含金属硫属化合物的装置

摘要

一些实施例包含一种装置，所述装置具有导电材料、含金属硫属化合物材料及位于所述含金属硫属化合物材料与所述导电材料之间的区域。所述区域含有组合物，所述组合物具有至少约3.5电子伏特的带隙及在从约1.8到25的范围内的介电常数。一些实施例包含一种装置，所述装置具有第一电极、第二电极及位于所述第一电极与所述第二电极之间的含金属硫属化合物材料。所述装置还包含位于所述含金属硫属化合物材料与所述第一电极及所述第二电极中的一者之间的电场修改区域。所述电场修改区域含有组合物，所述组合物具有至少约3.5电子伏特的带隙、具有低介电常数及相对于所述含金属硫属化合物材料的金属的功函数偏移的低传导带。

说明书

相关专利数据

本专利主张对序列号为62/053,912的美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案于2014年9月23日提出申请，且特此以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及含有具有电化学活性金属离子的半导电硫属化合物的装置。

背景技术

存储器通常并入到集成电路中。存储器可(举例来说)在计算机系统中用于存储数据。

存储器可制作为个别存储器单元阵列，其中每一存储器单元经配置以将存储器保持或存储于至少两种不同可选择状态中。在二进制系统中，存储条件被视为“0”或“1”。

一种类型的存储器单元包括在其间接纳有可编程材料的两个导电电极且可适于在交叉点阵列架构中利用。交叉点阵列架构允许密集包装式存储器(即，每4F²占用面积更多存储位)的三维多层堆叠。大交叉点阵列中的存储器单元可为PCM、CBRAM、ReRAM/RRAM或STT-RAM/STT-MRAM等中的任一者。

利用交叉点存储器的困难是：可存在穿过非选定单元的实质电流泄漏，且此可在写入所存储数据及从大存储器阵列检索所存储数据期间不利地导致干扰、浪费电力及错误。因此，二极管或其它选择装置通常在每一交叉点处与存储器单元成对以辅助对穿过存储器单元的电流的控制，(例如)以便减少从任何半选定及非选定单元的泄漏。

下文所描述的一些方面涉及适于用作选择装置的集成式装置。

附图说明

图1及3到7是实例性实施例装置的图解性横截面图。

图2是在操作“接通”状态下所展示的实例性实施例装置的区域的图解性横截面图。

具体实施方式

一些实施例涉及适于用作存储器阵列中的选择(即，存取)装置的含金属硫属化合物装置。参考图1到7描述实例性实施例装置。

参考图1，装置10包括一对电极12及14，且包括位于所述电极之间的含金属硫属化合物材料16。

电极12及14可包括任何适合导电组合物或组合物的组合；且在一些实施例中可包括以下各项中的一或多者、基本上由以下各项中的一或多者组成或由以下各项中的一或多者组成：各种金属(举例来说，钨、钛等)、含金属组合物(举例来说，金属氮化物、金属碳化物、金属硅化物等)及经导电掺杂半导体材料(举例来说，经导电掺杂硅、经导电掺杂锗等)。电极12及14可包括彼此相同的组合物，或可包括相对于彼此不同的组合物。在一些实施例中，所述电极中的一者可包括氮化钛、基本上由氮化钛组成或由氮化钛组成；而另一者包括钨、基本上由钨组成或由钨组成。

含金属硫属化合物材料16可包括金属及一或多种半导体材料。举例来说，材料16可包括与锗及硒中的一者或两者组合的铜；可包括与锗及硒中的一者或两者组合的银等。包括金属及硫属化合物的组合物可在本文中称为金属/硫属化合物。

含金属硫属化合物材料16可具有任何适合厚度，且在一些实施例中可具有至少约12纳米(nm)的厚度“T₁”。与常规装置相比，可使含金属硫属化合物材料16的厚度保持相对薄以便实现迅速切换速度。

区域18设置于电极12与含金属硫属化合物材料16之间。区域18可用于使装置10的阈值电压(V_t)相对于缺少区域18的可比较装置移位。此可使得装置10能够经修整以用于特定应用。举例来说，现有技术装置已经构造以包括夹在一对电极之间的含金属硫属化合物材料。此类装置可具有过低V_{t_}以致不适于用作存储器阵列的选择装置。在不引入负面地影响此类装置的性能的并发结果的情况下，增加所述装置的V_t是困难的。举例来说，如果金属/硫属化合物暴露于过高的电场或电位降，那么金属离子可过度氧化且阈值会处于较低电压。

利用装置10的区域18可在不会不利地增加跨越含金属硫属化合物材料16的电场及电位降的情况下使得装置10的V_t能够相对于现有技术装置增加。具体来说，产生于电极12与电极14之间的电场跨越区域18以及含金属硫属化合物材料16扩展。在某种意义上，区域16及18可被视为共享电极12与电极14之间的电场的邻近电容器。因此，可增加电极12与电极14之间的电场以对应于与现有技术装置相比较高的V_t，然而跨越含金属硫属化合物材料16的电场及电位降可保持处于相当于现有技术装置的电压的电压。在一些实施例中，区域18可称为电场修改区域。

区域18包括组合物20。源自与电极之间的电场的成比例支持相关的区域18的益处随着组合物20的介电常数减小及带隙增加而增加；且在一些实施例中组合物20可具有至少约3.5电子伏特的带隙。较高带隙有助于较低关断状态泄漏(较宽电压容限用以使电流保持低于10nA)。组合物20可包括任何适合物质，且在一些实施例中可包括一或多种氧化物。举例来说，在一些实施例中，组合物20可包括氧化镓(带隙4.8电子伏特，介电常数4.2)及氧化钆(带隙5.8电子伏特，介电常数4.8)中的一者或两者。尽管低介电常数组合物20可为优选的，但在一些实施例中组合物20的介电常数可在从约1.8到约25的范围内。

在一些实施例中，组合物20可包括掺杂金属的氧化物。举例来说，组合物20可包括掺杂有铝的氧化镓及氧化钆中的一者或两者。

组合物20可具有任何适合厚度“T₂”以优化金属-硫属化合物材料中的电压降及电场，(例如)以便将V_t设置为与存储器元件及阵列大小兼容。在一些实施例中，所述组合物相对于含金属硫属化合物材料厚度可具有0.05到1的厚度比率。在一些实施例中，厚度T₂可在从大于0nm到小于或等于约3nm的范围内。在一些实施例中，组合物20可具有在从约一个单层到小于或等于约5个单层的范围内的厚度。如果区域18仅包括单一种组合物20，那么区域18将具有与组合物20相同的厚度。在其它实施例(例如，下文参考图4及5所描述的实施例)中，区域18可包括不同组合物的多个层。在一些实施例中，区域18可具有超出上文关于组合物20所描述的范围的厚度。

装置10可具有两种操作状态，其中此等状态中的一者是“关断”状态且另一者是“接通”状态。在“关断”状态中期望穿过所述装置的电流为零(或至少极低)，且在“接通”状态中期望穿过所述装置的电流是相对高的。关于一些现有技术装置的问题是：“接通”状态中的电流并未如所期望的一样高。在一些实施例中，区域20包括有效地与来自材料16的金属/硫属化合物的金属耦合以在操作“接通”状态中实现穿过装置10的高电流密度的组合物。

图2展示在操作“接通”状态中的装置10的区域。来自金属/硫属化合物16的金属已朝向电极12迁移且形成邻近组合物20的金属富集区域24。虚线23用以图解性说明金属富集区域的大致边界。实际上，金属富集区域在金属/硫属化合物16内可具有或可不具有可辨识边界。

在一些实施例中，组合物20可具有传导带，所述传导带从在金属富集区域24内的金属的功函数偏移不超过约1电子伏特；或甚至不超过约0.5电子伏特。举例来说，如果金属/硫属化合物的金属是铜，那么所述金属的功函数将在从约4.5电子伏特到约4.9电子伏特的范围内。在此类实施例中，组合物20可具有在从约4.0电子伏特到约5.4电子伏特的范围内的带隙，使得所述带隙从金属的功函数偏移不超过约0.5电子伏特(即，在所述功函数的0.5电子伏特内)；或可具有在从约3.5电子伏特到约5.9电子伏特的范围内的带隙，使得所述带隙从金属的功函数偏移不超过约1电子伏特。在特定实施例中，组合物20可包括氧化镓(带隙4.8电子伏特)及氧化钆(带隙5.8电子伏特)中的一者或两者；且含金属硫属化合物材料16可包括铜/硫属化合物，其中所述铜具有从约4.5电子伏特到约4.9电子伏特的功函数。注意，带可取决于场强度而具有一些变化，且因此在适当场强度下氧化钆传导带可在铜的功函数的0.5电子伏特内。

再次参考图1，装置10可并入到集成电路架构的众多区域中的任一者中；例如，逻辑及/或存储器。所述装置经展示为通过电极12电耦合到集成式结构30，且通过电极14电耦合到另一集成式结构32。如果在存储器中利用装置10，那么结构30及32可分别对应于(举例来说)存取/感测线及存储器单元(或反之亦然)。所述存储器单元可为RRAM单元，例如，相变存储器单元、导电桥接存储器单元、多价氧化物存储器单元、自旋转移力矩存储器单元等。所述存储器单元可为存储器阵列的大量存储器单元中的一者，且装置10可代表用作存储器阵列内的选择装置的大量相同装置。

图1的装置10展示为包括单个电场修改区域18。在其它实施例中，可利用多个电场修改区域。举例来说，图3展示除第一电场修改区域18之外还包括第二电场修改区域40的装置10a。第二电场修改区域40相对于第一电场修改区域18位于含金属硫属化合物材料16的相对侧上。

区域40包括组合物42。此组合物可包括上文关于区域18的组合物20所描述的材料中的任一者。在一些实施例中，组合物42可与组合物20相同，且在其它实施例中可相对于组合物20是不同的。

图1的区域18展示为包括单个组合物20。在其它实施例中，区域18可包括不同组合物的两个或多于两个层。举例来说，图4展示其中区域18包括三个层50到52的堆叠的装置10b。在一些实施例中，层50及52可包括氧化镓及氧化钆中的一者或两者；且层51可包括氧化铝。层50及52可为彼此相同的组合物，或可为相对于彼此不同的组合物。利用区域18中的多个层可使得所述区域的总体介电性质及/或所述区域的其它性质能够经修整以用于特定应用。

尽管图4的区域18展示为包括三个层，但在其它实施例中所述区域可包括少于三个层或多于三个层。

图4的实施例展示仅含有一个电场修改区域的装置。在其它实施例中，所述装置可包括多个电场修改区域。举例来说，图5展示结合类似于上文参考图3所描述的区域的区域40利用的多层电场修改区域18。区域40可包括单个组合物(举例来说，图3的组合物42)或可包括不同组合物的多个层(举例来说，上文参考区域18所描述的类型的层50到52)。

类似于图4及5的实施例可形成有包括多层材料的顶部区域40。在图6及7中展示此类实施例的实例。

在一些实施例中，图1及3到7的装置可为双极装置，因为其可实现沿从底部电极12到顶部电极14的方向的电流流动，或可实现沿相反方向的电流流动。在一些应用中，双极装置可为有利的，此归因于在一些应用中期望双向操作用于RRAM、CBRAM及STT-RAM。

在一些实施例中，图3的组合物42与图3的组合物20匹配，且图3的装置10a可称为对称装置，因为沿着含金属硫属化合物区域16的中心存在对称镜面。相反，图1、4及6的装置是非对称装置。图5及7的装置可取决于区域18及40的相对组合物而为对称装置或非对称装置。而且，在一些实施例中，如果组合物42与组合物20不匹配及/或如果区域40经形成以具有不同于区域18的厚度，那么图3的装置可为非对称装置。本文中所描述的实施例的各种对称及非对称配置可使得装置能够经修整以用于特定应用。

上文所论述的装置及布置可并入到电子系统中。此类电子系统可用于(举例来说)存储器模块、装置驱动器、电力模块、通信调制解调器、处理器模块及专用模块中，且可包含多层、多芯片模块。所述电子系统可为广泛范围的系统(例如，时钟、电视、移动电话、个人计算机、汽车、工业控制系统、飞机等)中的任一者。

除非另有规定，否则本文所描述的各种材料、物质、组合物等可利用现在已知或尚有待于开发的任何适合方法(包含(举例来说)原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等)而形成。

术语“介电”及“电绝缘”两者均可用于描述材料具有绝缘电性质。在本发明中两个术语均视为是同义的。一些实例中的术语“介电”及其它实例中的术语“电绝缘”的利用可用于提供本发明内的语言变化以简化前置基础，且并非用于指示任何显著化学或电差异。

图式中的各种实施例的特定定向仅是出于图解说明的目的，且可在一些应用中相对于所展示的定向旋转所述实施例。本文中所提供的说明及所附权利要求书涉及在各种特征之间具有所描述的关系的任何结构，而不管所述结构是处于所述图式的特定定向中还是相对于此定向被旋转。

所附图解说明的横截面图仅展示横截面的平面内的特征，且并未展示所述横截面的所述平面后面的材料以便简化所述图式。

当一结构在上文称为“位于”另一结构“上”或“抵靠”另一结构时，其可直接位于另一结构上，或还可存在介入结构。相反，当一结构称为“直接位于”另一结构“上”或“直接抵靠”另一结构时，则不存在介入结构。当一结构称为“连接”或“耦合”到另一结构时，其可直接连接或耦合到另一结构，或可存在介入结构。相反，当一结构称为“直接连接”或“直接耦合”到另一结构时，则不存在介入结构。