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特表2024-522953工学的電子欠陥を伴う抵抗変化型メモリ装置およびそれを作るための方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-06-24
(54)【発明の名称】工学的電子欠陥を伴う抵抗変化型メモリ装置およびそれを作るための方法
(51)【国際特許分類】
H10B 63/00 20230101AFI20240617BHJP
【ＦＩ】
H10B63/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023569956
(86)(22)【出願日】2022-05-12
(85)【翻訳文提出日】2024-01-10
(86)【国際出願番号】 US2022029029
(87)【国際公開番号】W WO2022241139
(87)【国際公開日】2022-11-17
(31)【優先権主張番号】17/319,057
(32)【優先日】2021-05-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/319,068
(32)【優先日】2021-05-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】PCT/US2021/040389
(32)【優先日】2021-07-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/454,914
(32)【優先日】2021-11-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/658,641
(32)【優先日】2022-04-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522359877
【氏名又は名称】テトラメム、インク．
(74)【代理人】
【識別番号】110001416
【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所
(72)【発明者】
【氏名】ジャン，ミンシャン
(72)【発明者】
【氏名】ジェイ，ニング
【テーマコード（参考）】
5F083
【Ｆターム（参考）】
5F083FZ10
5F083GA11
5F083JA56
5F083JA60
5F083LA12
5F083LA16
(57)【要約】
本開示は、抵抗変化型メモリ（ＲＲＡＭ）装置に関する。抵抗変化型メモリ（ＲＲＡＭ）装置を作製するための方法が、ＲＲＡＭ装置の第１の電極の上に、第１の材料の第１の不連続膜を包含する第１の界面層を作製することと、第１の界面層の上に、少なくとも１つの遷移金属酸化物を包含する切り替え酸化物層を作製することと、切り替え酸化物層の上に第２の界面層を作製することと、第２の界面層の上に欠陥工学層を作製することと、を含むことができる。第１の材料は、少なくとも１つの遷移金属酸化物より化学的に安定である。欠陥工学層は、いくつかの実施態様において、Ｔｉの層を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
抵抗変化型メモリ（ＲＲＡＭ）装置を作製するための方法であって、前記ＲＲＡＭ装置の第１の電極の上に、第１の材料の第１の不連続膜を包含する第１の界面層を作製することと、
前記第１の界面層の上に、少なくとも１つの遷移金属酸化物を包含する切り替え酸化物層を作製することであって、前記第１の材料は、前記少なくとも１つの遷移金属酸化物より化学的に安定であり、
前記切り替え酸化物層の上に第２の界面層を作製することであって、前記第２の界面層は、前記少なくとも１つの遷移金属酸化物より化学的に安定した第２の材料の第２の不連続膜を包含し、
前記第２の界面層の上に、前記切り替え酸化物層内に電子欠陥を発生させるための欠陥工学層を作製することと、
を包含する方法。
【請求項2】
前記少なくとも１つの遷移金属酸化物は、ＨｆＯｘまたはＴａＯｙのうち少なくとも１つを包含し、ｘ≦２．０かつｙ≦２．５であるとする、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記第１の材料は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、またはＬａ２Ｏ３のうち少なくとも１つを包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記ＲＲＡＭ装置の前記第１の電極の上に、前記第１の材料の前記第１の不連続膜を包含する前記第１の界面層を作製することは、前記第１の不連続膜を形成すべく、前記第１の電極の上に前記第１の材料を堆積することを包含する、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記第１の界面層の厚さが、０．２ｎｍと１ｎｍの間である、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記第２の材料は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、またはＬａ２Ｏ３のうち少なくとも１つを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記第２の界面層の上に前記欠陥工学層を作製することは、第１の金属材料の第１の層を作製することと、
前記第１の金属材料の前記第１の層の上に、第２の金属材料の第２の層を作製することと、
を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記第１の材料は、前記第１の金属材料の酸化物および前記少なくとも１つの遷移金属酸化物より化学的に安定である、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
前記第１の金属材料は、Ｔｉ、Ｈｆ、またはＺｒのうち少なくとも１つを包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項10】
前記第２の金属材料は、タンタルを包含する、請求項８に記載の方法。
【請求項11】
前記第１の金属材料の前記第１の層を作製することは、前記第２の界面層の上にＴｉの層を堆積することを包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項12】
前記第２の金属材料の前記第２の層は、タンタルを含有する１つ以上の合金を包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項13】
前記欠陥工学層は、タンタルを含有する１つ以上の合金を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項14】
前記タンタルを含有する１つ以上の合金は、ハフニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、またはジルコニウムのうち少なくとも１つをさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記タンタルを含有する１つ以上の合金は、タンタルを包含する二元合金、タンタルを包含する三元合金、タンタルを包含する四元合金、タンタルを包含する五元合金、タンタルを包含する六元合金、またはタンタルを包含する高次合金のうち少なくとも１つを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項16】
前記第１の金属材料を包含する前記第１の層の厚さが、０．２ｎｍと５ｎｍの間である、請求項１に記載の方法。
【請求項17】
前記欠陥工学層は、前記切り替え酸化物層の少なくとも一部と接触する、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ａｎｄ Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｌａｙｅｒｓ（レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・マルチ－コンポーネント・エレクトローズ・アンド・ディスコンティニュアス・インターフェース・レイヤーズ）』と題されて２０２１年１１月１５日に出願された米国特許出願第１７／４５４，９１４号の恩典を主張して２０２２年４月８日に『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｆｅｃｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅレジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・エンジニアード・エレクトロニック・ディフェクツ・アンド・メソッズ・フォア・メイキング・ザ・セイム）』と題されて出願された米国特許出願第１７／６５８，６４１号、『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ（レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・マルチ－コンポーネント・エレクトローズ）』と題されて２０２１年５月１２日に出願された米国特許出願第１７／３１９，０５７号、『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ（レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・マルチ－コンポーネント・エレクトローズ）』と題されて２０２１年５月１２日に出願された米国特許出願第１７／３１９，０６８号、『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ（レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・マルチ－コンポーネント・エレクトローズ）』と題されて２０２１年７月３日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２１／４０３８９号、および『Ｌｏｗ Ｃｕｒｒｅｎｔ ＲＲＡＭ－Ｂａｓｅｄ Ｃｒｏｓｓｂａｒ Ａｒｒａｙ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ロー・カレント・ＲＲＡＭベースド・クロスバー・アレイ・サーキッツ・インプリメンテッド・ウィズ・インターフェース・エンジニアリング・テクノロジーズ）』と題されて２０２０年７月６日に出願された米国特許出願第１６／９２１，９２６号の利益を主張するものであり、その開示全体が参照により本明細書に援用される。
本出願は、『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ａｎｄ Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｌａｙｅｒｓ（レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・マルチ－コンポーネント・エレクトローズ・アンド・ディスコンティニュアス・インターフェース・レイヤーズ）』と題されて２０２１年１１月１５日に出願された米国特許出願第１７／４５４，９１４号の恩典を主張して２０２２年４月８日に『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｆｅｃｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅレジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・エンジニアード・エレクトロニック・ディフェクツ・アンド・メソッズ・フォア・メイキング・ザ・セイム）』と題されて出願された米国特許出願第１７／６５８，６４１号、『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ（レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・マルチ－コンポーネント・エレクトローズ）』と題されて２０２１年５月１２日に出願された米国特許出願第１７／３１９，０５７号、『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ（レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・マルチ－コンポーネント・エレクトローズ）』と題されて２０２１年５月１２日に出願された米国特許出願第１７／３１９，０６８号、『Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ（レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ・デバイセズ・ウィズ・マルチ－コンポーネント・エレクトローズ）』と題されて２０２１年７月３日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２１／４０３８９号、および『Ｌｏｗ Ｃｕｒｒｅｎｔ ＲＲＡＭ－Ｂａｓｅｄ Ｃｒｏｓｓｂａｒ Ａｒｒａｙ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ロー・カレント・ＲＲＡＭベースド・クロスバー・アレイ・サーキッツ・インプリメンテッド・ウィズ・インターフェース・エンジニアリング・テクノロジーズ）』と題されて２０２０年７月６日に出願された米国特許出願第１６／９２１，９２６号の利益を主張するものであり、その開示全体が参照により本明細書に援用される。
【0002】
本開示の実装は、概して抵抗変化型メモリ（ＲＲＡＭ）装置に関し、より具体的には、工学的電子欠陥を伴うＲＲＡＭ装置およびそれを作製するための方法に関する。
【背景技術】
【0003】
抵抗変化型メモリ（ＲＲＡＭ）装置は、可調不揮発性抵抗器を伴う２端子受動装置である。ＲＲＡＭ装置の抵抗器は、ＲＲＡＭ装置に対して適切なプログラミング信号を印加することによって高抵抗状態（ＨＲＳ）と低抵抗状態（ＬＲＳ）の間において電気的に切り替えることができる。ＲＲＡＭ装置を使用してクロスバー・アレイを形成することができ、それを使用してインメモリ・コンピューティング応用、不揮発性ソリッド・ステート・メモリ、画像処理応用、ニューラル・ネットワーク等を実装することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
以下は、本開示のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために本開示を簡単に述べた概要である。この概要は、本開示の広範囲にわたる全体像ではない。それには、開示の鍵となるかまたは重要な要素のいずれも識別することは意図されてなく、また本開示の特定の実装のあらゆる範囲、または請求項のあらゆる範囲を線引きすることも意図されてない。そのただひとつの目的は、後に提示する、より詳細な説明に対する序章として簡単化した形式で本開示のいくつかの概念を提供することである。
【0005】
本開示の１つ以上の態様は、抵抗変化型メモリ（ＲＲＡＭ）装置を作製するための方法を提供する。前記方法は、前記ＲＲＡＭ装置の第１の電極の上に、第１の材料の第１の不連続膜を包含する第１の界面層を作製することと、前記第１の界面層の上に、少なくとも１つの遷移金属酸化物を包含する切り替え酸化物層を作製することと、前記切り替え酸化物層の上に、第２の材料の第２の不連続膜を包含する第２の界面層を作製することと、前記第２の界面層の上に、前記切り替え酸化物層内に電子欠陥を発生させるための欠陥工学層を作製することと、を含む。前記第１の材料および前記第２の材料は、前記少なくとも１つの遷移金属酸化物より化学的に安定である。
【0006】
いくつかの実施態様において、前記少なくとも１つの遷移金属酸化物が、ＨｆＯｘまたはＴａＯｙのうち少なくとも１つのうち少なくとも１つを含み、ｘ≦２．０かつｙ≦２．５である。
【0007】
いくつかの実施態様において、前記第１の材料が、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、またはＬａ２Ｏ３のうち少なくとも１つのうち少なくとも１つを含む。
【0008】
いくつかの実施態様において、前記ＲＲＡＭ装置の前記第１の電極の上に、前記第１の材料の前記第１の不連続膜を含む前記第１の界面層を作製することは、前記第１の電極の上に前記第１の材料を堆積して前記第１の不連続膜を形成することを含む。
【0009】
いくつかの実施態様において、前記第１の界面層の厚さが０．２ｎｍと１ｎｍの間である。
【0010】
いくつかの実施態様において、前記第２の材料は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、またはＬａ２Ｏ３のうち少なくとも１つのうち少なくとも１つを含む。
【0011】
いくつかの実施態様において、前記第２の界面層の上に前記欠陥工学層を作製することは、第１の金属材料の第１の層を作製することと、前記第１の金属材料の前記第１の層の上に、第２の金属材料の第２の層を作製することと、を含む。
【0012】
いくつかの実施態様において、前記第１の材料は、前記少なくとも１つの遷移金属酸化物より化学的に安定である。前記第１の材料は、前記第１の金属材料の酸化物より化学的に安定である。
【0013】
いくつかの実施態様において、前記第１の金属材料は、Ｔｉ、Ｈｆ、またはＺｒのうち少なくとも１つのうち少なくとも１つを含む。
【0014】
いくつかの実施態様において、前記第２の金属材料は、タンタルを含む。
【0015】
いくつかの実施態様において、前記第１の金属材料の前記第１の層を作製することは、前記第２の界面層の上にＴｉの層を堆積することを含む。
【0016】
いくつかの実施態様において、前記第２の金属材料の前記第２の層は、タンタルを含有する１つ以上の合金を含む。
【0017】
いくつかの実施態様において、前記欠陥工学層は、タンタルを含有する１つ以上の合金を含む。
【0018】
いくつかの実施態様において、前記タンタルを含有する１つ以上の合金は、ハフニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、またはジルコニウムのうち少なくとも１つのうち少なくとも１つをさらに含む。
【0019】
いくつかの実施態様において、前記タンタルを含有する１つ以上の合金は、タンタルを含む二元合金、タンタルを含む三元合金、タンタルを含む四元合金、タンタルを含む五元合金、タンタルを含む六元合金、またはタンタルを含む高次合金のうち少なくとも１つのうち少なくとも１つを含む。
【0020】
いくつかの実施態様において、前記第１の金属材料を含む前記第１の層の厚さが、０．２ｎｍと５ｎｍの間である。
【0021】
いくつかの実施態様において、前記欠陥工学層は、前記切り替え酸化物層の少なくとも一部と接触する。
【0022】
本開示は、以下に与えられている詳細な説明から、また本開示の多様な実施態様の添付図面からより完全に理解されることになるであろう。しかしながら、図面は、むしろ説明および理解のためのものであり、特定の実施態様に対して本開示を限定するものであると解釈されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本開示のいくつかの実装に従ったクロスバー回路の例を説明する概略図である。
【図2】本開示のいくつかの実装に従った一例のクロスポイント装置を説明する概略図である。
【図3A】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図3B】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図3C】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図4A】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図4B】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図4C】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図4D】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図4E】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図4F】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図5A】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図5B】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図5C】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図5D】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図6A】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図6B】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図6C】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図6D】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明する。
【図7】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の上部電極の断面図を説明する概略図である。
【図8】本開示のいくつかの実施態様に従った金属酸化物の化学的安定性を図示したグラフである。
【図9】本開示のいくつかの実施態様に従ったタンタルチタン（Ｔａ－Ｔｉ）の二元状態図である。
【図10】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置を作製するための方法を説明するフローチャートである。
【図11】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置を作製するための方法を説明するフローチャートである。
【図12】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置を作製するための方法を説明するフローチャートである。
【図13】本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の切り替え酸化物層内に電子欠陥を発生させるための欠陥工学層を作製するための方法を説明するフローチャートである。
【図14A】本開示のいくつかの実施態様に従ったタンタルハフニウム（Ｔａ－Ｈｆ）の二元状態図である。
【図14B】本開示のいくつかの実施態様に従ったタンタルタングステン（Ｔａ－Ｗ）の二元状態図である。
【図14C】本開示のいくつかの実施態様に従ったタンタルモリブデン（Ｔａ－Ｍｏ）の二元状態図である。
【図14D】本開示のいくつかの実施態様に従ったタンタルニオブ（Ｔａ－Ｎｂ）の二元状態図である。
【図14E】本開示のいくつかの実施態様に従ったタンタルジルコニウム（Ｔａ－Ｚｒ）の二元状態図である。
【図15A】本開示のいくつかの実施態様に従った一例のＲＲＡＭ装置の電流－電圧特性を図示したグラフである。
【図15B】本開示のいくつかの実施態様に従った一例のＲＲＡＭ装置の電流－電圧特性を図示したグラフである。
【図15C】本開示のいくつかの実施態様に従った一例のＲＲＡＭ装置の電流－電圧特性を図示したグラフである。
【図15D】本開示のいくつかの実施態様に従った一例のＲＲＡＭ装置の電流－電圧特性を図示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0024】
本開示の態様は、抵抗変化型メモリ（ＲＲＡＭ）装置およびＲＲＡＭ装置を作製するための方法を提供する。ＲＲＡＭ装置は、可調抵抗器を伴う２端子受動装置である。ＲＲＡＭ装置は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極の間に位置決めされる切り替え酸化物層を含むことができる。第１の電極は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の非反応性金属を含むことができる。第２の電極は、タンタル（Ｔａ）等の反応性金属を含むことができる。非反応性金属を含む電極を、ここでは『非反応性電極』と言うこともある。反応性金属を含む電極を、ここでは『反応性電極』と言うこともある。切り替え酸化物層は、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）またはタンタル酸化物（ＴａＯｘ）等の遷移金属酸化物を含むことができる。ＲＲＡＭ装置は、適切な電気的刺激（たとえば、ＲＲＡＭ装置に印加される電圧または電流信号）を受ける前は初期状態または未使用状態にあるとすることができ、初期高抵抗を有することができる。ＲＲＡＭ装置は、形成プロセスを介して未使用状態から低抵抗状態へ、または設定プロセスを介して高抵抗状態（ＨＲＳ）から低抵抗状態（ＬＲＳ）へと調整することができる。形成プロセスは、未使用状態から開始する装置のプログラミングと言うことができる。設定プロセスは、高抵抗状態（ＨＲＳ）から開始する装置のプログラミングと言うことができる。反応性金属電極が切り替え酸化物の上に堆積された後、反応性金属は、切り替え酸化物層から酸素を吸収して切り替え酸化物層内に酸素空格子点を作り出すことが可能であり、酸素イオンは、空格子点メカニズムを通じて切り替え酸化物内へ移動することが可能である。形成プロセスの間において、適切なプログラミング信号（たとえば、電圧または電流信号）をＲＲＡＭ装置へ印加することができ、それが切り替え酸化物から反応性電極へ移動するべく酸素イオンをドリフトさせることができる。その結果として、切り替え酸化物層を通る（たとえば、反応性電極から非反応性電極への）導電チャンネルまたはフィラメントを形成することができる。その後、ＲＲＡＭ装置にリセット信号（たとえば、電圧信号、電流信号）を印加することによって、ＲＲＡＭ装置を高抵抗状態にリセットすることができる。ＲＲＡＭ装置へのリセット信号の印加は、酸素を移動させて切り替え酸化物層へ戻すことができ、したがって、導電性フィラメントを途中で遮ることができる。ＲＲＡＭ装置は、ＲＲＡＭ装置への適切なプログラミング信号（たとえば、電圧信号、電流信号等）の印加によって高抵抗状態と低抵抗状態の間において電気的に切り替えることができる。クロスバー・アレイ回路の場合において、トランジスタ等のセレクタを介して指定のＲＲＡＭ装置へプログラミング信号を提供することができる。
【0025】
切り替え酸化物を通って（たとえば、反応性電極から非反応性電極まで）導電チャンネルまたはフィラメントが形成されているときには、ＲＲＡＭ装置は、フィラメント・モードにおいて動作すると見做される。ＲＲＡＭ装置の切り替え酸化物層内に中断されたフィラメントが形成されているときには、ＲＲＡＭ装置が非フィラメント・モードにおいて動作すると見做される。中断されたフィラメントとＲＲＡＭ装置の下部電極の間にはギャップが存在し得る。
【0026】
コンダクタンス量子のコンセプトによれば、材料の電気伝導度が、離散的または量子化された段階において変化することが観察される。量子のコンダクタンスの単位は、Ｇｏ＝２ｅ２／ｈ＝７．７４８Ｅ－５ジーメンス（または、１２．９ｋΩ）であり、ｅは電子電荷を、ｈはプランク定数をそれぞれ表す。最小の量子コンダクタンスは、２つの金属原子が点接触を形成するときに生じ、それを、金属フィラメントの最小コンダクタンス（または、最大抵抗）であると見做すことが可能である。言い換えると、フィラメント・モードにおける最小コンダクタンスまたは最大抵抗は、Ｇｏ（７．７４Ｅ－５ジーメンス、または１２．９ｋΩ）に制限される。しかしながら、特定の応用（たとえば、ＩＭＣ応用）の実装は、Ｇｏより高い抵抗といった高抵抗を伴うＲＲＡＭ装置を必要とすることがある。それには、ＲＲＡＭ装置を非フィラメント・モードにおいて動作させ、その種の高抵抗を達成することが必要となり得る。したがって、高抵抗を伴う装置内の電子伝導の性質は、金属的ではなく半導体的である。しかしながら、殆どのＲＲＡＭ装置は、フィラメント・モードにおいて動作しているときに特定の所望の特徴（たとえば、アナログ抵抗、多レベル抵抗、線形性等）を呈するだけである。フィラメント・モードにおいて、ＲＲＡＭ装置内の電気伝導が、フィラメントを通る伝導によって支配されるとすることができるが、その一方、切り替え酸化物内を通る伝導は、無視できるほどのものとなる。これは、金属の伝導帯とバランス帯がオーバーラップして、電子が原子の間を容易に移動できるようになることによる。しかしながら、半導体において、伝導帯とバランス帯の間にエネルギ・ギャップ（または、バンド・ギャップ）が存在する。電子が半導体のバランス帯から伝導帯へ移動して原子の間の移動が可能となるためには、このバンド・ギャップを乗り越えることが必要であるとし得る。ＲＲＡＭ装置の切り替え酸化物層内の電子欠陥は、バランス帯と伝導帯の間にエネルギを有することができ、伝導帯への励起または１つのトラップ・サイトから別のトラップ・サイトへのホップが容易にできる電子をトラップすることができる。したがって、高抵抗を伴う非フィラメント・モードにおいてＲＲＡＭ装置を使用する装置の動作を実装するためには、切り替え酸化物内の電子欠陥が重要になる場合があり、フィラメントが中断され得る切り替え酸化物内における電気伝導が電子欠陥によって支配されるとし得る。したがって、ＲＲＡＭ装置の切り替え酸化物内の電子欠陥工学および制御を行い、アナログ抵抗、多レベル抵抗、Ｉ－Ｖ（電流－電圧）線形性等のＩＭＣ応用に決定的な特定の電子挙動を達成することが望ましくなる可能性がある。
【0027】
さらにまた、ＲＲＡＭ装置を適切なサイズ（たとえば、１００ｎｍ、１０ｎｍの臨界寸法、またはより小さい寸法）まで小型化して特定のインメモリ・コンピューティング（ＩＭＣ）応用（たとえば、高密度ＲＲＡＭ装置および／または低電力消費が求められるＩＭＣ応用）を実装することが望ましいかもしれない。しかしながら、従来のＲＲＡＭ装置は、臨界寸法を小型化するときに従来のＲＲＡＭ装置内に形成されるフィラメントを相応じて小型化することができない。たとえば、小型化されたＲＲＡＭ装置内に形成されるフィラメントのサイズは、比例して小型化することができない。したがって、その種の従来の小型化したＲＲＡＭ装置の形成、設定、および／または再設定には、比較的高い電流または電圧が依然として求められることがあり得る。このことはまた、セレクタ（たとえば、トランジスタ）および／または小型化されたＲＲＡＭ装置へ電流または電圧を提供する集積回路の効果的な小型化を妨げることにもなり得る。さらにまた、小型化したＲＲＡＭ装置は、比較的小さい面積の上部電極を有し得る。そのような上部電極は、より大きなＲＲＡＭ装置のそれと同じ程度の酸素の吸収が可能でないことがある。このことは、装置の故障および／またはＲＲＡＭ装置の動作の失敗を生じさせるおそれがある。たとえば、装置の故障は、酸素分子の存在による反応性電極と切り替え酸化物の間における層間剥離によって生じる可能性がある。別の例として、外部電圧下で酸素イオンが切り替え酸化物から上部電極へドリフトし、それがその外部電圧が取り除かれた後に切り替え酸化物へ戻ることが考えられ、その結果、動作が揮発性となり、不揮発性メモリについてはそれが動作故障となる。
【0028】
したがって、本開示は、ＲＲＡＭ装置の性能を増強し、低電力ＩＭＣ応用を実装することができるＲＲＡＭ装置内の欠陥を操作するためのメカニズムを提供する。いくつかの実施態様において、ＲＲＡＭ装置は、下部電極、下部電極の上に作製される第１の界面層、第１の界面層の上に作製される切り替え酸化物層、および上部電極を含むことができる。下部電極は、Ｐｔまたは任意の他の適切な非活性金属を含むことができる。切り替え酸化物層は、ＨｆＯｘ、ＴａＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｂＯｘ、ＺｒＯｘ等の遷移金属酸化物を含むことができる。第１の界面層は、遷移金属酸化物より化学的に安定した第１の材料の不連続膜を含むことができる。第１の材料は、たとえばＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を含むことができる。
【0029】
いくつかの実装において、ＲＲＡＭ装置は、切り替え酸化物層の上に作製される第２の界面層をさらに含むことができる。その種の実装において、その第２の界面層の上に上部電極を作製することができる。第２の界面層は、遷移金属酸化物より化学的に安定した第２の材料の不連続膜を含むことができ、かつ、さらに低電流および低電力動作のために切り替え酸化物を通る電路を制限することができる。
【0030】
欠陥工学層は、切り替え酸化物層および／または第２の界面層の上に作製することができる。欠陥工学層は、切り替え酸化物層内に欠陥を発生させるための適切な金属材料の第１の層を含むことができる。いくつかの実施態様において、欠陥工学層は、チタン（Ｔｉ）の層を含むことができる。当該金属材料の第１の層は、約０．２ｎｍと５ｎｍの間の厚さを有する薄い層とすることができる。欠陥工学層は、装置の動作の間に酸素のトラップおよびリリースを行うことができる。ＲＲＡＭ装置内への欠陥工学層の組み込みは、切り替え金属酸化物内に高密度の電子欠陥（たとえば、酸素欠乏欠陥）を生成することができる。電子欠陥は、室温において、またはそれより下かそれより上において、電界の下に切り替え酸化物層内の電荷の輸送を補助することが可能である。いくつかの実施態様において、その電荷を、－２の電荷を運ぶ酸素イオンＯ－２、または＋２の電荷を運ぶ酸素欠乏Ｖｏ＋２等のイオン電荷とすることができる。いくつかの実施態様において、その電荷を、バランス帯と伝導帯の間のエネルギを伴って欠乏サイト内にトラップされているｅ－１等の電子電荷とすることができ、ｅは電子を表し、－１は、電子によって運ばれる電荷を表す。トラップされた電子は、電界の下において、伝導帯（より低い励起エネルギを伴う）へ励起されること、または伝導帯への励起を伴うことなく１つのトラップから別のトラップへホップすること（トンネリングとも呼ばれる）ができる。ＲＲＡＭ装置内への薄い欠陥工学層の組み込みは、したがって、ＲＲＡＭ装置の未使用抵抗を変化させることができ、その結果として、より突発的でない形成プロセスがもたらされ、形成電圧が引き下げられ、リセット電流が引き下げられ、かつその後に続く動作プロセスにおける電圧および／または電流要件が引き下げられる。
【0031】
さらに欠陥工学層は、Ｔａまたは任意の他の適切な金属材料の第２の層を含むことができる。
【0032】
いくつかの実施態様において、欠陥工学層は、１つの実装において１つ以上のＴａの合金を含むことができる。Ｔａの合金は、Ｔａを含有する二元合金、Ｔａを含有する三元合金、Ｔａを含有する四元合金、Ｔａを含有する五元合金、Ｔａを含有する六元合金、および／またはＴａを含有する高次合金（たとえば、６より多くの金属元素を含有する合金）とすること、および／またはそれを含むことができる。これらの合金のそれぞれは、Ｔａおよび１つ以上の他のＴａ以外の、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の必要とされる熱力学的および／または運動学的基本属性を有する金属元素を含むことができる。たとえば、純Ｔａ金属に代えてＴａの合金を使用して上部電極を作製することは、形成プロセスの間における切り替え酸化物層内へのＴａの移動を低減することができ、かつ切り替え酸化物層内に形成されるフィラメントのサイズを（たとえば、フィラメントの横方向寸法または直径を減ずることによって）したがって減ずることができる。このことは、ＲＲＡＭ装置のフィラメント抵抗を増加することができ、かつ低抵抗状態および高抵抗状態の両方におけるＲＲＡＭ装置の抵抗を、したがって増加することができ、それがＲＲＡＭ装置の形成、設定、再設定、および／または調整といったＲＲＡＭ装置の動作のために要求される電圧および／または電流を、したがって引き下げることができる。欠陥工学層を組み込んだＲＲＡＭ装置は、動的学習、エッジ処理、推論エンジン加速装置、およびその他のＩＭＣ応用の実装に適した動的なメモリスタの動き具合を多次元において呈することができる。
【0033】
したがって、本開示は、高いフィラメント抵抗および引き下げられた動作電圧および電流を達成するＲＲＡＭ装置内における欠陥工学技術を提供する。本明細書に述べられているＲＲＡＭ装置は、高抵抗範囲（たとえば、１０ｋΩから１０ＭΩまで）におけるＩＭＣ応用のために望ましい線形性、アナログ的、保持力、および耐久性等の動き具合を呈する。この技術は、ＲＲＡＭ装置の効率的な小型化、およびＲＲＡＭ装置を利用した低消費電力ＩＭＣ応用を可能にすることができる。
【0034】
図１は、本開示のいくつかの実施態様に従ったクロスバー回路１００の例を説明する概略図である。図のように、クロスバー回路１００は、ｎ行ｍ列クロスバー・アレイのための１つ以上の行ワイヤ１１１ａ、１１１ｂ、・・・、１１１ｉ、・・・、１１１ｎ、および列ワイヤ１１３ａ、１１３ｂ、・・・、１１３ｊ、・・・、１１３ｍ等の複数の相互接続導電性ワイヤを含むことができる。クロスバー回路１００は、クロスポイント装置１２０ａ、１２０ｂ、・・・、１２０ｚ等をさらに含むことができる。クロスポイント装置のそれぞれは、行ワイヤおよび列ワイヤと接続することができる。たとえば、クロスポイント装置１２０ｉｊは、行ワイヤ１１１ｉおよび列ワイヤ１１３ｊと接続することができる。いくつかの実施態様において、クロスバー回路１００は、デジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ、図示せず）、アナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ、図示せず）、スイッチ（図示せず）、および／またはクロスバー・ベースの装置の実装のために適した任意の他の回路構成要素をさらに含むことができる。列ワイヤ１１３ａ－ｍの数と行ワイヤ１１１ａ－ｎの数は、同一で良く、またはそうでなくても良い。
【0035】
行ワイヤ１１１は、第１の行ワイヤ１１１ａ、第２の行ワイヤ１１１ｂ、・・・、１１１ｉ、およびｎ番目の行ワイヤ１１１ｎを含むことができる。行ワイヤ１１１ａ、・・・、１１１ｎのそれぞれは、任意の適切な導電性材料とすること、および／またはそれを含むことができる。いくつかの実施態様において、各行ワイヤ１１１ａ－ｎを金属ワイヤとすることができる。
【0036】
列ワイヤ１１３は、第１の列ワイヤ１１３ａ、第２の列ワイヤ１１３ｂ、・・・、およびｍ番目の列ワイヤ１１３ｍを含むことができる。列ワイヤ１１３ａ－ｍのそれぞれは、任意の適切な導電性材料とすること、および／またはそれを含むことができる。いくつかの実施態様において、各列ワイヤ１１３ａ－ｍを金属ワイヤとすることができる。
【0037】
各クロスポイント装置１２０は、メモリスタ、ＰＣＭ装置、フローティング・ゲート、スピントロニクス装置、ＲＲＡＭ、ＳＲＡＭといった可調抵抗を伴う任意の適切な装置とすること、および／またはそれを含むことができる。いくつかの実施態様において、クロスポイント装置１２０のうちの１つ以上が、図３Ａ－５Ｂに関連して記載のとおりＲＲＡＭ装置を含むことができる。
【0038】
クロスバー回路１００は、並列重み付け電圧逓倍および電流加算を行うことができる。たとえば、入力電圧信号をクロスバー回路１００の１つ以上の行（たとえば、１つ以上の選択された行）へ印加することができる。入力信号は、クロスバー回路１００のそれらの行のクロスポイント装置を通って流れることができる。クロスポイント装置のコンダクタンスは、特定の値（『重み付けする』と言うこともある）に調整することができる。オームの法則によって入力電圧にクロスポイントのコンダクタンスを乗ずると、クロスポイント装置からの電流が生成する。キルヒホッフの法則によって、各列上の装置を通過する電流の合計が出力信号としての電流を生成し、それを列から読み出すことができる（たとえば、ＡＤＣの出力）。オームの法則およびキルヒホッフの電流法則によれば、クロスバー・アレイの入力－出力の関係は、Ｉ＝ＶＧとして表すことが可能であり、Ｉは、電流として表される出力信号行列であり；Ｖは、電圧として表される入力信号行列であり；Ｇは、クロスポイント装置のコンダクタンス行列を表す。したがって、入力信号はクロスポイント装置のそれぞれにおいて、オームの法則に従ってそれのコンダクタンスによって重み付けされる。重み付けされた電流は、各列ワイヤを介して出力され、キルヒホッフの電流法則に従って累積され得る。このことは、クロスバー・アレイ内において行われる並列逓倍および加算を介したインメモリ・コンピューティング（ＩＭＣ）を可能にすることができる。
【0039】
図２は、本開示のいくつかの実施態様に従った一例のクロスポイント装置２００を説明する概略図である。図のように、クロスポイント装置２００は、ビットライン（ＢＬ）２１１、選択ライン（ＳＥＬ）２１３、およびワードライン（ＷＬ）２１５を接続することができる。ビットライン２１１およびワードライン２１５は、それぞれ、図１に関連して記載のとおり列ワイヤおよび行ワイヤとすることができる。
【0040】
クロスポイント装置２００は、ＲＲＡＭ装置２０１およびトランジスタ２０３を含むことができる。トランジスタは、３端子装置であり、それぞれゲート（Ｇ）、ソース（Ｓ）、およびドレイン（Ｄ）としてマークすることができる。トランジスタ２０３は、ＲＲＡＭ装置２０１と直列に接続することができる。図２に示されているとおり、ＲＲＡＭ装置２０１の第１の電極をトランジスタ２０３のドレインに接続することができる。ＲＲＡＭ装置２０１の第２の電極は、ビットライン２１１に接続することができる。トランジスタ２０３のソースは、ワードライン２１５に接続することができる。トランジスタ２０３のゲートは、選択ライン２１３に接続することができる。ＲＲＡＭ装置２０１は、以下において図３Ａ－７に関連して記載のとおり１つ以上のＲＲＡＭ装置を含むことができる。クロスポイント装置２００は、１トランジスタ－１抵抗（１Ｔ１Ｒ）構成と呼ばれることもある。トランジスタ２０３は、プログラミングの間、ＲＲＡＭ装置２０１に対するセレクタとしてはもとより、電流コンプライアンスを設定できる電流コントローラとしても働くことができる。トランジスタ２０３のゲート電圧は、プログラミングの間にクロスポイント装置２００に対する電流コンプライアンスを設定することが可能であり、かつクロスポイント装置２００のコンダクタンスおよびアナログ的動き具合を、したがって制御することが可能である。たとえば、クロスポイント装置２００を高抵抗状態から低抵抗状態に設定するとき、ビットライン（ＢＬ）２１１を介して設定信号（たとえば、電圧信号、電流信号）を提供することができる。選択ライン（ＳＥＬ）２１３を介して選択電圧またはゲート電圧とも呼ばれる別の電圧をトランジスタのゲートに印加し、ゲートを開き、かつ電流コンプライアンスを設定することが可能であり、一方、ワードライン（ＷＬ）２１５は接地に設定することができる。クロスポイント装置２００を低抵抗状態から高抵抗状態へリセットするときには、選択ライン２１３を介してトランジスタ２０３のゲートにゲート電圧を印加し、トランジスタのゲートを開くことができる。一方、ワードライン２１５を介してＲＲＡＭ装置２０１へリセット信号を送ることができ、その間、ビットライン２１１は接地に設定することができる。
【0041】
図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の断面図を説明している。ＲＲＡＭ装置３００ａ、３００ｂ、および３００ｃは、それぞれ、初期状態、低抵抗状態、および高抵抗状態にあるＲＲＡＭ装置と対応させることができる。
【0042】
図３Ａに示されているとおり、ＲＲＡＭ装置３００ａは、基板３１０、第１の電極３２０、切り替え酸化物層３３０、および第２の電極３４０を含むことができる。さらにＲＲＡＭ装置３００ａは、インメモリ・コンピューティング応用を実装するための構成要素を１つ以上の他の含むことができる。
【0043】
基板３１０は、シリコン（Ｓｉ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）といったＲＲＡＭ装置のための基板として働くことができる任意の適切な材料の層を１つ以上含むことができる。いくつかの実施態様において、基板３１０が、ダイオード、トランジスタ、相互接続、集積回路等を含むことができる。いくつかの実施態様において、基板が、個別に制御可能とし得る１つ以上の電気回路（たとえば、電気回路のアレイ）を含む駆動回路を含むことができる。いくつかの実施態様において、駆動回路は、１つ以上の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）ドライバを含むことができる。
【0044】
第１の電極３２０は、電子導電性であり、かつ切り替え酸化物に対して非反応性である任意の適切な材料であるとすること、および／またはそれを含むことができる。たとえば、第１の電極３２０は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等を含むことができる。
【0045】
切り替え酸化物層３３０は、二元酸化物、三元酸化物、および高次酸化物の形でＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｂＯｘ、ＺｒＯｘ等の遷移金属酸化物を１つ以上含むことができる。いくつかの実施態様において、第１の電極３２０内の非反応性材料の化学的安定性が、切り替え酸化物層３３０内の遷移金属酸化物のそれより高いとすることができる。
【0046】
第２の電極３４０は、任意の適切な、電子導電性であり、かつ切り替え酸化物に対して反応性の金属材料を含むことができる。たとえば、第２の電極３４０内の金属材料は、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａＮ等を含むことができる。第２の電極３４０は、切り替え酸化物に対して反応性とすることができ、かつ適切な酸素可溶性を有して切り替え酸化物層３３０からいくらかの酸素を吸着し、切り替え酸化物層３３０内に酸素空格子点を作り出すことができる。言い換えると、第２の電極３４０内の反応性金属材料は、適切な酸素可溶性、および／または酸素移動度を有することができる。いくつかの実施態様において、第２の電極３４０は、切り替え酸化物層３３０内に酸素空格子点を作り出すことが可能（たとえば、酸素をスキャベンジ（除去）することによって）であるだけでなく、セルのプログラミングの間における切り替え酸化物層３３０に対する酸素リザーバまたはソースとしても機能することができる。
【0047】
ＲＲＡＭ装置３００ａは、それが作製された後に初期抵抗（ここでは『未使用抵抗』と言うこともある）を有しているとし得る。ＲＲＡＭ装置３００ａの初期抵抗は、変化させることができ、またＲＲＡＭ装置３００ａは、形成プロセスを介して低抵抗状態へ切り替えることができる。たとえば、ＲＲＡＭ装置３００ａへ適切な電圧または電流を印加することができる。ＲＲＡＭ装置３００ａへの電圧の印加は、第２の電極内の金属材料による切り替え酸化物層３３０からの酸素の吸収を誘導し、切り替え酸化物層３３０内に酸素空格子点を作り出すことができる。その結果として、酸素空格子点が豊富な導電チャンネル（たとえば、フィラメント）を切り替え酸化物層３３０内に形成することができる。たとえば、図３Ｂで説明するように、導電チャンネル３３５ａを切り替え酸化物層３３０内に形成することができる。図のように、導電チャンネル３３５ａを、第２の電極３４０から第１の電極３２０まで、切り替え酸化物層３３０を横切って形成することができる。ＲＲＡＭ装置３００ｂは、フィラメント・モードにおいて動作していると見做すことができ、電気伝導は金属フィラメントを介した伝導によって支配され、その一方、切り替え酸化物内の電子欠陥による電気伝導は、無視し得る。ＲＲＡＭ装置３００ｂは、高抵抗状態にリセットすることができる。たとえば、リセットプロセスの間にリセット信号（たとえば、電圧信号または電流信号）をＲＲＡＭ装置３００ｂへ印加することができる。いくつかの実施態様において、セット信号およびリセット信号が逆極性を、すなわち、それぞれ、正の信号および負の信号を有することができる。リセット信号の印加は、切り替え酸化物層３３０へ酸素が戻るドリフトを生じさせて、１つ以上の酸素空格子点と再結合させることができる。たとえば、図３Ｃに示されるとおり、リセットプロセスの間に切り替え酸化物層３３０内に途中で遮られた導電チャンネル３３５ｂを形成することができる。そこに示されているとおり、導電チャンネルは、途中で遮られた導電チャンネル３３５ｂと第１の電極３２０の間の酸化物のギャップを用いて遮ることができる。導電チャンネル３３５ｂの横方向寸法は、導電チャンネル３３５ａのそれより小さくすることができる。いくつかの実施態様において、導電チャンネル３３５ｂは、第１の電極３２０および第２の電極３４０を連続的に接続しない。酸化物ギャップ３３５ｃが、中断されたフィラメント３３５ｂと第１の電極３２０の間に位置する。ＲＲＡＭ装置３００ｃは、非フィラメント・モードにおいて動作していると見做すことができ、中断されたフィラメント３３５ｂより遙かに高い抵抗を有することができる切り替え酸化物ギャップ３３５ｃ内の電子欠陥によって電気伝導が支配されるとすることができる。ＲＲＡＭ装置３００ａ－ｃは、ＲＲＡＭ装置へ適切なプログラミング信号（たとえば、電圧信号、電流信号等）を印加することによって、高抵抗状態と低抵抗状態の間を電気的に切り替えることができる。
【0048】
上記のように、ＲＲＡＭ装置を非フィラメント・モードにおいて動作させて、望ましい高抵抗（たとえば、Ｇｏより高い抵抗）を達成することが必要となり得る。たとえば、図３Ｃに示されているとおり、中断されたフィラメント３３５ｂおよび中断されたフィラメント３３５ｂと第１の電極の間に位置する酸化物ギャップ３３５ｃを含む電路が形成される。したがって、Ｇｏより高い抵抗を伴う高抵抗ＲＲＡＭを必要とする応用のためには、切り替え酸化物内における欠陥工学および電子欠陥制御が重要である。
【0049】
図４Ａ－４Ｆは、本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の構造の例４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、４００ｄ、４００ｅ、および４００ｆの断面図を説明する概略図である。
【0050】
図４Ａで説明するように、第１の電極４２０を基板４１０の上に作製することができる。第１の電極４２０および基板４１０は、図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃに関連して記載のとおり第１の電極３２０および基板３１０に、それぞれ対応させることができる。
【0051】
図４Ｂで説明するように、界面層４２２を第１の電極４２０の上に作製することができる。界面層４２２（ここでは、『第１の界面層』と言うこともある）は、不連続膜４２２ａとすること、および／またはそれを含むことができる。たとえば、不連続膜４２２ａは、１つ以上の細孔４２４を含むことができる。細孔４２４（ここでは、『第１の細孔』と言うこともある）は、任意の適切なサイズおよび／または寸法を有することができ、かつ界面層４２２上にランダムに分散配置することができる。図４Ｂには特定数の細孔が説明されているが、これは単なる例証に過ぎない。不連続膜４２２ａは、任意の適切な数の細孔を含むことができる。いくつかの実施態様において、界面層４２２および／または不連続膜４２２ａの厚さを、約０．２ｎｍと約０．５ｎｍの間とすることができる。いくつかの実施態様において、不連続膜４２２ａを、０．５ｎｍ以下の厚さを有するＡｌ２Ｏ３膜とすることができる。いくつかの実施態様において、不連続膜４２２ａを、１ｎｍ未満の厚さを有するＡｌ２Ｏ３膜であるとすること、および／またはそれを含むことができる。
【0052】
図４Ｃで説明するように、切り替え酸化物層４３０を界面層４２２の上に作製することができる。切り替え酸化物層４３０は、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｂＯｘ、ＺｒＯｘ等の遷移金属酸化物を、１つ以上、二元酸化物、三元酸化物、および高次酸化物の形で含むことができ、ｘは、完全（または、最終的な）酸化物と比較したときに酸素欠乏であることを示すために使用することができ、ｘの値は、ＨｆＯｘについてのｘ≦２．０（これにおいて完全酸化物は、ＨｆＯ２）、またＴａＯｘについてのｘ≦２．５（これにおいて完全酸化物は、Ｔａ２Ｏ５）というように、完全酸化物の化学量論における酸素対金属原子比から変化させることができる。一例として、切り替え酸化物層４３０は、Ｔａ２Ｏ５を含むことができる。その他の例としては、切り替え酸化物層４３０がＨｆＯ２を含むことができる。
【0053】
いくつかの実施態様において、切り替え酸化物層４３０を作製する間に、１つ以上の細孔４２４を通して第１の電極４２０上に遷移金属酸化物の１つ以上の部分を配置することができる。したがって、切り替え酸化物層４３０は、第１の電極４２０の１つ以上の部分と接触することができる。
【0054】
いくつかの実施態様において、界面層４２２が、切り替え酸化物層４３０内の遷移金属酸化物より化学的に安定した第１の材料を含有することができる。その結果として、当該第１の材料は、切り替え酸化物層４３０の遷移金属酸化物と反応することができない。一例として、切り替え酸化物層の切り替え酸化物は、ＨｆＯｘまたはＴａＯｙ（これにおいて、ｘ≦２．０、ｙ≦２．５）のうち少なくとも１つというように１つ以上の遷移金属酸化物であるとすること、および／またはそれを含むことができ、第１の材料は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を含むことができる。
【0055】
図８を参照するが、切り替え酸化物層４３０内の遷移金属酸化物より化学的に安定した材料は、エリンガム・ダイアグラムを使用して識別することができる。図で説明するように、エリンガム・ダイアグラムは、酸化反応についてのギブズ自由エネルギ変化を温度の関数としてプロットする。材料の化学的安定性は、材料のギブズ形成エネルギ値に基づいて決定することができる。図８の垂直軸上に示されているギブズ自由エネルギは、酸化物形成エネルギを表すことができる。界面層４２２の材料の曲線が、切り替え酸化物層４３０の遷移金属酸化物に対応する曲線より下になることがあり得る。一例として、いくつかの実施態様において、Ａｌ２Ｏ３を第１の材料として使用することができ、切り替え酸化物層４３０内の遷移金属酸化物はＨｆＯ２またはＴａ２Ｏ５を含有する。設定プロセスおよび再設定プロセスの間に、Ａｌ２Ｏ３を含有する第１の材料はＨｆＯ２またはＴａ２Ｏ５を含有する遷移金属酸化物と反応することはない。
【0056】
図４Ｄに示されているとおり、第２の電極４４０を切り替え酸化物層４３０の上に作製することができる。第２の電極４４０は、切り替え酸化物層４３０内に欠陥を発生させるための欠陥工学層として機能することができる。いくつかの実施態様において、第２の電極４４０は、図７に関連して記載するとおり、１つ以上の上部電極７００を含むことができる。いくつかの実施態様において、切り替え酸化物層４３０の上に作製された第２の電極４４０は、１つ以上の合金を含むことができる。それらの合金のそれぞれは、２つ以上の金属元素を含有することができる。それらの合金のそれぞれは、二元合金（たとえば、２つの金属元素を含有する合金）、三元合金（たとえば、３つの金属元素を含有する合金）、四元合金（たとえば、４つの金属元素を含有する合金）、五元合金（たとえば、５つの金属元素を含有する合金）、六元合金（たとえば、６つの金属元素を含有する合金）、および／または高次合金（たとえば、６つを超える金属元素を含有する合金）を含むことができる。いくつかの実施態様において、第２の電極４４０が、第１の金属元素および１つ以上の第２の金属元素を含有する１つ以上の合金を含むことができる。第２の金属元素のそれぞれは、切り替え酸化物層内の遷移金属酸化物に対する反応性が第１の金属元素より低いこともあり、またはそれより高いこともある。いくつかの実施態様において、第１の金属元素をＴａとすることができる。第２の金属元素は、Ｗ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ等のうちの１つ以上を含むことができる。いくつかの実施態様において、第２の電極３４０内の合金内の第２の金属元素に対する第１の金属元素の比を約５０原子パーセントとすることができる。いくつかの実施態様において、当該合金内の第２の金属元素に対する第１の金属元素の適切な比を、全体の組成範囲から最適化することができる。形成プロセスの間において、第２の金属元素が、切り替え酸化物層内に第１の金属元素より少ない酸素空格子点を作り出すことができる。したがって、その合金を含有する第２の電極を包含するＲＲＡＭ装置内に形成されるフィラメントの横方向サイズを、第１の金属のみから作られた第２の電極を包含するＲＲＡＭ装置内に形成されるフィラメントのそれより小さくすることができる。ＲＲＡＭ装置内の第２の電極４４０内におけるＴａを含有する合金の実装は、結果として、より突発的でない形成プロセスをもたらし、形成電圧を引き下げ、リセット電流を引き下げ、かつその後に続く動作プロセスにおける電圧および／または電流要件を引き下げることができる。さらにまた、第２の電極４４０内におけるＴａを含有する合金の組み込みは、高抵抗を伴うＲＲＡＭを必要とする動作を行うために適した電子欠陥を切り替え酸化物内に発生させることもできる。第２の電極４４０内におけるＴａの組み込みもまた、欠陥を切り替え酸化物内に発生させることが可能である。これらの欠陥は、一般に、切り替え酸化物層内における酸素イオンの移動を増強することができる構造欠陥である酸素欠乏として考えられる。フィラメント・モードにおける電気伝導が、切り替え酸化物層内の電子欠陥によってではなく、金属フィラメントによって支配されることから、電子欠陥としての酸素欠乏は、フィラメント・モードにおけるＲＲＡＭ装置の動作に影響を与えない。しかしながら、非フィラメント・モードにおいて、これらの酸素欠乏が、構造欠陥としてではなく電子欠陥として働き（電子をトラップおよびデトラップし）（酸素イオンを移動させること）ができる。Ｔａを組み込んだ合金は、切り替え酸化物層４３０内に、非フィラメント・モードにおける高抵抗を伴う電気伝導のための電子欠陥を提供することができる。電子欠陥を伴うＲＲＡＭ装置は、低電流、アナログ抵抗、多レベル抵抗、Ｉ－Ｖ（電流－電圧）線形性等のＩＭＣ応用に決定的な特定の電子挙動を呈することができる。
【0057】
一例として、第２の電極４４０は、Ｔａを含有する１つ以上の合金（『Ｔａ合金』と言うこともある）を含むことができる。Ｔａ合金のそれぞれは、Ｔａおよび１つ以上の他の金属元素（たとえば、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ等）を含むことができる。一例として、第２の電極４４０は、Ｔａを含有する１つ以上の二元合金を含むことができる。Ｔａを含有する二元合金の例には、Ｔａ－Ｈｆ合金、Ｔａ－Ｗ合金、Ｔａ－Ｍｏ合金、Ｔａ－Ｎｂ合金、Ｔａ－Ｚｒ合金等が含まれる。別の例として、第２の電極４４０は、Ｔａを含有する１つ以上の三元合金を含むことができる。Ｔａを含有する三元合金の例には、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｎｂ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｗ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｚｒ合金、Ｔａ－Ｍｏ－Ｎｂ合金、Ｔａ－Ｍｏ－Ｗ合金、Ｔａ－Ｍｏ－Ｚｒ合金、Ｔａ－Ｎｂ－Ｗ合金、Ｔａ－Ｎｂ－Ｚｒ合金、Ｔａ－Ｗ－Ｚｒ合金等が含まれる。さらに別の例として、第２の電極４４０は、Ｔａを含有する１つ以上の四元合金を含むことができる。Ｔａを含有する四元合金の例には、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｎｂ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｗ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｚｒ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｎｂ－Ｗ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｎｂ－Ｚｒ合金、Ｔａ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｗ合金、Ｔａ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｚｒ合金、Ｔａ－Ｎｂ－Ｗ－Ｚｒ合金等が含まれる。さらなる例として、第２の電極４４０は、Ｔａを含有する１つ以上の五元合金を含むことができる。Ｔａを含有する五元合金の例には、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｗ合金、Ｔａ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｗ－Ｚｒ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｎｂ－Ｗ－Ｚｒ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｗ－Ｚｒ合金、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｚｒ合金等が含まれる。さらに別の例として、第２の電極４４０は、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｗ－Ｚｒ合金等の、Ｔａを含有する六元合金を含むことができる。さらなる例として、第２の電極４４０は、Ｔａを含有する高次合金を含むことができる。いくつかの実施態様において、高次合金が、さらにバナジウム（Ｖ）を含有することができる。
【0058】
いくつかの実施態様において、第２の電極４４０が複数の合金を含むことができる。それらの合金のそれぞれは、Ｔａおよび１つ以上の他の金属元素（たとえば、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ等）を含有するＴａ合金とすることができる。当該Ｔａ合金は、二元合金、三元合金、四元合金、五元合金、六元合金、高次合金等とすること、および／またはそれを含むことができる。一例として、第２の電極４４０は、Ｔａを含有する第１の合金、Ｔａを含有する第２の合金、Ｔａを含有する第３の合金、Ｔａを含有する第４の合金、Ｔａを含有する第５の合金、およびＴａを含有する第６の合金のうちの２つ以上を含むことができる。いくつかの実施態様において、Ｔａを含有する第１の合金、Ｔａを含有する第２の合金、Ｔａを含有する第３の合金、Ｔａを含有する第４の合金、Ｔａを含有する第５の合金、およびＴａを含有する第６の合金を、それぞれ、二元合金、三元合金、四元合金、五元合金、六元合金、および高次合金等とすることができる。
【0059】
いくつかの実施態様第２の電極４４０内の複数の合金は、それと同数の金属元素の組み合わせに対応することができる。たとえば、Ｔａを含有する第１の合金およびＴａを含有する第２の合金が、それぞれ、Ｔａを含有する第１の二元合金（たとえば、Ｔａ－Ｗ合金）およびＴａを含有する第２の二元合金（たとえば、Ｔａ－Ｍｏ合金）を含むことができる。別の例として、Ｔａを含有する第１の合金およびＴａを含有する第２の合金が、それぞれ、Ｔａを含有する第１の三元合金（たとえば、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ合金）およびＴａを含有する第２の三元合金（たとえば、Ｔａ－Ｈｆ－Ｎｂ合金）を含むことができる。さらなる例として、第２の電極４４０は、複数の合金系を含むことができる。当該合金系のそれぞれは、多様な組成を伴う特定の金属元素の混合物を含有する合金を含有することができる。たとえば、二元系は、多様な組成を伴う２つの金属元素（たとえば、ＴａおよびＨｆ）の二元合金を１つ以上含むことができる。当該二元合金のそれぞれは、特定の組成を伴う２つの金属元素の組み合わせとすることができる。別の例として、三元系は、多様な組成を伴う３つの金属元素（たとえば、Ｔａ、Ｈｆ、およびＷ）の三元合金を１つ以上含むことができる。当該三元合金のそれぞれは、特定の組成を伴う３つの金属元素の組み合わせとすることができる。いくつかの実施態様において、第２の電極４４０が、１つ以上の合金系を含有するＴａ合金系を含むことができる。いくつかの実施態様において、当該Ｔａ合金系が、２つ以上の合金系を含むことができる。たとえば、当該Ｔａ合金系は、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、およびＺｒのうちの１つ以上の合金を含有する六元系を含有することができる。さらに当該Ｔａ合金系は、Ｔａ合金を含有する１つ以上の二元系、三元系、四元系、および／または五元系を含むことができる。二元系は、Ｔａ－Ｈｆ合金系、Ｔａ－Ｗ合金系、Ｔａ－Ｍｏ合金系、Ｔａ－Ｎｂ合金系、および／またはＴａ－Ｚｒ合金系のうちの１つ以上を含むことができる。三元系は、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ合金系、Ｔａ－Ｈｆ－Ｎｂ合金系、Ｔａ－Ｈｆ－Ｗ合金系、Ｔａ－Ｈｆ－Ｚｒ合金系、Ｔａ－Ｍｏ－Ｎｂ合金系、Ｔａ－Ｍｏ－Ｗ合金系、Ｔａ－Ｍｏ－Ｚｒ合金系、Ｔａ－Ｎｂ－Ｗ合金系、Ｔａ－Ｎｂ－Ｚｒ合金系、および／またはＴａ－Ｗ－Ｚｒ合金系のうちの１つ以上を含むことができる。四元系は、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｎｂ合金系、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｗ合金系、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｚｒ合金系、Ｔａ－Ｈｆ－Ｎｂ－Ｗ合金系、Ｔａ－Ｈｆ－Ｎｂ－Ｚｒ合金系、Ｔａ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｗ合金系、Ｔａ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｚｒ合金系、Ｔａ－Ｎｂ－Ｗ－Ｚｒ合金系のうちの１つ以上を含むことができる。五元系は、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｗ合金系、Ｔａ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｗ－Ｚｒ合金系、Ｔａ－Ｈｆ－Ｎｂ－Ｗ－Ｚｒ合金系、Ｔａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｗ－Ｚｒ合金系、および／またはＴａ－Ｈｆ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｚｒ合金系のうちの１つ以上を含むことができる。第２の電極４４０内に含有される合金系のそれぞれは、一意的な熱力学的および運動学的特性を有することができ、かつ電極の構成要素として考えることができる。したがって、第２の電極４４０は、コンピューティングおよび学習のための多様な時定数を伴う豊富なダイナミクスを導くことができる複数の状態変数を提供するための複数の電極構成要素を含むことができる。たとえば、各電極構成要素は、切り替え酸化物に対する異なる反応性または酸素との親和力を有することができる。各電極要素は、異なる拡散性（たとえば、自己拡散、相互拡散、拡散時定数等）を有することができる。複数の構成要素を伴う第２の電極４４０は、ＩＭＣ応用のための複数の動的動き具合を提供することができる。したがって、多構成要素の第２の電極を組み込んだＲＲＡＭ装置は、動的なメモリスタの動き具合を多次元において呈することができる。さらにまた、多構成要素の第２の電極の実装は、高抵抗を伴うＲＲＡＭを必要とする動作を行うために適した電子欠陥を切り替え酸化物内に発生させることもできる。電子欠陥を伴うＲＲＡＭ装置は、低電流、アナログ抵抗、多レベル抵抗、Ｉ－Ｖ（電流－電圧）線形性等のＩＭＣ応用に決定的な特定の電子挙動を呈することができる。
【0060】
図４Ｅおよび４Ｆは、ＲＲＡＭ装置４００ｄの低抵抗状態および高抵抗状態にそれぞれを対応させることができる半導体装置４００ｅおよび４００ｆを説明している。不連続膜４２２ａの組み込みは、切り替え酸化物層４３０と第１の電極４２０の間における接触を低減することができる。図４Ｅで説明するように、導電チャンネル４３５ａ（たとえば、フィラメント）を第２の電極４４０から界面層４２２および切り替え酸化物層４３０を通して第１の電極４２０まで形成することができる。図４Ｆで説明するように、リセットプロセスの間に切り替え酸化物層４３０内に途中で遮られた導電チャンネル４３５ｂを形成することができる。図３Ｂおよび３Ｃと比較すると、導電チャンネル４３５ａおよび途中で遮られた導電チャンネル４３５ｂの横方向サイズは、それぞれ、３３５ａおよび３３５ｂのそれより小さくすることができる。したがって、不連続膜４２２ａを伴ったＲＲＡＭ装置内に形成されるフィラメントの横方向サイズを、第１の電極と切り替え酸化物層の間に形成される多孔性かつ／または不連続な膜を伴わないＲＲＡＭ装置内に形成されるフィラメントのそれより小さくすることができる。たとえば、未使用状態において作製される非多孔性の、または連続する膜（たとえば、非多孔性の、または連続する界面層）を伴うＲＲＡＭ装置を形成することは、非多孔性の、または連続する膜を絶縁破壊してＲＲＡＭ装置を通る電路を設定することが必要となり得る。非多孔性の、または連続する膜の絶縁破壊は、突発的なものとなる可能性があり、またＲＲＡＭ装置内における導電性フィラメントの過形成または過成長をもたらすこともあり、それがその後に続くＲＲＡＭ装置の低電流動作を低下させるか、または妨げる可能性がある。ＲＲＡＭ装置内への不連続膜４２２ａの組み込みは、結果として、より突発的でない形成プロセスをもたらし、形成電圧を引き下げ、リセット電流を引き下げ、かつその後に続く動作プロセスにおける電圧および／または電流要件を引き下げることができる。
【0061】
いくつかの実施態様において、ＲＲＡＭ装置は、第１の電極と第２の電極の間に作製される複数の界面層を含むことができる。それらの界面層のそれぞれは、図４Ｂに関連して記載のとおり不連続膜を含むことができる。たとえば、図５Ａで説明するように、半導体装置５００ａを、半導体構造４００ｃの上に界面層５３２（『第２の界面層』と言うこともある）を図４Ｃに関連して記載のとおり作製することによって作製することができる。いくつかの実施態様において、第２の界面層５３２は、第２の材料の不連続膜５３２ａを含むことができる。第２の材料は、切り替え酸化物層４３０内の少なくとも１つの遷移金属酸化物より化学的に安定であるとすることができる。一例として、第２の材料は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を含むことができる。第２の材料は、第１の材料と同じとすること、または同じでないとすることができる。
【0062】
不連続膜５３２ａは、１つ以上の細孔５３４（『１つ以上の第２の細孔』と言うこともある）を含むことができる。細孔５３４は、任意の適切なサイズおよび／または寸法を有することができる。複数の細孔５３４が有しているサイズおよび／または寸法は、同一とすること、または同一でないとすることができる。いくつかの実施態様において、第２の界面層５３２および／または第２の不連続膜５３２ａは、第２の不連続膜５３２ａ上にランダムに分散配置された複数の細孔５３４を含むことができる。不連続膜５３２ａは、任意の適切な数の細孔を含むことができる。
【0063】
いくつかの実施態様において、第２の界面層５３２および／または第２の不連続膜の厚さ（『第２の厚さ』と言うこともある）を約０．２ｎｍと約０．５ｎｍの間とすることができる。別の例として、第２の界面層５３２が、０．５ｎｍ以下の厚さを有する不連続Ａｌ２Ｏ３膜を含むことができる。いくつかの実施態様において、第２の界面層５３２は、１ｎｍ未満の厚さを有する不連続Ａｌ２Ｏ３膜を含むことができる。第２の界面層５３２の第２の厚さは、第１の界面層４２２の第１の厚さと同じとすること、または同じでないとすることができる。
【0064】
図５Ｂで説明するように、第２の電極５４０を第２の界面層５３２の上に作製して半導体装置５００ｂを作製することができる。したがって、第２の界面層５３２を切り替え酸化物層４３０と第２の電極５４０の間に位置決めすることができる。第２の電極５４０は、切り替え酸化物層４３０内に電子欠陥を発生させるための欠陥工学層として機能することができる。第２の電極５４０は、図４Ｄ－４Ｆに関連して記載のとおり、第２の電極４４０とすること、および／またはそれを含むことができる。いくつかの実施態様において、切り替え酸化物層４３０を作製する間に、１つ以上の細孔５３４を通して切り替え酸化物層４３０の上に第２の電極５４０の１つ以上の部分を配置することができる。したがって、第２の電極５４０は、それらの１つ以上の細孔５３４を通して切り替え酸化物層４３０の１つ以上の部分と接触することができる。
【0065】
図５Ｃおよび５Ｄは、ＲＲＡＭ装置５００ｂの低抵抗状態および高抵抗状態にそれぞれを対応させることができる半導体装置５００ｃおよび５００ｄを説明している。第１の界面層４２２および第２の界面層５３２両方の組み込みは、さらに、切り替え酸化物層４３０と第１の電極４２０の間における接触面積、および切り替え酸化物層４３０と第２の電極５４０の間における接触面積を低減することができる。図５Ｃで説明するように、導電チャンネル５３５ａ（たとえば、フィラメント）を第１の電極４２０から界面層４２２、切り替え酸化物層４３０、および第２の不連続膜５３２ａを通して第２の電極５４０まで形成することができる。図５Ｄで説明するように、リセットプロセスの間に切り替え酸化物層４３０内に途中で遮られた導電チャンネル５３５ｂを形成することができる。図３Ｂおよび３Ｃと比較すると、導電チャンネル５３５ａおよび途中で遮られた導電チャンネル５３５ｂの横方向サイズは、それぞれ、３３５ａおよび３３５ｂのそれよりさらに小さくすることができる。したがって、界面層４２２および第２の界面層５３２の両方を伴ったＲＲＡＭ装置内に形成されるフィラメントの横方向サイズがさらに低減され、その結果として、より突発的でない形成プロセス、形成電圧の引き下げ、リセット電流の引き下げ、およびその後に続く動作プロセスにおける電圧および／または電流要件の引き下げをもたらすことができる。
【0066】
いくつかの実施態様において、本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の切り替え酸化物層の上に界面層を作製することができる。たとえば、図６Ａで説明するように、切り替え酸化物層６３０を、図４Ａに描かれているとおりに半導体装置４００ａの上に作製することができる。界面層６３２を切り替え酸化物層６３０の上に作製して半導体装置６００ａを作製することができる。切り替え酸化物層６３０は、図４Ｃ－４Ｆに関連して記載のとおり切り替え酸化物層４３０とすること、および／またはそれを含むことができる。いくつかの実施態様において、界面層６３２は第３の材料の不連続膜を含むことができる。第３の材料は、切り替え酸化物層６３０内の少なくとも１つの遷移金属酸化物より化学的に安定であるとすることができる。一例として、第３の材料は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を含むことができる。
【0067】
不連続膜６３２ａは、１つ以上の細孔６３４（ここでは『１つ以上の第３の細孔』と言うこともある）を含むことができる。細孔６３４は、任意の適切なサイズおよび／または寸法を有することができ、かつ界面層６３２上にランダムに分散配置することができる。いくつかの実施態様において、界面層６３２の厚さ（『第３の厚さ』と言うこともある）を約０．２ｎｍと約０．５ｎｍの間とすることができる。別の例として、界面層６３２は、０．５ｎｍ以下の厚さを有することができる。さらなる例として、界面層６３２は、１ｎｍ未満の厚さを有することができる。
【0068】
図６Ｂで説明するように、第２の電極６４０を界面層６３２の上に作製して半導体装置６００ｂを作製することができる。第２の電極６４０は、切り替え酸化物層６３０内に電子欠陥を発生させるための欠陥工学層として機能することができる。したがって、界面層６３２を切り替え酸化物層６３０と第２の電極６４０の間に位置決めすることができる。第２の電極６４０は、図４Ｄ－４Ｆに関連して記載のとおり、第２の電極４４０とすること、および／またはそれを含むことができる。いくつかの実施態様において、第２の電極６４０を作製する間に、１つ以上の細孔６３４を通して切り替え酸化物層６３０の上に第２の電極６４０の１つ以上の部分を配置することができる。したがって、第２の電極６４０は、切り替え酸化物層６３０の１つ以上の部分と接触することができる。
【0069】
図６Ｃおよび６Ｄは、ＲＲＡＭ装置６００ｂの低抵抗状態および高抵抗状態にそれぞれを対応させることができる半導体装置６００ｃおよび６００ｄを説明している。不連続膜６３２の組み込みは、切り替え酸化物層６３０と第２の電極６４０の間における接触面積を低減することができる。図６Ｃで説明するように、導電チャンネル６３５ａ（たとえば、フィラメント）を第２の電極６４０から切り替え酸化物層６３０および不連続膜６３２を通して第１の電極４２０まで形成することができる。図６Ｄで説明するように、リセットプロセスの間に切り替え酸化物層６３０内に途中で遮られた導電チャンネル６３５ｂを形成することができる。図３Ｂおよび３Ｃと比較すると、導電チャンネル６３５ａおよび途中で遮られた導電チャンネル６３５ｂの横方向サイズは、それぞれ、３３５ａおよび３３５ｂのそれより小さくすることができる。したがって、不連続膜６３２を伴ったＲＲＡＭ装置内に形成されるフィラメントの横方向サイズを、不連続膜６３２を伴わないＲＲＡＭ装置内に形成されるフィラメントのそれより小さくすることができる。ＲＲＡＭ装置内への不連続膜６３２の組み込みは、結果として、より突発的でない形成プロセスをもたらし、形成電圧を引き下げ、リセット電流を引き下げ、かつその後に続く動作プロセスにおける電圧および／または電流要件を引き下げることができる。ＲＲＡＭ装置内への不連続膜６３２の組み込みは、それが装置の抵抗を増加し、かつ高抵抗動作に関係する電子欠陥の数を制御できることから、電子欠陥工学を補助することができる。より詳細には、電子欠陥は、それだけで装置の抵抗を低減すること、または装置を漏洩性にすることができる。多孔性の、または不連続な界面層の組み込みは、切り替え酸化物を通る電路を制限することによって装置の抵抗を増加することができる。したがって、多孔性／不連続な界面膜４２２または５３２と第２の電極５４０の組み合わせは、高抵抗ＲＲＡＭを必要とする応用のために適切な電子欠陥を発生させ、かつ制御することができる。
【0070】
図７は、本開示のいくつかの実施態様に従った一例の上部電極７００の断面図を説明した概略図である。
【0071】
上部電極７００は、本明細書に述べられているとおりの欠陥工学層として機能することができる。図のように、上部電極７００は、第１の層７１０および第２の層７２０を含むことができる。第１の層７１０は、切り替え酸化物層の遷移金属酸化物から酸素をスキャベンジすることができる第１の金属材料を含むことができる。第２の層７２０は、切り替え酸化物層の遷移金属酸化物から酸素をスキャベンジすることができる第２の金属材料を含むことができる。第１の金属材料は、酸素可溶性を有することができ、かつ切り替え酸化物層の遷移金属酸化物と反応してそこから酸素をスキャベンジすることができる。第１の金属材料の酸化物は、第１の不連続膜の第１の材料および第２の不連続膜の第２の材料より低い化学的安定性を有することができる。その結果として、第１の金属材料が第１の不連続膜および第２の不連続膜を化学的に還元することはできない。上記のとおり、２以上の元素の相対的な化学的安定性の決定にはエリンガム・ダイアグラムを使用することができる。
【0072】
第１の金属材料および第２の金属材料は、異なる酸素親和力および／または異なる熱力学的および運動学的基本属性を有することができる異なる化学元素を含むことができる。第１の金属材料と第２の金属材料は、非混和性とすることができる。いくつかの実施態様において、第１の金属材料がＴｉを含むことができる。第２の金属材料は、Ｔａを含むことができる。いくつかの実施態様において、第１の層７１０をＴｉ金属（たとえば、Ｔｉ膜）の層とすること、および／またはそれを含むことができる。第２の層７２０は、Ｔａ金属（たとえば、Ｔａ膜）の層とすること、および／またはそれを含むことができる。図９のＴａ－Ｔｉ二元状態図に示されているとおり、ＴａとＴｉの相は非混和性であり、かつＲＲＡＭ装置の動作温度（たとえば、室温の前後、室温より低い、または室温より高い温度）の前後に入る３００Ｋ（２７°Ｃ）において最小限の相互溶解性を有する。したがって、ＲＲＡＭ装置内へのＴｉの追加が、本明細書に記載のとおり切り替え酸化物内のＴａフィラメントの動作メカニズムおよびＲＲＡＭ装置の切り替えメカニズムに影響を及ぼすことはないとし得る。図７に記載のとおりＲＲＡＭ装置は、したがって、アナログ的動き具合、線形性、保持力、および信頼性等において卓越した性能を伴うＲＲＡＭ装置を必要とするＩＭＣ応用のために使用することができる。ＴａとＴｉの相の間における非混和性および最小限の相互溶解性は、第２の層７２０と第１の層７１０の間における熱力学的平衡状態を可能にすることもできる。その結果として、薄いＴｉ膜が、Ｔａ膜との反応を伴うことなく、またはＴａ膜によって溶解されることなく、設計されたとおりに機能することが可能である。
【0073】
さらにまた、Ｔｉは、Ｔａより高い酸素親和力を有することから、切り替え酸化物から酸素を容易にスキャベンジすることができる。したがって、ＲＲＡＭ装置内への第１の層７１０の組み込みは、ＲＲＡＭ形成プロセスにおいて必要とされる形成電圧、およびその後に続く動作における電流および電圧要件を引き下げることによって、ＲＲＡＭ装置の性能をさらに向上させることができる。たとえば、上記のように図４Ｄ－４Ｆにおける第２の電極４４０、図５Ｂ－５Ｄにおける第２の電極５４０、および／または図６Ｂ－６Ｄにおける第２の電極６４０は、第２の電極７００とすること、および／またはそれを含むことができる。形成プロセスの間において、第１の金属材料および第２の金属材料の両方が、切り替え酸化物層３３０、４３０、および／または６３０内に酸素空格子点を生成することができる。図３Ｂおよび３Ｃと比較すると、導電チャンネルおよび途中で遮られた導電チャンネルの横方向サイズは、それぞれ、３３５ａおよび３３５ｂのそれより小さくすることができる。ＴｉがＴａより高い酸素親和力を有することから、上部電極７００を含むＲＲＡＭ装置の未使用抵抗が、上部電極７００を含まないＲＲＡＭ装置のそれより低くなることができ、その結果として、より低い形成電圧、より低いリセット電圧、低いリセット電流等がもたらされる。
【0074】
またＴｉは、セット・プロセスの間、酸素を容易に（酸素が切り替え酸化物から第２の電極へ移動しているとき）貯蔵することもできる。このことは、リセットプロセスの間における第２の電極による酸素の貯蔵を可能にすることができ、したがって、装置の故障（切り替え酸化物と第２の電極の間における酸素分子の存在によって生じる可能性がある）、および／または動作の失敗（セット電圧が取り除かれた後に酸素が移動して切り替え酸化物へ戻ること、または揮発性のスイッチによって生じる可能性がある）を防止することができる。さらにまた、ＲＲＡＭ装置内へのＴｉ膜の組み込みは、そのＲＲＡＭ装置の切り替え酸化物内に電子欠陥を発生させることができる。電子欠陥は、酸素欠乏内にトラップされた電子とすることができる。トラップされた電子は、電界の下に１つのトラップ・サイトから別のトラップ・サイトへホップすることができるか、またはより低い励起エネルギを伴う伝導帯へ励起され、ＲＲＡＭ装置が高抵抗状態にあるときに電子流を発生することができる。
【0075】
第１の層７１０は、第１の層７１０の第１の金属材料（たとえば、Ｔｉ）が、切り替え酸化物層３３０内における第２の金属材料を包含するフィラメント（たとえば、Ｔａフィラメント）の形成に影響を及ぼすことなく、上記のように機能することができるような適切な厚さまで成長させることができる。いくつかの実施態様において、第１の層７１０の厚さを約０．２ｎｍと約５ｎｍの間とすることができる。いくつかの実施態様において、第１の層７１０の厚さを約０．５ｎｍと約２ｎｍの間とすることができる。いくつかの実施態様において、第１の層７１０の厚さを約１ｎｍとすることができる。いくつかの実施態様において、第１の層７１０の厚さを１ｎｍ未満とすることができる。第２の層７２０は、第１の層７１０より厚くすることができる。いくつかの実施態様において、第２の層７２０の厚さを５ｎｍと３００ｎｍの間とすることができる。たとえば、第２の層７２０の厚さを約１０ｎｍと約１００ｎｍの間とすることができる。いくつかの実施態様において、第２の層７２０の厚さを約１０ｎｍと約２００ｎｍの間とすることができる。いくつかの実施態様において、第２の層７２０の厚さを約５０ｎｍとすることができる。第１の電極の厚さは、概略で５ｎｍと１００ｎｍの間とすることができる。いくつかの実施態様において、第１の電極の厚さを約３０ｎｍとすることができる。いくつかの実施態様において、ＲＲＡＭ装置４００ｄ、５００ｂ、および／または６００ｂの寸法（たとえば、臨界寸法）を１μｍと１桁のナノメートルの間とすることができる。いくつかの実施態様において、ＲＲＡＭ装置４００ｄ、５００ｂ、および／または６００ｂの臨界寸法を約０．２８μｍとすること、またはそれ未満とすること、および／または１μｍと１ナノメートルの間とすることができる。いくつかの実施態様において、ＲＲＡＭ装置４００ｄ、５００ｂ、および／または６００ｂの臨界寸法を１μｍと２ｎｍの間とすることができる。いくつかの実施態様において、ＲＲＡＭ装置４００ｄ、５００ｂ、および／または６００ｂの臨界寸法を１μｍと５ｎｍの間とすることができる。いくつかの実施態様において、ＲＲＡＭ装置４００ｄ、５００ｂ、および／または６００ｂの臨界寸法を１桁のナノスケール（たとえば、約１ｎｍと約９ｎｍの間）とすることができる。
【0076】
１つの実装において、第２の層７２０を直接第１の層７１０の上に作製することができる。たとえば、図７に示されているとおり、第２の層７２０の表面が、第１の層７１０の表面の１つ以上の部分と直接接触することができる。別の実装において、第１の層７１０と第２の層７２０の間に適切な材料の１つ以上の他の層を堆積させることができる。
【0077】
本明細書に述べられている切り替え酸化物層（たとえば、切り替え酸化物層４３０、５３０、および／または６３０）内の遷移金属酸化物は、絶縁体として機能しているとき、それのバランス帯と伝導帯の間にバンド・ギャップを有することができる。バランス帯から電子が伝導に関係することが可能な伝導帯への電子の励起に、そのバンド・ギャップによって表されるエネルギより高いエネルギが必要とされる。トラップされた電子が伝導帯へ励起されるため（熱放出）、または１つのトラップ・サイトから他のトラップ・サイトへのホッピング（トンネリング）のために、バンド・ギャップ内における電子トラップとして適切な電子欠陥を適切な密度で有することが重要である。本明細書に述べられているとおりの欠陥工学層（たとえば、Ｔａを含有する合金４４０、第１の層７１０等）の組み込みは、切り替え酸化物層４３０、５３０、および／または６３０内の遷移金属酸化物内に適切な密度で電子欠陥を生成することができる。電子欠陥は、たとえば、遷移金属酸化物（たとえば、ＴａＯｘまたはＨｆＯｘの亜化学量論的酸化物）内の酸素欠乏欠陥を含むことができる。電子欠陥は、室温およびそれより上の温度において、遷移金属酸化物を通る電荷の輸送を補助することができる。いくつかの実施態様において、その電荷を、－２の電荷を運ぶ酸素イオンＯ－２、または＋２の電荷を運ぶ酸素欠乏Ｖｏ＋２等のイオン電荷とすることができる。いくつかの実施態様において、その電荷を、－１の電荷を運ぶ電子ｅ－１等の電子電荷とすることができる。この場合において、欠陥工学装置を組み込んだＲＲＡＭ装置が非フィラメント状態において動作しているとき、トラップされた電子が、電界の下に伝導帯へ励起されるか、または１つのトラップ・サイトから別のトラップ・サイトへホップして電子流を発生することができる。
【0078】
ＲＲＡＭ装置内における第１の層７１０の組み込みは、このようにＲＲＡＭ装置の未使用抵抗を引き下げ、形成電圧を引き下げ、かつリセット電流を引き下げ、結果として、より突発的でない形成プロセス、より低いコンダクタンスを伴うフィラメント、その後に続く動作プロセスにおける、より低い電圧およびより低い電流をもたらし、かつ高抵抗状態におけるＩＭＣ動作のための適切な電子欠陥を切り替え酸化物内に生成することができる。
【0079】
図４Ｄ－４Ｆ、５Ｂ－５Ｄ、および６Ｂ－６Ｄには、ＲＲＡＭ装置４００ｄ－ｆ、５００ｂ－ｄ、および６００ｂ－ｄの特定の構成要素が示されているが、これは単なる例証に過ぎない。ＲＲＡＭ装置４００ｄ－ｆ、５００ｂ－ｄ、および６００ｂ－ｄは、ＩＭＣ応用を実装するための適切な材料の１つ以上の他の層を含むことができる。たとえば、切り替え酸化物層と第２の電極および第１の電極のうちの１つ以上の間に１つ以上の界面層（図示せず）を作製し、界面の安定性および装置の性能を向上させることができる。
【0080】
図１０は、本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置を作製するための一例の方法１０００を説明するフローチャートである。
【0081】
ブロック１０１０において、基板の上に第１の電極を作製することができる。第１の電極の作製は、物理蒸着（ＰＶＤ）技術、化学蒸着（ＣＶＤ）技術、スパッタリング堆積技術、原子層堆積（ＡＬＤ）技術、および／または任意の他の適切な堆積技術を利用してＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ等の１つ以上の非活性金属の層を１つ以上堆積させることを伴うことができる。いくつかの実施態様において、第１の電極の作製は、１つ以上のＰｔの層の堆積を伴うことができる。第１の電極は、図３Ａ－６Ｄに関連して上記に記載のとおり第１の電極３２０、４２０とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0082】
ブロック１０２０において、第１の電極の上に界面層を作製することができる。第１の界面層を作製することは、第１の電極の上に第１の材料を堆積させて第１の材料の第１の不連続膜を形成することを伴うことができる。第１の不連続膜は、１つ以上の第１の細孔を含有することができる。第１の材料は、下記のように切り替え酸化物層内の遷移金属酸化物より化学的に安定であるとすることができる。いくつかの実施態様において、第１の材料が、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を含むことができる。第１の界面層は、いくつかの実施態様において図４Ｂ－５Ｄに関連して上記に記載のとおり第１の界面層４２２とすること、および／またはそれを含むことができる。いくつかの実施態様において、第１の界面層を作製することが、適切な厚さを有する第１の材料の層を堆積させて第１の不連続膜を形成することを伴うことができる。たとえば、第１の界面層を作製することは、第１の材料を約０．２ｎｍと約１ｎｍの間の厚さまで堆積させることを伴うことができる。第１の不連続膜は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＡＬＤ、および／または任意の他の適切な堆積技術を利用して堆積させることができる。
【0083】
ブロック１０３０において、界面層の上に切り替え酸化物層を作製することができる。切り替え酸化物層は、１つ以上の遷移金属酸化物を含むことができる。当該遷移金属酸化物は、たとえば、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｂＯｘ、ＺｒＯｘ等を含むことができる。いくつかの実施態様において、切り替え酸化物層を作製する間に、第１の細孔のうちの１つ以上を通して第１の電極上に遷移金属酸化物の１つ以上の部分を配置することができる。切り替え酸化物層は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＡＬＤ、および／または任意の他の適切な堆積技術を利用して堆積させることができる。切り替え酸化物層は、図４Ｃ－５Ｄに関連して上記に記載のとおり切り替え酸化物層４３０とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0084】
ブロック１０４０において、切り替え酸化物層の上に、切り替え酸化物層内に電子欠陥を発生させるための欠陥工学層を作製することができる。欠陥工学層は、作製されることになるＲＲＡＭ装置の第２の電極（たとえば、上部電極）として機能することができる。欠陥工学層は、１つ以上の合金を含むことができる。当該合金のそれぞれは、第１の金属元素および１つ以上の第２の金属元素を含有することができる。第２の金属元素のそれぞれ、および第１の金属元素は、切り替え酸化物層内の遷移金属酸化物に対して異なる反応性を有することができる。いくつかの実施態様において、第１の金属元素をＴａとすることができる。第２の金属元素は、Ｗ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ等のうちの１つ以上とすることができる。図１４Ａ－１４Ｅに示されてるように、Ｔａおよび第２の金属元素Ｗ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｎｂ、またはＺｒに関係する二元状態図に基づくと、Ｔａ－Ｗ（図１４Ｂ）、Ｔａ－Ｍｏ（図１４Ｃ）、およびＴａ－Ｎｂ（図１４Ｄ）は、連続固溶体を形成し、Ｔａ－Ｈｆ（図１４Ａ）およびＴａ－Ｚｒ（図１４Ｅ）は、ＲＲＡＭ装置の動作温度において非混和性である。これらすべての二元体において、二元金属間化合物を形成することができない。これらの二元系の中に金属間化合物が存在しないことは、容易に作製および制御ができる合金電極を必要とするＩＭＣ応用にとって好都合である。たとえば、第２の電極の作製が、第１の金属と第２の金属の同時スパッタリングによる合金の作製を伴うことができる。別の例として、第２の電極の作製は、第１の金属元素（たとえば、純Ｔａ金属）と第２の金属元素（たとえば、純Ｈｆ金属）の間に求められる組成のための合金ターゲット（たとえば、Ｔａ－Ｗ合金、Ｔａ－Ｈｆ合金、Ｔａ－Ｍｏ合金、Ｔａ－Ｎｂ合金、Ｔａ－Ｚｒ合金等）からのスパッタリングを伴うことができる。
【0085】
いくつかの実施態様において、欠陥工学層の作製は、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、および／またはＺｒを含む複数の電極構成要素の作製を伴うことができる。それらの電極構成要素のそれぞれは、Ｔａの二元合金、三元合金、四元合金、五元合金、六元合金、および／または高次合金等とすること、および／またはそれを含むことができる。たとえば、欠陥工学層の作製は、図４Ｄに関連して記載のとおり、１つ以上の合金および／または合金系を伴う第２の電極３４０の作製を伴うことができる。より詳細には、たとえば第２の電極の作製は、Ｔａを含有する第１の合金、Ｔａを含有する第２の合金、Ｔａを含有する第３の合金、Ｔａを含有する第４の合金、Ｔａを含有する第５の合金、およびＴａを含有する第６の合金のうちの２つ以上を作製することを伴うことができる。Ｔａを含有する第１の合金、Ｔａを含有する第２の合金、Ｔａを含有する第３の合金、Ｔａを含有する第４の合金、Ｔａを含有する第５の合金、およびＴａを含有する第６の合金は、それぞれ、二元合金、三元合金、四元合金、五元合金、六元合金、および高次合金等とすることができる。
【0086】
いくつかの実施態様において、欠陥工学層の作製が、図７に関連して記載のとおり層７１０および７２０等の複数の金属材料の複数の層の作製を伴うことができる。いくつかの実施態様において、図１３に関連して記載のとおり１つ以上の動作を行うことによって欠陥工学層を作製することができる。
【0087】
欠陥工学層は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＡＬＤ、および／または任意の他の適切な堆積技術を利用して作製することができる。欠陥工学層は、図４Ｄ－４Ｆに関連して上記に記載のとおり第２の電極４４０とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0088】
図１１は、本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置を作製するための一例の方法１１００を説明するフローチャートである。
【0089】
ブロック１１１０において、基板の上に第１の電極を作製することができる。第１の電極は、図１０のブロック１０１０に関連して記載のとおり１つ以上の動作を行うことによって基板の上に作製することができる。第１の電極は、図３Ａ－６Ｄに関連して上記に記載のとおり第１の電極３２０および／または４２０とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0090】
ブロック１１２０において、第１の電極の上に第１の界面層を作製することができる。第１の界面層の作製は、第１の材料の第１の不連続膜の作製を伴うことができる。第１の界面層は、図１０のブロック１０２０に関連して記載のとおり１つ以上の動作を行うことによって第１の電極の上に作製することができる。第１の界面層は、図４Ｂ－５Ｄに関連して上記に記載のとおり第１の界面層４２２とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0091】
ブロック１１３０において、第１の界面層の上に切り替え酸化物層を作製することができる。切り替え酸化物層は、図１０のブロック１０３０に関連して記載する１つ以上の動作を行うことによって第１の界面層の上に作製することができる。切り替え酸化物層は、図４Ｃ－５Ｄに関連して上記に記載のとおり切り替え酸化物層４３０とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0092】
ブロック１１４０において、切り替え酸化物層の上に第２の界面層を作製することができる。第２の界面層の作製は、切り替え酸化物層の遷移金属酸化物より化学的に安定した第２の材料の第２の不連続膜の作製を伴うことができる。いくつかの実施態様において、第２の材料が、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を含むことができる。いくつかの実施態様において、第２の界面層の作製が、第２の材料を適切な厚さ（たとえば、０．２ｎｍと１ｎｍの間の厚さ）まで堆積させて第２の不連続膜を形成することを伴うことができる。当該不連続膜は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＡＬＤ、および／または任意の他の適切な堆積技術を利用して堆積させることができる。第２の界面層は、図５Ａ－５Ｄに関連して記載のとおり第２の界面層５３２とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0093】
ブロック１１５０において、第２の界面層の上に、切り替え酸化物層内に電子欠陥を発生させるための欠陥工学層を作製することができる。欠陥工学層は、作製されることになるＲＲＡＭ装置の第２の電極（たとえば、上部電極）として機能することができる。欠陥工学層は、図１０のブロック１０４０に関連して記載のとおり１つ以上の動作を行うことによって作製することができる。いくつかの実施態様において、欠陥工学層を作製する間に、１つ以上の第２の細孔を通して切り替え酸化物層の上に欠陥工学層の１つ以上の部分を堆積させることができる。欠陥工学層は、図５Ｂ－５Ｄに関連して上記に記載のとおり第２の電極５４０とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0094】
図１２は、本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置を作製するための一例の方法１２００を説明するフローチャートである。
【0095】
ブロック１２１０において、基板の上に第１の電極を作製することができる。第１の電極は、図１０のブロック１０１０に関連して記載のとおり１つ以上の動作を行うことによって基板の上に作製することができる。第１の電極は、図３Ａ－６Ｄに関連して上記に記載のとおり第１の電極３２０とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0096】
ブロック１２２０において、第１の電極の上に切り替え酸化物層を作製することができる。切り替え酸化物層は、１つ以上の遷移金属酸化物を含むことができる。当該遷移金属酸化物は、たとえば、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｂＯｘ、ＺｒＯｘ等を含むことができる。切り替え酸化物層は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＡＬＤ、および／または任意の他の適切な堆積技術を利用して堆積させることができる。切り替え酸化物層は、図６Ａ－６Ｄに関連して上記に記載のとおり切り替え酸化物層６３０とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0097】
ブロック１２３０において、切り替え酸化物層の上に界面層を作製することができる。界面層は、切り替え酸化物層内の遷移金属酸化物より化学的に安定した材料の不連続膜を含むことができる。界面層は、図１１のブロック１１４０に関連して記載される１つ以上の動作を行うことによって切り替え酸化物層の上に作製することができる。界面層は、図６Ａ－６Ｄに関連して上に記載のとおり界面層６３２とすること、および／またはそれを含むことができる。手前で示したとおり、不連続な、または多孔性の界面層は、高抵抗状態の動作に関係し得る電子欠陥の数を制御することによって切り替え酸化物内の電子欠陥工学に寄与することができる。
【0098】
ブロック１２４０において、界面層の上に欠陥工学層を作製することができる。欠陥工学層は、ＲＲＡＭ装置の第２の電極（たとえば、上部電極）として機能することができる。欠陥工学層は、図１０のブロック１０４０に関連して記載される１つ以上の動作を行うことによって界面層の上に作製することができる。欠陥工学層は、図６Ｂ－６Ｄに関連して上記に記載のとおり第２の電極６４０とすること、および／またはそれを含むことができる。
【0099】
図１３は、本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の欠陥工学層を作製するための一例の方法１３００を説明するフローチャートである。欠陥工学層は、ＲＲＡＭ装置の上部電極として機能することができる。
【0100】
ブロック１３１０において、第１の金属材料の第１の層を作製することができる。第１の金属材料は、Ｔｉ、Ｈｆ、およびＺｒ等の第１の金属元素を含むことができる。第１の金属材料の第１の層は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング、ＡＬＤ、および／または任意の他の適切な堆積技術を利用して第１の金属（たとえば、Ｔｉ金属）を堆積させることによって作製することができる。欠陥工学層の作製は、約０．２ｎｍと約５ｎｍの間の厚さ、約０．５ｎｍと約２ｎｍの間の厚さといった適切な厚さを有する第１の金属の層の堆積を伴うことができる。
【0101】
ブロック１３２０において、第１の金属材料の第１の層の上に第２の金属材料を含む第２の層を作製することができる。第２の金属材料は、切り替え酸化物内の電子欠陥における電子欠陥工学および発生にも寄与することができる。第２の金属材料は、第１の金属元素とは異なる第２の金属元素を含むことができる。たとえば、第２の金属元素をＴａとすることができる。いくつかの実施態様において、第２の金属材料を含む第２の層の作製は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング、ＡＬＤ、および／または任意の他の適切な堆積技術を利用する第２の金属（たとえば、Ｔａ金属）の堆積を伴うことができる。第２の金属の第２の層の作製は、第２の金属の層が第１の金属の第１の層より厚いというように適切な厚さを有する第２の金属の層を堆積させることを伴うことができる。いくつかの実施態様において、１０ｎｍと１００ｎｍの間の厚さを有する第２の金属の層を堆積させることができる。いくつかの実施態様において、第２の金属の第２の層を第１の金属の層の上に直接堆積させることができる。その種の実施態様において、第１の金属の第１の層の表面が、第２の金属の第２の層の表面の１つ以上の部分と直接接触することができる。
【0102】
いくつかの実施態様において、第２の金属材料を含む第２の層の作製が、１つ以上の合金を含む層の作製を伴うことができる。上記のように、当該合金のそれぞれは、第１の金属元素および１つ以上の第２の金属元素を含有することができる。第２の金属元素のそれぞれは、切り替え酸化物層内の遷移金属酸化物に対して第１の金属元素とは異なる反応性を有することができる。いくつかの実施態様において、第１の金属元素をＴａとすることができる。第２の金属元素は、Ｗ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ等のうちの１つ以上とすることができる。Ｔａ合金の第２の層の作製は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング、ＡＬＤ、および／または任意の他の適切な堆積技術を利用するＴａ合金の堆積を伴うことができる。Ｔａ合金の第２の層の作製は、Ｔａ合金の層が第１の金属の第１の層より厚いというように適切な厚さを有するＴａ合金の層を堆積させることを伴うことができる。いくつかの実施態様において、約５ｎｍと約１００ｎｍの間の厚さを有するＴａ合金の１つ以上の層を堆積させることができる。
【0103】
説明の簡単化のために、この開示の方法は、一連の作用として図示され、かつ記述されている。しかしながら、この開示に従った作用は、多様な順序で、および／または同時に、かつ本明細書に提示ないしは記載がない他の作用とともに生じることが可能である。さらにまた、例証されている作用の必ずしもすべてが開示されている発明の要旨に従った方法の実装に必要とされないこともある。それに加えて、この分野の当業者は理解し、認識することになるであろうが、この方法は、代替的に状態図またはイベントを介して相互に関係のある一連の状態として表すことが可能である。
【0104】
図１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、および１５Ｄは、本開示のいくつかの実施態様に従ったＲＲＡＭ装置の例の多レベル抵抗および線形性のデータを説明している。図１５Ａは、１ｋΩ－１０ｋΩの範囲におけるＲＲＡＭ装置の電流－電圧特性１５００Ａを説明している。ここに示されているとおり、コンダクタンス量子Ｇｏ（１２．９ｋΩ）によれば、装置の抵抗ＲがＧｏを超えることはなく、装置は、フィラメント・モード（たとえば、図３Ｂに示されているとおり）において動作する。ＲＲＡＭ装置の伝導は、金属的な動き具合を呈することができる。
【0105】
図１５Ｂは、本開示の１つの実装に従った高抵抗（たとえば、１０ｋΩ－１００ｋΩ）を伴う一例のＲＲＡＭ装置の電流－電圧特性１５００Ｂを説明している。ＲＲＡＭ装置は、フィラメント・モード（たとえば、Ｇｏを超えない１０ｋΩの抵抗を伴う）から非フィラメント・モード（たとえば、Ｇｏを超える１００ｋΩの抵抗を伴う）への遷移、または図３Ｂに示されているＲＲＡＭ装置から図３Ｃに示されているＲＲＡＭ装置への遷移において動作する。
【0106】
図１５Ｃは、本開示の別の実装に従った高抵抗（たとえば、１００ｋΩ－１ＭΩ）を伴う一例のＲＲＡＭ装置の電流－電圧特性１５００Ｃを説明している。ＲＲＡＭ装置は、完全に非フィラメント・モードにおいて動作する。ＲＲＡＭ装置の伝導は、半導体的な動き具合を呈することができる。しかしながら、不連続な界面層５３２、第２の電極５４０としてのＴａ合金および／または第２の電極７１０／７２０としての２層金属を含む電子欠陥工学を通る多レベルの高抵抗および線形性が実証されている。
【0107】
図１５Ｄは、本開示のある実装に従った非常に高い抵抗（たとえば、１ＭΩ－１０ＭΩ）を伴う一例のＲＲＡＭ装置の電流－電圧特性１５００Ｄを説明している。非フィラメント・モードの高抵抗範囲内においてこの種の高抵抗を実装することは、ＲＲＡＭ装置のためのバランスのとれた電子欠陥工学を必要とすることがある。ここに示されているとおり、工学的電子欠陥を伴うＲＲＡＭ装置は、この高抵抗範囲内において優れた線形性とアナログ的動き具合を呈する。
【0108】
本明細書で使用されるときの用語『概略』、『約』、および『実質的に』は、平均の２標準偏差内、いくつかの実施態様における目標寸法の±２０％内、いくつかの実施態様における目標寸法の±１０％内、いくつかの実施態様における目標寸法の±５％内、いくつかの実施態様における目標寸法の±２％内、いくつかの実施態様における目標寸法の±１％内、さらには、いくつかの実施態様における目標寸法の±０．１％内といったこの分野における一般公差の範囲内であることを意味することができる。用語『概略』および『約』は、目標寸法を含むことができる。特に述べられているか、または文脈から自明である場合を除き、本明細書に記載されているすべての数値は用語『約』によって修飾される。
【0109】
本明細書に使用されるとき、範囲は、当該範囲内のすべての値を含む。たとえば、１から１０までの範囲は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、および１０、およびそれらの端数から得られる任意の数、数の組み合わせ、部分範囲を含むことができる。
【0110】
以上の説明には、いくつかの詳細が示されている。しかしながら明らかになろうが、本開示は、これらの具体的な詳細を伴うことなく実施することができる。いくつかの場合において、周知の構造および装置が、開示を不明瞭にすることを回避するために、むしろ詳細にではなくブロック図の形式で示されている。
【0111】
本明細書で使用されるときの用語『第１』、『第２』、『第３』、『第４』等々は、異なる要素を区別するラベルとしての意味であり、それらの数字による指定に従った順序的な意味を有する必然性はない。
【0112】
用語『例』または『例示的な』は、本明細書で使用されるとき、例、場合、または例証としての働きを提供することを意味する。本明細書において『例』または『例示的な』として記述されているあらゆる態様または設計が、他の態様または設計より好ましいとして、または有利であるとして解釈される必然性はない。むしろ用語『例』または『例示的な』の使用は、具体的な態様において概念を提示することが意図されている。この出願において使用されるときの用語『または』は、排他的な『または』ではなく、むしろ包括的な『または』を意味することが意図されている。言い換えると、特段の指定がない限り、または文脈から明らかな場合を除き、『Ｘは、ＡまたはＢを含む』は、任意の自然な包括的な並び替えを意味することが意図されている。すなわち、ＸがＡを含むか；ＸがＢを含むか；またはＸがＡおよびＢの両方を含む；のであれば、これらの場合のいずれの下においても『ＸがＡまたはＢを含む』が満たされる。それに加えて、この出願および付随する請求項において使用されるときの『ある』および数量指定のないことは、特段の指定があるか、または単数形式であることの指定が文脈から明らかである場合を除き、概して『１つ以上』を意味するものと解釈されるべきである。この明細書全体を通じて『ある実装』または『１つの実装』と言及するときは、当該実装に関連して記述されている特定の特徴、構造、または特性が少なくとも１つの実装に含まれることを意味する。したがって、この明細書全体を通じて随所に現れる『実装』または『１つの実装』という語句が、すべてが同一の実装を参照している必然性はない。
【0113】
本明細書で使用されるとき、要素または層が別の要素または層の『上に』あるとして参照されている場合には、当該要素または層が当該別の要素または層の直接上にあるとすることもでき、あるいは介在する要素または層が存在しているとすることもできる。それとは対照的に、要素または層が別の要素または層の『直接上に』あるとして参照されている場合には、介在する要素または層が存在しない。
【0114】
以上の説明を読んだ後であれば、本開示の多くの変形および修正がこの分野の当業者に明らかになるであろうことは疑いようがないが、例証のために示され、記述されているあらゆる特定の実施態様が限定として見做されることが、いかなる形においても意図されていないことは理解されるものとする。したがって、多様な実施態様の詳細に対する参照は、請求の範囲の限定を意図してなく、それら自体は、開示として見做されるそれらの特徴のみを列挙しているに過ぎない。
【符号の説明】
【0115】
１００ クロスバー回路
１１１ａ－ｎ 行ワイヤ
１１１ａ、１１１ｂ、・・・、１１１ｉ、・・・、１１１ｎ 行ワイヤ
１１３ａ－ｍ 列ワイヤ
１１３ａ、１１３ｂ、・・・、１１３ｊ、・・・、１１３ｍ 列ワイヤ
１２０ａ、１２０ｂ、・・・、１２０ｚ クロスポイント装置
１２０ｉｊ クロスポイント装置
２００ クロスポイント装置
２０１ ＲＲＡＭ装置
２０３ トランジスタ
２１１ ビットライン
２１３ 選択ライン
２１５ ワードライン
３００ａ ＲＲＡＭ装置
３００ｂ ＲＲＡＭ装置
３００ｃ ＲＲＡＭ装置
３１０ 基板
３２０ 第１の電極
３３０ 切り替え酸化物層
３３５ａ 導電チャンネル
３３５ｂ 中断されたフィラメント
３３５ｃ 酸化物ギャップ
３４０ 第２の電極
４００ａ 半導体装置
４００ｃ 半導体構造
４００ｄ ＲＲＡＭ装置
４００ｅ 半導体装置
４１０ 基板
４２０ 第１の電極
４２２ 界面層、第１の界面層
４２２ａ 不連続膜
４２４ 細孔
４３０ 切り替え酸化物層
４３５ａ 導電チャンネル
４４０ 第２の電極
５００ａ 半導体装置
５００ｂ 半導体装置、ＲＲＡＭ装置
５００ｃ 半導体装置
５３２ 界面層、第２の界面層
５３２ａ 不連続膜、第２の不連続膜
５３４ 細孔
５３５ａ 導電チャンネル
５４０ 第２の電極
６００ａ 半導体装置
６００ｂ 半導体装置、ＲＲＡＭ装置
６００ｃ 半導体装置
６３０ 切り替え酸化物層
６３２ 界面層、不連続膜
６３２ａ 不連続膜
６３４ 細孔
６３５ａ 導電チャンネル
６４０ 第２の電極
７００ 上部電極、第２の電極
７１０ 第１の層
７２０ 第２の層
１０００ ＲＲＡＭ装置を作製するための一例の方法
１１００ ＲＲＡＭ装置を作製するための一例の方法
１２００ ＲＲＡＭ装置を作製するための一例の方法
１３００ 欠陥工学層を作製するための一例の方法
１５００Ａ 電流－電圧特性
１５００Ｂ 電流－電圧特性
１５００Ｃ 電流－電圧特性
１５００Ｄ 電流－電圧特性
１１１ａ－ｎ 行ワイヤ
１１１ａ、１１１ｂ、・・・、１１１ｉ、・・・、１１１ｎ 行ワイヤ
１１３ａ－ｍ 列ワイヤ
１１３ａ、１１３ｂ、・・・、１１３ｊ、・・・、１１３ｍ 列ワイヤ
１２０ａ、１２０ｂ、・・・、１２０ｚ クロスポイント装置
１２０ｉｊ クロスポイント装置
２００ クロスポイント装置
２０１ ＲＲＡＭ装置
２０３ トランジスタ
２１１ ビットライン
２１３ 選択ライン
２１５ ワードライン
３００ａ ＲＲＡＭ装置
３００ｂ ＲＲＡＭ装置
３００ｃ ＲＲＡＭ装置
３１０ 基板
３２０ 第１の電極
３３０ 切り替え酸化物層
３３５ａ 導電チャンネル
３３５ｂ 中断されたフィラメント
３３５ｃ 酸化物ギャップ
３４０ 第２の電極
４００ａ 半導体装置
４００ｃ 半導体構造
４００ｄ ＲＲＡＭ装置
４００ｅ 半導体装置
４１０ 基板
４２０ 第１の電極
４２２ 界面層、第１の界面層
４２２ａ 不連続膜
４２４ 細孔
４３０ 切り替え酸化物層
４３５ａ 導電チャンネル
４４０ 第２の電極
５００ａ 半導体装置
５００ｂ 半導体装置、ＲＲＡＭ装置
５００ｃ 半導体装置
５３２ 界面層、第２の界面層
５３２ａ 不連続膜、第２の不連続膜
５３４ 細孔
５３５ａ 導電チャンネル
５４０ 第２の電極
６００ａ 半導体装置
６００ｂ 半導体装置、ＲＲＡＭ装置
６００ｃ 半導体装置
６３０ 切り替え酸化物層
６３２ 界面層、不連続膜
６３２ａ 不連続膜
６３４ 細孔
６３５ａ 導電チャンネル
６４０ 第２の電極
７００ 上部電極、第２の電極
７１０ 第１の層
７２０ 第２の層
１０００ ＲＲＡＭ装置を作製するための一例の方法
１１００ ＲＲＡＭ装置を作製するための一例の方法
１２００ ＲＲＡＭ装置を作製するための一例の方法
１３００ 欠陥工学層を作製するための一例の方法
１５００Ａ 電流－電圧特性
１５００Ｂ 電流－電圧特性
１５００Ｃ 電流－電圧特性
１５００Ｄ 電流－電圧特性
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図14E】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図15D】
【国際調査報告】