[發(fā)明專利]具有可調(diào)電阻的硅基納米級(jí)電阻器件

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200980139738.3
• 申請(qǐng)日: 2009-10-08
• 公開（公告）號(hào): CN102177584A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧偉;趙成現(xiàn);金局奐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 密執(zhí)安大學(xué)評(píng)議會(huì)
• 主分類號(hào): H01L27/115
• 分類號(hào): H01L27/115;H01L21/8247
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李娜;盧江

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能夠用于存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和可控電路互連的具有可調(diào)電阻的兩端非易失性固態(tài)電阻器件。

背景技術(shù)

電阻性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）作為超高密度非易失性信息存儲(chǔ)裝置的潛在候選物最近已經(jīng)產(chǎn)生重要的影響。典型的RRAM器件包括夾在一對(duì)電極之間的絕緣體層并且展現(xiàn)電脈沖感應(yīng)滯后電阻變換效應(yīng)。通過由于焦耳熱和二元氧化物（例如NiO和TiO₂）中的電化學(xué)過程或離子導(dǎo)體（包括氧化物、硫族化物和聚合物）的氧化還原過程而在絕緣體內(nèi)形成導(dǎo)電細(xì)絲來解釋所述電阻變換。也已經(jīng)通過TiO₂和非晶硅（a-Si）膜中離子的場(chǎng)輔助擴(kuò)散解釋了所述電阻變換。

在a-Si結(jié)構(gòu)的情形下，金屬離子到硅中的電壓感應(yīng)擴(kuò)散導(dǎo)致減小a-Si結(jié)構(gòu)的電阻的導(dǎo)電細(xì)絲的形成。這些細(xì)絲在偏置電壓被除去之后繼續(xù)存在，從而給予器件非易失性特性，并且它們可以在反極性施加的電壓的原動(dòng)力下通過離子的反向擴(kuò)散回到金屬電極而被除去。

由夾在兩個(gè)金屬電極之間的a-Si結(jié)構(gòu)形成的電阻器件已經(jīng)被示出展現(xiàn)了該可控電阻特性。然而，這樣的器件通常具有微米尺寸的細(xì)絲，其可以阻止它們按比例縮小到亞100納米范圍。這樣的器件也可能需要高形成電壓，其可能導(dǎo)致器件損壞并且可能限制成品率。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種非易失性固態(tài)電阻器件，包括第一電極、p型硅第二電極、和電連接在所述電極之間的非結(jié)晶硅納米結(jié)構(gòu)。所述納米結(jié)構(gòu)具有響應(yīng)于通過電極施加到納米結(jié)構(gòu)的電壓可調(diào)的電阻。非結(jié)晶硅納米結(jié)構(gòu)可以是例如非晶硅納米結(jié)構(gòu)或非晶多晶硅納米結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，電阻器件被用作數(shù)字非易失性存儲(chǔ)器件中的存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器件可以包括這種電阻器件的陣列，其在一個(gè)實(shí)施例中為每個(gè)電阻器件提供一位存儲(chǔ)，在另一個(gè)實(shí)施例中為每個(gè)電阻器件提供多級(jí)數(shù)字存儲(chǔ)（multi-level?number?storage）使得每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)一位以上的數(shù)據(jù)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，電阻器件被用作電子電路中的電互連。所述互連可以至少在基本導(dǎo)電和基本不導(dǎo)電狀態(tài)之間變換。

根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種非易失性固態(tài)電阻器件，包括第一金屬電極、p型多晶硅電極、至少部分地位于所述電極之間的絕緣層、嵌入在絕緣層中的非晶硅結(jié)構(gòu)、和第二金屬電極。非晶硅結(jié)構(gòu)具有均被連接到所述電極的不同電極的相對(duì)端面。第一電極包括金屬，所述金屬在有跨越電極施加的電壓的情況下提供在硅結(jié)構(gòu)內(nèi)形成細(xì)絲的金屬離子。結(jié)果，硅結(jié)構(gòu)展現(xiàn)可以根據(jù)施加的電壓被調(diào)整的電阻。第二金屬電極在離硅結(jié)構(gòu)不超過100?nm的位置處與多晶硅電極接觸。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種將非易失性固態(tài)開關(guān)器件從斷開狀態(tài)調(diào)整到接通狀態(tài)的方法，所述方法包括在非結(jié)晶硅納米結(jié)構(gòu)兩端施加電壓的步驟，其中施加的電壓具有這樣的幅度和持續(xù)時(shí)間：選擇所述幅度和持續(xù)時(shí)間以便獲得硅納米結(jié)構(gòu)從斷開狀態(tài)變換到接通狀態(tài)的預(yù)定概率。

附圖說明

以下將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選示范性實(shí)施例，其中類似的標(biāo)記表示類似的元件，并且其中：

圖1（a）是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的單一單元a-Si電阻器件的一個(gè)實(shí)施例的圖示；

圖1（b）是部分構(gòu)造的a-Si結(jié)構(gòu)（例如圖1（a）中所示）的頂視圖的SEM圖像；

圖1（c）是示出典型a-Si結(jié)構(gòu)（例如圖1（a）中所示）的電阻變換特性的圖；

圖1（d）是示出a-Si器件（例如圖1（a）中所示）的編程響應(yīng)（programming?response）的波形；

圖1（e）是示出a-Si器件（例如圖1（a）中所示）的耐久性測(cè)試的結(jié)果的波形；

圖2（a）-2（c）描繪了典型a-Si器件對(duì)于不同偏置電壓的變換響應(yīng)的直方圖；

圖2（d）是示出在a-Si器件（如圖1（a）中所示）的不同導(dǎo)電狀態(tài)的金屬離子擴(kuò)散的三部分圖（three-part?diagram）；

圖2（e）是示出a-Si器件（例如圖1（a）中所示）的變換時(shí)間和偏置電壓之間的關(guān)系的圖；

圖3（a）示出利用不同的串聯(lián)連接的控制電阻器對(duì)典型a-Si器件編程或?qū)νㄟ^其它方式控制的電流電平編程的結(jié)果；

圖3（b）描繪了編程的a-Si器件的最終電阻與用來編程器件所選擇的控制電阻之間的相互關(guān)系；

圖3（c）是在沒有任何串聯(lián)連接的控制電阻器的情況下在施加給定的偏置電壓時(shí)對(duì)于典型a-Si器件隨著時(shí)間的過去單一、分立的電阻變換事件的概率圖；