[发明专利]高可靠性高速忆阻器

说明书

背景技术

当前的存储器技术——包括DRAM（动态随机存取存储器）、SRAM（静态RAM）和NAND闪存——快速接近其可扩性限制。因此，存在对可满足未来的存储器应用的性能要求的新存储器技术的强烈需要。作为一种类型的忆阻器的电阻性RAM是有前途的技术，且被证明展示极大的可扩性、非易失性、多状态操作、3D可堆叠性和CMOS兼容性。然而，在提高这样的设备的性能例如设备耐久性、热稳定性和切换速度方面存在挑战。

附图说明

参考下面的附图作为例子描述本发明的一些实施例：

图1是根据本发明的实施例的高耐久性、高速和低能忆阻器的顶视图的示意图；

图2是根据本发明的实施例的具有独特的新结构和新切换机制的忆阻器的示意性透视图；

图3是图1的高耐久性、高速和低能忆阻器的I-V曲线的例子；

图4是示出图1的忆阻器的传导沟道中的材料的电阻的温度系数的曲线图；以及

图5是示出新切换机制的图2的忆阻器结构的示意性横截面视图。

具体实施方式

如下所述，本发明的发明人发现忆阻器的独特的新结构。与独特的切换结构耦合的忆阻器的独特结构允许设备提供优于以前知道的切换设备的明显提高的性能特征，包括提高得多的耐久性、低切换能量和快切换速度。

图1以示意图的形式示出根据本发明的实施例的忆阻器100的范例的顶视图。范例性设备100具有由Ta形成的上电极、由Pt形成的下电极以及布置在上电极和下电极之间的切换层。在设备制造过程中，切换层被形成为包含非晶Ta₂O₅。然而如下面更详细描述的，当设备被操作时，切换层的成分改变。设备甚至在150亿个接通-断开循环之后也通过保持可切换而展示高耐久性，而没有任何反馈或功率限制电路。对于接通切换和断开切换，设备使用相对低的电压——小于2V——而可切换。此外，对接通和断开的切换时间小于2纳秒。作为结果，设备展示非常低的切换能量（<1pJ）。

图1中的顶视图是借助于压力调制电导显微镜（PCM）得到的图像的示意性表示。通过使用非传导原子力显微镜（AFM）末端（tip）来拍摄PCM图像以将压力施加到示范性设备100的上电极，并同时在小电流偏置下监测设备的电阻的变化。这产生作为AFM末端位置的函数的电阻图。图中的电阻变化允许设备的切换层中的传导沟道被识别出。如图1所示，发现切换层具有良好限定的传导沟道110。观察到的传导沟道具有在纳米级上的尺寸，并且对于示范性设备而言为大约100nm。围绕纳米级传导沟道110的是通常环形的区域120，其如下所述是对传导沟道110起移动离子种类（mobile ion species）的源/吸收体（sink）的作用的储蓄器区。如将在下面更详细地描述的，切换机制涉及在传导沟道110和横向布置的储蓄器区120之间的移动离子种类的移动，这允许提高的切换特性，例如高速、低能和高耐久性。

在示范性设备的切换层中的传导沟道110的位置通过PCM技术来识别出之后，示范性设备使用聚焦离子束（FIB）沿着图1中的线A-A被截面地切割。接着使用横截面透射电子显微镜（X-TEM）和电子能量损失能谱法（EELS）来检查传导沟道及其周围区域的结构和成分。基于使用那些技术的物理特征，形成对传导沟道区域以及切换机制的理解。

图2是具有根据本发明的独特的新结构的忆阻器200的结构和成分的示意图。设备具有上电极202、通常平行于上电极的下电极204以及布置在电极之间的切换层206。切换层206包括在上电极和下电极之间的纳米级传导沟道210。如在本文使用的，词“纳米级”意味着部件的尺寸在纳米标度上。在一些实施例中，传导沟道210可具有如图2所示的截头锥的形状，使得它在上电极202附近较宽，而朝着下电极204较窄。相邻于传导沟道210的是能够提供或吸收选定种类的移动离子的储蓄器区220。在这个实施例中，储蓄器区220是围绕传导沟道210的通常环形的区。储蓄器区220相对于传导沟道210横向地布置，因为它在侧面，而不是沿着上电极和下电极之间的传导沟道210的垂直中心线212串行布置。这是彻底不同于以前已知的忆阻器（例如，基于作为切换材料的氧化钛的设备）的惊人的特征。如下面解释的，认为这个特征与允许忆阻器220具有多个期望的切换特征的独特切换机制相关。