包含阻变沟道层的电子器件的制作方法

包含阻变沟道层的电子器件
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年2月22日在韩国知识产权局提交的申请号为10-2021-0023707的韩国申请的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及一种电子器件，并且更具体地，涉及一种包括阻变沟道层的电子器件。


背景技术：

4.一般而言，在电子器件领域中，阻变材料可以是指当施加了诸如热、压力、电压或电流等外部刺激时经历内部电阻变化的材料。即使在去除外部刺激之后，一些阻变材料也可以非易失性地保持已改变的电阻。因此，出现了利用可变电阻作为信号信息的电阻式存储器件。电阻式存储器件可以包括例如阻变随机存取存储器(rram)、相变ram、磁变ram等。
5.最近，关于电阻式存储器件，正在对增加可实现的电阻状态的数量、增加可实现的多个电阻状态之间的大小比(size ratio)、增加待实现的多个电阻状态之间的线性度和对称性、以及提高电阻式存储器件的驱动速度的方法进行各种研究。


技术实现要素：

6.根据本公开的实施例的电子器件包括：衬底；源电极层和漏电极层，被设置在所述衬底上方而彼此间隔开；沟道层，其能够接收氢，并设置在所述衬底上方在所述源电极层与漏电极层之间沟道；质子传导层，设置在所述沟道层上；氢源层，设置在所述质子传导层上；以及栅电极层，设置在所述氢源层上。
7.根据本公开另一实施例的电子器件包括：衬底；源电极层和漏电极层，被设置在所述衬底上方而彼此间隔开；沟道层，被设置在所述衬底上方在所述源电极层与漏电极层之间沟道；质子传导层，设置在所述沟道层上；以及栅电极层，设置在所述质子传导层上。
附图说明
8.图1是示意性地示出根据本公开的实施例的电子器件的截面图。
9.图2a和图2b是示意性示出根据本公开实施例的电子器件的写入操作的视图。
10.图3是示意性地示出根据本公开实施例的电子器件的读取操作的视图。
11.图4是示意性地示出根据本公开的另一实施例的电子器件的视图。
12.图5是示意性地示出根据本公开又一实施例的电子器件的视图。
13.图6是示意性地示出根据本公开的再一实施例的电子器件的视图。
14.图7是示意性地示出根据本公开又另一实施例的电子器件的视图。
具体实施方式
15.下面将参考附图详细描述本公开的实施例。在附图中，为了清楚地表示每个器件的组件，放大了组件的尺寸，诸如组件的宽度和厚度。本文使用的术语可以对应于考虑到它们在实施例中的功能而选择的词语，并且这些术语的含义可以根据实施例所属领域的普通技术人员而被解释为不同的含义。如果术语被明确地详细定义，则可以根据定义来解释这些术语。除非另有定义，否则本文中使用的术语(包括技术和科学术语)具有与实施例所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。
16.此外，除非在上下文中明确地不这样使用，否则单数形式的词语的表达应被理解为包括该词语的复数形式。应当理解，术语“包含”、“包括”或“具有”旨在指定特征、数量、步骤、操作、组件、元件、部分或其组合的存在，但不用于排除存在或可能添加一个或更多个其他特征、数量、步骤、操作、组件、元件、部分或其组合。
17.此外，在执行方法或制造方法时，构成所述方法的每个过程可以不同于所规定的顺序来进行，除非在上下文中明确描述了特定顺序。换言之，每个过程可以以与所述顺序相同的方式执行，并且可以实质上同时执行。此外，上述过程中的每个过程的至少一部分可以以相反的顺序执行。
18.在本说明书中，术语“预定方向”可以表示这样的方向，即其涵盖在坐标系中确定的一个方向以及与该方向相反的方向。例如，在x-y-z坐标系中，x方向可以涵盖平行于x方向的方向。即，x方向可以表示从原点0开始x轴绝对值在沿x轴的正方向上增大的方向和从原点0开始x轴绝对值在沿x轴的负方向上增大的方向的全部方向。在x-y-z坐标系中，y方向和z方向均可以以实质相同的方式解释。
19.图1是示意性地示出根据本公开的一个实施例的电子器件的截面图。参考图1，电子器件1可以包括衬底110、设置在衬底110上方而彼此间隔开的源电极层120和漏电极层130、设置在源电极层120与漏电极层130之间的沟道层140、设置在沟道层140上的质子传导层150、设置在质子传导层150上的氢源层160、以及设置在氢源层160上的栅电极层170。
20.在一个实施例中，衬底110可以包括半导体材料。例如，衬底110可以是硅(si)衬底、砷化镓(gaas)衬底、磷化铟(inp)衬底、锗(ge)衬底、或硅锗(sige)衬底。衬底110可以掺杂有n型掺杂剂或p型掺杂剂而具有导电性。然而，衬底110的导电性可能远低于沟道层140的导电性。因此，当在源电极层120和漏电极层130之间施加电压并且电流在源电极层120和漏电极层130之间流动时，电流可以选择性地流经沟道层140而不是衬底110。
21.在另一个实施例中，衬底110可以包括绝缘材料。例如，衬底110可以包括陶瓷材料或聚合物材料。陶瓷材料可以是例如氧化硅或氧化铝。聚合物材料可以是例如聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)或聚碳酸酯等。
22.参考图1，源电极层120和漏电极层130可以被设置成在衬底110的表面110s上彼此间隔开。源电极层120和漏电极层130中的每一个都可以包括导电材料。导电材料可以包括，例如，掺杂的半导体、金属、导电金属氮化物、导电金属氧化物、导电金属硅化物、导电金属碳化物，或它们中两种或更多种的组合。导电材料可以包括，例如，掺杂有n型或p型掺杂剂的硅(si)、钨(w)、钛(ti)、铜(cu)、铝(al)、钌(ru)、铂(pt)、铱(ir)、氧化铱、氮化钨、氮化钛、氮化钽、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽、氧化钌，或它们中两种或更多种的组合。
23.参考图1，沟道层140可以设置在衬底110的表面110s上在源电极层120和漏电极层130之间。在一个实施例中，沟道层140可以被设置成覆盖源电极层120的上表面120u和侧表面120s，并且覆盖漏电极层130的上表面130u和侧表面130s。
24.沟道层140可以在其中包含氢(h)。例如，氢(h)可以是原子化实体(atomic entity)或双原子实体的形式。在一个实施例中，沟道层140可以包括金属。氢(h)可以被设置在金属晶格的间隙位置中。也就是说，金属可以形成包含氢(h)的固态溶液。沟道层140可以包括能够通过与氢(h)结合而形成金属氢化物的金属。在金属氢化物中，金属和氢(h)可以形成金属键。沟道层140可以包括，例如，钯(pd)、镁(mg)、钇(y)，或它们中两种或更多种的组合。如将随后描述的，沟道层140可以通过质子传导层150与氢源层160交换氢(h)。
25.参考图1，质子传导层150可以被设置在沟道层140上。质子传导层150可以接触沟道层140。质子传导层150可以被设置成与源电极层120和漏电极层130间隔开。
26.质子传导层150可以包括能够以质子形式传导氢(h)的固体电解质。质子传导层150可以包括质子交换聚合物、金属有机骨架(下文称为“mof”)、共价有机骨架(下文称为“cof”)、磺化石墨烯、聚合物-石墨烯复合材料，或它们中两种或更多种的组合。
27.例如，质子交换聚合物可以包括基于磺化四氟乙烯的氟代聚合物-共聚物、基于聚苯乙烯的膜、基于磺化聚酰亚胺(spi)的膜、基于聚磷脂的膜或基于聚苯并咪唑(pbi)的膜等。作为另外的示例，mof可以是磺化的mof或聚合物-mof复合材料。在这种情况下，能够形成mof的金属盐可以包括具有诸如zn4o(co2)6、zn3o(co2)6、cr3o(co2)6、in3o(co2)6、ga3o(co2)6、cu2o(co2)4、zn2o(co2)4、fe2o(co2)4、mo2o(co2)4、cr2o(co2)4、co2o(co2)4和ru2o(co2)4等化学式的盐。能够形成mof的有机配体可以包括草酸、富马酸、h2bdc、h2bdc-br、h2bdc-oh、h2bdc-no2、h2bdc-nh2、h4dot、h2bdc-(me)2或h2bdc-(cl)2等。作为另外的示例，cof可以是磺化的cof或聚合物-cof复合材料。
28.参考图1，氢源层160可以设置在质子传导层150上。氢源层160可以含有氢(h)。例如，氢可以是原子化实体或双原子实体的形式。氢源层160可以包括，例如，金属氢化物或含氢半导体。金属氢化物可以是，例如，钯(pd)的氢化物、镁(mg)的氢化物或钇(y)的氢化物。含氢半导体可以包括，例如，含氢的硅(si)或含氢的砷化镓(gaas)。当利用含氢半导体作为氢源层160时，氢(h)可以在形成半导体材料层的过程中被注入到半导体材料层中。例如，可以应用扩散法或离子注入法作为注入氢的方法。
29.参考图1，栅电极层170可以被设置在氢源层160上。栅电极层170可以包括导电材料。导电材料可以包括，例如，掺杂的半导体、金属、导电金属氧化物、导电金属氮化物、导电金属硅化物、导电金属碳化物，或它们中两种或更多种的组合。导电材料可以包括，例如，掺杂有n型或p型掺杂剂的硅(si)、钨(w)、钛(ti)、铜(cu)、铝(al)、钌(ru)、铂(pt)、铱(ir)、氧化铱、氮化钨、氮化钛、氮化钽、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽、氧化钌，或它们中两种或更多种的组合。
30.如上所述，根据本公开的一个实施例的电子器件包括设置在衬底上在源电极层和漏电极层之间的沟道层。该沟道层能够含有氢(h)。质子传导层可以设置在沟道层上方，并且氢源层可以设置在质子传导层上方。此外，栅电极层可以设置在氢源层上。在一个实施例中，通过向栅电极层施加电压，沟道层可以经由质子传导层与氢源层交换氢(h)。在去除所施加的电压后，沟道层可以具有根据氢交换的结果而改变的氢浓度。沟道层可以具有与该
层中各种氢浓度相对应的不同的电阻状态。在电子器件中，沟道层可以执行以非易失性方式将不同的电阻状态储存为信号信息的功能。也就是说，根据本公开的一个实施例的电子器件可以用作包括作为存储层的沟道层的存储器件。
31.图2a和图2b是示意性地示出根据本公开的一个实施例的电子器件的写入操作的视图。图3是示意性地示出根据本公开的一个实施例的电子器件的读取操作的视图。
32.在一个实施例中，参考图2a、图2b和图3，根据本公开的一个实施例的电子器件可以作为阻变ram进行操作。图2a可以是示出在电子器件的沟道层中写入高电阻状态的第一写入操作的视图。图2b可以是示出在电子器件的沟道层中写入低电阻状态的第二写入操作的视图。图3可以是示出读取在电子器件的沟道层中写入的电阻状态的读取操作的视图。
33.参考图2a，电源10可以连接到电子器件1。第一写入操作可以通过在将源电极层120接地的同时将具有正偏压的第一写入电压v1施加到栅电极层170来执行。在另一个实施例中，与图2a所示的实施例不同，第一写入操作可以通过在将源电极层120和漏电极层130都接地的同时将具有正偏压的第一写入电压v1施加到栅电极层170来执行。在另一个实施例中，该实施例也与图2a中所示的实施例不同，当衬底110是具有导电性的半导体衬底时，第一写入操作可以通过在将源电极层120、漏电极层130和衬底110都接地的同时将具有正偏压的第一写入电压v1施加到栅电极层170来执行，并且在一个示例中，衬底110的导电性可以低于沟道层140的导电性。
34.参考图2a，通过具有正极性的第一写入电压v1，氢源层160内的氢(h)可以通过质子传导层150移动到沟道层140。在一个实施例中，在氢源层160内，氢(h)可以具有原子化实体或双原子实体的形式。氢源层160内的氢(h)可以通过第一写入电压v1而转化成质子的形式，穿过质子传导层150，然后被传导到沟道层140。传导到沟道层140的质子可以在沟道层140中转化为氢(h)，然后转化后的氢(h)可以被接收或融入到沟道层140中。例如，氢(h)可以被设置在构成沟道层140的金属的晶格内部的间隙位置。在一个实施例中，氢(h)可以与金属形成金属键。在另一个实施例中，氢(h)可以与金属形成金属氢化物。
35.在一些实施例中，由氢源层160内的氢(h)转化的质子可以在该层内相互反应以产生氢气。作为具体的示例，在氢源层160内部在氢源层160与质子传导层150之间的界面的邻近区域内产生的氢气，可以由于浓度差而穿过质子传导层150并扩散到沟道层140。扩散的氢气可以通过与沟道层140的金属接触而分解成质子。在沟道层140内，分解的质子可以转化为氢(h)，并且转化的氢(h)可以被接收并融入到沟道层140中。
36.在一个实施例中，第一写入电压可以导致向沟道层140供应氢(h)，其量等于或小于氢(h)在沟道层140的金属中的溶解度的上限。在一个实施例中，流入沟道层140的氢(h)的浓度可以通过控制第一写入电压的正偏压的大小来进行控制。在另一个实施例中，流入沟道层140的氢(h)的浓度可以通过控制施加第一写入电压的时间段来进行控制。在这段时间内，第一写入电压保持恒定的电压大小。在去除第一写入电压后，沟道层140可以保持金属中所设置的氢(h)的浓度。因此，沟道层140可以储存与氢(h)的浓度相对应的信号信息。
37.当氢(h)被设置在沟道层140中时，沟道层140的电阻可增大。例如，当氢(h)被设置在金属晶格内的间隙位置时，氢(h)可以作为在金属内部传导的电子的散射中心。随着氢(h)浓度的增大，所述传导电子的散射频率增大，从而可使通道层140的电阻增大。
38.在一个实施例中，通过控制正偏压的大小和第一写入电压的施加时间中的至少一
个，能够使得沟道层140可以具有多个不同的氢浓度。沟道层140能够保持不同的氢浓度，因此在去除第一写入电压后，沟道层140可以非易失性地储存与不同的氢浓度相对应的多个信号信息片段。所述多个信号信息片段可以对应于多个电阻状态。
39.参考图2b，第二写入操作可以通过在将源电极层120接地的同时将具有负偏压的第二写入电压v2施加到栅电极层170来执行。在另一个实施例中，与图2b所示的实施例不同，第二写入操作可以通过在将源电极层120和漏电极层130一起接地的同时将具有负偏压的第二写入电压v2施加到栅电极层170来执行。在也与图2b中所示的实施例不同的又一个实施例中，当衬底110是具有导电性的半导体衬底时，第二写入操作可以通过在将源电极层120、漏电极层130和衬底110一起接地时将具有负偏压的第二写入电压v2施加到栅电极层170来执行，并且在一个示例中，衬底110的导电性可以低于沟道层140的导电性。
40.参考图2b，通过具有负偏压的第二写入电压v2，沟道层140内的氢(h)可以通过质子传导层150移动到氢源层160。沟道层140内的氢(h)可以通过第二写入电压v2而转化为质子的形式，穿过质子传导层150，然后被传导到氢源层160。被传导到氢源层160的质子可以在氢源层160中被转化为氢(h)，然后被容纳在氢源层160中。在氢源层160内，氢(h)可以具有原子化实体或双原子实体的形式。
41.在一些实施例中，沟道层140内的通过第二写入电压v2而转化为质子形式的氢(h)可以相互反应，从而在沟道层140中产生氢气。作为具体的示例，在沟道层140内在沟道层140与质子传导层150之间的界面的邻近区域中产生的氢气可以由于浓度差而穿过质子传导层150并扩散到氢源层160。扩散的氢气可以在氢源层160内被分解成质子。分解的质子可以在氢源层160内被转化为氢(h)，然后被容纳在氢源层160内。
42.在一个实施例中，第二写入电压可以降低沟道层140中的氢(h)的浓度。在一个实施例中，从沟道层140移动到氢源层160的氢(h)的浓度可以通过控制第二写入电压的负偏压的大小来进行控制。在另一个实施例中，从沟道层140移动到氢源层160的氢(h)的浓度可以通过控制施加第二写入电压的时间段来进行控制。在去除第二写入电压后，沟道层140可以保持剩余氢(h)的浓度。因此，沟道层140可以储存与剩余氢(h)的浓度对应的信号信息。
43.当沟道层140内的氢(h)的浓度降低时，沟道层140的电阻也可降低。如上所述，由于氢(h)作为在沟道层140内传导的电子的散射中心，因此随着氢(h)的浓度降低，散射中心的密度可降低。
44.在一个实施例中，在执行第二写入操作之后，沟道层140内的氢(h)的浓度可以达到下限。因此，第二写入操作可以用作去除通过第一写入操作引入到沟道层140的氢的复位操作。
45.在另一个实施例中，当执行第二写入操作时，沟道层140可以具有通过控制施加第二写入电压的时间量和负偏压的大小中的至少一个所获得的多个不同的氢浓度。在去除第二写入电压后，沟道层140可以实质上保持多个不同的氢浓度中的任何一个，从而使沟道层140能够非易失性地储存与多个不同的氢浓度相对应的多个信号信息片段。所述多个信号信息片段可以具有多个对应的电阻状态。也就是说，独立于第一写入操作，第二写入操作可以在沟道层140中写入多个电阻状态。
46.参考图3，为了执行电子器件1的读取操作，可以将电源12连接到电子器件1的源电极层120和漏电极层130。读取操作可以执行为在源电极层120和漏电极层130之间施加读取
电压v3以读取流过沟道层140的电流的过程。
47.如上所述，沟道层140的电阻可以根据沟道层140中的氢浓度而改变。相应地，通过读取沟道层140的电阻，可以读取沟道层140中所写入的与所述氢浓度相对应的信号信息。
48.图4是示意性地示出根据本公开的另一实施例的电子器件的视图。参考图4，与图1的电子器件1相比，电子器件2可以在沟道层240方面具有不同的配置。除沟道层240外，电子器件2的其余配置可以与图1的电子器件1的配置实质相同。
49.参考图4，源电极层120、沟道层240和漏电极层130可以被设置在衬底110上的同一平面上。此外，源电极层120的上表面120u、沟道层240的上表面240u和漏电极层130的上表面130u可以设置在同一平面上。也就是说，上表面120u、上表面240u和上表面130u实质上是共面的。相应地，质子传导层150可以被设置成与源电极层120、沟道层240和漏电极层130接触。因此，与电子器件1相比，在电子器件2中，沟道层240的厚度可以减小。
50.图5是示意性地示出根据本公开的又一实施例的电子器件的视图。参考图5，电子器件3在质子传导层250、氢源层260和栅电极层270的配置上可以与图4的电子器件2不同。除了质子传导层250、氢源层260和栅电极层270之外，电子器件3的其余配置可以与图4的电子器件2的配置实质相同。
51.参考图5，质子传导层250、氢源层260和栅电极层270中的每一个可以被设置成暴露源电极层120的上表面120u和漏电极层130的上表面130u的图案的形式。例如，如图5所示，质子传导层250、氢源层260和栅电极层270可以实质上直接设置在沟道层240的上方。质子传导层250、氢源层260和栅电极层270不直接与源电极层120的上表面120u和漏电极层130的上表面130u接触。因此，可以防止在电子器件3的第一写入操作期间氢(h)过度或不期望地从氢源层260经由质子传导层250移动到源电极层120或漏电极层130。
52.图6是示意性地示出根据本公开的另一实施例的电子器件的视图。与图1的电子器件1相比，电子器件4还可以包括绝缘层280。
53.绝缘层280可以有效地将源电极层120、沟道层140和漏电极层130与衬底210绝缘。因此，电子器件4的衬底210可以包括导电材料以及掺杂的半导体材料和绝缘材料。导电材料可以包括，例如，金属、导电金属氮化物、导电金属氧化物和导电金属碳化物等。
54.在一些实施例中，在绝缘层280和衬底210之间还可以设置至少一个导电层和至少一个绝缘层。所述至少一个导电层和至少一个绝缘层可以包括或构成集成电路。
55.图7是示意性地示出根据本公开的另一实施例的电子器件的视图。参考图7，与图1的电子器件1相比，在电子器件5中可以省略氢源层。
56.参考图7，质子传导层350可以被设置在沟道层140上，并且栅电极层170可以直接设置在质子传导层350上。质子传导层350可以包括氢(h)。当在沟道层140上形成质子传导层350时，可以将氢(h)注入到质子传导层350中。可以将扩散法或离子注入法用作氢注入法。氢(h)可以在质子传导层350内具有例如质子、原子化实体或双原子实体的形式。
57.在一个实施例中，质子传导层350可以共同执行图1中电子器件1的质子传导层150和氢源层160的功能。例如，当具有正偏压的第一写入电压被施加到图7中的栅电极层170时，质子传导层350中的氢(h)可以被转化为质子。此后，质子可以通过质子传导层350并移动到沟道层140。移动到沟道层140的质子可以转化为原子化实体或双原子实体形式的氢(h)，然后被设置在沟道层140的金属中。在另一个实施例中，当将具有负偏压的第二写入电
压施加到图7中的栅电极层170时，沟道层140内的氢(h)可以转化为质子，而移动到质子传导层350中。如上所述，移动到质子传导层350的质子可以保持例如质子、原子化实体或双原子实体的形式。
58.如上所述，在电子器件5中，氢(h)可以在沟道层140和质子传导层350之间进行交换。根据沟道层140内部的氢(h)的不同浓度，可以在沟道层140中储存不同的信号信息。
59.在未示出的一些实施例中，在图7的电子器件5的结构中可以利用与图4相关的电子器件2的结构、与图5相关的电子器件3的结构、或与图6相关的电子器件4的结构。
60.如上所述，根据本公开的各个实施例，在电子器件中，氢(h)可以根据施加到栅电极层的电压而在氢源层(或质子传导层)和沟道层之间进行交换。沟道层中的氢浓度可以因氢交换而改变。此外，电子器件可以利用沟道层的根据氢浓度的变化而产生的电阻变化来储存信号信息。
61.在一个实施例中，储存在沟道层中的信号信息可以根据沟道层是填充还是清空了氢(h)来进行区分。在这种情况下，由于氢(h)的质量很小，使沟道层填充或清空了氢(h)的速率可以很高。因此，根据本公开的一个实施例的电子器件可以具有高的驱动速度。此外，通过形成金属与氢(h)之间的固态溶液的过程，氢(h)可以实质上填充到金属中，或者氢(h)可以实质上被从金属中去除。因此，该电子器件可以获得与氢浓度状态相对应的不同信号信息之间的足够高的通/断比。此外，沟道层实现了与氢浓度成比例地增大的电阻状态，因此，电子器件可以具有与写入电压的大小成比例的线性和对称的电流特性。
62.同时，在本说明书中，虽然在各个实施例中描述了其中沟道层被设置成与衬底的表面实质平行的结构，但本公开内容不限于此。在一些实施例中，本公开的技术构思可以应用于其中沟道层被设置在与衬底的表面实质垂直的方向上的三维结构。因此，在一些实施例中，源电极层和漏电极层可以被设置成在实质垂直于衬底表面的第一方向上间隔开。此外，质子传导层、氢源层和栅电极层可以与在第一方向上延伸的沟道层相邻地设置。
63.已出于说明性的目的公开了本公开的实施例。本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开内容和所附权利要求的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。