(57)【要約】ナノスケールスイッチングデバイス(400)は、ナノスケールの幅を有する第１の電極(102)と、ナノスケールの幅を有する第２の電極(108)と、該第１の電極と該第２の電極の間に配置された、スイッチング材料を含む活性領域(106)と、該第１の電極と該第２の電極の間の該活性領域の中心部に電流の流れを閉じ込める該活性領域内の領域(402)と、誘電材料から形成されて、該活性領域の外側において該第１の電極と該第２の電極の間に配置された層間誘電体層(110)とを備える。ナノスケールクロスバーアレイ(900)及び該ナノスケールスイッチングデバイスを形成する方法も開示されている。【選択図】図４
2013541204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノスケールスイッチングデバイス（４００）であって、
ナノスケールの幅を有する第１の電極（１０２）と、
ナノスケールの幅を有する第２の電極（１０８）と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置された、スイッチング材料を含む活性領域（１０６）と、
前記活性領域内の領域（４０２）であって、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記活性領域の中心部に電流の流れを閉じ込める該領域（４０２）と、
誘電材料から形成された層間誘電体層（１１０）であって、前記活性領域の外側において、前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置された層間誘電体層
を備えるナノスケールスイッチングデバイス。
【請求項２】
前記スイッチング材料は、ある種のドーパントを保持することができ、かつ、電界の下で該ドーパントを移動させることができる、請求項１のナノスケールスイッチングデバイス。
【請求項３】
前記活性領域内に電流の流れを閉じ込める前記活性領域内の前記領域は絶縁材料から構成される、請求項１または２のナノスケールスイッチングデバイス。
【請求項４】
前記活性領域内に電流の流れを閉じ込める前記活性領域内の前記領域は、ある種のドーパントを保持することができず、かつ、電界の下で該ドーパントを移動させることができない横方向の酸化物から構成される、請求項１〜３のいずれかのナノスケールスイッチングデバイス。
【請求項５】
前記横方向の酸化物の酸素の含有量は、前記活性領域の周辺部でより大きく、前記活性領域の中心部の近くでより小さくなるように半径方向に変化する、請求項４のナノスケールスイッチングデバイス。
【請求項６】
前記誘電材料は、酸化物、または、炭化物、または、窒化物、または、それらの組み合わせである、請求項１のナノスケールスイッチングデバイス。
【請求項７】
ナノスケールクロスバーアレイ（９００）であって、
第１の方向に伸びる導電性のナノワイヤ（９０２）の第１のグループ（９０１）と、
第２の方向に伸びて、ナノワイヤの前記第１のグループと交差する導電性のナノワイヤ（９０４）の第２のグループ（９０３）と、
前記第１のグループのナノワイヤと前記第２のグループのナノワイヤの交差部に形成された複数のスイッチングデバイス（４００、９１０）
を備え、
前記スイッチングデバイスの各々は、
前記第１のグループの第１のナノワイヤによって形成された第１の電極、及び、前記第２のグループの第２のナノワイヤによって形成された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記交差部に配置された活性領域（９１２）と、
前記活性領域内の領域（４０２）であって、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記活性領域の中心部に電流の流れを閉じ込める該領域（４０２）と、
前記活性領域の外側において、前記第１のグループのナノワイヤと前記第２のグループのナノワイヤの間に配置された、誘電材料からなる層間誘電体層（１１０）
を有し、
前記活性領域はスイッチング材料を含むことからなる、ナノスケールクロスバーアレイ。
【請求項８】
前記スイッチング材料は、ある種のドーパントを保持することができ、かつ、電界の下で該ドーパントを移動させることができる、請求項７のナノスケールクロスバーアレイ。
【請求項９】
前記活性領域内に電流の流れを閉じ込める前記活性領域内の前記領域は、ある種のドーパントを保持することができず、かつ、電界の下で該ドーパントを移動させることができない横方向の酸化物から構成される、請求項７または８のナノスケールクロスバーアレイ。
【請求項１０】
前記横方向の酸化物の酸素の含有量は、前記活性領域の周辺部でより大きく、前記活性領域の中心部の近くでより小さくなるように半径方向に変化する、請求項９のナノスケールクロスバーアレイ。
【請求項１１】
前記誘電材料は、誘電率が４以下である、酸化物もしくは炭化物もしくは窒化物もしくはそれらの組み合わせである、請求項７のナノスケールクロスバーアレイ。
【請求項１２】
ナノスケールスイッチングデバイス（４００）を形成する方法であって、
ナノスケールの幅を有する第１の電極（１０２）、及び、ナノスケールの幅を有する第２の電極（１０８）を形成するステップと、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に活性領域（１０６）を形成するステップであって、前記活性領域は、ある種のドーパントを保持することができ、かつ、電界の下で該ドーパントを移動させることができるスイッチング材料を含む、ステップと、
前記活性領域内に、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記活性領域の中心部に電流の流れを閉じ込める領域（４０２）を形成するステップと、
前記活性領域の外側に誘電材料からなる層間誘電体層（１１０）を形成するステップ
を含む方法。
【請求項１３】
前記スイッチング材料は第１の金属酸化物であり、電流の流れを閉じ込める前記活性領域内の前記領域は、ある種のドーパントを保持することができず、かつ、電界の下で該ドーパントを移動させることができない横方向の酸化物である、請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記横方向の酸化物の酸素の含有量は、前記活性領域の周辺部でより大きく、前記活性領域の中心部の近くでより小さくなるように半径方向に変化する、請求項１３の方法。
【請求項１５】
電流の流れを閉じ込める前記領域を形成する前記ステップは、前記ナノスケールスイッチングデバイスのアレイをなすようにビット（１１２）を画定するためのプラズマエッチングと、温度を高くした状態もしくは温度を高くしない状態での前記活性領域の酸化を含む、請求項１２の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
政府権益の声明
本発明は、米国防総省高等研究計画局（Defense Advanced Research Project Agency）から授与された契約番号HR0011-09-3-0001の下で政府の支援によりなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
【０００２】
関連する出願に対する相互参照
本願は、２０１０年３月３１日に提出された、寄生抵抗を最小化し、及び、側壁ショート（sidewall short）を除去するために金属酸化物ビット封入コーティング（metal oxide bit encapsulating coating）を使用する、出願番号PCT/US2010/029423に関連する。
【０００３】
現在、かなりの研究開発努力が、ナノスケールメモリなどのナノスケール電子デバイスを設計及び製造することに向けられている。ナノスケール電子部品は、形状乃至寸法を大幅に小さくでき、自己 アセンブリ（self-assembly）の可能性があり、及び、比較的安価なフォトリソグラフィーを利用しない他の製造方法による製造の可能性があるといったことを含む大幅な進歩をもたらすことが期待されている。しかしながら、ナノスケール電子デバイスの設計及び製造には多くの新たな課題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
たとえば、抵抗性スイッチング挙動を示す酸化チタンなどのスイッチング材料を用いるナノスケールデバイスが最近報告されている。かかるデバイスのスイッチング挙動は、１９７１年にL.O. Chuaによって最初に予言されたメムリスタ回路素子理論（memristor circuit element theory）に関連付けられている。ナノスケールスイッチにおけるメムリスティブ（memristive）な挙動の発見は、大きな興味を喚起しており、そのようなナノスケールスイッチをさらに進歩させ、及び、それらを種々の用途で実施するための大きな研究努力が進行中である。可能性のある多くの重要な用途のうちの１つは、そのようなスイッチングデバイス（スイッチング素子ともいう）を、デジタルデータを記憶するためのメモリ装置（メモリユニット）として使用することであり、この場合、該メモリ装置において、活性領域（アクティブ領域ともいう）は２つの電極間に挟まれている。メモリ素子を、そのようなスイッチングデバイスのアレイ（数多くのスイッチングデバイスの配列）としてクロスバー構造で構成することによって、素子密度を非常に高くすることができる。しかしながら、それらのスイッチングデバイスを実際の用途に使用するためには、解決しなければならない技術的な課題が存在する。１つの重要な問題は、妥当な長さの動作寿命を達成するために、どうやって、多くのオン／オフサイクルにわたってスイッチングデバイスのスイッチング特性を維持するかということである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】（追って補充）
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の１例にしたがうビット構造の側面図である。
【図２】図１のビット構成に関する可能性のある問題を示す、図１と類似の図である。
【図３】本発明の教示にしたがう、封入されたビットを示す、図１と類似の図である。
【図４】本発明の１例にしたがう、活性領域において半径方向乃至放射方向に変化する酸素プロファイルを利用する代替の例を示す、図１と類似の図である。
【図５】本発明の１例にしたがう、活性領域において半径方向乃至放射方向に変化する酸素プロファイルを有する図４のナノスケールスイッチングデバイスの略斜視図である。
【図６】図５のナノスケールスイッチングデバイスの比較的詳細な略断面図である。
【図７】本発明の教示にしたがう、保護クラッド層を有するナノスケールスイッチングデバイスを作製する方法の１例を示すフローチャートである。
【図８Ａ】図７の方法のステップに対応して、基板上における層の形成を示す略断面図である。
【図８Ｂ】図７の方法のステップに対応して、基板上における層の形成を示す略断面図である。
【図８Ｃ】図７の方法のステップに対応して、基板上における層の形成を示す略断面図である。
【図８Ｄ】図７の方法のステップに対応して、基板上における層の形成を示す略断面図である。
【図８Ｅ】図７の方法のステップに対応して、基板上における層の形成を示す略断面図である。
【図９】本発明の１例にしたがう、ナノスケールスイッチングデバイスのクロスバーアレイ（crossbar array）の略斜視図であり、ナノスケールスイッチングデバイスの各々は保護クラッド層を有する。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、添付の図面を参照して、本発明のいくつかの例示的な実施形態を説明する。
【０００８】
ナノスケールクロスバーメモリの構成において、活性領域が第１の電極と第２の電極の間に配置される。該第１及び第２の電極の各々は、ナノスケールの幅を有する。活性領域はスイッチング材料（切換材料ともいう）を含む。いくつかの例では、誘電材料から形成された層間誘電体層（中間の誘電体層ともいう）が、活性領域の外側の、第１の電極と第２の電極の間に配置される。
【０００９】
図１は、下部電極１０２が基板１０４上に配置されている、ビット構造１００を示している。活性領域１０６（活性領域についてはより詳細に後述する）は下部電極１０２上に配置されている。上部電極１０８は、活性領域１０６上に配置されて、下部電極１０２にほぼ直交する向きに置かれている。下部電極１０２と上部電極１０８のどちらかを第１の電極とし、他方を第２の電極とすることができる。誘電材料１１０は、隣接する活性領域１０６間の空間をふさいでいる。誘電材料についてはより詳細に後述する。２つの電極１０２と１０８の間に挟まれた活性領域１０６を有する単一のユニットをビット（bit）１１２と呼ぶ。
【００１０】
隣り合う活性領域１０６間には、等価な寄生容量ＣＳと寄生抵抗ＲＳ（これらは、図１には示されていないが、図２には示されている）が並列に存在する。この構成によって生じる可能性のある問題には、側壁伝導（sidewall conduction）、隣接するビット１１２間の漏れ経路、信頼性のない（デバイスの境界に沿った）ビット伝導（導電）経路、及び、デバイス特性の変動が含まれる。
【００１１】
図２はこれらの可能性のある問題を示している。側壁伝導は、側壁１１６に沿った短絡（ショート）１１４として示されている。隣接するビット１１２間の漏れ経路は、寄生容量ＣＳと寄生抵抗ＲＳの存在によって示されている。信頼性のないビット伝導経路は、ブレース（brace）１１８によって示されており、伝導は、それぞれの長さが異なりうる多くの経路のうちの１つの経路を通りうるので、スイッチング時間に影響を与える。デバイス特性の変動は、伝導経路１２０ａ、１２０ｂによって示されており、毎回、伝導経路に小さな変動が生じる可能性がある。
【００１２】
図３は、ビット１１２を誘電体クラッド層３０２で封入することによって、図１及び図２の構造を改善した構造３００の１例を示している。かかる封入を追加すると、ビット１１２が互いから分離乃至絶縁されるため、寄生抵抗の効果を最小化することができる。さらに、側壁１１６（図２に示されている）に沿って伸びている短絡１１４が除去されている。
【００１３】
図３に示されている実施形態では、クラッド層３０２は、活性領域１０６を囲んでおり、かつ、その高さは、少なくとも下部電極１０２から上部電極１０８まで伸びている。こうして、保護クラッド層は、活性領域１０６を層間誘電体層１１０から分離乃至絶縁または保護し、かつ、スイッチング材料と層間誘電体層の誘電材料との接触及び／または化学的相互作用を阻止する。保護クラッド層を、化学的に安定で、スイッチング材料とは反応せず、かつ、スイッチング材料中のドーパントに対して実質的に不浸透性を有する（すなわち、該ドーパントを実質的に通さない）非導電性のクラッド材料から形成することができる。本明細書で使用されている「不浸透性を有する」という用語は、正常な（乃至通常の）動作条件下では、それらのドーパントがクラッド材料を通って移動できないことを意味する。これに関して、層間誘電体層は、一般に、デバイスのキャパシタンス（静電容量）を小さくしてより速いアクセスタイムを実現できるように、小さな誘電率を有するように選択される。しかしながら、そのような誘電材料は、スイッチング材料と化学的に相互作用する傾向を有する場合がある。これとは対照的に、クラッド材料は、実質的上化学的に不活性なものが選択される。したがって、スイッチング材料中のドーパントは、活性領域１０６内に閉じ込められており、保護クラッド層３０２を介して増減できない。
【００１４】
１例として、活性領域１０６を構成するスイッチング材料がTiO2（スイッチング材料については後でより詳細に説明する）であり、ドーパントが酸素空孔（oxygen vacancy。酸素空格子点ともいう）である場合を説明する。この場合、クラッド層３０２を構成する材料を、酸化ハフニウム（HfO2）とすることができる。該酸化ハフニウムは、熱力学的により安定な酸化物であり、それゆえ、酸素空孔または酸素が、TiO2スイッチング材料から離れるのを防止するのに有効である。使用できるクラッド材料の他の例には、酸化ジルコニウム（ZrO2）、酸化マグネシウム（MgO）、酸化カルシウム（CaO）、酸化アルミニウム（Al2O3）などがある。これとは対照的に、層間誘電体層を形成する誘電材料は、クラッド材料とは異なり、たとえば、酸化ケイ素（SiO2）、窒化ケイ素（Si3N4）、炭窒化ケイ素（SiCxNy）、酸窒化ケイ素（SiOxNy）などの酸化物、窒化物または炭化物（カーバイド）とすることができる。通常、層間誘電体層の誘電率は小さい。たとえば、該誘電率を４以下とすることができる。
【００１５】
図４は、本発明の１例にしたがうナノスケールスイッチングデバイス４００を示している。デバイス４００の構成は、図１に示すデバイス１００によく似ているが、第１の電極と第２の電極の間の活性領域の中心部に電流の流れを閉じ込める（すなわち、該中心部のみを流れるように電流を制限する）領域４０２を活性領域内に有する点で異なる。より具体的には、この領域を、横方向の酸化（lateral oxidation）などによる絶縁材料、もしくは、横方向の酸化物乃至側面の酸化物などの絶縁材料から構成することができ、その場合、該酸化物の酸素含有量は、半径方向に変化し、ビット１１２の周辺部ではより大きく（すなわち、活性領域１０６の周辺部ではより大きく）、該ビットの中心部の近くではより小さい（すなわち、該活性領域の中心部ではより小さい）。上記したように、活性領域は、ある種のドーパントを保持乃至運搬することができ、電界の下（たとえば、所定の電界が加えられている状態）で該ドーパントを移動させることができるが、横方向の酸化物乃至側面の酸化物は、ある種のドーパントを保持乃至運搬することはできず、また、電界の下で該ドーパントを移動させることもできない。
【００１６】
電流の流れを閉じ込める（電流の流れを制限する）領域を、酸素ガスを用いるプラズマ酸化などのさまざまな方法で得ることができる。
【００１７】
電流の流れを閉じ込め領域を利用する結果として、ビットを分離乃至絶縁することによって寄生抵抗の効果を最小化するという課題、側壁上に伸びる短絡を除去するという課題、ビットの中心部に電流を閉じ込めるという課題、半径方向に沿って（外側に移動したときに損失がより少なくなるように）誘電率を変化させ乃至調整するという課題、及び、電流を減少させ、その結果、動作電力を減少させて、耐久性を高めるという課題が解決される。
【００１８】
図５は、デバイス４００の単一のビット１１２の斜視図である。スイッチングデバイス４００は、ワード線４０４及び下部電極１０２を有する下部接触構造と、上部電極１０８及びビット線４０６を有する上部接触構造を備えている。スイッチング材料を含む活性領域１０６が、上部電極１０８と下部電極１０２の間に配置されている。より詳細に後述するように、スイッチング材料は、該デバイスを、抵抗値が小さいオン状態と抵抗値が大きいオフ状態の間、または、該オン状態と該オフ状態の間の中間の状態の間で切り替えることができるように制御可能に調整できる電気的特性を有する。酸素プロファイル（酸素の分布状態）４０２は図５には示されていない。
【００１９】
上部電極１０８及び下部電極１０２の各々は、ナノスケールの幅を有することができる。本明細書で使用されている「ナノスケール」という用語は、物体が、１マイクロメートルよりも小さい１以上の寸法を有することを意味し、いくつかの例では、該寸法が５００ナノメートルよりも小さいことを意味し、また、該寸法が１００ナノメートルよりも小さいことを意味する場合も多い。たとえば、電極１０８及び１０２は、５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内の幅を有することができる。同様に、活性領域１０６は、ナノスケールの高さ、典型的には、数ナノメートル〜数十ナノメートルの範囲の高さを有することができる。
【００２０】
ワード線４０４、ビット線４０６、及び電極１０２、１０８は導電性であるが、異なる材料から形成することができる。この例では、ワード線４０４及びビット線４０６は、高い導電性すなわち小さい抵抗を提供するためのものであり、たとえば、Cuダマシンプロセス（Cu damascene process）またはAl導体化処理（Al conductor process）によって形成することができる。電極１０２及び１０８を、ワード線４０４またはビット線４０６の材料とスイッチング材料との相互作用を防止するために選択された導電材料から形成することができ、及び、白金、金、銅、タンタル、タングステンなどの金属、窒化チタン、窒化タングステンなどの金属化合物、または、ドープされた半導体材料とすることができる。他のいくつかの例では、電極１０２及び１０８が十分な導電性（または導電率）を提供することができ、ワード線４０４及びビット線４０６は必要でない場合がある。
【００２１】
図５に示されている例では、上部電極１０８は下部電極１０２に対してある角度をなして伸びている。この角度を、たとえば、約９０°とすることができるが、デバイス設計に依存して、他の角度値とすることができる。上部電極１０８と下部電極１０２は異なる高さにあり、また、活性領域１０６は、通常、それらの電極間の（それらの電極の）重複部分のみを占めているので、上部電極１０８のための支持構造（構造的に支持するための手段）が必要である。このために、上部電極１０８の下で、かつ、活性領域１０６の外側にある空間の大部分を誘電材料で埋めて、層間誘電体層１１０を形成することができる。層間誘電体層１１０は、支持構造を提供し、また、電極１０８と１０２を電気的に絶縁する。該層１１０はまた、スイッチングデバイスを任意の隣接するスイッチングデバイスから分離乃至絶縁する。
【００２２】
本発明によって解決される問題を理解しやすくするために、１つの例であるスイッチングデバイス４００の構成要素及び動作原理を図６を参照して説明する。図６に示されているように、上部電極１０８と下部電極１０２の間に配置された活性領域１０６はスイッチング材料を含んでいる。このスイッチング材料は、ある種の移動可能なイオン性ドーパント（mobile ionic dopant）を運ぶことができ、これによって、該スイッチング材料の電気的性質、または、該スイッチング材料と（図６の例では上部電極１０８とすることができる）電極の境界部の電気的性質を変えるために、該ドーパントを、該スイッチング材料を通して制御可能に移動させて、再分配する（すなわちドーパントの分布を変える）ことが可能である（すなわち、ドーパントをそのように移動させて再分配させるように制御できる）。このようにドーパントの分布の関数として電気的性質を変えることができることによって、スイッチングデバイス４００を、電圧源４０８から電極１０８及び１０２にスイッチング電圧を印加することによって異なるスイッチング状態にすることが可能である。
【００２３】
一般に、スイッチング材料は、半導電性である（または、半導体の電気的性質を有する）か、または、名目上絶縁性で弱いイオン導電体（weak ionic conductor）でありうる。それぞれが適切なドーパントを有する多くの異なる材料をスイッチング材料として使用することができる。スイッチングに適した性質を示す材料には、酸化物、硫化物、セレニド（セレン化物）、窒化物、炭化物（カーバイド）、リン化物（phosphide）、ヒ化物（arsenide）、塩化物（chloride）、及び、遷移金属と希土類金属からなる臭化物（bromide）が含まれる。適切なスイッチング材料には、Si及びGeなどの元素半導体、並びに、III-V族及びII-VI族化合物半導体などの化合物半導体も含まれる。III-V族半導体には、たとえば、BN、BP、BSb、AlP、AlSb、GaAs、GaP、GaN、InN、InP、InAs、InSb、並びに、三元化合物及び四元化合物（quaternary compound）が含まれる。II-VI族化合物半導体には、たとえば、CdSe、CdS 、CdTe、ZnSe、ZnS 、ZnO、及び、三元化合物が含まれる。II-VI族化合物スイッチング材料には相変化物質（phase change material）を含めることもできる。スイッチング材料には、a-Siマトリックス中にAgフィラメント（Ag filament）を有するa-Si:Agなどのフィラメント構造を含めることもできる。使用可能なもしくは使用できる可能性のあるスイッチング材料のこれらのリストは、全てを網羅したものではなく、また、本発明の範囲を限定するものでもない。
【００２４】
スイッチング材料の電気的性質を変えるために使用されるドーパント種は、選択したスイッチング材料の特定のタイプに依存し、該ドーパント種を、カチオン、アニオンまたは空孔（空格子点）、または、電子供与体もしくは電子受容体などの不純物とすることができる。たとえば、TiO2などの遷移金属酸化物の場合は、ドーパント種を、酸素空孔（Vo２＋）とすることができる。GaNの場合は、ドーパント種を、窒素空孔（nitride vacancy）または硫化物イオンドーパントとすることができる。化合物半導体の場合は、ドーパントを、ｎ型もしくはｐ型の不純物、または、金属フィラメント含有物（metal filamentary inclusion）とすることができる。
【００２５】
図６に例示しているように、スイッチング材料をTiO2とし、ドーパントを酸素空孔（Vo２＋）とすることができる。電圧源４０８から上部電極１０８及び下部電極１０２にＤＣスイッチング電圧が印加されているときは、活性領域１０６を横断する電界が生成される。この電界は、十分な強度を有しかつ極性が適正な場合には、酸素空孔を、活性領域１０６内のスイッチング材料を通して上部電極１０８の方へと押し出し、これによって、該デバイスをオン状態にすることができる。
【００２６】
電界の極性が反転すると、酸素空孔は、活性領域１０６を横断して逆方向へと移動して上部電極１０８から離れ、これによって、該デバイスをオフ状態にすることができる。このように、スイッチングは反転可能であり、スイッチングを繰り返すことができる。ドーパントをドリフトさせるすなわち移動させるのに必要な電界が比較的大きいために、スイッチング電圧が除去された後も、スイッチング材料中のドーパントの位置は安定した状態を維持する。換言すれば、スイッチングは不揮発性である（すなわち電圧を切っても状態が変わらない）。
【００２７】
電圧源４０８から上部電極１０８及び下部電極１０２に読み出し電圧を印加して、それら２つの電極間の抵抗を検出することによって、スイッチングデバイス４００の状態を知ることができる。読み出し電圧は、一般的には、活性領域１０６中のイオン性ドーパントをドリフトさせる（移動させる）のに必要なスイッチング電圧よりもはるかに小さいので、読み出し動作は、スイッチングデバイスのオン／オフ状態を変えない。
【００２８】
上記のスイッチング動作をいくつかの異なるメカニズムに基づいて行うことができる。１つのメカニズムでは、スイッチング動作を、「インターフェース」現象とすることができる。たとえば、図６に示されているように、最初は、上部電極１０８の近くのTiO2スイッチング材料中の酸素空孔の密度が小さい状態で、該スイッチング材料と上部電極１０８のインターフェースすなわち境界部は、電子の通り抜けを難しくする電子障壁を有するショットキー障壁のように動作することができる。同様に、該スイッチング材料と下部電極１０２のインターフェースすなわち境界部もショットキー障壁のように動作することができ、この場合、流れの方向は、上部電極１０８におけるショットキー様障壁の方向とは逆である。この結果、該デバイスは、いずれの流れ方向でも比較的高い抵抗を有する。上部電極１０８を負極側として、上部電極１０８及び下部電極１０２にスイッチング電圧を印加して該デバイスをオンにすると、酸素空孔は上部電極１０８の方にドリフトすなわち移動する。上部電極１０８の近くにおけるドーパントの濃度が増加すると、該インターフェースすなわち境界部の電気的性質が、ショットキー障壁に似た性質からオーム接点に似た性質へと変わり、電子障壁の高さまたは幅が大幅に小さくなる。この結果、電子は、該インターフェースをはるかに簡単に通り抜けることができ、スイッチングデバイス４００は、今や、オン状態であり、下部電極１０２から上部電極１０８へと流れる電流に対する全抵抗は大幅に小さくなっている。
【００２９】
もう１つのメカニズムでは、活性領域１０６の抵抗の減少を、スイッチング材料の「バルク」特性とすることができる。スイッチング材料中のドーパントレベル（たとえばドーパントの量乃至濃度）の再分配によって、スイッチング材料の両端間の抵抗は小さくなり、これは、上部電極１０８と下部電極１０２の間の該デバイスの抵抗の減少をもたらしうる。抵抗の変化を、「バルク」メカニズムと「インターフェース」メカニズムとの組み合わせの結果とすることも可能である。スイッチング動作を説明するためのメカニズムとしていくつかの異なるメカニズムが存在しうるが、本発明は、確認用のどのような特定のメカニズムにも依存せず、また、本発明の範囲は、どのスイッチングメカニズムが実際に作動しているかによって制限されないことに留意されたい。
【００３０】
上記の説明から理解されるように、活性領域のスイッチング材料中のドーパントの再分配は、スイッチングデバイスのスイッチング動作に関与することができる。活性領域中のドーパントの量が意図しないやり方で変化するならば、該デバイスのスイッチング特性は制御不能に変わってしまう場合がある。望ましくないドーパント量の変化に対する１つの可能性のあるメカニズムは、スイッチング材料から周囲の材料中にドーパントを拡散させるか、または、スイッチング材料もしくはドーパントを該周囲の材料と反応させることである。TiO2などの遷移金属酸化物がスイッチング材料として使用されているときに、該スイッチング材料が、一般的には、酸化ケイ素または窒化ケイ素または炭窒化ケイ素から形成される層間誘電体層と直接接触している場合には、酸素空孔の量が時間とともに大きく変化しうることを本発明者は見いだした。スイッチングデバイスの活性領域中のスイッチング材料の量が小さく、かつ、ドーパントの濃度が比較的低いために、ドーパントの減少（または増加）量が小さくても、該デバイスのスイッチング特性に大きな影響を与えうる。ドーパントの量が過度に変化するか、または、該デバイスのエッジにおけるドーパントの量が変化することによって該エッジが導電性を有しうる場合には、該デバイスはスイッチングの能力を失ってしまう可能性さえある。
【００３１】
このドーパントの変化の問題は、ナノスケールスイッチングデバイス４００に、半径方向乃至放射方向に変化する酸素プロファイル４０２を含めることによって効果的に解決される。
【００３２】
図７は、保護クラッド層を有するナノスケールスイッチングデバイスを形成するための本発明の方法の１例を示している。この方法を、図７の方法のステップから得られるデバイスのスタック構造の進展を示している図８Ａ〜図８Ｆを参照して説明する。先ず、図８Ａに示すように、ワード線４０４を基板１０４内に形成し（ステップ７００）、下部電極１０２をワード線４０４の上に形成する（ステップ７０２）。下部電極１０２を長く伸びた構造乃至細長い構造とすることができるが、図８Ａの断面図では該電極の幅だけが見えている。次に、図８Ｂに示すように、スイッチング材料の層を下部電極１０２上に堆積乃至付着させて、活性領域１０６を形成する（ステップ７０４）。活性領域の形状を、一般に、長方形、正方形、円形、または卵形（楕円形）とすることができる。活性領域を形成するこのステップは、最初に、基板全体の上にスイッチング材料の層を堆積乃至付着させて、下部電極を覆い、次に、フォトレジストを用いて活性領域をパターン形成し、パターン形成された活性領域の外側のスイッチング材料をエッチングによって除去することを含むことができる。
【００３３】
半径方向乃至放射方向に変化するプロファイル４０２を生成するために活性領域１０６の側壁を酸化する。この酸化を、たとえば、ビット１１２を画定するプラズマエッチングプロセスの終わりにプラズマ酸化を用いて実行することができる。結果として生成された構造が図８Ｃに示されている。酸化環境で焼なまし（アニール）をするか、または、酸素プラズマと加熱（高温化）を組み合わせることによって酸化を実行することもできる。
【００３４】
次に、図８Ｄに示すように、誘電材料の層１１０を図８Ｃの構造の上に（該構造を覆うように）堆積乃至付着させ、電子化学的平坦化（CMP：electro-chemical planarizing）処理を用いて、誘電体層１１０を平坦にし、かつ、活性領域１０６の上部を露出させる（ステップ７０８）。次に、図８Ｅに示すように、上部電極１０８を活性領域１０６及び層間誘電体層１１０の上に形成し（ステップ７１０）、比較的厚い導電層の形態のビット線４０６を上部電極１０８の上に形成する（ステップ７１２）。このステップは、電極材料の層を該活性領域及び該誘電体層の上に堆積乃至付着させ、該上部電極１０８をパターン形成し、及び、該上部電極１０８を形成するのには余分な電極材料をエッチングによって除去することを含むことができる。上記の図７の方法は、クラッド層を有するスイッチングデバイスを形成する方法の１例にすぎず、同様の構造を形成するために他の方法を使用することもできる。
【００３５】
各々のナノスケールスイッチングデバイスが保護クラッド層を有する複数のナノスケールスイッチングデバイスを、さまざまな用途用に、クロスバーアレイ（クロスバー配列）をなすように形成することができる。図９は、そのようなスイッチングデバイスの２次元アレイ９００の１例を示している。このアレイは、上層にある概ね平行なナノワイヤ９０２の第１のグループ９０１と、下層にある概ね平行なナノワイヤ９０４の第２のグループ９０３を有している。第１のグループ９０１のナノワイヤ９０２は、第１の方向に伸びており、第２のグループ９０３のナノワイヤ９０４は、第１の方向とある角度（たとえば９０°）をなす第２の方向に伸びている。ナノワイヤのこれら２つの層は２次元クロスバー構造を形成し、上層の各ナノワイヤ９０２は、下層の複数のナノワイヤ９０４と交差している。ナノスケールスイッチングデバイス９１０を、このクロスバー構造中のナノワイヤの各交差部に形成することができる。スイッチングデバイス９１０は、自身の上部電極として第１のグループ９０１のナノワイヤ９０２を有し、自身の下部電極として第２のグループ９０３のナノワイヤ９０４を有している。スイッチング材料を含んでいる活性領域９１２は、上部（すなわち上層）のナノワイヤ９０２と下部（すなわち下層）のナノワイヤ９０４の間に配置されている。図９には示されていないが、活性領域９１２は、半径方向乃至放射方向に変化する酸素プロファイルを含んでいる。
【００３６】
ナノスケールスイッチングデバイス９１０の活性領域９１２の外側における上層と下層の間の空間に誘電材料を充填して（説明の明瞭化のために図９には明示されていない）層間誘電体層を形成することができる。
【００３７】
いくつかの図面に示されているように、電極１０２、１０８、９０２、９０４の断面形状を、正方形または長方形とすることができる。しかしながら、円形や卵形またはそれら以外の形状といった他の断面形状を採用することもできる。
【００３８】
上記の説明では、本発明を理解できるようにするために多くの細部が説明されている。しかしながら、当業者には、それらの細部がなくても本発明を実施できることが理解されよう。本発明を限られた数の例に関して開示したが、当業者にはそれらの例から多くの改良及び変形が理解されよう。本願の特許請求の範囲は、それらの改良及び変形も本発明の真の思想及び範囲に含まれるものとしてカバーしていることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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