可定制的非线性电器件的制作方法

可定制的非线性电器件的制作方法
【专利摘要】在一个示例中，可定制的非线性电器件包括第一导电层、第二导电层以及薄膜金属-氧化物层，该薄膜金属-氧化物层夹在该第一导电层和该第二导电层之间以形成该金属-氧化物层和该第一导电层之间的第一整流界面以及该金属-氧化物层和该第二导电层之间的第二整流界面。该金属-氧化物层包括共存的金属和金属氧化物的导电混合物。还提供一种形成非线性电器件的方法。
【专利说明】可定制的非线性电器件

【背景技术】
[0001]非线性电器件不呈现线性电流/电压关系。非线性电器件的示例包括二极管、晶体管、一些半导体结构以及其它器件。非线性电器件可以在包括放大器、振荡器、信号/功率调节、计算、存储器以及其它应用在内的众多应用中使用。

【专利附图】

【附图说明】
[0002]附图图示本文描述的原理的各示例，并且是说明书的一部分。所图示的示例仅仅是示例，而不限制权利要求的范围。
[0003]图1A是根据本文描述的原理的一个示例的、可定制的非线性电器件的剖面图和电原理图。
[0004]图2是根据文本描述的原理的一个示例的、可定制的非线性电器件的非线性电行为图。
[0005]图3A-图3L是根据本文描述的原理的一个示例的、已经被定制为呈现不同电压/电流关系的多个非线性电器件的图。
[0006]图4A是根据本文描述的原理的一个示例的、可定制的非对称非线性电器件的剖面图。
[0007]图4B是根据本文描述的原理的一个示例的、可定制的非线性电器件的非线性电行为图。
[0008]图5A-5C示出根据本文描述的原理的一个示例的、忆阻元件和描述该忆阻器件的电行为的图。
[0009]图OT-5F示出根据本文描述的原理的一个示例的、可定制的非线性电器件的剖面图和描述该非线性电器件的电特性的图。
[0010]图5G-5I示出根据本文描述的原理的一个示例的、组合器件的剖面图和描述该组合器件的电特性的图。
[0011]图5J示出根据本文描述的原理的一个示例的、组合器件的性能的电流电压图。
[0012]图6是根据本文描述的原理的一个示例的、包含可定制的非线性电器件的纳米线交叉杆体系结构的等距图。
[0013]图7A和图7B是根据本文描述的原理的一个示例的、示出穿过交叉杆体系结构一部分的电流路径的示意图。
[0014]图8示出根据本文描述的原理的一个示例的、包括忆阻器及可定制的非线性器件的组合器件的电原理图和剖面图。
[0015]图9是根据本文描述的原理的一个示例的、描述用于制造定制的非线性电器件的方法的流程图。
[0016]在全部附图中，相同的附图标记指代类似但不一定相同的元件。

【具体实施方式】
[0017]导体/氧化物界面可以是欧姆的(非整流的)或者整流的(即肖特基界面(Schottky interfaces))。然而,传统的肖特基界面不能维持大电流。以下描述的新整流器设计和原理基于导体/金属-氧化物接触，其中金属-氧化物是金属原子、金属阳离子和氧阴离子的混合物。例如，非线性金属-氧化物器件可以在受控的氧/氩环境中通过钽(Ta)金属的反应派射获得。钽-钽氧化物(Ta-Ta oxide)的混合物也可以被写作(Ta, TaO, TaO2, Ta2O5)或者(Ta, Ta+2, Ta+4, Ta+5 和 0_2)，其中 Ta 是钽原子，Ta+2、Ta+4 和 Ta+5 是带有与氧的2个、4个或5个离子键的Ta阳离子，并且0_2是氧阴离子。利用受控的氧气流，可以在从导体、到半导体以及到绝缘体的宽电子导电率范围上定制金属-氧化层。因此，导体/金属-氧化物界面提供宽整流行为范围，其可能有用于针对定制需求而设计整流行为。这些导体/金属-氧化物界面可以用于生产在甚大电流下保持整流的器件，并且可以具有对称或者非对称的电压电流特性。钽仅用作可以用于形成金属-氧化物层的过渡金属的示例。可以使用多种其它过渡金属，如钨、钥、钒和铌。
[0018]导体/金属-氧化物界面的另一优势是其可以被集成到诸如忆阻器、忆容(memcapacitor)和忆感器(meminductor)之类的薄膜纳米器件中，以提高它们的性能。在一个示例中，忆阻转换(memristive switching)氧化物(TaOx)联接至(Ta, Ta氧化物)非线性整流器。该组合器件呈现许多改进的非线性转换行为。还示出，将忆阻器与非线性元件串联优于将忆阻器与固定值电阻器串联。当器件处于非转换模式时，该非线性元件将主导(非线性ι-v)。当该非线性元件变得导电时，越过该非线性元件的电压降低，因此可以将电压施加至忆阻器以转换忆阻氧化物的状态。
[0019]在下面的描述中，为了解释，阐述很多具体细节，以便提供对本系统和方法的全面理解。然而，对本领域技术人员来说将明显的是，本装置、系统以及方法可以在没有这些具体细节的情况下实施。说明书中对“示例”或类似用语的引用指关于该示例描述的特定特征、结构或特性包括在至少这个示例中，但不一定在其它示例中。
[0020]图1A是可定制的非线性电器件100的剖面图，可定制的非线性电器件100包括导电顶层105、金属-氧化物中间层110和导电底层115。导电顶层105和导电底层115可由多种金属导体或者非金属导体形成。例如，导电层可以由金属、金属合金、导电的氧化物、导电的碳化物、导电的氮化物以及其它适合的导电材料形成。金属-氧化物层110可以由多种金属和金属氧化物形成。金属-氧化物层可以包括一系列共存的金属和金属氧化物的组合物，该系列组合物从几乎纯金属变化至带有过量氧阴离子的完全氧化金属。在一些示例中，金属-氧化物层可以包括第一金属和具有第二金属的氧化物。
[0021 ] 作为特定示例，导电顶层105和导电底层115可以由钼形成，并且金属-氧化层可以包括钽和钽的氧化物。
[0022]导电层105、115和金属-氧化物层110具有不同的电特性。这些电差异确定在这些层之间形成的电界面的类型。有两种常见的界面:欧姆的和整流的。欧姆界面是非整流的且特征在于通常以欧姆定律描述的线性电压-电流关系。例如，与高掺杂的半导体层接触的金属层将形成欧姆界面。
[0023]整流界面的特征在于电非线性或者阻挡行为。界面处的整流行为依赖于金属的功函数和相邻材料的电子亲和势之间的差异。通过增强或者弱化这些差异，可以定制和控制整流行为。如上面提到的，金属-氧化物层可以与金属层交界。金属-氧化物层可以由具有金属原子、金属阳离子以及氧阴离子的混合物组成。例如，金属-氧化物层可以包括钽金属和包括Ta0、Ta02和Ta2O5在内的多种形式的钽氧化物。金属-氧化物层内共存的金属原子和金属氧化物可以是完全结晶的、完全非晶的、或者部分结晶部分非晶的。非晶的金属-氧化物层是亚稳的，并且在接近于周围条件的温度下，从非晶状态至更稳定的结晶状态的转换速率慢。因此，构成金属-氧化物层的金属和金属氧化物被描述成“共存的”而非“处于平衡的”，以反映该层的亚稳态。如果至少一个金属原子或者金属氧化物是结晶的，那么金属-氧化物层可以被描述为具有基体(连续)相和散布(不连续)相。例如，金属氧化物可以是基体，金属可以散布在该基体中。
[0024]通过改变该金属-氧化层的组合物和在该器件中使用的金属，可以通过在高欧姆和强整流之间变化的范围定制界面行为。这些界面能够维持大电流并且可以在宽整流范围内定制。当非线性器件有两个整流界面时，这些界面可以不必相同。当这两个界面相同时，非线性器件可以呈现对称的非线性行为。当这两个界面不同时，非线性器件可以呈现非对称的非线性行为。这些非线性器件可以集成在包括可以合并到纳米器件中的薄膜实现在内的多种应用中。因此，金属-氧化物层不是转换层，而是可以因所沉积的金属和氧化物的组合物的结果而被用于定制器件的界面和整流行为的层。金属-氧化物层的组合物在制造后保持大体稳定。
[0025]在中等电压下，一个整流界面将允许电流仅沿一个方向流动且将阻挡相反方向的电流。当穿过整流界面的电压升高时，界面特性从类二极管的阻挡行为转变成更加导电的行为。整流行为的这种击穿是可逆的并且不损坏该界面。击穿可以被描述为在特征电压(“击穿电压”)下发生或者逐渐地在电压范围(“击穿范围”)内发生。这种整流行为可以在电上表示为二极管。可定制的非线性电器件100的电原理图在该器件的右侧示出。在本示例中，金属-氧化物层110的组合物大体上在该层各处是均匀的且包括大量氧化物。因此，金属-氧化物层110和金属导体层105、115之间的界面122、124是整流的。例如，金属导体层105、115可以是钼或者钼合金。整流界面122、124在原理图中被显示为头对头的二极管 120、126。
[0026]图2是示出器件100在一电压范围内的电行为的图。该图的横轴示出穿过该器件施加的电压，垂直图以安培为单位示出通过该器件的电流。对于中等电压(大约-1伏特至I伏特之间)，器件100不传导大量电流。当所施加的电压升高或者下降到这个区域以外时，这些界面之一开始击穿并且电流开始流过该器件。例如，在-2.5伏特下，-0.1安培的电流流过该器件。这种高度非线性行为可以被用于包括如下描述的那些应用在内的多种应用中。
[0027]大量沉积系统可以在受控的氧化环境中使用多种技术来沉积薄膜。例如，沉积系统可以是包括派射祀(sputtering target)和基板的派射系统。祀和基板被安装在部分真空的腔中。溅射气体被引入该腔内。溅射气体是惰性的并且典型地是氩气。氩气可以被电离，并且离子通过电场向溅射靶加速以轰击该靶并喷出材料。然后，该所喷出的材料的一部分沉积在基板上作为沉积膜。多种因素可以影响沉积膜的特征。例如，如果受控的氧气流被引入该腔中，则来自溅射靶的金属的至少一部分将形成氧化物作为基板上的沉积膜。溅射气体的组合物可以改变，以得到沉积膜中金属的期望氧化状态或者氧化金属与未氧化金属的比例。为了产生具有大量金属氧化物的膜，更多氧气可以与氩气一起引入该腔中。氧气与从该靶喷出的金属反应，并且在基板上产生金属氧化物层。为了在基板上产生更金属性的膜，在溅射气体中包含更少的氧气。在溅射时包含反应气体(氧气)被称为“反应溅射”。
[0028]通常，反应溅射可以被分成三个体系:低O2流量、中O2流量和高O2流量。氧气仅是反应气体种类的一个示例，并且术语“低”、“中”和“高”是相对的。在低O2流量下，所沉积的材料是金属性的，并且包括掺杂氧的金属。生成的膜是导电的，没有在与导电层的界面处的整流效应。
[0029]在高O2体系下，所沉积的材料是氧化物。生成的氧化物膜在与导电层交界时产生整流行为。在小电流下，该界面是整流的及易失性的。在较大电流下，该界面将转换至“开启状态”，该“开启状态”是导电的但非易失性的。
[0030]当以中O2流量执行反应溅射时，所沉积的材料导致共存的金属和金属氧化物的混合组合物。该共存的金属和金属氧化物是导电体，与必须被掺杂以导电的材料相反。该共存的金属和金属氧化物在与导电层的界面处形成可定制的整流行为。当超过该界面的击穿电压时，该界面的电阻显著地下降，并且电流可以流过该界面并且流经该导电的共存的金属以及金属氧化物材料。这提供可与存储器件的编程/读取电压和电流行为相匹配的受控易失性非线性电流/电压行为。
[0031]其它沉积技术也可以用于形成该共存的金属和金属氧化物材料。例如，形成该共存的金属和金属氧化物材料的另一方式是“共沉积”。在“共沉积”中，来自金属靶的金属和来自氧化物靶的材料被同时地溅射和沉积在一起。使用共沉积时，金属和氧化物可以是不同的金属元素。这可以用于产生金属-氧化物层，如(Ν，Μ0χ)，其中N是第一金属，并且MOx是第二金属M的氧化物。
[0032]图1A中示出的器件可以使用包括反应溅射或者共沉积在内的多种技术来形成。为了使用反应溅射形成器件100，首先，使用多种技术中的任一种技术对基板涂敷导电材料，如钼。然后，将所涂敷的基板置于溅射腔中。接着，可以通过在该腔中放置适当的金属靶并且将溅射气体引入该腔中，沉积期望的金属-氧化物层。为产生图1A示出的示例，靶是钽，溅射气体包括氩气和氧气。
[0033]图3A-3L示出上面在图1中描述的钼/钽-氧化物/钼器件的性能。金属_氧化物层是如上所述那样沉积的。溅射气体中氧气浓度被改变，以产生具有不同电行为的不同器件。在变化的电压范围内测试不同器件的性能。非线性行为在图之间的变化说明通过改变溅射气体中氧气的含量定制电器件性能的能力。这些图中上面的行(图3A-图3C)示出当派射气体中包括3.4sccm(标准立方厘米每分钟)的氧气时的器件性能。氧气流速率针对所使用的具体装备给出。可以类似地调节其它沉积系统，以获得具有相同金属-氧化物组合物的层。图3A-图3C中列出的相对少量的氧气导致具有更少量氧化物和更大量金属的金属-氧化物层。因此，该器件具有相对高的导电率。在左上角的图中，约-0.3伏特的电压产生-1 X 10_3安培的电流。中间的图示出约-0.6伏特的电压导致-10 X 10_3安培的电流。如右侧的右图中所示，将通过该器件的电压增加到-1.5伏特产生约-100X 10_3安培的电流。该上面的行中曲线的形状具有绕0.0伏特为中心并且向任一侧延伸一小段距离的平坦部分，然后随着电压绝对值增加而增加的导电率。
[0034]这些图的第二行(图3D-图3F)示出对包括以3.6sccm的氧气流速率制造的金属/氧化物层的器件的测试结果。生成的金属-氧化物层包含较多的金属氧化物和较少的未氧化的金属；因此，该金属-氧化物层具有较低的导电率。在本示例中，非线性电压电流曲线具有在约-0.2伏特到+0.2伏特之间延伸的大平坦区域。如上面讨论的，这表明使整流界面开始击穿需要更大的绝对电压值。如图中从左至右所示，施加-0.5伏特导致IX 10_3安培的电流通过该器件，施加-1.2伏特导致-1OX 10_3安培的电流，并且施加-2.4伏特导致-100X 10_3安培的电流。
[0035]这些图中的下一行(图3G-图31)示出包括以4.0sccm的氧气流速率制造的金属-氧化物层的器件的行为。这些器件具有较低的导电率和以0.0伏特为中心的更大的平坦或阻挡部分。如图中从左至右所示，施加-0.8伏特导致I X 10_3安培的电流通过该器件，施加-2伏特导致-1OX 10_3安培，并且施加-3.4伏特导致-100X 10_3安培的电流。
[0036]这些图的最后一行(图3J-图3L)示出包括以4.4sccm的氧气流速率制造的金属-氧化物层的器件的行为。这些器件具有最低的导电率和以0.0伏特为中心的最大的平坦或者阻挡部分。该大的平坦直线部分由整流界面的较高击穿电压引起。如图中从左至右所示，施加约-3.2伏特导致I X 10_3安培的电流通过该器件，施加-6伏特导致-10 X 10_3安培，并且施加-8伏特导致-100X 10_3安培的电流。这些测试说明多种定制的非线性器件维持至少高达100毫安电流的能力。图3A-3L的器件电压数据归纳在如下的表I中。
[0037]器件电压
[0038]
氧气流所，加的电流(A)

速率 lxlO—3 IQxHT I (K) X13

3.4-0.3 V -0.6 V -1.5 V

3.6 -0.5 V -1.2 V -2.4 V

4 -0.8 V -2 V -3.4 V

4.41-3.2 V 丨-6 V -8 V
[0039]表I
[0040]因此，通过改变溅射气体中的氧气含量，可以调整金属-氧化物层的组成，使得可以得到期望的整流行为。图3A-3L中示出的图大体上是对称的。这是由于两个金属/氧化物界面大体上是相似的。图4A示出呈现非对称非线性行为的器件400的剖面图和对应的电原理图。该非对称器件400包括顶部的钼导体405和底部的钼导体420。两个金属-氧化层410、415夹在这两个钼导体之间。用溅射气体中高氧气浓度沉积高氧的金属-氧化物层410，因此高氧的金属-氧化物层410具有大量的氧化物以及相对低的导电率。钼层405和高氧层410的的电属性是迥然不同的，并且形成相对强的整流界面430。该较强的整流界面430在电原理图中以大的二极管符号420表不。
[0041]用溅射气体中低氧气含量生成低氧的金属-氧化物层415，因此低氧的金属-氧化物层415包含更多未氧化的金属并且具有较高的导电率。例如，低氧的金属-氧化物层可以使用比高氧的金属-氧化物层410更低的氧气流速率来形成。此低氧的金属-氧化物层具有与钼层420更相似的电特性，并且形成相对较弱的整流界面435，整流界面435由较小的二极管符号425表示。与电流可以从底部的钼电极420流到上部的钼电极405相比，该非对称器件允许电流更容易地从顶部的钼电极405流到底部的钼电极420。
[0042]图4B中示出此非对称性。当施加正电压时，电流从上部的钼电极405流到下部的钼电极420。下部的界面430的整流行为与强整流界面435相比，在更低的电压下击穿。因此，在施加正电压时与在施加具有相同绝对幅值的负电压时相比，更多电流流过器件400。例如，在+1.0伏特处，超过1.5X 10_6安培的电流流过该器件。当-1.0伏特被置于该器件上时，仅1.1 X 10_6安倍流过该器件。这种非对称性可以被调整并且有用于包括下面描述的交叉杆存储阵列在内的多种引用。
[0043]使用上面的原理形成的非线性器件可以与包括诸如忆阻器、忆容器以及忆感感器之类的存储器件在内的多个电元件组合。存储器件的类型可以根据电路的需要进行选择。下面的示例描述一种忆阻器件，该忆阻器件与非线性器件合并以形成组合器件。图5A-图5J示出忆阻器件500、非线性器件520和包括该非线性器件及该忆阻器件的组合器件528。这些器件的剖面图下方的图示出各个器件的电行为。
[0044]图5A示出忆阻器件500，忆阻器件500包括钽层505、钽氧化物层510和钼层522。钽氧化物层510充当忆阻基体。当施加高于编程阈值的电压时，移动掺杂剂移动穿过忆阻基体。移动掺杂剂的运动使钽氧化物层510的导电率改变。高于该阈值的编程电压可以用于改变基体的导电率，低于该编程阈值的电压可以用于在不改变其状态的情况下检测基体的导电率。例如，在最简单情况下，忆阻基体可以有两种状态:导电状态和非导电状态。导电状态可以表示二进制“ I ”，非导电状态可以表示二进制“O”，或者反之亦然。通过使用编程电压改变基体的导电状态，二进制数据可以被写入基体内。然后，通过施加读取电压并检测流过该忆阻器件的电流的量，可以取得二进制数据。读取电压低于编程阈值。大电流指示导电状态，小电流代表电阻状态。
[0045]图5B中的电压/电流图表示这种行为。在大约-0.4伏特和+0.4伏特之间，忆阻器件的行为是线性的。线A在-0.4伏特和+0.4伏特之间几乎是水平的并且表示该忆阻器件的高阻态。线B具有更大斜率并且表示该器件的低阻态。在水平线A上开始，逐渐增加的正电压被施加在该忆阻器件上。该忆阻器件的行为保持高阻态(线A)直至约+0.5伏特，并且突然改变至低阻态(线B)。这表示该器件将其状态从OFF (高阻)转换至ON(低阻)。当电压水平向O伏特移回并且变成负的时，该器件保持导电行为(线B)直至大约-0.5伏特，此时器件将其状态从ON转换至OFF (线A)。在OFF状态和ON状态，该忆阻器件在-0.4V和+0.4V之间维持其大体线性行为。因此，为了读取该忆阻器件的状态，可以施加-0.4V和+0.4V之间的电压。如果电流大，则可以确定该器件处于其高电导率状态。如果电流小，则可以确定该器件处于其低电导率状态。-0.4伏特和+0.4伏特之间的电压的施加不改变该器件的状态。当正电压继续增加超过+0.4伏特时，该忆阻器件的状态返回至其由线A表示的低电导率状态。
[0046]图5C示出存储器件的电阻作为状态和所施加的电压的函数。在该器件的低阻态，该器件的电阻保持接近于零，如曲线的水平部分所示。当忆阻器切换至高阻态时，电阻升高至约10,000欧姆的最大值。
[0047]上面给出的忆阻器件的结构和组成仅仅是一个示例。可以使用多种其它结构和材料。例如，钽氧化物可以用作忆阻基体。忆阻器件中还可以包括附加层。
[0048]图示出非线性器件520，非线性器件520包括上部的钼层522、金属-氧化物层524以及下部的钼层526。在一个示例中，金属-氧化物层是由共存的过渡金属氧化物和未氧化的过渡金属组成的溅射膜。如上面讨论的，金属-氧化物溅射膜中的金属可以是结晶的或者非晶的。相似地，金属-氧化物层中的金属氧化物可以是结晶的或者非晶的。例如，该溅射膜可以是完全结晶的、完全非晶的或者一个相可以是结晶的而另一相是非晶的。
[0049]如上所述，该非线性元件具有导电率，该导电率作为增加电压幅度的函数非线性地增加。非线性器件520的行为已经被定制，使得其电特性与忆阻器件500的特性匹配。如图5E所示，当施加±0.6伏特时，在±0.6伏特下±1.0 X 10_3安培的电流密切地匹配在其高电导率状态下通过忆阻器件500的电流。非线性器件的属性的该定制是在使用反应溅射形成金属-氧化物层期间通过选择和控制期望的氧气流速率实现的。金属-氧化物层和其与相邻金属接触的界面产生与忆阻器件500的需求匹配的期望电流电压特性。通常，忆阻器件可以具有用于切换状态的特定阈值电压和/或阈值电流。非线性整流器件可以被优化或者被匹配至阈值电压和/或阈值电流，以提高该组合器件的非线性和0N/0FF比率。
[0050]图5F示出非线性器件520的电阻作为所施加的电压的函数。在本示例中，非线性器件的电阻是对称的，其具有中心位于O伏特的3000欧姆的最大值和在大约±0.5伏特处的500欧姆的最小电阻。图5C和图5F中的图的比较表明，非线性器件的电阻未掩盖存储器件的电阻。例如，对于在存储器件上施加-0.5伏特以及在非线性器件上施加-0.5伏特的理论读取电压来说，该非线性器件的电阻大约是500欧姆，并且存储器件处于其低阻态时的电阻大约是零欧姆，并且存储器件处于其高阻态时的电阻大约是4000欧姆。
[0051]图5G示出组合器件528，组合器件528是忆阻器件500和非线性器件520的组合。在本示例中，该组合器件包括上部的钽层505、由钽氧化物形成的忆阻基体510、中间钼层522、钽-钽氧化物层524以及下部的钼层。忆阻基体510包括具有充当掺杂剂的氧缺位(oxygen deficiency)的钽氧化物。相比之下,钽-钽氧化物层524不包括大量掺杂剂，但可以包括一定百分比未氧化的过量金属。
[0052]该组合器件的电特性在图5H和图51中示出，图5H示出该器件的电流/电压行为，图51是该组合器件的电阻作为所施加的电压的函数。在图5H中，虚线表示该器件的电流电压行为。虚线的中间部分530从-0.6伏特到+0.6伏特大体上是平坦的。该阻挡区域530示出，无论该组合器件中忆阻基体的状态如何，在-0.6伏特至+0.6伏特之间很少或者没有电流传导通过器件528。当电压变得更负或更正时，电流开始流过该器件。更高的幅度电压使金属-氧化物层524和钼层522、526之间的整流界面击穿。忆阻层510于是成为该器件中的主导电阻，并且忆阻层的状态对流过该器件的电流量具有显著影响。例如，当在具有忆阻基体510的组合器件528的低电导率状态下向组合器件528施加-1.2伏特时，流过该器件的电流小于IX 10_3安培。这由虚线上的点C示出。当在组合器件528的高电导率状态下向组合器件528施加-1.2伏特时，流过该器件的电流大于2X 10_3安培。这由虚线上的点D示出。因此，-1.2伏特可能是该组合器件的合适读取电压。相似地，当在器件528上施加1.2伏特时，当该器件处于其低电导率状态下时小于IX 10_3安培的电流流过该器件，并且当该器件处于其高电导率状态下时大于2X 10_3伏特的电流流过该器件。
[0053]将忆阻器件和可定制的非线性器件组合在一起可以具有包括增加ON状态电阻在内的多种优势。在一些实现方式中，与忆阻器件本身相比，ON状态电阻升高三倍或者更多倍。因此，当忆阻器处于其导电状态(ON)下时，组合器件528的整体电阻显著升高。此升高的电阻导致图5H中所示的大阻挡区域530。这会导致针对特定读取电压流过该器件的较小电流，减少泄露路径电流，降低功耗，以及减少该器件的内部发热。
[0054]在组合器件528中，忆阻基体的模拟转换特性被保持，如图5J所示。使用极性、电压以及持续时间的适当组合，忆阻基体的电阻可被编程为期望的电阻率水平。图5J示出组合器件528的忆阻基体中四个不同编程电阻状态的四个电流/电压曲线。第一高阻态导致由第一点划曲线540示出的行为。第二和第三中间阻态导致第二虚曲线542和第三实曲线544。最低阻态导致由第四虚曲线546示出的电流/电压行为。图中示出的状态和曲线仅仅是说明性的。忆阻器件的电阻是可在导致宽电流/电压行为范围的电阻模拟范围内变化的。
[0055]当该组合器件在存储阵列中使用时，组合器件528在低电压下基本非导电的特性可以提供许多优势。图6示出纳米线存储阵列600的透视图，该透视图表现在第一层大致平行的纳米线608和第二层大致平行的纳米线606之间布置的中间层610。根据一个说明性示例，中间层610可以是介电层。在中间层610中，在顶层606中的线602和底层608中的线604之间的交叉位置处形成多个组合器件612-618。这些线可以充当该组合器件中的上导电层和下导电层。例如，当形成与图5C中示出的示例相似的组合器件时，顶层606中的线可以由钽构成，底层608中的线可以由钼构成。上面的线于是将充当钽层505(图5C)，下面的线将充当下面的钼层526 (图5C)。为了说明，图6中仅示出有若干个组合器件612-618。组合器件612-618中的每个可以用于表示数据的一个或者多个位。例如，在最简单的情况中，组合器件可以具有两个状态:导电状态和非导电状态。导电状态可以表示二进制“1”，非导电性状态可以表示二进制“O”，或导电状态可以表示二进制“O”，非导电性状态可以表示二进制“I”。通过改变组合器件中忆阻基体的导电状态，可以将二进制数据写入纳米线存储阵列600内。通过检测组合器件612-618的导电状态，于是可以检索二进制数据。
[0056]上面的示例仅仅是纳米线存储阵列600的一个说明性示例。可以使用多种其它配置。例如，存储阵列600可以包含具有不同结构的组合元件。不同结构可以包括:更多或者更少的层、具有与上面描述的构成不同构成的层、以及以与上面给出的示例中所示的方式不同方式排序的层。例如，存储阵列可以包括忆阻器、忆容器、忆感器或者其它存储元件。进一步，存储阵列可以使用多种导体以构成交叉杆。
[0057]该组合器件的电流阻挡中心区域530(图5H)可以显著减少纳米线存储阵列600中的电流泄露。图7A是示出纳米线存储阵列700的图。为了说明，仅示出交叉杆体系结构700的一部分，并且将纳米线702、704、714和716示出为直线。纳米线A 702和纳米线B 704位于纳米线的上层中，纳米线C 716和纳米线D 714位于纳米线的下层中。组合器件706-712在各纳米线的交叉位置连接各纳米线。
[0058]根据一个示例，通过向线B 704施加负(或接地)读取电压以及向线C 716施加正电压，可以读取线B 704和线C 716之间的组合器件712的状态。例如，可以向线B 704施加-0.6伏特，可以向线C 712施加+0.6伏特。因此，仅1.2伏特的总电压会存在于组合器件712上。回到图5H示出的图，1.2伏特的施加将允许确定如E点和F点所示的忆阻基体的状态。与线B 704附接的器件的其余部分将仅被暴露给-0.6伏特，与线C附接的器件的其余部分将仅被暴露给+0.6伏特。仅暴露给读取电压一部分的器件被称作“半选择”器件。理想地，如果在施加读取电压时电流724流过器件712，则读取电路可以确定器件712处于其导电状态。如果非真实电流或者小电流流过器件712，则读取电路可以确定器件712处于其电阻状态。
[0059]然而，如果纳米线之间的结元件本质上是纯电阻性的(即低电阻是导电状态，高电阻是电阻状态)，则大量漏电流也可以流过其它路径(“潜行路径(sneak path)”)。这些漏电流可以当作“寄生电流”，其使对结(junct1n) 712的期望读取模糊。进一步，包括串联线性电阻器的结元件更难以读取，因为电压降的一大部分将穿过该线性电阻器。这可能使忆阻器的可编程电阻模糊，并且使对忆阻器的编程更困难。
[0060]图7B示出流过线C 716和线B 704之间的替代路径的漏电流726。图7B中的示例假设这些结具有线性电阻。漏电流726流过三个结710、708和706，并且出现在线B 704上。如能够设想的，在比图7B示出的阵列更大规模的阵列中，当通过读取电路检测阵列时，多种漏电流可以流经大量替代路径并且出现在线B 704上。这些漏电流会产生大量不期望的电流，不期望的电流使结712的期望状态读取模糊。
[0061]然而，如果图7B中示出的结是组合器件，则漏电流会被阻挡，因为半选择器件和非选择器件在低电压下传导可忽略的电流。例如，如果器件是具有图5C中描述的电特性的组合器件，则漏电流726会被阻挡。当暴露给±0.6伏特时，两个半选择器件710(连接到线C)、706 (连接到线B)将传导最小的电流。由于该组合器件的整流行为，不连接到线B或线C的未选择器件708不会传导任何电流。因此，漏电流726和流经其它路径的其它漏电流会被阻挡。这减少存储阵列中的信号噪声，并且允许更准确地读取目标器件的导电状态。进一步，在存储阵列中使用非线性器件会导致降低的功耗和发热。当将该存储阵列用于用电池操作的计算设备内时，低功耗可能是特别的优势。如果该器件具有非对称的整流行为，则可以放置带有较强整流特性的界面以优先阻挡漏电流。
[0062]上面描述的实现方式仅仅是示例。可以使用许多其它配置、结构以及材料。例如，图8示出组合器件800的替代配置。在本示例中，钽层820与钽氧化物忆阻层825交界。钽氧化物忆阻层825三面围绕上部钼层830。这种结构具有防止三个电极820、830和840之间的短路的优势。钽金属-氧化物层835与上部钼层830形成强整流界面，并且与下部钼层840形成较弱的整流界面。这种非对称的整流行为可以在图4A中说明的方法中实现。底部钼层840可以置于未示出的基板上。
[0063]组合器件800可以具有多种替代配置。例如，不是具有围绕相邻电极包裹忆阻层825，所有层可以具有相同的占用空间并形成简单堆栈。该堆栈可以被形成和使用，使得不发生电极之间的不期望短路。进一步，多种氧化物和金属可用于形成各层。
[0064]在组合器件800的剖视图左侧示出电原理图。钽层820、钽氧化物忆阻层825和中间钼层830形成忆阻器805。上部钼层830和钽金属-氧化物层835之间的界面形成强整流界面，该强整流界面用大的二极管符号810表示。钽金属-氧化物层835和底部钼层840之间的界面形成较弱的整流界面，该较弱的整流界面由较小的二极管符号815示出。
[0065]因此，可定制的非线性电器件800包括第一导电层840、第二导电层830以及夹在第一导电层和第二导电层之间的金属-氧化物层835。该金属-氧化物层是共存的金属原子和金属氧化物的混合物。这形成金属-氧化物层和第一导电层之间的第一整流界面以及金属-氧化物层和第二导电层之间的第二整流界面。
[0066]可以以多种方式定制金属-氧化物层的电特性以匹配忆阻器的电特性。例如，整流界面的击穿可以被调整以匹配忆阻器的读取电压。为做到这一点，可以选择金属原子和金属氧化物的混合物，使得整流界面中至少之一在低于读取电压时阻挡电流，整流界面中至少之一在读取电压下击穿以允许电流流过忆阻器。此外或者可替代地，可以定制整流界面和金属-氧化物层，以在将读取电压或者编程电压施加到该器件上时呈现期望的电阻。通常，整流界面和金属-氧化物层的电阻在低于读取电压时应当大(阻挡)，在读取电压处或高于读取电压时显著地更小。整流界面和金属-氧化物层的电流传输能力还可以与忆阻器或其它存储器件的电流能力相匹配。例如，如果忆阻器能够支持100毫安，则可以设计界面和金属-氧化物层的电流传输能力和整流行为，以操作100毫安或者100毫安以上的电流水平。
[0067]当针对特定体系希望电流仅沿一个方向流过组合器件时，非对称器件可能是有用的。例如，在图7B中，可能期望电流在读取操作期间仅从底部电极向顶部电极流过该组合器件。可以定制组合器件以具有强整流界面，该强整流界面阻挡电流反向流动直至施加高得多的编程电压。
[0068]在本示例和其它示例中，可以使用包括电镀、溅射、汽相沉积、光亥IJ、激光消融以及其它技术在内的多种技术沉积和形成这些层。另外，可以使用多个不同类型的金属和金属氧化物。例如，高功函数的金属，如钼和钴，可以与η型金属氧化物组合使用，而诸如鹤、金、铝、钛和钛镍之类的具有较低功函数的金属可以与P型金属氧化物组合。
[0069]图9是描述用于制造可定制的非线性电器件的方法的流程图。在受控的氧化环境中形成膜，以在第一导电层上形成金属-氧化物层，从而形成第一整流界面(框905)。例如，金属-氧化物层可以直接在导电层上形成，或者可以部分地或全部地与导电层分离。在图5G中，金属-氧化物层510通过多个中间层与导电层526分离。在图8中，金属-氧化物层835直接在导电层522上形成。在金属-氧化物层上设置第二导电层形成第二整流界面(框910)。
[0070]该金属-氧化物层可以具有多种成分并且以多种方式形成。在一个实现方式中，薄膜沉积腔是溅射腔，金属-氧化物层是溅射薄膜。对溅射的金属-氧化物层的成分进行选择，使得生成的非线性电器件的至少一个特性被定制以与存储器件和/或存储阵列一起操作。可以在金属-氧化物层形成之前确定忆阻元件或者忆阻元件族的特性，使得可以恰当地定制金属-氧化物层。例如，可以选择溅射气体中氧气的流速率，使得以金属氧化物和未氧化金属的期望比例沉积所溅射的金属-氧化物层，使得整流界面中至少之一在低于存储器件的编程电压阈值的电压下击穿，以允许电流流过非线性电器件。
[0071]在一些示例中，在金属-氧化物层沉积期间，可以改变溅射气体中的氧气浓度。如上所述，这可以用于产生非对称的非线性器件。其它定制可以包括确保所溅射的金属-氧化物层的电流容量不小于存储器件，以及确保在整流界面已经击穿时非线性器件的电阻小于存储器件的电阻。除改变溅射气体中的氧气浓度以外，可以选择各种其它参数以定制非线性器件。例如，金属-氧化物层的沉积率、基板温度以及金属-氧化物层的厚度、金属导电层的类型以及在金属-氧化物中使用的金属类型都可被选择以产生非线性器件的期望定制。
[0072]在金属-氧化物层上设置第二导电层以形成第二整流界面(框915)。在一个实现方式中，导电层可以由金属形成。在第二导电层上设置存储器件(框920)。该存储器件具有编程电压阈值。大于该编程电压阈值的电压使该存储器件的电阻特性改变。低于该编程电压阈值的电压不导致存储器件的电阻的变化。在一些实现方式中，该编程电压阈值可以不是单个电压，而是电压范围。在低于该编程电压阈值的电压下，整流界面中至少之一击穿，以允许电流流过非线性电器件。
[0073]总之，根据上面描述的原理形成的非线性器件具有包括宽整流行为范围、可支持甚高电流的强健整流行为、针对独特电路需求可定制的整流行为在内的诸多优势，并且可容易地与薄膜纳米器件制造集成。可以对可提供转换、放大以及电流阻挡功能的特定应用定制非线性器件，这些功能被设计为提高电路的功能和效率。非线性器件的特性，如击穿电压、电导率以及阻挡区域可以以包括薄膜中合适的金属以及氧气含量的选择在内的多种方式定制。非线性器件可以与包括存储器件(如忆阻器)在内的许多其它器件集成。当在纳米线忆阻存储阵列中包括非线性器件时，可以阻挡或者显著降低漏电流。这减少存储阵列中的漏电流，并且允许更准确地读取目标存储元件的导电状态。非线性器件还保护非转换模式下的忆阻器。进一步，在存储阵列中使用非线性器件可以导致降低的功耗和发热。
[0074]提供前面的描述仅仅为了说明和描述所描述原理的示例。该描述不旨在是穷尽的，或将这些原理限制于所公开的任何精确形式。鉴于上面的教导，许多修改和变化是可能的。
【权利要求】
1.一种可定制的非线性电器件，包括: 第一导电层； 第二导电层；以及 金属-氧化物层，夹在所述第一导电层和所述第二导电层之间，以形成所述金属-氧化物层和所述第一导电层之间的第一整流界面以及所述金属-氧化物层和所述第二导电层之间的第二整流界面，所述金属-氧化物层包括共存的金属原子和金属氧化物的导电混合物。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述金属-氧化物层包括所述第一整流界面处的第一氧化物浓度以及所述第二整流界面处的第二氧化物浓度，其中所述第一氧化物浓度高于所述第二氧化物浓度，其中所述第一整流界面表现比所述第二整流界面更强的整流行为和更高的击穿电压，使得所述非线性电器件表现非对称的非线性电行为。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述金属-氧化物层包括结晶膜、非晶膜或者带有一个结晶相和一个非晶相的膜中的一种。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述金属-氧化物层包括溅射膜，所述溅射膜包括过渡金属氧化物基体以及散布在所述过渡金属氧化物基体中的未氧化的过渡金属。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一导电层和所述第二导电层包括不同的金属。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述金属原子包括第一金属元素，并且所述金属氧化物包括第二金属元素。
7.根据权利要求1所述的器件，进一步包括存储器件，其中所述存储器件是忆阻器、忆容器或者忆感器中之一。
8.根据权利要求7所述的器件，其中所述存储器件包括钽层、钽氧化物忆阻基体以及钼层，其中所述钽氧化物忆阻基体夹在所述钽层和所述钼层之间。
9.根据权利要求7所述的器件，其中所述存储器件包括忆阻基体和移动掺杂剂，所述移动掺杂剂响应于所施加的编程电压而移动穿过所述忆阻基体，所述编程电压大于编程电压阈值。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述第一整流界面的电特性与所述存储器件的电特性匹配，使得所述第一整流界面在低于所述编程电压阈值的读取电压下会击穿，以允许电流流过所述非线性电器件。
11.根据权利要求7所述的器件，其中在第一读取电压下所述金属-氧化物层和与所述金属-氧化物层的界面的电阻与在所述第一读取电压下穿过所述存储器件的电阻匹配，使得能够确定存储器件的状态。
12.根据权利要求1所述的器件，其中所述可定制的非线性电器件在低于读取电压的电压下表现电流阻挡区域，并且在施加大于所述读取电压的编程电压时表现遍历一电阻范围的可编程的模拟转换行为。
13.一种用于形成非线性电器件的方法，包括: 在受控的氧化环境中在第一导电层上形成金属-氧化物层，以形成第一整流界面； 在所述金属-氧化物层之上设置第二导电层，以形成第二整流界面；以及 在所述第二导电层上形成存储器件，所述存储器件具有编程电压阈值； 其中在低于所述编程电压阈值的电压下，整流界面中至少之一会击穿，以允许电流流过所述非线性电器件。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述受控的氧化环境下控制氧气流，以产生具有共存的金属原子和金属氧化物的导电混合物的所述金属-氧化物层，使得在低于所述编程电压阈值的电压下，整流界面中至少之一会击穿，以允许电流流过所述金属-氧化物层。
15.一种可定制的非线性电器件，包括: 第一导电层； 第二导电层； 金属-氧化物层，夹在所述第一导电层和所述第二导电层之间以形成所述金属-氧化物层和所述第一导电层之间的第一整流界面以及所述金属-氧化物层和所述第二导电层之间的第二整流界面，所述金属-氧化物层包括共存的金属原子和金属氧化物的导电混合物；以及 忆阻器，其中所述金属-氧化物层的电特性被定制以与所述忆阻器的读取电压匹配，使得在低于读取电压时整流界面中至少之一会阻挡电流，并且在所述读取电压下整流界面中至少之一会击穿以允许电流流过所述忆阻器。
【文档编号】H01L29/86GK104205343SQ201280071817
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2012年4月26日
【发明者】民贤·马克斯·张, 杨建华, 吉尔贝托·梅代罗斯·里贝罗, R·斯坦利·威廉姆斯 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业