摻雜氮的氧化鎂內的電阻開關的製作方法

2023-07-01 19:10:21

專利名稱：摻雜氮的氧化鎂內的電阻開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及電阻開關組件及其在數據存儲、邏輯應用中的使用，尤其涉及包括摻雜氮的MgO材料的電阻開關組件。
背景技術：
許多計算和存儲應用都很需要使用非易失性存儲器。近年來，尤其因為手持式消費電子裝置激增，此需要持續成長。快閃記憶體之所以是領先的非易失性存儲器技術，主要因其每位(bit)的成本較低和其成本與存儲器大小的比例換算比較簡單(例如，不像磁碟驅動器)。然而，持續擴充快閃記憶體至更高容量卻特別因為在縮放穿隧(tunnel)氧化物的同時仍要維持長期電荷存儲的難度，面臨了重大挑戰。因此，需要其它可縮放的非易失性存儲器技術。

發明內容
本發明的一個實施例是包括電阻開關組件陣列的裝置，所述電阻開關組件陣列的每個電阻開關組件與字線和位線電連通。所述電阻開關組件陣列中的每個電阻開關組件包括摻雜氮(N)的MgO介電層(如，具有厚度在Inm和IOOnm之間)，其N含量至少是該層的0. I原子百分比，如，在該層的0. I和14原子百分比之間。例如，每個介電層的N含量可以是該層的至少2、5、或8(或更多)原子百分比。在優選的實施例中，給定的開關組件具有「ON(接通)」狀態，該狀態具有電阻Rkjw jP「0FF(關閉)」狀態，該狀態具有電阻Rmgh，其中Rmgh/R-的比例在10和IO6之間。還有，在優選的實施例中，在數據可寫入裝置之前，不需要任何初始化(形成)步驟。可通過以不同的數據覆寫存儲在開關組件中的數據而取代該數據，如，數據可被寫入、抹除、和重新寫入數百次以上。本發明的一方面是一種方法，包括施加電壓於上述組件的特定一個(或更多、或甚至全部)，由此改變該特定組件的電阻狀態，其中根據其N含量選擇該電壓。例如，該特定組件的電阻可因施加該電壓而增加或減少。該方法可包括施加SETUPS)電壓於該特定組件，由此將其切換至具有電阻U在Ra和Rb之間)的「0N」狀態；和施加RESET (復位)電壓於該特定組件，由此將其切換至具有電阻Rmgh(在R。和Rd之間)的「OFF」狀態；其中RZR1^RcXRdt5可在多個組件上施加電壓脈衝，使得裝置的傳導性以取決於電壓脈衝的相對到達時間的方式可塑性發展，該裝置因此用作突觸裝置。本發明的另一方面是一種配合電阻開關組件使用的方法，該電阻開關組件包括i)第一導電層；ii)Mg5tl[O5chxNJ介電層，其中x至少為0. I ;和iii)第二導電層。第一導電層、介電層、和第二導電層彼此鄰近，由此允許電流通過第一導電層、介電層、和第二導電層。該方法包含施加電壓於該組件，由此改變其電阻狀態。第一和第二導電層可均包括鐵磁材料，或其可包括非磁性材料。在一示範性方法中，此組件是包括至少一個其它電組件的電路的一部分，和該方法另外包含施加電壓脈衝於該組件，由此消除在該組件和該至少一個其它電組件之間的電連接，該組件因此用作保險絲；該方法可另外包含施加電壓於該組件，使得重新建立在該組件和該至少一個其它電組件之間的電連接。在另一示範性方法中，此組件鄰近一電組件，和該方法包含在該組件上施加電壓以建立ON狀態，由此在該組件內形成具有直徑小於該電組件直徑的絲極，使得該組件用作該電組件的點接觸注入器。


圖I是氧化物分子束取向附生(epitaxy) (MBE)系統的示意圖。M BE腔室由蒸發元素Mg的努森池(Knudsen cell)和作為0和N獨立來源的兩個rf-電眾(plasma)產生器組成。圖2顯示N與0通量比例對照MgO薄膜中的N摻雜。實心正方形為生長條件期間對氣相N與0比例的測量，和線條是使用指數方程式對數據的擬合(y=2. 15exp (x/8. 75)-2. 25)。圖3顯示用以描繪膜厚度和組成的拉瑟福德背向散射(RBS)分析的結果。使用石墨基板允許進行低至0. 5at%(原子百分比)的組成檢測極限。上軸顯示背向散射氦離子的能量，和下軸顯示檢測器中的通道數目。每個通道整合能量按5keV增量的背向散射氦離子。圖4是優選的摻雜N的MgO電阻開關裝置的示意圖。兩個端點裝置分別使用電子束和平版印刷術製造，其大小從50 X 100變化至90 X 270nm2和從I X 2變化至5 X 15 y m2。圖5為在測試電阻開關裝置期間使用的電路示意圖。與二極體並聯的N-MOSFET電晶體經引線接合與摻雜N的MgO電阻開關裝置串聯。在SET (設置)過程期間，電流流動通過電晶體，和其強度由柵極電壓控制。在RESET (復位)過程期間，電流流動通過二極體。裝置按雙極模式操作。圖6圖解本文所公開具有IOnm厚摻雜N的MgO膜作為電阻層的裝置的典型I-V特性。氮摻雜程度有所變化。所有測量均使用DC電壓掃描執行。裝置大小為50X IOOnm2並使用電子束平版印刷術進行圖案化。圖7針對不同氮摻雜程度顯示電阻狀態對照切換步驟(S卩，從SET狀態至RESET狀態或從RESET狀態至SET狀態)。在每個SET或RESET後，在IOOmV的DC電壓處讀取電阻。圖8包括圖8A和8B，其中圖8A顯示在圖7總結的500個切換步驟期間所得Rmgh和Rtot的分布；圖8B針對不同氮摻雜程度顯示Vset和Vkeset的變化。(注意，SD代表標準偏差。)圖9包括圖9A和圖9B，其中圖9A顯示在價(valence)帶區域附近所得摻雜N的MgO膜的臨場X射線光發射光譜。針對不同N含量的膜，取得這些光譜。測量在室溫下執行。在插入圖中顯示N 2p狀態的放大比較；和圖9B顯示不同氮含量的膜的XRD掃描。垂直虛線用來表示峰值位移。圖10包括圖10A、圖10B、和圖10C，其中圖IOA顯示不同順應性電流的2. 2at%摻雜N的MgO的I-V特性； 圖IOB標繪Rloti和RESET電流對照順應性電流；和圖IOC顯示在不同順應性電流下的開關操作。
圖11包括圖IlA和圖11B，其中圖IIA通過操作Vkeset圖解2. 2at%摻雜N的MgO的多階編程過程的I_V特性；和圖IlB顯示如何通過控制Vkeset獲得多階電阻狀態。注意，裝置大小為lX2ii m2(利用光平版印刷術進行圖案化)，和摻雜N的MgO厚度維持在50nm。在裝置完全復位(RESET)之前，通過設定區域中的Vkeset，展示至少七個高電阻狀態。圖12圖解在多層摻雜N的MgO膜(由IOnm厚2. 2at%N摻雜/25nm厚8at%N摻雜/IOnm厚2. 2&丨°福摻雜組成)的設置(SET)過程期間，前五個周期(對應於前五個完整的SET和RESET過程)的兩步驟切換。注意，裝置大小為I X 2 y m2和利用光平版印刷術進行圖案化。插入圖顯示第一開關周期。圖13包括圖13A、圖13B、和圖13C，其中
圖13A顯示採用電阻開關存儲器組件作為存儲介質的交點存儲器單元架構；圖13B為對應於圖13A的架構的示意圖；和圖13C為對應於其中每個存儲器單元包括選擇組件和電阻開關存儲器組件的架構的示意圖。
具體實施例方式本文所公開本發明的優選的具體實施例包括薄介電層和採用這些層的電阻開關。電阻開關裝置的基本結構是夾在所謂的MIM(金屬-絕緣體-金屬)結構中兩個導電電極之間的介電材料薄層^已在此類結構中使用具有廣泛範圍電性質的介電材料，包括一般的絕緣氧化物2_6和寬帶隙半導體6』7。典型的MIM裝置呈現至少兩個電阻狀態i)低電阻狀態(Rlot)，又稱為ON狀態；和ii)高電阻狀態(Rlligh)，又稱為OFF狀態。Rbw可以比Rlligh小若干數量級。通過在導電電極之間施加電壓脈衝，即可在這些狀態之間切換。通過施加超過較高臨限電壓(稱為SET電壓，Vset)的電壓，將裝置切換至比較導電的狀態(0N狀態)，一般相信導電狀態是因建立通過介電層的導電路徑所造成8。其後通過施加較低電壓(稱為RESET電壓，Vkeset),將裝置切換回到OFF狀態，據推測，OFF狀態是因先前形成的導電路徑中斷所致。已提出若干形成導電絲極的機制，包括缺陷(諸如過渡金屬氧化物中的氧空位)的漂移9』1(1，和從特定金屬電極(諸如以Ag或Cu形成的金屬電極)的金屬移動n』12。由於電阻開關裝置具有快速的響應時間、是可擴充的、且具有極低的功率消耗，因此可用作非易失性存儲器組件i』8』13。至今呈現電阻開關的半導體和絕緣材料通常容易因缺陷的存在而受到影響，其濃度取決於材料製備條件的精確細節。相比之下，鹼土金屬氧化物(包括Mg0、Ca0和SrO)由於其極強健和離子鍵結，通常含有極少數的氧空位。因此，預期這些絕緣氧化物不會呈現電阻開關特性，且至今確實少有令人信服的實驗證據證明其呈現電阻開關特性。相比之下，大家都知道ZnO有缺陷，且已經證實形式MgxZrvxO的一系列氧化物的確顯示電阻開關特性14』15。然而，這些氧化物根據Mg/Zn比例可形成數種結構，和此外，改變Mg/Zn比例也明顯改變氧化物的電子帶隙，由此大幅改變其輸送性質。本文公開薄層中的電阻開關，其中薄層包括以少量氮摻雜的MgO。加入氮不會改變MgO的簡單立方體結構或明顯改變其電子帶隙，因此能夠有系統地改變MgO的電阻開關性質。尤其，電阻改變的比例(RmghZXtJ可變化達若干數量級，且通過改變層的氮含量，可有系統地降低SET和RESET電壓。摻雜N的MgO結構的電阻開關性質具有數個其它有利特徵。具體地，通過在I-IOOnsec的持續期間中施加SET和RESET電壓脈衝，展示電阻開關發生至少快達一納秒。也展示多階電阻開關。實驗細節以Ta/Pt/Mg5Q05Q_xNx/Pt形成的MIM結構，沉積在生長於Si (100)基板上的非晶矽氧化物(250人厚)上。在高度真空腔室中(基礎壓力飛X 10_9託(Torr))，經由磁控濺鍍，在室溫下沉積分別以100 A Ta/ 300 A Pt和]00 A Pt形成的底部和頂部金屬電極。在獨立超高真空(UHV)腔室(基礎壓力〈I X 10,託)中，通過熱蒸發而沉積摻雜N的MgO層，即Mg5(l05(l_xNx。兩個沉積腔室經由配備計算機控制機器人(可用以在高度真空下，在腔室之間移動樣本)的第三UHV腔室互連。圖I顯示熱蒸發設備310的示意圖，其配備有蒸發元素Mg的努森池304 (K池)和兩個分別為原子氧和原子氮的來源308、312。這些來源308、312使用rf功率，使在(每個來源308、312中的)反應器容器內含有的分子氧(O2)和氮(N2)的鍵結中斷，以形成原子0和N。反應器容器的直徑為24. 5_，和長度為80_，其設計用於傳送原子物種至直徑I英寸的晶圓。0和N原子反應器容器分別以石英和熱分解的氮化硼 製成。原子0和N經由反應器容器中少數極小的雷射鑽孔孔洞328進入真空沉積室320，由此讓反應器容器內的氣壓比真空沉積腔室320本身內的氣壓高。0原子來源的反應器容器具有16個開口 328，每個開口具有直徑為 0. 15-0. 25mm，且開口 328沿著直徑 18mm的圓圈等距離隔開。N原子反應器容器具有150個開口 328，每個直徑為 0. 5mm，且開口 328在直徑 18mm的圓圈面積上均勻配置。由於0與Mg的反應性明顯高於N的反應性，因此如果要將大量的N併入MgO，在真空沉積腔室310中需要有數量明顯比0原子多的N原子。這可通過設計和建造原子來源308、312的專用反應器容器來達成；這些容器在反應器容器一端具有少數開口，其中用於氧來源的開口數量比用於氮來源的少很多。這允許在腔室310中沉積高質量的化學計量Mg50O50^xNx膜，總操作壓力根據N摻雜程度而定，約為10_6託至10_5託。通過調整供應至相應rf原子來源的分子氧和氮流量，改變腔室310中N與0分壓的比例，即可改變N摻雜程度。圖2為沉積期間腔室中N與0分壓比例對照其後使用拉瑟福德背向散射分析技術在沉積的Mg5(l05(l_xNx膜中測量的N摻雜程度的標繪圖。這些數據清楚顯示，為獲得Mg5(l05(l_xNx膜中特定N濃度所需的N與0比例隨著N濃度非線性地增加。事實上，圖2中數據的擬合(實線)顯示N與0比例隨著X以指數方式增加。在沉積期間，鎂K池溫度維持在358° C。此溫度通過以下二者間的折衷條件來確定生長速率不會慢到使樣本數量無法每天生長；和Mg電荷在K池中的合理壽命可以不需要太常更換電荷。K池溫度可操作於 275至 400° C的溫度範圍中。基板在沉積期間加熱(使用以碳化矽形成的抗氧加熱器)。所有膜在350° C的標稱基板溫度下生長。沉積速率取決於腔室中的氣壓典型速率為 0.07 A/see。rf電漿產生器在沉積期間通常在300W下操作。使用拉瑟福德背向散射(RBS)分析，確定沉積速率和膜組成。為了精確確定Mg50O50^xNx的組成，在石墨基板(不含氧)上而非Si02/Si上沉積特殊膜。才有可能達到RBS分析的x 0. 5%的檢測極限。圖3顯示4種不同Mg5(l05(l_xNx膜樣本(x=0、2. 2,5. I和8%)的RBS數據。RBS數據清楚指出這些樣本含有氮。
利用電子束平版印刷術、光學平版印刷術、和氬離子研磨，將MIM結構圖案化成適於電測試的裝置。圖4示意性顯示這些裝置的結構。首先，將抗蝕劑旋塗於沉積的膜結構上，曝光和顯影抗蝕劑。然後，使用抗蝕劑作為屏蔽，以使用氬離子研磨界定MIM裝置的區域。分別使用電子束和光學平版印刷術，將MM裝置大小從 50 X 100改變至 90X270nm2和從 1X2改變至飛X15i!m2。研磨終點大約止於Mg5(l05(l_xNx層(未顯示)的中間。接著沉積氧化鋁層以圍繞MIM裝置的邊緣，和在移除抗蝕劑後，沉積以Ta/Au形成的頂部接觸層，並使用光學平版印刷術過程和氬離子研磨進行圖案化。注意儘量減少在電測量期間發生的雜散電容效應。在接觸導線的雜散電容中的存儲電荷在SET過程期間將導致不想要的電荷注入如果不謹慎控制，此電荷注入隨時可超過順應性電流。此過衝電流將因例如金屬電極的電遷移而損壞裝置。為了避免在施加SET電壓(將裝置從高電阻狀態改變至低電阻狀態)時因過高電流而損壞MIM裝置，必須使用某個機制限制可流動通過裝置的最大電流。此處使用的方法是將MIM裝置連接至電晶體。通過施加柵極電壓至電晶體，可限制和改變可流動通過裝置的最大電流。此處，將與二極體並聯接線的N-MOSFET電晶體附接至MIM裝置。這使得MM裝置必須在雙極操作模式下進行測試。圖5顯示此電路的示意圖(在

中進行了描述)。N-MOSFET柵極電壓限制流動通過N-MOSFET電晶體的電流。這可用來限制在SET過程期間通過MM裝置的電流。在RESET過程期間使用反向電壓，使得電流僅流動通過二極體這允許在RESET過程期間流動的電流比在SET過程期間的大。實驗結果圖6顯示三個Mg5Q05Q_xNx MIM裝置(x=2. 2,5. I和8%)的典型電流對照電壓(I_V)特性。顯示以電子束平版印刷術圖案化的裝置(面積50X100nm2)的結果。重要的是注意，任何這些裝置都不需要形成步驟4。(注意，對於x=0，即，沒有氮的MgO，未見到任何可逆切換)。所準備的裝置一開始處於高電阻狀態。如圖6所示，隨著電壓在正方向中從V=O掃描，可觀察到電流在電壓Vset突然增加，因裝置被切換至低電阻狀態。Vset取決於N含量，且隨著N摻雜程度增加而減少。注意，如圖6所示，由與裝置串聯的電晶體，將在裝置切換至 低電阻狀態後流動的電流限制在 2X10_5A。電壓接著減少為零且變為負值。在裝置切換回到高電阻狀態(Rmgh)的電壓Vkeset處，觀察到裝置電流的突然下降。Vkeset為'I. 5V，但同樣有系統地隨著MgO層的N含量變化，隨著N含量增加而減少。注意，RESET電壓總是比SET電壓低。一旦MM裝置的電阻切換至Rlligh或Rtot，此電阻將不改變，直到施加其絕對值分別超過Vset或Vkeset的絕對值的電壓電平為止，由此可對MIM裝置進行非破壞性讀取。因此，摻雜氮的MgO層呈現可利用電壓切換的低電阻狀態和高電阻狀態。此外，這些電阻狀態差異達許多數量級，由此使摻雜氮的MgO可用於各種應用，包括非易失性存儲器應用。在摻雜氮的MgO層中觀察到的切換行為可重複許多次，如圖7所示。圖7顯示三個MM裝置(具有截面積為50父100111112，和其中叉=2.2、5.1和8.0%)的電阻值，其測量於這些裝置通過施加合適電壓電平在其ON-OFF狀態之間的連續循環期間。在每個切換步驟後，以IOOmV的電壓測量每個裝置的電阻。如圖7清楚顯示，在OFF狀態(Rlligh)中的電阻強烈取決於N摻雜程度。對於圖7顯示的裝置，Rlligh從x=2. 2%的 80M Q變化至x=8. 0%的 200k Q。相比之下，在ON狀態(RkJ中的電阻幾乎與N摻雜程度無關。對於產生圖7所示數據中使用的裝置，Rlow為、k Q。這些裝置在ON和OFF狀態之間切換500次對於任何裝置，均未發現ON和OFF電阻值有任何明顯改變。由於測試設備的限制，未測試超過500次的切換。注意，氮摻雜程度的小改變引起OFF狀態的電阻的重大改變。Rmgh/X 從x=2. 2%的 10，000變化至x=8. 0%的10。可以推測也許是在MgO中併入N導致形成通過Mg5(l05(l_xNx層的導電絲極路徑的缺陷。N含量越高，缺陷數越多，且因此這些絲極路徑更能夠導電，由此降低OFF狀態中的電阻9「6。如從圖7可見，ON和OFF狀態從一個開關周期至下一個開關周期的電阻值有所變化。在圖8A中標繪具有指定電阻值的裝置的累積概率對照其電阻。顯示圖7中相同MM裝置針對&_(著色符號)和(未著色符號)的結果。分布對應於使每個裝置切換ON或OFF 500次。Rkjw的累積概率分布隨著N摻雜變化極少，此外，此分布明顯比Rlligh的分布窄。然而，和&_的分布充分隔開表示有顯著餘裕可供電路設計人員用以建置基於Mg50O50-XNx的電阻開關裝置。注意，Rlow比RHigh分布窄的分布可能是因為在SET過程期間精確控制順應性電流，但在RESET過程期間則未限制電流。切換臨限電壓(Vset和Vkeset)對於氮摻雜的相依性如圖8B所示。針對所考慮的N摻雜範圍，Vkeset隨著N摻雜稍微改變，而Vset則隨著N摻雜增加而明顯減少。Vkeset和Vset從一個周期至另一個周期的值都不一樣。採取這些值的高斯分布，對應的標準偏差如圖8B所示。Vkeset的分布明顯比Vset的分布窄。在其中假設形成導電絲極的電阻開關模型內的情形就是如此17。假定導電絲極的形成比既有絲極的中斷更為隨機。以臨場X射線光發射分光學(XPS)描繪Mg5Q05Q_xNx膜的化學性質。使用Mg Ka x射線作為激發源，和使用傳送能量為20eV的半球狀能量分析器，測量噴射光電子的動能。光電子從絕緣樣本的發射可導致正電荷在樣本表面累積，因而引起光譜中的XPS峰值位移至較高的束縛能。為了校正此效應，施加能量偏移於測量光譜，使得碳Is線位於其期望值284. 6eV。圖9A總結四個膜(x從0%改變至8%)的價帶的XPS數據。在光譜中觀察到的峰值對應於氧和氮的2s和2p能階。隨著膜的N含量增加，N 2s和2p峰值強度增加，而0 2s和2p峰值強度減少。這顯示氮的確併入到了 Mg5(l05(l_xNx膜中。N 2p能階處於比0 2p能階低的束縛能。這表示N摻雜降低了 Mg5(l05(l_xNx膜的帶隙。已利用X射線衍射(XRD)描繪這些膜。如圖9B所示，MgO(200)和(220)X射線衍射峰值隨著N摻雜增加，朝向較低衍射角位移。這指出氮的併入導致晶格膨脹。此晶格膨脹極有可能是因N原子佔用間隙位置而引起。就此而言，N併入MgO膜中類似於離子植入過程，其中植入離子佔用間隙位置並使主體晶格膨脹。因此，預期在MgO中增加N摻雜將導致缺陷狀態數量因晶格膨脹的增加而增加。缺陷密度增加和帶隙降低的結合效應將使&_隨著N含量增加而降低。在Mg5Q05Q_xNx MM裝置中，發現到順應性電流是ON狀態的電阻的確定因素。如先前所提，N-MOSFET電晶體電路與電阻開關裝置的整合允許在SET過程期間精確控制順應性電流。圖10圖解了如何通過改變順應性電流而改變R^。圖IOA顯示裝置的I-V特性(其中x=2. 2at%和截面積為50X IOOnm2)對於在SET過程期間施加的順應性電流的相 依性。顯示針對順應性電流為0. 3、I. 2、5和100 u A的數據。很明顯地，較低順應性電流的Vset比較低。圖IOB總結了 Rkjw和RESET電流(Ikeset)對於在SET過程期間使用的順應性電流的相依性。使用導電絲極形成機制所得到的就是這些結果18』19。對於摻雜N的MgO電阻開關裝置，極有可能因Pt電極材料的電遷移而形成絲極。在SET過程期間的較高順應性電流下，更多Pt原子有可能電遷移，因而造成更大量的Pt導電絲極，這將使裝置維持在與圖IOB所示結果一致的較低電阻。由於導電絲極的中斷是經由類似於傳統電保險絲燒斷的過程而發生，中斷較大量的導電絲極將需要使用更高的Vkeset和IKESET。在圖IOA和圖IOB中，對於基於摻雜N的MgO的電阻開關裝置，確實觀察到此現象。圖10中的結果還突顯出基於Mg5(l05(l_xNx的電阻開關裝置的另一重要性質，即其RESET電流低至 IOOnA的「低功率操作」。使用低順應性電流導致RmghZXmt的較低值，但這些值仍然很大地取決於順應性電流(見圖10C)。注意，圖IOC顯示Rlligh中稍微漂移至較低電阻值。然而，只在前100個切 換步驟中觀察到此漂移，其後ON和OFF狀態電阻就很穩定。除了通過改變氮摻雜程度操作Rmgh外，通過在RESET過程期間改變Vkeset的強度，可將裝置切換至許多RHigh狀態，如圖11中針對1X2 ii m2大小的裝置(其中x=2. 2%)所示。MM的詳細結構如圖11所示。圖IlA呈現裝置在多階編程過程期間(其中在重複實驗中有系統地遞增RESET電壓)的I-V特性。如圖11所示，裝置電阻隨著RESET電壓每次增加而有系統地增加。通過限制Vkeset於低於完整RESET所需的值，即可達成多階電阻改變。在圖IlB中標繪在每個SET或RESET步驟後的裝置電阻。在此實驗中，通過操作Vkeset的強度，可獲得8個高電阻狀態。這些結果顯示Mg5(l05(l_xNx MIM裝置可形成多階(即，多位)電阻開關存儲器單元。另一個形成具有以電壓控制的多個電阻狀態的裝置的方式是設計包含若干Mg5(l05(l_xNx層的多層堆棧，其中X可在層與層中有所不同。一個此種範例如圖12所示。以3層Mg5Q05Q_xNx形成結構，其中第一層厚度為IOnm且x=2. 2%，第二層為25nm厚且x=8%，第三層在標稱上與第一層相同。在圖12中，顯示以光學平版印刷術進行圖案化且具有截面積IX2 ^m2的裝置的結果。如圖12中的插入圖所示，在第一次施加電壓於裝置時，通過裝置的電流顯示在第一步驟中在 2V處增加，和在第二步驟中在 4. 5V處增加。這些對應於具有不同N摻雜程度的Mg5(l05(l_xNx層的兩個獨立SET過程。兩個步驟可能發生如下。如先前所示，x=2. 2%摻雜層的初始電阻將比x=8%摻雜層的初始電阻高很多。因此，在圖12的三層結構上的電壓降一開始大部分在x=2. 2%摻雜層上，使得這些層將經歷第一電阻轉換。然後，第二層(x=8%)可能在較高電壓步驟經歷轉換。所需電壓比該層直接接觸金屬電極時的電壓高，可能是因為當該層遠離金屬電極時，比較難以形成低電阻狀態。這表示此狀態的形成與金屬從金屬接觸電極的移動有關。與SET過程相反，RESET過程總是以單一步驟發生，如圖12所示。此觀察指出，在絲極形成模型內，導電絲極在RESET過程期間的中斷發生於局部，而非沿著整個絲極長度發生。因此，可預期一旦絲極在第一電壓施加期間形成，後續SET過程將發生於單一電壓。如圖12所示，對於後續的電壓施加，2-步驟SET過程變得沒有那麼明確。因此，儘管多個1%5(|05(|_!￡隊層的使用可能對可重寫多狀態存儲器沒有用，但此結構對多階一次性寫存儲器很有用，例如對於高密度歸檔存儲應用很有用。通過增加Mg5(l05(l_xNx層的數目，可增加SET切換步驟的數目，因而可用於甚至更高密度的一次性寫存儲器。應用在圖解交點存儲器單元架構的圖13A中，顯示固態存儲器單元陣列100。如圖I 3所示，存儲器單元110位於導電「字」線120和導電「位」線122的相應「交點」交叉處。每個存儲器單元110包括電阻開關組件(其包括摻雜氮的MgO層，如上述)，用於存儲至少一個數據位，和通過選擇性施加電壓於字線和位線的適當組合，電流可通過特定存儲器單元的組件。圖13A的交點陣列可以圖13B顯示的示意圖來表示。如圖13C的實施例所示，存儲器單元 本身可以是相當複雜的。在此實施例中，每個單元包括M0SFET (金屬氧化物半導體場效電晶體)134、和包括摻雜氮的MgO層(和也可包括與摻雜氮的MgO層接觸的電極)的電阻開關存儲器組件135。每個存儲器組件135與特定字線120和特定位線122電連通。MOSFET 134經由導線136與存儲器組件135連接，和MOSFET的柵極連接至字線120。存儲器組件135也經由另一導線137與位線122連接。作為圖13C所示實施例的替代選項，可採用簡化的存儲器單元，其中單元僅由直接與相應字線120和相應位線122連結的存儲器組件135組成。在還有其它實施例中，存儲器單元可包括雙極接面(junction)電晶體(BJT)和電阻開關存儲器組件；二極體和電阻開關存儲器組件；穿隧二極體和電阻開關存儲器組件；與電阻開關存儲器組件串聯的磁性隧道結；包括多個Mg5(l05(l_xNx層的電阻開關組件；或上述的某個組合。總之，以氮摻雜MgO絕緣層將使這些層呈現電壓控制電阻狀態。夾在金屬鉬電極之間的單一 |%5(|05(|_具層呈現在兩個電阻狀態(高電阻狀態和低電阻狀態)之間的電壓控制變遷。IOOnm級的圖案化納米裝置顯示高度可再現的開關特性。通過增加氮濃度，可有系統地降低裝置在兩個電阻電平之間切換的電壓電平。同樣地，通過減少以幾個百分比改變的氮濃度的數量級來改變氮濃度，即可改變高電阻狀態的電阻。低電阻狀態的電阻幾乎不受氮摻雜程度的影響，這表示電壓感生電阻效應是因在裝置中形成單一(或最多幾個)導電絲極路徑而產生。通過限制在SET過程期間通過的電流，可在廣泛範圍中改變單一Mg50O50^xNx層裝置的電阻。通過使用具有若干不同氮濃度的Mg5ciO5O-A層的結構，可建構每個裝置多個位的一次性寫裝置。Mg5(l05(l_xNx單層和多層的電阻性質的其它應用包括其用作保險絲、點接觸注入器、和突觸裝置。在許多電子應用中，有用的是使可用作保險絲的裝置併入電路中，由此可使裝置切換ON或0FF，以提供電連接或消除電連接。基於Mg5(l05(l_xNx的裝置可用作保險絲，其狀態利用電壓脈衝轉為0N/0FF。注意，保險絲可由垂直或橫向裝置組成，即，在其間建立導電路徑的導電接觸可布置成一個接觸在Mg5(l05(l_xNx材料上和一個接觸在其下，或替代地，兩個接觸可放在此材料的相同側上(即，在此例中，兩個接觸均在此材料之上或之下)。基於Mg5(l05(l_xNx的裝置的ON狀態可能由單一有限大小導電絲極組成，其在該裝置內通過施加電壓脈衝而形成。因此，此絲極可用作另一電裝置(如，磁性隧道結裝置)的點接觸。當在基於Mg5(l05(l_xNx的裝置上施加電壓以建立ON狀態時，絲極在基於Mg5(l05(l_xNx的材料內形成，其直徑比基於Mg5(l05(l_xNx的裝置的大小小很多，由此形成至比此裝置大小小很多的第二電裝置的電連接。例如，如果以基於CMOS的工藝製造這些裝置，則取決於技術節點，在時下常用的技術中，最小特徵大小限制在65nm或45nm，或例如在開發中的技術節點中，限制在32nm或22nm或15nm。因此電連接或導線無法比這些尺寸還小(除非使用先進的處理技術)。對於某些應用，進一步限制電連接或導線的尺寸可能是有利的。例如，在包含至少兩個以薄介電層(用作穿隧障壁)分開的磁性電極的磁性隧道結裝置中，有利的是將電流從中通過的裝置面積限制在比磁性隧道結裝置的實體範圍小很多的大小。這可通過串聯連接磁性隧道結裝置與電阻開關組件來達成。此電阻開關組件可由一層或多層Mg5(l05(l_xNx構成，不過也可以由其它顯現電阻開關行為的材料構成。Mg50O50^xNx的電阻開關性質的另一個應用是有關顯現突觸特性的裝置的製造。在2009年3月I日申請，頒予Modha和Parkin的第12/395695號，標題為「具尖鋒-時序相依可塑性(STDP)的隨機性突觸存儲器組件(Stochastic synapse memory element withspike-timing dependent plasticity (STDP)) 」(其以引用方式併入本文中)的申請案中，論述了顯現可塑性(即，裝置在其操作期間的傳導性改變)和「尖鋒-時序相依可塑性」的磁性隧道結裝置的形成。以Mg5(l05(l_xNx材料形成的MIM裝置也可取代或結合磁性隧道結裝置使用，以按突觸特性操作。使用Mg5(l05(l_xNx材料的MM裝置例如可按交點幾何形態(如圖13所示)使用，以形成利用Mg5(l05(l_xNx材料的突觸特性的計算裝置。舉例而言，通過以特定時間形式在這些材料上施加電壓脈衝，裝置的傳導性將逐步形成。同樣地，Mg5(l05(l_xNx材料可按垂直或水平幾何形態使用。生物突觸最重要的特性之一是STDP，這是在突觸所連接的前突觸和後突觸神經元的兩個或多個電壓尖鋒組合的影響下，所造成的突觸傳導性改變。這些神經元形成一連串的電壓尖鋒。當前突觸神經元在後突觸神經元尖鋒的特有時間周期(通常介於0至100毫秒)之前和其內形成尖鋒時，將增加突觸的傳導性，通常增加幾個百分比。相反地，當前突觸神經元在類似的時間周期內在後突觸神經元後形成尖鋒，則突觸變 弱，即，其傳導性降低，通常降低幾個百分比。此行為，其中突觸的傳導性取決於先突觸和後突觸神經元的時間尖鋒而彈性逐步形成，實質上界定了具有突觸特性的開關。如果將具有合適時間形式的兩個或多個電壓脈衝的組合傳送至裝置，使得裝置的傳導性取決於這些脈衝的相對到達時間而增加或減少，則摻雜氮的MgO裝置可用作突觸。在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其它特定形式來體現本發明。應將所述實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範圍由隨附的權利要求書而非前述說明所示。所有落在權利要求範圍的等效意義和範圍內的改變應視為落在權利要求的範圍內。參考文獻I. 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權利要求
1.ー種裝置，包含 電阻開關組件陣列，所述電阻開關組件陣列的每個電阻開關組件與字線和位線電連通，所述電阻開關組件陣列中的每個電阻開關組件包括摻雜N的MgO層，其N含量是該層的至少O. I原子百分比。
2.如權利要求I所述的裝置，其中每層的所述N含量在O.I和14原子百分比之間。
3.如權利要求I所述的裝置，其中該裝置是ニ維交點陣列。
4.如權利要求I所述的裝置，其中至少ー個電阻開關組件包括磁性隧道結，其與所述至少ー個電阻開關組件電串聯。
5.如權利要求I所述的裝置，其中給定的電阻開關組件具有「接通」狀態，該狀態具有電阻-M 「關閉」狀態，該狀態具有電阻RHigh;其中RHigh/RM的比例在10和IO6之間。
6.如權利要求I所述的裝置，其中多個所述電阻開關組件包括不同區域，所述區域每個具有ー電阻狀態，所述電阻狀態可通過在該區域上施加電壓而改變。
7.如權利要求I所述的裝置，其中數據被存儲在所述電阻開關組件中。
8.如權利要求7所述的裝置，其中在可將數據寫入該裝置之前，不需要初始化(形成)步驟。
9.如權利要求7所述的裝置，其中可通過以不同數據覆寫存儲在所述開關組件中的數據，來取代該數據。
10.如權利要求9所述的裝置，其中所述覆寫過程可以被執行上百次。
11.如權利要求I所述的裝置，其中所述層的每ー層具有的厚度在Inm和IOOnm之間。
12.如權利要求I所述的裝置，其中每ー層的所述N含量為至少2原子百分比。
13.如權利要求I所述的裝置，其中每ー層的所述N含量為至少5原子百分比。
14.如權利要求I所述的裝置，其中每ー層的所述N含量為至少8原子百分比。
15.—種方法,包括 施加電壓至如權利要求I所述的裝置的所述組件中的特定ー個組件，由此改變所述特定組件的電阻狀態，其中根據其N含量選擇該電壓。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述特定組件的電阻由於施加電壓而増加。
17.如權利要求15所述的方法，其中所述特定組件的電阻由於施加電壓而減小。
18.如權利要求15所述的方法,包含 施加SET電壓至所述特定組件，由此將其切換至「接通」狀態，該「接通」狀態具有電阻Rkjw，電阻在Ra和Rb之間;和 施加RESET電壓至所述特定組件，由此將其切換至「關閉」狀態，該「關閉」狀態具有電Rmgh 在Rc和Rd之間，其中Ra〈Rb〈Rc〈Rd。
19.如權利要求18所述的方法，其中不需要初始化(形成)步驟。
20.如權利要求18所述的方法，其中將權利要求18的方法應用於所述裝置的所有開關組件。
21.如權利要求18所述的方法，其中多個所述開關組件包括不同區域，每個所述區域具有ー電阻狀態，所述電阻狀態可通過在該區域上施加電壓而改變，所述裝置用作一次性寫裝置。
22.如權利要求15所述的方法，包含在多個所述組件上施加電壓脈衝，使得該裝置的傳導性以取決於該電壓脈衝的相對到達時間的方式可塑性發展，所述裝置因此用作突觸裝置。
23.ー種配合電阻開關組件使用的方法，該組件包括i)第一導電層；ii)Mg5(l
層，其中X至少為O. I ;和iii)第二導電層；其中所述第一導電層、所述Mg5(l
層、和所述第二導電層彼此鄰近，由此允許電流依次通過所述第一導電層、所述Mg5(l
層、和所述第二導電層，所述方法包含 施加電壓於所述組件，由此改變其電阻狀態。
24.如權利要求23所述的方法，其中所述第一和第二導電層均包括鐵磁材料。
25.如權利要求23所述的方法，其中所述第一和第二導電層均包括非磁性材料。
26.如權利要求23所述的方法，其中所述組件是包括至少ー個其它電組件的電路的一部分，該方法還包含 施加電壓脈衝至所述組件，由此消除在所述組件和所述至少一個其它電組件之間的電連接，所述組件用作響應於施加電壓至所述組件的保險絲。
27.如權利要求26所述的方法，還包含施加電壓至所述組件，使得重新建立在所述組件和所述至少一個其它電組件之間的電連接。
28.如權利要求23所述的方法，其中所述組件鄰近ー電組件，和所述方法包含在所述組件上施加電壓以建立接通狀態，由此在所述組件內形成具有直徑小於所述電組件直徑的絲極，使得所述組件用作所述電組件的點接觸注入器。
29.如權利要求23所述的方法，其中X至少為2。
30.如權利要求23所述的方法，其中X至少為5。
31.如權利要求23所述的方法，其中X至少為8。
全文摘要
摻雜氮的氧化鎂(MgO)絕緣層呈現電壓控制的電阻狀態，如，高電阻狀態和低電阻狀態。100nm級的圖案化納米裝置顯示高的可再現開關特性。通過增加氮濃度，可有系統地降低此類裝置在兩個電阻電平之間切換的電壓電平。同樣地，通過改變氮濃度，可改變高電阻狀態的電阻，和通過改變氮濃度幾個百分比，可減少高電阻狀態的電阻若干數量級。另一方面，低電阻狀態的電阻則幾乎不受氮摻雜程度的影響。通過限制在SET(設定)過程期間通過的電流，可在廣泛範圍中改變單一Mg50O50-xNx層裝置的電阻。因而可建構相關的數據存儲裝置。
文檔編號H01L27/24GK102668085SQ201080055451
公開日2012年9月12日 申請日期2010年9月21日 優先權日2009年12月11日
發明者M.G.薩曼特, S.S.帕金, 楊政翰, 蔣信 申請人:國際商業機器公司