[發明專利]用于SIOX切換設備性能中的改進的多孔隙SIOX材料

在審

• 申請號: 201480063104.5
• 申請日: 2014-11-19
• 公開（公告）號: CN105745754A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: J·M·圖爾;G·王;楊楊;Y·吉
• 申請（專利權）人: 威廉馬歇萊思大學
• 主分類號: H01L29/04
• 分類號: H01L29/04
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 侯穎媖

相關申請

本申請要求2013年11月19日提交的美國臨時專利申請No.61/906,011的權益，該專利申請的公開內容通過引用整體結合于此。

關于聯邦資助研究的說明

本發明由政府支持做出，在美國國防部授予的批準號N00014-09-1-1066；美國國防部授予的批準號FA9550-12-1-0035；和美國國防部授予的批準號FA9550-09-1-0581下。政府擁有本發明中的特定權利。

技術領域

本發明涉及諸如氧化硅之類的多孔隙存儲器材料。更具體地，涉及在切換或存儲器設備中利用多孔隙氧化硅材料。

背景技術

多半個世紀中，常規的基于硅的互補金屬氧化物半導體(CMOS)晶體管已經成為電子存儲器行業的支柱。此外，與競爭的存儲器技術相比，基于硅的閃存器的卓越性能及其制造的容易性已經使其成為CMOS存儲器的主導形式。然而，由快速成長需求驅動的下一代存儲器的高標準已經揭示了當今基于硅的閃存器技術的局限性，表現在以下方面：基礎的尺寸限制、能源消耗、成本、和幾微秒的切換速度。盡管用于替代基于硅的閃存器的很多種類的基于氧的材料和設備結構已經被廣泛地研究，但還沒有任何能充分地解決未來存儲器計劃。通常地，基于氧的阻性隨機存取存儲器(RRAM)可以歸類成單極(可以由相同電壓極性編程)和雙極(可以通過反轉電壓極性來編程)存儲器。很多單極存儲器已經展示了由納米尺度的細絲(filamentary)切換進行的操作，其允許它們遵循激進的尺寸縮小趨勢；然而，納米尺度的金屬細絲由于在控制它們的隨機形成中的困難，可以呈現不穩定的切換表現以及高的或不可預測的形成電壓(V_形成)。相比而言，由于具有較低V_形成和較寬的材料可用性范圍的離子運動或氧化還原過程，雙極存儲器在切換穩定性中有相當的優勢。然而，這些以如下為代價：較低的切換接通—斷開比率、材料的受限熱穩定性，或對于在高密度交叉陣列中抑制潛行電流的集成構架的限制。單極性和雙極性存儲器的制造通常都包括用于材料沉積的高溫工藝。此外，設備一般具有高的切換電流并需要順應性電流(I_c)來防止電短路，其在每個單元上要求附加的電阻器并且增加功率消耗。為了改進未來的非易失性存儲器，期待解決前面提到每個基于氧化物的存儲器系統的挑戰，諸如通過消除對于I_c或高溫制造工藝的需求。

納米多孔隙(nanoporous，NP)金屬氧化物已經被廣泛地用于能量產生和儲存的電子設備中。盡管NP材料已經被用作氧化物存儲器應用的模板，但它們還沒有用作用于阻性非易失性存儲器應用的有源切換介質。

以下公開討論了用作單極切換介質的多孔隙氧化硅材料和用于制造多孔隙氧化硅材料的方法。此在電子設備中多孔隙氧化物材料的新的實施方式滿足了下一代工業性能所期待的標準。這些新的實施方式還優于當今的單極性存儲器系統并且也可以給雙極性存儲器帶來好處。這些也可以用作憶阻器(memristor)。使用此多孔隙材料結構，可控制切換細絲的隨機形成，其導致設備規格的顯著提高，并且可在室溫中制造設備。

發明內容

在一個實施例中，用于形成或制造存儲器設備的方法可以包括以下步驟：在基板上沉積底部電極和在底部電極上沉積材料層。該方法可以進一步包括蝕刻該材料層以形成多孔隙結構和沉積頂部電極。在某些實施例中，多孔隙結構通過陽極蝕刻來形成。在某些實施例中，蝕刻可以用HF/乙醇溶液來執行。在某些實施例中，方法可以進一步包括將電壓掃描施加于多孔隙材料層以形成穿透該層的細絲。在某些實施例中，該細絲可以穿透多孔隙材料層在內部形成。

在一個實施例中，多孔隙設備，諸如存儲器或開關，可以提供頂部和底部電極，材料層(例如，SiO_x)被定位在電極之間。材料層可以提供納米多孔隙結構。在某些實施例中，納米多孔隙結構可以電化學地形成，諸如通過陽極蝕刻。穿透材料層的細絲的電鑄可以在內部發生而穿過該層，而不是以極低的電鑄電壓在邊緣處形成。多孔隙存儲器設備也可以提供多位存儲、高接通—斷開比率、長高溫壽命、優秀的循環耐久性、快速切換，和較低的功率消耗。

前文已經相當廣泛地概述了本公開的各種特征，以便后面細致的描述可以被更好地理解。下文將描述本公開的附加特征和優勢。

附圖說明

為了更完整地理解本文公開及其優點，現在結合描述本公開的特定實施例的附圖，對以下描述作出參考，其中：