可编程金属化元件结构及其制造方法
2020-01-15

可编程金属化元件结构及其制造方法

一种可编程金属化元件(“PMC”)包括诸如硫族化物-金属离子的快离子导体和多个电极(例如,一个阳极和一个阴极),它们设置在快离子导体的表面,并且相互隔开设定的距离。快离子导体最好包括硫族化物以及IB族或IIB族金属,阳极最好包括银,而阴极最好包括铝或其他导体。当把电压施加于阳极和阴极时,从阴极沿快离子导体的表面向阳极生长出非易失性的金属枝晶。枝晶的生长速率是施加的电压和时间的函数。枝晶的生长可以通过把电压去除而停止,并且通过倒转在阳极和阴极处的电压极性可以使枝晶回缩。枝晶长度的变化影响PMC的电阻和电容。可以把PMC合并入各种技术,诸如存储器器件、可编程电阻器/电容器器件、光学器件、传感器、等等。可以提供除阴极和阳极之外的附加电极,以在检测电学特性(它取决于枝晶的大小)时用作器件的输出端或附加输出端。

继续参见图1A和1B,枝晶15的生长速率是施加电压和时间的函数。低的电压导致相当慢的生长,而较高的电压产生极其快速的生长。在几何尺寸小(即,宽度为几个微米)的器件中,在大约0.5伏到1.0伏范围内的电压产生单个的枝晶结构,其生长速率大于10-3m/s,而电压超过10伏能够在电极13和14之间产生“片状”枝晶15,而不是单个枝晶。

可编程无源和有源元件电子电路简直可以包括数百万个元件。一般,把这些元件归入两个不同的类别,即,无源元件和有源元件。诸如电阻器和电容器等无源元件具有与之相关联的相对恒定的电学值。另一方面,如此设计诸如晶体管等有源元件的电学值,使得当把电压或电流施加至控制电极时改变其值。

近来,对基于铁电材料的另一种非易失性存储器技术给予了很大的关注。可惜,仍然有大量的问题与这种数据存储方法相关联,这妨碍了铁电材料的广泛应用,所述的各种问题包括非理想的存储特性和制造极为困难。

现在参见图3,曲线42示出PMC的电容与时间的关系,在施加0.7伏偏置电压大约0.5秒后,PMC器件有大约0.45皮法的电容。当把0.7伏的电压作为一系列0.5秒的脉冲施加至电极时,在4.5秒后,PMC的电容迅速增加至大约0.9皮法。如果使用较小的PMC器件或施加较大的电压,则电容增加得更多。

现在转向考虑图5D,该图以截面图示出类似于图5C器件的器件,但在枝晶平面的上方(而不是在同一平面内)提供附加电极。如图5D所示,MDM元件350包括支承快离子导体352的绝缘层/基片部分351。如在具有图5A、5B和5C的结构的情形那样,对快离子导体352适当地形成图案,以提供与多个相邻的元件或器件的隔离。接着淀积电极材料并对其形成图案,以形成用作阴极的电极353和用作阳极的电极354。当把电压施加至阴极353和阳极354时,枝晶355沿快离子导体352的表面向电极354生长。分别提供接触阴极353和阳极354的接点357和358。此外,能够提供一个或两个附加电极,这些电极360之一示于图5D,它位于枝晶355的平面的上方,并具有接点364。按照本实施例,附加电极360被示于图5D的材料隔开,该材料可以是电介质材料或电阻材料。在电介质材料的情形下,示于图5D的器件在电极353和电极360之间、在所示的电极360和快离子导体(未示出)下方的另一个电极362(如果有的话)之间、在电极360和电极354之间、以及当然在电极353和354之间将呈现可编程电容。在各个电极之间的可编程电容根据枝晶355的生长程度编程。

继续参看图7和8,例示的PR/C代表与传统的基于硅的微电子学的显著背离。事实上,对于PR/C的工作甚至不需要硅。还有,总的制造过程与即使是最基本的半导体处理技术相比也要简单得多。简单的处理技术与合理的材料成本以低廉的生产成本提供器件。

继续参看图1A和1B,快离子导体12包括固体电解质、含金属离子的玻璃、含金属离子的非晶半导体、硫族化物-金属离子,等等。就最广义而言,按照本发明,硫族化物材料包括任何一种包含硫、硒和/或碲的化合物,不管它是三元、四元或是更多元的化合物。在一个较佳的实施例中,快离子导体12包括硫族化物-金属离子组合,硫族化物材料是从包括砷、锗、硒、碲、铋、镍、硫、钋和锌的组中选出的(最好是硫化砷、硫化锗或硒化锗),而金属包括各种I族或II族金属(最好是银、铜、锌或它们的组合)。硫族化物-金属离子组合可以通过光致分解(photodissolution)、通过来自包括硫族化物和金属的源的淀积、或者通过本领域中的其他已知的方法获得。

3.军事和航天应用本发明具有许多特性,它们导致了其他潜在的使用领域。所有的读/写电子存储器都基于电荷存储的原理。在DRAM中,电荷只存储几个微秒,在EEPROM中,电荷可存储数年。可惜,有各种过程(诸如电离辐射)能够改变此电荷。例如,在军事和空间应用中,当α粒子通过典型的半导体器件时,该粒子在半导体器件中留下改变电荷的带电轨迹。在存储器技术的情形下,这导致软错误和数据讹误。另一方面,本发明不依赖于电荷存储,而依赖于材料的物理变化,这些材料不受比较大的辐射剂量的影响。换句话说,本发明是耐辐射的(radiation hard)。这就为军事和空间系统以及许多高度完善的商业系统(诸如飞机和导航系统)提供了显著的优点。

继续参见图6A和6B,MDM60包括为存储器元件或器件提供物理支承的基片61,以及(如果合适)绝缘层68,用以使基片61与MDM60的有源部分绝缘。

按照本发明,用施加恒定的或脉冲的偏置电压至MDM的电极以促使枝晶生长的办法把数据写至PROM构造的MDM(“MDM-PROM”)。允许金属枝晶到达阳极,由此形成低阻反熔断丝连接。此连接改变了存储器系统的电阻和电容。于是,藉助于以小电流(即,小得破坏不了枝晶的电流)通过枝晶连接,可以容易地“读取”MDM-PROM存储器元件。藉助于以大电流通过枝晶,从而破坏枝晶和断开连接,完成对MDM-PROM的“擦除”。如果在MDM的相对的电极之间还有足够的金属离子材料,则以后可以生长出新的枝晶作为合适的连接。

继续参见图7A和7B,接着在器件70上淀积绝缘层79。此绝缘层防止PR/C70的有源区域受到机械损坏或化学污染。然后在绝缘层79中适当地设置孔125,从而允许接点77和接点78分别与电极73和电极74电气耦合。