專利名稱：可編程子表面集聚金屬化結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及可編程金屬化結(jié)構(gòu)，具體而言涉及可編程子表面集聚金屬化(“PSAM”)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括離子導(dǎo)體、多個電極和形成于電極之間的離子導(dǎo)體的電壓控制金屬結(jié)構(gòu)或枝狀晶體。
背景技術(shù)：
本發(fā)明對1997年12月4日提交的美國分案申請No.60/067509要求優(yōu)先權(quán)。
存儲器件電子系統(tǒng)和計算機(jī)內(nèi)所用存儲器件以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式存儲數(shù)據(jù)。這些存儲器件可以根據(jù)特征分為各種類型，每種類型都有各種優(yōu)點和缺點。
例如個人計算機(jī)中的隨機(jī)存儲器(“RAM”)是易失半導(dǎo)體存儲器；換句話說，如果與電源斷開或者去除電源，存儲的數(shù)據(jù)將丟失。動態(tài)RAM(“DRAM”)由于為了保持存儲的數(shù)據(jù)，必須每隔幾個微秒就“更新”(即充電)，所以特別是易失的。靜態(tài)RAM(“SRAM”)只要維持電源，一次寫入后將保存數(shù)據(jù)；但是一旦斷電，則數(shù)據(jù)丟失。因此在這些易失存儲器結(jié)構(gòu)中，只要不關(guān)閉電源，數(shù)據(jù)就被保存。
CD-ROM是非易失存儲器的實例。CD-ROM有足夠的容量包含非常長的音頻和視頻數(shù)據(jù)段；但是信息只能被讀取而不能寫入存儲器。因此CD-ROM一旦在制造期間編程，它就無法用新的信息再編程。
諸如磁性存儲設(shè)備之類的其他存儲設(shè)備(即軟盤、硬盤和磁帶)以及諸如光盤之類的其他系統(tǒng)是非易失的，具有極高的容量，并且可以重復(fù)寫入多次。遺憾的是，這些存儲設(shè)備的體積較大，對震動/振動敏感，需要昂貴的機(jī)械設(shè)備，并且消耗的功率較大。這些不利之處使得這些存儲設(shè)備在低功耗場合(例如膝上和掌上電腦以及個人數(shù)字助理(“PDAs”))應(yīng)用時不理想。
由于存儲信息常規(guī)變化的小型低功耗便攜式計算機(jī)系統(tǒng)數(shù)量的快速增長，讀/寫半導(dǎo)體存儲器變得普遍起來。而且由于這些便攜式系統(tǒng)在電源關(guān)閉時需要存儲數(shù)據(jù)，所以需要非易失存儲器。在這些計算機(jī)中，最簡單的可編程半導(dǎo)體非易失存儲器件是可編程只讀存儲器(“PROM”)。最基本的PROM采用可熔斷鏈接列陣；一旦編程，PROM就無法再編程。一次寫入多次讀取(“WORM”)存儲器是一個實例?？刹翆慞ROM(“EPROM”)的內(nèi)容可以改變，但是每次重新寫入之前必須完成包含紫外線曝光的擦除步驟。電可擦寫PROM(“EEPROM”或“E2PROM”)也許是最理想的普通非易失半導(dǎo)體存儲器，因為它可以多次寫入?？扉W存儲器作為另一種EEPROM比低密度的傳統(tǒng)EEPROM具有更高的容量，但是耐用性差。EEPROM自身固有的主要問題是比較復(fù)雜。用于這些存儲器件內(nèi)的浮點門存儲單元難易制造并且消耗較大數(shù)量的半導(dǎo)體有效面積。而且電路設(shè)計必須經(jīng)受編程器件所需的高電壓。因此與其他數(shù)據(jù)存儲裝置相比，EEPROM的每存儲容量比特的成本非常高。EEPROM另一個缺點是雖然可以在斷開電源時保存數(shù)據(jù)，但是需要較大的功耗編程。在用電池供電的小型便攜式系統(tǒng)中這種功耗是值得重視的。
因此考慮到上述普通數(shù)據(jù)存儲設(shè)備存在的各種問題，非常需要一種讀/寫存儲技術(shù)和器件，它簡單而制造成本低。而且這種存儲技術(shù)應(yīng)該滿足新一代便攜式計算機(jī)的要求，工作在低電壓下而存儲密度高、非易失并且制造成本低。
可編程無源和有源單元電子電路可以包括上百萬的單元部分。這些單元部分一般分為截然不同的兩類，即無源單元和有源單元。諸如電阻和電容之類的無源單元具有相對為常數(shù)的電學(xué)值。另一方面，有源單元(例如晶體管)的一些電學(xué)特性被設(shè)計為相應(yīng)施加的電壓或電流而變化。
由于這兩種類型單元的廣泛使用，所以非常需要完成上述無源和有源單元功能的低成本器件。例如，非常需要一種相當(dāng)于有源單元的器件，它通過改變電阻和電容而對所施加的信號響應(yīng)，在另一實施例中，它相當(dāng)于無源單元，可以預(yù)先編程(即在編程后由器件“記住”變化)。這種器件將用于許多不同的應(yīng)用，從通信設(shè)備中的調(diào)諧電路到音頻系統(tǒng)中的音量控制。
由于諸如存儲器和可編程電阻和電容之類器件的廣泛使用，非常需要成本低、容易制造的器件，它們可以在各種應(yīng)用中實施。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的示意性實施例，可編程子表面集聚金屬化(“PSAM”)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括諸如硫族玻璃之類的離子導(dǎo)體，它包括金屬離子和至少兩個電極(例如陽極和陰極)，每個電極包含導(dǎo)電材料并放置在離子導(dǎo)體的相對表面。此處所稱硫族材料包括任何包含硫、硒和/或碲的化合物。在示意性實施例中，離子導(dǎo)體由硫族元素和族Ⅰ或族Ⅱ金屬至少一種組成(最好的是As2S3Ag)。陰極和陰極由任何合適的導(dǎo)電材料構(gòu)成，并且陽極比較好的是包含某些銀。
當(dāng)電壓施加在陽極與陰極之間時，金屬枝狀晶體從陰極經(jīng)離子導(dǎo)體向陽極生長?？梢酝ㄟ^撤除電壓停止枝狀晶體的生長速率或者通過在陽極與陰極之間施加反向電壓極性使枝狀晶體退回陰極。當(dāng)在足夠長時間內(nèi)施加電壓時，連續(xù)的金屬枝狀晶體經(jīng)離子導(dǎo)體生長并且將電極連接起來，從而使器件短路。連續(xù)的金屬枝狀晶體可以通過施加另一電壓斷開。金屬枝狀晶體的斷開可以通過施加另一電壓而重新閉合。枝狀晶體長度的變化或者枝狀晶體內(nèi)的端口的存在影響著PSAM的電阻、電容和阻抗。
附圖的簡要說明在說明書的結(jié)論部分特別指出和聲明了本發(fā)明的主體。但是借助以下結(jié)合附圖的描述，可以更好地理解本發(fā)明，并且附圖中相同的部分采用相同的標(biāo)號表示

圖1A為按照本發(fā)明各個方面的示意性可編程子表面集聚金屬化結(jié)構(gòu)的透視圖；圖1B為沿直線1-1剖取的圖1A剖面圖；圖2A-2D為按照本發(fā)明各個方面的另一示意性可編程子表面集聚金屬化結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖3A-3F為按照本發(fā)明各個方面的示意性可編程子表面集聚金屬化結(jié)構(gòu)各改進(jìn)構(gòu)造的剖面圖；圖4A為本發(fā)明示意性實施例中電流與時間之間關(guān)系的曲線圖；圖4B為本發(fā)明示意性實施例中電壓與短路時間之間關(guān)系的曲線圖；圖4C為本發(fā)明示意性實施例中電流與電壓之間關(guān)系的曲線圖；圖5A為本發(fā)明各個方面的示意性存儲器件的剖面圖；圖5B為圖5A中示意性存儲器件另一構(gòu)造部分的剖面圖；
圖5C為按照本發(fā)明各個方面的存儲器件網(wǎng)絡(luò)的示意圖；圖6為按照本發(fā)明各個方面的另一示意性存儲器件的剖面圖；圖7為按照本發(fā)明各個方面的示意性可編程電阻/電容器件的剖面圖；圖8為按照本發(fā)明各個方面的另一示意性可編程電阻/電容器件的剖面圖；以及圖9為按照本發(fā)明各個方面的另一示意性可編程電阻/電容器件的剖面圖。
實施發(fā)明的較佳方式下面的描述僅僅具有示意性質(zhì)，并且對本發(fā)明的范圍、應(yīng)用或構(gòu)造沒有限定作用。下面的描述提供了對本發(fā)明示意性實施例的闡述。在這方面，可以在不偏離所附權(quán)利要求設(shè)定的精神和范圍的前提下對示意性實施例中單元的功能和排列作各種修改。
參見圖1A和1B，示出的是按照本發(fā)明各個方面的可編程子表面集聚金屬化(“PSAM”)結(jié)構(gòu)100。在本發(fā)明示意性的實施例中，PSAM結(jié)構(gòu)100比較好的是包括離子導(dǎo)體110和多個放置在導(dǎo)體110表面上的電極120和130。
PSAM結(jié)構(gòu)100的離子導(dǎo)體110可以包括固體電解質(zhì)、金屬含離子玻璃、金屬含離子非晶半導(dǎo)體、包含金屬離子的硫族玻璃等。就廣義而言，按照本發(fā)明的各個方面，硫族材料包括任何含有硫、硒和/或碲的化合物，不管它們是三價、四價或更高價化合物。在示意性的實施例中，離子導(dǎo)體110由包含金屬離子成分的硫族玻璃構(gòu)成，而金屬可以選自各個族Ⅰ或族Ⅱ金屬(比較好的是銀、銅、鋅或它們的組合)。
包含金屬離子成分的離子導(dǎo)體110可以利用常規(guī)方法獲得。例如在本發(fā)明示意性的實施例中，離子導(dǎo)體110比較好的是利用光解從三硫化二砷-銀(As2S3-Ag)形成。銀通過用合適波長(例如小于500納米左右)的光照射銀薄膜和As2S3層引入As2S3。銀和As2S3雙層在光線下暴露直到達(dá)到合適的飽和水平，大約是Ag-As2S3為45％的原子比。離子導(dǎo)體110的厚度從幾個納米到幾百個納米不等。
電極120和130在離子導(dǎo)體110表面相互隔開地放置。電極120和130可以由任何導(dǎo)電材料構(gòu)成，它將在離子導(dǎo)體110內(nèi)產(chǎn)生運輸金屬離子的電場。在示意性的實施例中，電極120和130由包含銀的材料構(gòu)成。
當(dāng)在電極120和130之間施加合適的電壓時，金屬枝狀晶體140從電極120(即陰極，與電源負(fù)端相連的電極)經(jīng)離子導(dǎo)體110向電極130(即陽極)生長。顯而易見的是，電極120和130的極性可以在金屬枝狀晶體140生長之前反轉(zhuǎn)過來，這樣金屬枝狀晶體140將從電極130(現(xiàn)在為陰極)向電極120(現(xiàn)在為陽極)生長。正如下面將要詳述的，如果當(dāng)金屬枝狀晶體140已經(jīng)開始從電極120(陰極)向電極130(陽極)生長時使電極120和130極性反轉(zhuǎn)，則金屬枝狀晶體140將向電極120退回。
金屬枝狀晶體140可以整個通過離子導(dǎo)體110生長直到到達(dá)電極130，從而構(gòu)成電路。另外，金屬枝狀晶體140可以在到達(dá)電極130之前通過停止施加電壓中止。只要金屬枝狀晶體140未到達(dá)電極130，它的生長就可以通過反轉(zhuǎn)電極120和130上的施加電壓停止和退回。
此外，金屬枝狀晶體140的生長速率是施加電壓、器件幾何尺寸和時間的函數(shù)；因此低壓導(dǎo)致較低的生長而高壓導(dǎo)致較快的生長。上述金屬枝狀晶體140長度的生長和變化影響了PSAM結(jié)構(gòu)100的電學(xué)特性(例如電阻、電容等)，利用普通的檢測電路可以檢測這些電學(xué)特性。一旦金屬枝狀晶體140生長到特定的長度，當(dāng)電壓從電極120和130撤除時金屬枝狀晶體140仍然是完整的。因此金屬枝狀晶體140長度變化導(dǎo)致的PSAM結(jié)構(gòu)100的電學(xué)特性的變化也是非易失的。
在描述了示意性實施例的基本結(jié)構(gòu)之后，以下的說明和附圖更為詳細(xì)地描述另一示意性實施例的操作。參見圖2A-2D，示出了按照本發(fā)明各個方面的可編程子表面集聚金屬化(“PSAM”)結(jié)構(gòu)200。在示意性實施例中，PSAM結(jié)構(gòu)200比較好的是包括位于電極220與230之間的離子導(dǎo)體210。
參見圖2A，按照本發(fā)明的一個方面，在PSAM結(jié)構(gòu)200的電極220與230之間施加具高壓設(shè)定點和低電流限的調(diào)節(jié)脈沖。在示意性實施例中，電極220和230分別作為陰極和陽極。因此非易失金屬枝狀晶體240從電極220(陰極)經(jīng)離子導(dǎo)體210向電極230(陽極)生長。
參見圖2B，按照本發(fā)明的另一方面，當(dāng)調(diào)節(jié)脈沖在PSAM結(jié)構(gòu)200電極220上施加較長的時間間隔時，在非易失金屬枝狀晶體240在整個離子導(dǎo)體220內(nèi)生長并且與電極230接觸。所需時間長短部分取決于調(diào)節(jié)脈沖的電壓和PSAM結(jié)構(gòu)200的幾何結(jié)構(gòu)。例如如果離子導(dǎo)體210的厚度t2較薄，為10-50納米，并且調(diào)節(jié)脈沖為1V左右，則在整個離子導(dǎo)體220內(nèi)生長非易失金屬枝狀晶體240需要50微秒。但是如果調(diào)節(jié)脈沖為5V左右時，則在整個離子導(dǎo)體220內(nèi)生長非易失金屬枝狀晶體240需要2微秒。顯而易見的是，各種電壓、尺度和所需時間長度都是可行的。
參見圖2C，按照本發(fā)明的另一方面，在PSAM結(jié)構(gòu)200的電極220與230之間施加具有較高電流設(shè)定點和較低電壓限的刪除脈沖。刪除脈沖可以是正向偏壓的，意味著電極220和230的極性無需反轉(zhuǎn)。刪除脈沖斷開金屬枝狀晶體140，導(dǎo)致金屬枝狀晶體140內(nèi)出現(xiàn)間距。金屬枝狀晶體240內(nèi)間距的存在改變了PSAM結(jié)構(gòu)200的電學(xué)特性(例如阻抗)。非常小電壓的脈沖(例如小于200毫伏)一般不促進(jìn)枝狀晶體的生長；因此枝狀晶體的狀態(tài)可以利用短暫的小電壓脈沖檢測(讀取)。
參見圖2D，按照本發(fā)明的另一方面，在PSAM結(jié)構(gòu)200的電極220與230之間施加具高壓設(shè)定點和低電流限的寫入脈沖以再閉合金屬枝狀晶體240內(nèi)的間距。因此可以通過施加不同極性的電壓脈沖刪除、讀取和寫入PSAM結(jié)構(gòu)200。另外，也可以沿各種方向刪除、讀取和寫入PSAM結(jié)構(gòu)200，從而提供值得考慮的操作靈活性。例如可以用正向偏壓脈沖刪除PSAM結(jié)構(gòu)200，用反向偏壓脈沖讀取，隨后用正向偏壓脈沖寫入，或者各種其他組合。
在上述說明中，描述了具高或低電壓設(shè)定點和高或低電流限的脈沖。顯而易見的是，具體的高和低電壓設(shè)定點和電流限主要取決于PSAM結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造和尺寸。通常情況下，低壓設(shè)定點指的是足以防止金屬枝狀晶體生長的電壓設(shè)定點。因此高壓設(shè)定點指的是促進(jìn)金屬枝狀晶體生長的電壓設(shè)定點。高電流限指的是足以在生長于電極之間的金屬枝狀晶體內(nèi)形成間距的電流限。因此低電流限指的是足以保持金屬枝狀晶體完整的電流限。在金屬枝狀晶體內(nèi)形成間距的具體電流限部分取決于金屬枝狀晶體的厚度。例如薄金屬枝狀晶體內(nèi)的間距可以幾個納安的電流限形成，而厚金屬枝狀晶體內(nèi)的間距可以幾個微安的電流限形成。
雖然描述了本發(fā)明的示意性實施例，但是在不偏離本發(fā)明范圍和精神的前提下可以作出各種構(gòu)造和布局。例如，參見圖3A-3F，示出了本發(fā)明各種其他構(gòu)造。特別是，參見圖3A，在一種替換構(gòu)造中，PSAM結(jié)構(gòu)300比較好的是包括離子導(dǎo)體302和電極304與306。按照這種構(gòu)造，電極304和306比較好的是小于離子導(dǎo)體302。參見圖3B，按照另一種替換構(gòu)造，PSAM結(jié)構(gòu)310比較好的是包括離子導(dǎo)體312和電極314與316。按照這種構(gòu)造，電極314和316比較好的是與離子導(dǎo)體312同樣尺寸。參見圖3C，在本發(fā)明另一構(gòu)造中，PSAM結(jié)構(gòu)320比較好的是包括離子導(dǎo)體322和多對電極324、326、328和329。參見圖3D，在本發(fā)明另一構(gòu)造中，PSAM結(jié)構(gòu)330比較好的是包括離子導(dǎo)體332和電極334與336。在這種結(jié)構(gòu)中，電極334和336在離子導(dǎo)體332上沿水平方向合適放置。參見圖3E，在本發(fā)明另一構(gòu)造中，PSAM結(jié)構(gòu)340比較好的是包括離子導(dǎo)體342和多對電極344、346、348和349。它們在離子導(dǎo)體342上具有多個尺寸。參見圖3F，在本發(fā)明另一構(gòu)造中，PSAM結(jié)構(gòu)350比較好的是包括球形離子導(dǎo)體352和電極354和356。雖然在這種結(jié)構(gòu)中離子導(dǎo)體是球形的，但是離子導(dǎo)體也可以是其他非普通的幾何結(jié)構(gòu)。此外顯而易見的是上述各種構(gòu)造可以擴(kuò)展到三維結(jié)構(gòu)。例如離子導(dǎo)體可以是塊狀，多個電極附著在其一些或全部表面。
參見圖4A和4B，曲線示出了實驗PSAM結(jié)構(gòu)中電壓與時間和施加的短路電壓與時間之間的關(guān)系。用來獲得這些結(jié)果的PSAM結(jié)構(gòu)的離子導(dǎo)體厚度為120納米左右并且在結(jié)構(gòu)上與圖1A和1B所示實施例基本相似。但是值得注意的是，上述具體實施例僅僅是示意性質(zhì)的并且本發(fā)明并不局限于任何特定的構(gòu)造。參見圖4A，曲線410表示PSAM結(jié)構(gòu)的電壓與時間之間的關(guān)系。當(dāng)施加5V電壓時，PSAM結(jié)構(gòu)在大約2微秒內(nèi)短路。參見圖4B，曲線420表示PSAM結(jié)構(gòu)的短路電壓與時間之間的關(guān)系。在離子導(dǎo)體內(nèi)完成制作晶體生長并連接電極從而短路PSAM結(jié)構(gòu)所需的時間隨施加電壓的減小而增加。參見圖4C，曲線430表示未短路PSAM結(jié)構(gòu)的電流與電壓之間的關(guān)系。該器件的小信號“Bulter-Volmer”特性表明在非常小的偏壓下有非常小的法拉第電流；因此在小于10mV的偏壓下，枝狀晶體生長很慢。PSAM結(jié)構(gòu)的這種特性允許利用單極脈沖對枝狀晶體狀態(tài)無干擾地讀取枝狀晶體狀態(tài)。
按照本發(fā)明各個方面的PSAM結(jié)構(gòu)特別適合于與諸如可編程只讀存儲器(“PROM”)器件、電可擦除PROM(“EEPROM”)器件之類存儲器件一起使用。此外，本發(fā)明特別適合于與可編程電阻和電容器件一起使用。因此本發(fā)明示意性實施例在下面的描述中具有上下文關(guān)系。但是應(yīng)該認(rèn)識到，這種描述對本發(fā)明的使用或應(yīng)用并無限制，但是可以對示意性實施例作完整的描述。
金屬枝狀存儲器如上所述，PSAM結(jié)構(gòu)可以用于實現(xiàn)各種不同的技術(shù)。因此參見圖5A，示出了按照本發(fā)明各個方面的金屬枝狀存儲器(“MDM”)500。在本發(fā)明示意性實施例中，MDM500比較好的包括為存儲器單元或器件提供物理支持的襯底510。如果襯底510是非絕緣的或者與MDM500所用材料不兼容，則將絕緣體520淀積在襯底510上以將MDM500的有源部分與襯底510隔離。接著，底部電極530適于淀積和在襯底500上(如果采用絕緣體則是絕緣層520)刻制圖案。接著，離子導(dǎo)體540適于淀積和在底部電極530和襯底510(如果采用絕緣體則是絕緣層520)上刻制圖案。介電薄膜550比較好的是淀積在離子導(dǎo)體540上并且在離子導(dǎo)體540和底部電極層530上開通孔。最后頂部電極560淀積并在通孔內(nèi)刻制圖案。利用半導(dǎo)體集成電路工業(yè)內(nèi)眾所周知的普通方法將底部電極530和頂部電極560互聯(lián)。
當(dāng)在頂部電極560(陰極)與底部電極530(陽極)之間施加合適的電壓時，非易失金屬枝狀晶體570經(jīng)離子導(dǎo)體540向底部電極530(陽極)生長。與上述PSAM結(jié)構(gòu)類似，非易失金屬枝狀晶體570長度的生長和變化影響了MDM500的電學(xué)特性(例如電阻、電容等)。在這種方式下，如下所述，MDM500可以用作各種器件。
MDM500也可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)膱D案刻制以提供與多個相鄰MDM器件的隔離。例如參見圖5B，可以在底部電極560與離子導(dǎo)體540之間配置諸如Schottky或p-n結(jié)二極管的非晶硅二極管562。此外，介電薄膜可以淀積在頂部電極560上并且可以重復(fù)整個結(jié)構(gòu)。因此參見圖5C，MDM500的行和列可以高密度地形成以提供非常大的存儲容量。通常而言，存儲器件的最大存儲密度可能受到列和行譯碼器電路尺寸和復(fù)雜度的限制。但是MDM單元不使用任何硅有效面積，所以MDM存儲堆可以制造為用專用于行/列譯碼的整個半導(dǎo)體芯片、檢測放大器和數(shù)據(jù)管理電路(未畫出)覆蓋集成電路。這樣，可以利用MDM器件達(dá)到多個Gb/cm2的存儲密度。這樣，MDM本質(zhì)上是附加技術(shù)，它在現(xiàn)有硅集成電路技術(shù)上增加了能力和功能。
顯而易見的是，有各種不同的配置或方法構(gòu)造按照本發(fā)明的MDM器件。例如參見圖6，在按照本發(fā)明各個方面的另一配置中，在示出的MDM600中，介電薄膜650比較好的是淀積在底部電極630與襯底610上(或者入采用絕緣體，則是絕緣層620)。通孔開在底部電極630上。離子導(dǎo)體640可以在通孔內(nèi)的底部電極630上淀積和刻制圖案。接著可以在通孔內(nèi)淀積和刻制頂部電極660。
參見圖7，所示的器件與圖5和6的存儲器單元或枝狀存儲器單元類似，但是提供了另外的電極。具體而言，MDM700包括離子導(dǎo)體710和放置在離子導(dǎo)體710表面的電極720和730。當(dāng)在電極720(陰極)上施加合適的電壓時，枝狀晶體740經(jīng)過離子導(dǎo)體710向電極730(陽極)生長。
按照本發(fā)明的一個方面，MDM700還包括兩個另外的電極760和770。電極760和770用材料750與離子導(dǎo)體710隔開，該材料可以是介電材料或電阻材料。如果是介電材料，MDM700在各種電極之間具有可編程的電容。如果是電阻材料，MDM700在各種電極之間具有可編程電阻。各種電極之間的可編程電容或電阻比較好的是用金屬枝狀晶體740的生長程度編程。
MDM700與圖5A和6所示配置兩個電極的MDM500和600相比有幾個優(yōu)點。例如，一個優(yōu)點是電壓可以施加在除電極720和730以外的任何電極組合上而不改變金屬枝狀晶體740的長度和器件電容和/或電阻。對于存儲器列陣和其他電子線路應(yīng)用中MDM700的使用這是重要的。對于三電極器件而非四電極器件有同樣的考慮和優(yōu)點。顯而易見的是，在特定的示意性實施例中，金屬枝狀晶體740在電極720與730之間而非其他電極電極之間生長。因此電極720和730是MDM700的編程終端，其他電極是MDM700的輸出終端。
圖5A、6和7的示意性MDM與普通硅基微電子有明顯的區(qū)別。實際上，對于MDM的操作硅不是必需的，除非控制電子要包含在同一芯片上。而且MDM的整個制造工藝比甚至是最基本的半導(dǎo)體工藝技術(shù)都要簡單。將簡單的工藝技術(shù)與合理的材料成本結(jié)合起來，MDM提供了制造成本低于其他存儲器件的存儲器件。
1．PROM和防熔斷應(yīng)用參見圖5A，按照本發(fā)明的一個方面，MDM器件可以用作PROM型存儲器件。大多數(shù)的普通PROM從業(yè)可熔斷連接，在編程器件它們斷裂或熔斷。一旦連接斷裂，就不可再造。本發(fā)明的MDM器件能夠制造和隨后斷裂、連接。由于這樣具有靈活性，所以更為需要；例如，即使制造了錯誤連接，也可以象普通保險絲那樣熔斷。而且MDM器件的枝狀晶體可以忍受多次制造/斷裂；因此可以實現(xiàn)多次再編程。
本發(fā)明的MDM器件也可用于可編程邏輯陣列(“PLA”)。在PLA中，形成了諸如門或加法器之類的邏輯單元塊，但是它們沒有連接在一起。針對特定的小容量應(yīng)用(例如不作為正當(dāng)?shù)目蛻粜酒O(shè)計的應(yīng)用)進(jìn)行連接。傳統(tǒng)意義上，各種邏輯單元之間的最終連接在制造商處完成。但是由于MDM器件比較容易用金屬枝狀晶體定義各部分之間的硬連接，所以允許這類PLA器件在現(xiàn)場編程。
在采用冗余技術(shù)解決工藝缺陷和使用故障的集成電路中也有防熔斷。例如諸如64兆字節(jié)的DRAM之類的復(fù)雜高密度電路在板上有比實際使用的存儲器更多的存儲器。如果芯片的一個部分在工藝器件損壞或操作時出故障，多余的存儲器可以在線替換。該過程一般由存儲器芯片上的邏輯門控制并且需要恒定的自檢測和電學(xué)重配置。按照本發(fā)明的MDM器件可以包含在這種存儲器芯片內(nèi)以在需要時在芯片內(nèi)部構(gòu)成新的連接。
按照本發(fā)明的一個方面，數(shù)據(jù)可以通過向MDM器件的電極施加恒定或脈沖調(diào)節(jié)偏壓以促進(jìn)枝狀晶體生長從而寫入PROM結(jié)構(gòu)的MDM(“MDM-PROM”)器件。允許金屬枝狀晶體到達(dá)陽極從而形成低電阻防熔斷連接。這種連接改變了存儲器系統(tǒng)的電阻和電容。通過將小電流(例如小到不會損壞枝狀晶體連接的電流)通過枝狀晶體連接可以方便地“讀取”MDM-PROM。通過使足夠大的電流通過枝狀晶體以斷開枝狀晶體和連接完成MDM-PROM器件的“擦除”。通過向MDM器件的電極施加另一恒定或脈沖偏壓可以閉合枝狀晶體內(nèi)的斷裂。
在MDM-PROM器件中，兩個枝狀晶體連接電極之間的電學(xué)變化可以大到在MDM單元中無需晶體管。因此存儲器單元的尺寸變成陽極/離子導(dǎo)體/陰極幾何尺寸的函數(shù)。這種幾何尺寸使得本發(fā)明的存儲器在體積上能夠比需要晶體管作為存儲單元部分的浮點門或鐵氧體存儲器更小。此外，MDM器件可以形成于任何化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定的襯底材料上；如果需要硅用作其他電路，則可以簡單地在硅襯底上形成MDM器件。
2．EEPROM應(yīng)用繼續(xù)參見圖5A，形成和控制電學(xué)闡述(例如電阻或電容)非易失變化的能力使得本發(fā)明的MDM能夠用于許多采用傳統(tǒng)EEPROM或FLASH技術(shù)的應(yīng)用。與目前EEPROM和FLASH存儲器相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括較低的制造成本和根據(jù)各種應(yīng)用靈活采用制造技術(shù)的能力。在成本是主要關(guān)注問題的應(yīng)用中(例如智能卡和電子物品標(biāo)簽)，MDM具有特別的優(yōu)勢。而且由于對于其他半導(dǎo)體存儲器，直接在塑料卡上形成存儲器的能力通常是不可能的，所以這是它在這些應(yīng)用中的主要優(yōu)勢。
按照本發(fā)明的MDM器件，存儲器單元可以在尺寸上小于幾個平方微米，器件的有源部分小于一個微米。與每個器件及其互聯(lián)可能占用數(shù)十平方微米的傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)相比，這具有明顯的優(yōu)點。
按照本發(fā)明的另一方面，導(dǎo)通晶體管被用于EEPROM構(gòu)造的MDM(“MDM-EEPROM”)以向EEPROM器件提供DRAM型的密度。另外，MDM器件或分離二極管或薄膜晶體管(“TFT”)的材料可以代替硅導(dǎo)通晶體管以防止包含多個器件的陣列內(nèi)單元-單元之間的短路。按照本發(fā)明的一個方面，數(shù)據(jù)可以通過向MDM-EEPROM器件施加恒定或脈沖偏壓以促進(jìn)枝狀晶體生長而寫入MDM-EEPROM器件。如上所述，枝狀晶體的生長改變了器件的電阻和電容，二者可以利用普通的方法檢測。
由于MDM-EEPROM器件具有高度的非易失特性，并且枝狀晶體位置(因此電阻和電容)部分是施加電壓的大小和長短的函數(shù)，所以可以實現(xiàn)多狀態(tài)或n狀態(tài)邏輯存儲。在這種存儲方案中，可以在每個存儲單元內(nèi)保存兩種(例如二進(jìn)制)以上的電平；因此大大提高了整個存儲密度。例如4狀態(tài)存儲器(可以利用四個枝狀晶體位置實現(xiàn))可以在存儲器單元尺寸相同的前提下成倍提高單位面積上的存儲容量。因此按照本發(fā)明的各個方面，MDM-EEPROM器件能夠存儲模擬而不是數(shù)字的連續(xù)量。如果不說是不可能的，在普通存儲技術(shù)中存儲模擬值也是非常困難的。
按照本發(fā)明的另一方面，MDM-EEPROM器件可以通過施加具有低電流限的調(diào)節(jié)偏壓進(jìn)行“調(diào)節(jié)”。調(diào)節(jié)電壓施加足夠長的時間以使非易失金屬枝狀晶體生長從而將MDM-EEPROM器件的電極連接起來。施加具有高電流限的短暫擦除偏壓以斷開金屬枝狀晶體從而“擦除”MDM-EEPROM器件。為防止枝狀晶體生長，施加足夠低的電壓限的讀取偏壓以“讀取”MDM-EEPROM器件。施加低電流限的寫入偏壓以閉合枝狀晶體內(nèi)的短路從而“重寫”MDM-EEPROM器件。
根據(jù)操作需求，通過施加相同或不同極性的偏壓，可以擦除、讀取和寫入MDM-EEPROM器件。例如MDM-EEPROM器件可以用正向偏壓擦除，用反向偏壓讀取，并用正向偏壓寫入，或者采用其他各種組合。
3．軍事和航天應(yīng)用本發(fā)明具有許多潛在特點可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。通常情況下，讀取/寫入電子存儲器基于電荷存儲原理。例如在DRAM中，電荷存儲幾個微秒，在EEPROM中電荷可以存儲幾年。遺憾的是，存在各種處理可以改變電荷，例如離子輻射。例如在軍事和空間應(yīng)用中，當(dāng)阿爾法粒子通過半導(dǎo)體器件時，它留下放電的軌跡，改變了半導(dǎo)體器件內(nèi)的電荷。對于存儲器技術(shù)，這導(dǎo)致軟故障和數(shù)據(jù)毀壞。另一方面，本發(fā)明并不依賴于電荷存儲而是依賴于材料的物理變化，這種材料在較大劑量的輻射下沒有變化。換句話說，本發(fā)明是抗輻射的。對于軍事和空間系統(tǒng)以及許多高度集成的商業(yè)系統(tǒng)(例如飛行器和導(dǎo)航系統(tǒng))，這具有明顯的優(yōu)點。
4．綜合神經(jīng)系統(tǒng)本發(fā)明的另一應(yīng)用是綜合神經(jīng)系統(tǒng)(“SNS”)。SNS器件基于人腦的工作并且目的是變?yōu)橄乱淮嬎愫涂刂蒲b置。SNS器件依賴于作為“學(xué)習(xí)”過程部分的單元之間的連接的能力。連接形成于大多數(shù)有源電路節(jié)點之間(例如那些大部分時間有信號的節(jié)點)。應(yīng)用輸入的系統(tǒng)“訓(xùn)練”形成硬件接線邏輯。但是這種類型的系統(tǒng)難易用普通基于硅的器件實現(xiàn)。另一方面，按照本發(fā)明，SNS系統(tǒng)可以用MDM器件構(gòu)造。如上所述，在MDM器件中，枝狀晶體的形成依賴于電壓信號的存在，因此當(dāng)枝狀晶體向施加電壓的電極生長時連接自然形成于大多數(shù)有源節(jié)點之間。此外，由電容控制的連接強(qiáng)度依賴于輸入的強(qiáng)度。這種指導(dǎo)性的模擬存儲效應(yīng)是本發(fā)明的另一有意義的地方。
Ⅲ．可編程電阻/電容器件如上所述，PSAM結(jié)構(gòu)可用于實現(xiàn)各種不同的技術(shù)，例如可編程電阻和電容(“PR/C”)器件。因此參見圖8，示出了按照本發(fā)明各個方面的PR/C器件800。在示意性的實施例中，PR/C器件800比較好的是包括襯底810，它為PR/C器件800提供了物理支承。如果襯底810是非絕緣的或者與PR/C器件800中所用材料不兼容，則絕緣體820可以放置在襯底810上以將PR/C器件800的有源部分與襯底810隔離開來。接著，底部電極830適于淀積和在襯底810上(如果采用絕緣體則是絕緣層820)刻制圖案。接著，離子導(dǎo)體840在底部電極830和襯底810(如果采用絕緣體則是絕緣層820)上淀積和刻制圖案。介電薄膜850比較好的是淀積在離子導(dǎo)體840上并且在離子導(dǎo)體840和底部電極層830上開通孔。最后頂部電極860在通孔內(nèi)淀積和刻制圖案。利用半導(dǎo)體集成電路工業(yè)內(nèi)眾所周知的普通方法將底部電極830和頂部電極860互聯(lián)。
當(dāng)在頂部電極860(陰極)與底部電極830(陽極)之間施加合適的電壓時，非易失金屬枝狀晶體870經(jīng)離子導(dǎo)體840向底部電極830(陽極)生長。與上述PSAM結(jié)構(gòu)類似，非易失金屬枝狀晶體870長度的生長和變化影響了PR/C器件800的電學(xué)特性(例如電阻、電容等)。
PR/C器件也可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)膱D案刻制以提供與多個相鄰PR/C器件的隔離。此外，介電薄膜可以淀積在頂部電極860上并且可以重復(fù)整個結(jié)構(gòu)。因此PR/C器件的行和列可以高密度地形成以提供非常大的存儲容量。
顯而易見的是，有各種不同的配置或方法構(gòu)造按照本發(fā)明的PR/C器件。例如參見圖9，在PR/C器件900中，介電薄膜950比較好的是淀積在底部電極930與襯底910上(或者如采用絕緣體，則是絕緣層920)。通孔開在底部電極930上。離子導(dǎo)體940可以在通孔內(nèi)的底部電極930上淀積和刻制圖案。接著可以在通孔內(nèi)淀積和刻制圖案。
如前面結(jié)合圖7所述，按照本發(fā)明一些實施例的MDM器件除了用來變成枝狀晶體生長以外還包括一個或多個淀積，它們用作器件的“輸出”。圖7所示的同一結(jié)構(gòu)可以用于提供除存儲器單元以外的可編程電容和電阻單元并且用于利用電容和電阻單元的合適的應(yīng)用。
本發(fā)明的PR/C器件一般構(gòu)造為在物理上大于圖5A、6和7的MDM器件，從而可以達(dá)到更大的參數(shù)變化。本發(fā)明的PR/C器件適于利用較大電路的DC電壓“編程”；因此小電流的小信號交流電壓或直流電壓不會影響枝狀晶體條件并且電阻和電容不會變化。這些可編程器件通?？梢杂米髡{(diào)諧電路(例如通信系統(tǒng)中的頻率選擇、音調(diào)控制和音頻系統(tǒng)、電壓受控濾波電路)、電壓受控振蕩器(“VCO”)、信號電平(例如音量控制)、自動增益控制(“AGC”)等。
參見圖8，示意性的PR/C表示與普通硅基微電子明顯的不同。實際上，對于PR/C操作而言，硅甚至是不需要的。而且整個制造工藝比最基本的半導(dǎo)體工藝技術(shù)都簡單。簡單的工藝技術(shù)結(jié)合合理的材料成本使得器件的制造成本較低。
Ⅳ．結(jié)論因此，按照本發(fā)明，獲得了低成本的可制造器件，它可以用于各種應(yīng)用，例如存儲器件、可編程電阻和電容器件等。
雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明作了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述形式。在不偏離本發(fā)明精神和范圍的前提下可以對本發(fā)明作出各種修改和安排。
權(quán)利要求
1．一種可編程子表面集聚金屬化(PSAM)結(jié)構(gòu)，其特征在于包含離子導(dǎo)體；放置在所述離子導(dǎo)體上放置的多個電極，其中所述電極中至少有兩個用于當(dāng)電壓施加所述兩個電極之間時從兩個電極中的負(fù)極經(jīng)所述離子導(dǎo)體向正極生長金屬枝狀晶體。
2．如權(quán)利要求1所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于所述離子導(dǎo)體由包含金屬離子的硫族元素材料構(gòu)成。
3．如權(quán)利要求2所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于所述硫族元素材料選自硫、硒和碲構(gòu)成的組，而所述金屬離子由選自銀、銅和鋅的金屬構(gòu)成。
4．如權(quán)利要求3所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于所述離子導(dǎo)體包含三硫化二砷一銀。
5．如權(quán)利要求1所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于所述多個電極中至少一個由包含銀的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
6．如權(quán)利要求1所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于所述多個電極進(jìn)一步包括第一導(dǎo)電材料層；以及第二導(dǎo)電材料層，其中所述離子導(dǎo)體放置在所述第一與第二層導(dǎo)電材料之間。
7．如權(quán)利要求6所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一和第二導(dǎo)電材料層和所述離子導(dǎo)體形成于有強(qiáng)度和剛性的襯底材料上。
8．一種可編程子表面集聚金屬化(PSAM)結(jié)構(gòu)，其特征在于包含離子導(dǎo)體；陰極；陽極，所述陰極和陽極在所述離子導(dǎo)體上互相相對放置；以及金屬枝狀晶體，當(dāng)在所述陰極與陽極之間施加第一電脈沖序列時使所述金屬枝狀晶體從所述陰極經(jīng)所述離子導(dǎo)體向所述陽極生長。
9．如權(quán)利要求8所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬枝狀晶體的長度影響PSAM結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性，并且在去除所述第一電脈沖序列時所述金屬枝狀晶體的長度完好無損。
10．如權(quán)利要求9所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于當(dāng)施加第二電脈沖序列時所述金屬枝狀晶體的所述長度減小，所述第二電脈沖序列的極性與所述第一電脈沖序列相反。
11．如權(quán)利要求8所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于施加所述第一電脈沖序列直到所述金屬枝狀晶體與所述陽極接觸。
12．如權(quán)利要求11所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于當(dāng)在所述陰極與所述陽極之間施加第三電脈沖序列時在所述金屬枝狀晶體內(nèi)形成間距，所述第三電脈沖序列具有高電流設(shè)定點和低電壓限。
13．如權(quán)利要求12所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于形成于所述金屬枝狀晶體內(nèi)的所述間距當(dāng)在所述陰極與所述陽極之間施加第四電脈沖序列時閉合，所述第四電脈沖序列具有高電壓設(shè)定點和低電流限。
14．如權(quán)利要求8所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于所述離子導(dǎo)體進(jìn)一步由包含金屬離子的硫族元素材料組成，其中所述硫族材料選自硫、硒和碲構(gòu)成的組，而所述金屬離子由選自銀、銅和鋅的金屬構(gòu)成的組。
15．如權(quán)利要求8所述的PSAM結(jié)構(gòu)，其特征在于所述陰極和/或陽極由包含銀的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
16．一種形成可編程子表面集聚金屬化(PSAM)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于包含以下步驟提供離子導(dǎo)體；提供陰極；提供陽極；以及在所述陰極與陽極之間提供離子導(dǎo)體材料從而當(dāng)在所述陰極與陽極之間施加第一電壓時使所述金屬枝狀晶體從所述陰極經(jīng)所述離子導(dǎo)體向所述陽極生長。
17．如權(quán)利要求16所述的PSAM結(jié)構(gòu)形成方法，其特征在于所述提供離子導(dǎo)體材料的步驟進(jìn)一步包括從選自硫、硒和碲的硫族材料和選自周期表的ⅠB族和ⅡB族的金屬形成離子導(dǎo)體材料的步驟。
18．如權(quán)利要求16所述的PSAM結(jié)構(gòu)形成方法，其特征在于進(jìn)一步包括提供支承所述PSAM結(jié)構(gòu)的襯底的步驟。
19．如權(quán)利要求8所述的PSAM結(jié)構(gòu)形成方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟通過使金屬枝狀晶體從所述陰極經(jīng)所述離子導(dǎo)體向所述陽極生長從而調(diào)節(jié)PSAM結(jié)構(gòu)；通過在所述陰極與陽極之間施加第二電壓在所述金屬枝狀晶體內(nèi)形成間距從而擦除PSAM結(jié)構(gòu)；通過在所述陰極與陽極之間施加第三電壓使所述金屬枝狀晶體內(nèi)間距再閉合從而寫入PSAM結(jié)構(gòu)。
20．如權(quán)利要求19所述的PSAM結(jié)構(gòu)形成方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟通過在所述陰極與陽極之間施加第四電壓讀取PSAM結(jié)構(gòu)，其中所述第四電壓具有短小電流脈沖。
全文摘要
一種可編程子表面集聚金屬化結(jié)構(gòu)(100),該結(jié)構(gòu)包括諸如硫族玻璃之類的離子導(dǎo)體(110),它包括金屬離子和至少兩個放置在離子導(dǎo)體(110)的相對表面的電極(120,130)。比較好的是離子導(dǎo)體(110)包括硫族材料包括任何包含硫、硒和/或蹄的化合物。兩個電極(120,130)中的一個為陰極另一個為陽極。當(dāng)在陰極與陽極之間施加電壓時使所述金屬枝狀晶體從陰極向陽極生長。在足夠長的時間之后金屬枝狀晶體經(jīng)離子導(dǎo)體(110)將電極(120,130)連接起來從而短路器件。通過施加另一電壓可以使金屬枝狀晶體斷開。
文檔編號G11C13/02GK1284199SQ98813239
公開日2001年2月14日 申請日期1998年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月4日
發(fā)明者M·N·科濟(jì)可基, W·C·韋斯特 申請人:愛克遜技術(shù)有限公司, 亞利桑那州立大學(xué)董事會