忆阻装置中的电极可以被隔开大约10nm，所以纳米线的长度近似相同。可移动核素的运动路径被限定为对于不同装置近似相同，这可以显著地减小从装置到装置的变化性。
[0025]因此，纳米尺度通道的存在可以去除传导路径(细丝或离子扩散)的形成的随机性质。进一步地，纳米尺度通道可以为离子扩散提供“高速公路”。
[0026]通道可以由具有直径为小于I纳米(例如0.1nm的直径)到几纳米(例如2nm)的密集纳米线制成。离子路径根据纳米线的电/化学/物理性质可以在纳米线中或在邻近的纳米线(纳米线之间)表面上。特别地，在纳米线在填充或紧密填充的阵列中接触的情况下，这样的多个纳米线之间的界面可以导致改善的离子导电性。因此，除了多个纳米线提供的冗余，沿着界面的改善的导电性可以优于给定单元中的一个(或甚至几个)纳米线。随着对于细丝/离子扩散路径的这种减小的变化性，1-V特性可以是更加可再现的。因为通道是极度各向异性导体，所以边缘处的高场击穿也显著减小。
[0027]图1描绘了根据这些教导的忆阻装置100。装置100具有两个将绝缘区域106夹在中间的电极102、104，其在此处以模型的方式被示出以便更清楚地描绘组成纳米尺度通道的纳米线110的阵列108。
[0028]图2描绘了如图1中示出的纳米线110的阵列108，但是并没有电极102、104和绝缘区域106。两个电极之间的离子路径可采取以下两个路径中的一个:在纳米线110中，如由箭头112示出的，或在纳米线之间的空隙区域中，如由箭头114示出的。看起来，空隙路径114可提供离子核素的更快(高达经由路径112通过纳米线的内部的10至100倍)运输。
[0029]纳米线110的材料可以是金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、硫属化合物等，或半导体(诸如S1、Ge等)。关于金属氧化物(特别是过渡金属氧化物)，例如通过溅射的沉积可引起空位的形成，由此支持离子传导。这同样可以适用于金属氮化物(富氮的氮化物)和金属碳化物(富碳的碳化物)ο例如，在金属氧化物、并且特别是过渡金属氧化物的情况下，氧空