專利名稱：具有邏輯功能的多端子器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于處理信息的電子器件。更具體地說，本發(fā)明涉及具有邏輯功能的電子器件，該邏輯功能是通過施加適當?shù)妮斎胄盘栆员憧刂葡嘧儾牧系木嗪头蔷嗟南鄬Ρ壤鴮崿F(xiàn)的。最具體地說，本發(fā)明涉及具有三個或三個以上端子的硫族化物器件，其中，通過在不同端子對之間施加輸入信號，采用使得輸入信號和所測得的輸出電阻之間的關系符合邏輯功能的真值表的方式來改變硫族化物材料的結構狀態(tài)和電阻。
背景技術：
不斷需要改進計算機的性能來滿足新的更復雜的計算應用的需要。諸如模式分類、模式關聯(lián)、關聯(lián)存儲器功能、語音和字符識別之類的應用很大程度上仍不能像由人和其它生物有機體容易且直觀執(zhí)行的許多任務那樣來通過現(xiàn)有計算機解決或實施。
擴展計算機科學新領域的期望已經(jīng)提出要考慮造成現(xiàn)有計算機的局限的各種因素。硅是現(xiàn)今計算機的核心。過去幾年計算能力和速度的提升很大程度上是更好地了解了硅的基本性質并利用那些性質實現(xiàn)實際效應的結果。最初的進展是建立在用硅制成諸如晶體管和二極管之類的基本電子組件的基礎上的，而稍后的進展則是從集成電路的發(fā)展獲得。更近的進展是這些趨勢的延續(xù)，并且當前的重點放在單個芯片上的甚至更多數(shù)量的微電子器件的小型化和集成化。越小的器件導致越高的存儲器存儲密度、越高度集成的電路以及同一芯片上器件之間減少的交互次數(shù)。
因為計算能力和功能的進一步改進目前是建立在硅技術的進一步改進的基礎上的，所以最近有許多關于基于硅的電子器件的繼續(xù)小型化的預測討論。正出現(xiàn)一種不斷增長的輿論，它相信計算機行業(yè)正快速逼近硅的性能極限?，F(xiàn)在的制造技術中的形體尺寸為0.18微米，并且預期在將來可能會減小至約0.10微米。但是，形體尺寸的進一步減小被視為是有疑問的，因為低于約0.10微米的尺寸會使硅的基本行為發(fā)生改變。更具體地說，當硅器件的尺寸降低至幾十納米及以下時，硅進入量子行為方式，并且不再根據(jù)支配宏觀物體的經(jīng)典物理學起作用。在量子方式中，能態(tài)為量子化而非連續(xù)，并且諸如隧穿的現(xiàn)象會使許多器件上的電子發(fā)生移位。隧穿的結果包括因為電子從一個器件跑到相鄰器件而引起的電流泄漏和因為一個器件的狀態(tài)影響相鄰器件的狀態(tài)而引起的器件獨立性的喪失。除了硅行為的基本變化外，硅器件尺寸的進一步減小還會造成難以應對的技術挑戰(zhàn)。將需要新的高成本創(chuàng)新制造方法(例如光刻法)以便實現(xiàn)更小的形體尺寸。
一種用于提升計算機的能力的策略是識別可用作數(shù)據(jù)處理和/或存儲應用中的有效介質的硅以外的材料。這些替代計算介質可以獨立于硅或與硅組合用于形成所尋求的新的計算行業(yè)的基礎，以便提供比硅可能具有的更好的性能和更便利的制造。
本發(fā)明者最近提出使用硫族化物相變材料作為用于處理并存儲數(shù)據(jù)的有效材料。在序列號為10/144319的美國專利申請(’319申請)中，Ovshinsky等人描述了相變材料在計算應用中的工作原理，該專利申請的公開內容通過引用結合于本文。相變材料不僅可以在傳統(tǒng)的硅計算機的二進制模式特性下工作，而且還可以提供非二進制存儲和處理數(shù)據(jù)的可能性。非二進制存儲提供了高信息存儲密度，同時非二進制處理提供了增大的運算并行性?！?19還描述了利用非二進制計算介質來進行諸如加法、減法、乘法和除法之類的數(shù)學運算的代表性算法。Ovshinsky等人的序列號為10/155527的美國專利申請(’527申請)描述了基于相變計算介質的其它數(shù)學運算，包括因式分解、模運算和并行運算，該專利申請的公開內容通過引用結合于本文。
在序列號為10/189749的美國專利申請(’749申請)中，Ovshinsky考慮了基于利用相變材料作為有效計算介質的器件的計算系統(tǒng)的架構，該專利申請的公開內容通過引用結合于本文。更具體地說，Ovshinsky考慮了相變計算器件的網(wǎng)絡，并證實了與生物神經(jīng)網(wǎng)絡的功能十分類似的功能。該功能的重要特征包括相變計算器件對來自各種源的輸入信號的聚集響應、對這些輸入信號加權的能力以及模擬生物神經(jīng)元的觸發(fā)的穩(wěn)定的可再生的材料變換。該功能實現(xiàn)了以學習、適應性和可塑性為特征的智能計算的新概念。
在序列號為10/384994的美國專利申請(’994申請)、序列號為10/426321的美國專利申請(’321申請)和序列號為10/657285的美國專利申請(’285申請)中，Ovshinsky等人通過論述另外的計算和存儲器件進一步發(fā)展了相變計算的概念，上述美國專利申請的公開內容通過引用結合于本文?！?94申請論述了一種多端子相變器件，其中，在一個電端子處提供的控制信號通過注入電荷載流子來調制在其它電端子之間傳送的電流、閾電壓或信號。’321申請描述了一種相關多端子器件，它利用場效應端子來調制在其它電端子之間傳送的電流、閾電壓或信號。’994申請和’321申請中所描述的器件可以配置成用于提供與對基于硅的計算機至關重要的晶體管的功能類似的功能。’285申請介紹了一種利用相變材料的具有多個端子的多位存儲器件。
Ovshinsky等人的上述工作提供了用于實現(xiàn)整體或部分基于硫族化物或其它相變材料的計算范例的概念、工作原理和一些基本器件。為了進一步實現(xiàn)硫族化物計算以便作為基于硅的技術的可行補充或替代技術，需要擴展可從硫族化物相變材料得到的器件和功能的范圍。引起最大關注的是能夠執(zhí)行處理、存儲或存儲器及邏輯功能的器件和系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供基于相變材料的具有邏輯功能的電子器件及其操作方法。本器件包括作為工作物質的相變材料以及三個或三個以上與該相變材料電連通的電端子。該相變材料能夠在包括晶態(tài)、部分晶態(tài)和非晶態(tài)在內的多種結構狀態(tài)中可逆地變換，并且顯示出可在多個數(shù)量級范圍內變化的電阻。通過向電端子施加輸入信號，以便采用使得上述三個或三個以上端子中的預先選定的端子對之間的電阻模式符合邏輯操作的真值表的方式來選擇性地將相變材料的特定部分編程為具有所需電阻的預定結構狀態(tài)，從而實現(xiàn)邏輯功能。
在本發(fā)明的一個實施例中，提供“與”器件。
在本發(fā)明的另一個實施例中，提供“或”元件。
為能更好地理解本發(fā)明以及它的其它和另外的目的，結合附圖和權利要求，參照以下描述。


圖1是作為能量或電流的函數(shù)的硫族化物材料的電阻的代表性相依性。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的三端子器件的一個實施例。
圖3是三端子硫族化物存儲器件的示意性描繪。
圖4A是兩端子器件的端子相對于孔區(qū)域中的相變材料的結晶區(qū)和非晶區(qū)的放置的示意性描繪。
圖4B是兩端子器件的端子相對于孔區(qū)域中的相變材料的結晶區(qū)和非晶區(qū)的放置的示意性描繪。
圖4C是兩端子器件的端子相對于孔區(qū)域中的相變材料的結晶區(qū)和非晶區(qū)的放置的示意性描繪。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的結晶路徑的示意性描繪。
圖5B是根據(jù)本發(fā)明的結晶路徑的示意性描繪。
圖5C是根據(jù)本發(fā)明的結晶路徑的示意性描繪。
圖6A是本發(fā)明的在孔區(qū)域中具有均勻或均質相變材料的三端子圖6B是本發(fā)明的在孔區(qū)域中具有非均勻或非均質相變材料的三端子實施例的示意性描繪。
圖6C是本發(fā)明的在孔區(qū)域中具有非均勻或非均質相變材料的三端子實施例的示意性描繪。
圖6D是本發(fā)明的在孔區(qū)域中具有非均勻或非均質相變材料的三端子實施例的示意性描繪。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的三端子器件的一個實施例。
具體實施例方式
一般來說，本發(fā)明提供非基于硅的計算技術中的邏輯元件或器件以及編程或操作非基于硅的器件以實現(xiàn)邏輯功能的方法。本器件和元件包括相變材料以及三個或三個以上與該相變材料電連通的電端子。通過向或在一個或多個電端子兩端施加電信號，整體或部分地編程相變材料的電阻，其中不同端子對之間的電阻變化或差異為下述邏輯功能提供了基礎。
適合用于本邏輯器件的相變材料是能夠在兩種或兩種以上可檢測到不同結構狀態(tài)之間或之中變換的材料。例如，不同的結構狀態(tài)可以在晶體結構、原子排列、有序或無序、分數(shù)結晶度、兩種或兩種以上不同結構狀態(tài)的相對比例、物理(如電學、光學、磁學、機械)或化學性質等基礎上加以區(qū)分。在一個優(yōu)選實施例中，結構狀態(tài)之間或之中的變換是可逆的，使得發(fā)生變換的材料可以在結構變換后恢復其原始狀態(tài)。
在一個優(yōu)選實施例中，使用硫族化物材料作為本發(fā)明的相變材料。之前已經(jīng)在光和電存儲器以及轉換應用中利用了硫族化物材料，并且在以下文獻中已經(jīng)論述了一些代表性組合物和性質編號為5543737、5694146、5757446、5166758、5296716、5534711、5536947、5596522和6087674的美國專利，這些美國專利的公開內容通過引用結合于本文；以及幾篇期刊論文，包括S.R.Ovshinsky的“無序結構中的可逆電轉換現(xiàn)象”(Reversible Electrical Switching Phenomena inDisordered Structures)(Physical Review Letters，第21卷，第1450-1453頁(1969))、S.R.Ovshinsky和H.Fritzsche的“用于轉換、存儲器和成像應用的非晶半導體”(Amorphous Semiconductors forSwitching，Memory，and Imaging Applications)(IEEE Transactions onElectron Devices，第ED-20卷，第91-105頁，(1973))，這兩篇論文的公開內容通過引用結合于本文。在以下論述中就本發(fā)明回顧了關于相變硫族化物材料的一般特性和評論。
適用于本發(fā)明的代表性硫族化物材料是那些包含元素周期表第VI列中的一種或多種元素(硫族元素)且視情況包含第III、IV或V列中的一種或多種化學改進劑的材料。S、Se和Te中的一種或多種是包含在本存儲器件的硫族化物數(shù)據(jù)存儲材料中的最常見的硫族元素。合適的改進劑包括諸如As、Ge、Ga、Si、Sn、Pb、Al、Sb、In和Bi之類的三價和四價改進元素中的一種或多種元素。諸如Cu、Ni、Zn、Ag和Cd等過渡金屬也可用作改進劑。一種優(yōu)選的硫族化物組合物包括一種或多種硫族化物元素以及一種或多種三價或四價改進劑和/或一種或多種過渡金屬改進劑。包括Ge、Sb和/或Te的材料(如Ge2Sb2Te5)是根據(jù)本發(fā)明的硫族化物材料的實例。
硫族元素的特征在于二價鍵和孤電子對的存在。二價鍵會導致在硫族元素組合形成硫族化物材料時形成鏈和環(huán)結構，而孤電子對則提供用于在轉換應用中形成導電細絲的電子源。導電細絲還可造成或有助于驅動在不同結構狀態(tài)之間發(fā)生的相變。三價、四價和過渡金屬改進劑可進入硫族元素的鏈和環(huán)結構內，并且提供用于分支和交聯(lián)的點。硫族化物材料的結構剛度取決于交聯(lián)的程度，并且影響其經(jīng)受結晶或其它結構變換或重排的能力。
就本發(fā)明而言，硫族化物材料的一個重要特征在于它們經(jīng)受兩種或兩種以上結構狀態(tài)之間的可逆相變換的能力。硫族化物材料的結構狀態(tài)包括晶態(tài)、一種或多種部分晶態(tài)和非晶態(tài)。晶態(tài)可以是單晶態(tài)或多晶態(tài)。如本文所用，部分晶態(tài)是指包括非晶部分和結晶部分的硫族化物材料體的結構狀態(tài)。優(yōu)選地，相變材料中存在多種部分晶態(tài)，這些部分靜態(tài)可以在非晶部分和結晶部分的相對比例的基礎上加以區(qū)分。分數(shù)結晶度是一種表征硫族化物相變材料的結構狀態(tài)的方法。晶態(tài)的分數(shù)結晶度是100％，非晶態(tài)的分數(shù)結晶度是0％，而部分晶態(tài)的分數(shù)結晶度則在0％(非晶態(tài)限度)和100％(結晶限度)之間連續(xù)變化。因此，相變硫族化物材料能夠在多種結構狀態(tài)中可逆地變換，這些結構狀態(tài)的分數(shù)結晶度在0％和100％之間(包含0％和100％)變化。
經(jīng)歷在具有各種分數(shù)結晶度的結構狀態(tài)之間的結構變換的硫族化物材料的能力和性能，取決于硫族化物材料的成分和結構特征。更高交聯(lián)的硫族化物材料在結構上更剛性并且通常包括高度濃縮的改進劑。更高交聯(lián)的硫族化物材料更難于結晶，因為成核及增長晶相所需要的原子重新排列由于結構的剛性而被禁止。較淺交聯(lián)的硫族化物材料更容易經(jīng)歷完全的或部分的結晶。
通過向硫族化物材料提供能量可引發(fā)在硫族化物材料的結構狀態(tài)之間的變換。各種形式的能量能夠影響到硫族化物材料的分數(shù)結晶度從而引發(fā)結構變換。適當?shù)哪芰啃问桨娔?、熱能、光能或者在硫族化物材料中導致電、熱或光效應的其他形式的能?如粒子束能量)或者上述能量形式的組合。通過控制硫族化物材料的能量環(huán)境可實現(xiàn)分數(shù)結晶度的連續(xù)的和可逆的可變性。通過對硫族化物材料的能量環(huán)境進行適當?shù)目刂?，晶態(tài)可被變換為部分晶態(tài)或非晶態(tài)，部分晶態(tài)可被變換為晶態(tài)或非晶態(tài)，并且非晶態(tài)可被變換為部分晶態(tài)或晶態(tài)。在下面的討論中，將提出與利用熱、電和光能引發(fā)結構變換相關聯(lián)的某些考慮。
利用熱能引發(fā)結構變換使用了與晶相至非晶相或者非晶相至晶相變換相關聯(lián)的熱力學和動力學。非晶相可通過比如將硫族化物材料加熱到熔化溫度以上并以某種足以禁止晶相形成的速率冷卻而由部分晶態(tài)或晶態(tài)得來。晶相可通過比如將硫族化物材料加熱到結晶溫度以上并持續(xù)一段足以引起成核和/或晶疇增長的時間而由比如非晶態(tài)或部分晶態(tài)得來。結晶溫度低于熔化溫度并與結晶可發(fā)生的最小溫度相對應。結晶的驅動力通常是熱力學的，因為晶態(tài)或部分晶態(tài)的自由能低于非晶態(tài)的自由能，使得硫族化物材料的總能量隨分數(shù)結晶度的增加而下降。然而，分子運動抑制部分晶態(tài)內晶態(tài)或晶疇的形成(成核及成長)，使得低于熔點的加熱通過提供促使原子重新排列的能量而促進結晶，原子重新排列為構成晶相或晶疇所需。通過控制晶態(tài)或部分晶態(tài)的加熱溫度或加熱時間，或者通過控制非晶態(tài)或部分晶態(tài)的冷卻溫度或冷卻速率來控制部分晶態(tài)的分數(shù)結晶度。
用電能引發(fā)結構變換依賴于施加到硫族化物材料的電(電流或電壓)脈沖。通過電引發(fā)的結構變換的機制性質上可以是電子的，并會有伴生的或由此產(chǎn)生的熱作用。通過控制施加于硫族化物材料的電脈沖的量值和/或持續(xù)時間，能夠連續(xù)地改變分數(shù)結晶度。電能對硫族化物材料結構的影響常常用硫族化物材料的電阻隨所提供的電能量的變化或者隨施加于硫族化物材料的電流或電壓脈沖的量值的變化來描述。這里，圖1給出的是作為電能或電流脈沖的量值(能量/電流)的函數(shù)的硫族化物材料的電阻(R)的代表性描述。圖1示出了硫族化物材料的電阻隨電能或電流脈沖量值的變化，一般被稱為電阻曲線圖。
電阻曲線包括硫族化物材料對電能的兩種特性響應范圍。這兩種范圍通過如圖1所示的垂直虛線10近似地劃分界線。線10左側的范圍可以稱為硫族化物材料的聚積范圍。聚積范圍的特征在于，電阻隨著電能增大而接近恒定或微弱變化，當電能超過臨界能量時，電阻急劇下降達到極點。因此，聚積范圍沿著能量增大的方向從電阻曲線最左邊的點20經(jīng)過對應于電阻變化較小或逐漸變化的點范圍的平坦區(qū)(通常由30表示)延伸到電阻急劇下降后的調整點或調整狀態(tài)40。平坦區(qū)30可以水平或逐漸傾斜。之所以將電阻曲線的左側稱為聚積范圍是因為當施加能量時，硫族化物材料的結構狀態(tài)不斷發(fā)展，其中結構狀態(tài)的分數(shù)結晶度與總的能量聚積有關。最左邊的點20對應于聚積范圍中具有最低分數(shù)結晶度的結構狀態(tài)。該狀態(tài)可以是完全非晶，或者可以包含一定含量的初始晶體。當添加能量時，分數(shù)結晶度增加并且硫族化物材料在增加能量的方向上沿著平坦區(qū)30在多個部分晶態(tài)之間變換。圖1中，選定的聚積狀態(tài)(聚積區(qū)域中的結構狀態(tài))用正方形作標記。當能量聚積到臨界量時，硫族化物材料的分數(shù)結晶度增大到足以實現(xiàn)以電阻顯著下降和調整狀態(tài)40的穩(wěn)定化為特征的調整變換。聚積范圍中的結構狀態(tài)可以稱為硫族化物材料的聚積狀態(tài)。聚積范圍中的結構變換在其沿能量增大的方向在平坦區(qū)30內發(fā)展的意義上是單向的，并且只有通過如例如’527和749’申請所描述的首先驅動硫族化物材料經(jīng)過調整點40并復位才是可逆的。
雖然不希望為理論所束縛，但是本發(fā)明人相信在聚積范圍內將能量添加到硫族化物材料會通過新晶疇的成核、現(xiàn)有晶疇的增長或它們的組合導致了分數(shù)結晶度的增加?？烧J為盡管分數(shù)結晶度增加，但因為晶疇彼此相對孤立地構成或增長，從而防止橫跨硫族化物材料的毗鄰結晶網(wǎng)絡的形成，所以電阻沿平坦區(qū)30只有微弱的變化，。這種類型的結晶可稱為亞滲透(sub-percolation)結晶。調整變換(setting transformation)與滲透閾值相一致，其中毗鄰的、互連的結晶網(wǎng)絡在硫族化物材料內形成。例如，當晶疇的尺寸增加到足以侵犯或與鄰近域重疊時，會形成這種網(wǎng)絡。因為硫族化物材料的晶相比非晶相更導電并且電阻更小，因此滲透閾值對應于穿過硫族化物材料的毗鄰低電阻導電通路的形成。結果，滲透閾值被硫族化物材料的電阻的顯著下降所標記。聚集范圍最左邊的點可以是缺少毗鄰結晶網(wǎng)絡的部分晶態(tài)或者是非晶態(tài)。亞滲透結晶以初始非晶態(tài)或部分晶態(tài)開始并且通過具有越來越高的分數(shù)結晶度的多個部分晶態(tài)發(fā)展直至滲透閾值和調整變換發(fā)生為止。在’319、’527和749’申請以及編號為5912839和6141241的美國專利中提供了對聚積范圍中的硫族化物材料的行為的進一步論述；這些專利和申請的公開內容通過引用結合于本文。
圖1虛線10右側的范圍可被稱為灰度范圍或灰度區(qū)域。灰度范圍從調整狀態(tài)40經(jīng)過多個中間狀態(tài)(通常用50表示)延伸至復位點或狀態(tài)60?；叶确秶鷥鹊母鱾€點可被稱為硫族化物材料的灰度狀態(tài)。所選擇的灰度狀態(tài)在圖1中用圓點標示。通過將電流或電壓脈沖施加于硫族化物材料可引發(fā)灰度范圍內的結構變換。在圖1中，指示電流脈沖。在灰度范圍內，硫族化物材料的電阻隨所施加的電脈沖的量值而改變?；叶确秶鷥忍囟顟B(tài)的電阻是硫族化物材料的結構狀態(tài)的特征，并且硫族化物材料的結構狀態(tài)由在灰度區(qū)域內施加的電流脈沖的量值來限定。硫族化物材料的分數(shù)結晶度隨電流脈沖量值的增加而減少。變定點40處或附近的灰度狀態(tài)的分數(shù)結晶度最高，并且隨著逐漸接近復位狀態(tài)60而逐漸減小。硫族化物材料從在調整狀態(tài)40處具有毗鄰結晶網(wǎng)絡的結構狀態(tài)變換到復位狀態(tài)60處的沒有毗鄰結晶網(wǎng)絡的非晶態(tài)或基本非晶態(tài)或部分晶態(tài)的結構狀態(tài)。量值增加的電流脈沖的施加具有將結晶網(wǎng)絡的部分變換成非晶相的作用，并且導致了硫族化物材料中毗鄰的高導電性結晶通路的斷裂或中斷。結果，硫族化物材料的電阻隨灰度區(qū)域內施加的電流脈沖的增加而增加。
與聚積區(qū)域相比，發(fā)生在灰度區(qū)域內的結構變換是可逆的和雙向的。相對于與電流脈沖被施加時的硫族化物材料的初始狀態(tài)相關聯(lián)的電流脈沖量值，硫族化物材料對電流脈沖的響應由電流脈沖的量值來確定。如上所述，灰度區(qū)域內每種狀態(tài)可由其電阻和電流脈沖量值識別，其中該電流脈沖量值的施加可引發(fā)產(chǎn)生該狀態(tài)的特定電阻值的分數(shù)結晶度變化。相對于硫族化物材料的初始狀態(tài)的分數(shù)結晶度，隨后電流脈沖的施加可增加或減少分數(shù)結晶度。如果隨后的電流脈沖具有比用來建立初始狀態(tài)的脈沖更高的量值，則硫族化物材料的分數(shù)結晶度減少并且結構狀態(tài)從初始狀態(tài)朝著復位狀態(tài)的方向沿灰度電阻曲線變換。同樣地，如果隨后的電流脈沖具有比用來建立初始狀態(tài)的脈沖更低的量值，則硫族化物材料的分數(shù)結晶度增加并且結構狀態(tài)從初始狀態(tài)朝著調整狀態(tài)的方向沿灰度電阻曲線變換。例如，可在編號為5296716和5414271的美國專利中找到對灰度區(qū)域中的硫族化物材料的性質的進一步論述，這些美國專利的公開內容通過引用結合于本文。
根據(jù)本發(fā)明的器件結構的一個實例如圖2所示。圖2示出了三端子器件結構的橫截面圖。這三個端子標為T(1)、T(2)和T(3)。多個這樣的器件形成于6″硅晶片上。晶片上的器件和層是通過使用傳統(tǒng)的濺射、化學氣相沉積、蝕刻和光刻技術形成的。該結構包括硅晶片襯底310、熱氧化層320、包括由TiW或由Ti和TiN的組合形成的導電層340和炭阻擋層350的底部端子330、SiOx/SiNx絕緣區(qū)360、由TiW形成的中間端子370、填充有硫族化物材料380的孔、包括炭阻擋層400和包含Ti及TiN的導電層410的頂部端子390、以及Al層420。在該實例中，硫族化物材料380的組成近似為Ge2Te2Sb5，并且在圖2中標為GST。各阻擋層抑制材料擴散并電遷移到硫族化物區(qū)域中，并且提高器件的循環(huán)壽命。典型的層厚如下導電層340(100nm)，阻擋層350(30nm)，中間端子370(10-40nm)，阻擋層400(100nm)，導電層410(100nm)。該實例的器件中被硫族化物材料占據(jù)的孔區(qū)域為圓柱形，其高度約為0.1微米，且直徑約為1微米。端子330、370和390與硫族化物電連通。中間端子370限定硫族化物材料380。絕緣材料將各端子隔開，使得端子之間通過硫族化物材料電連通。
根據(jù)本發(fā)明的三端子器件的中心部分的示意性描繪如圖3所示。該三端子器件包括填充有硫族化物材料210的孔205，該硫族化物材料210與頂部電端子240、底部電端子250和中間電端子260接觸。一種或多種絕緣或介質材料270將這些電端子240、250和260隔開?？椎男螤羁梢允菆A柱形或非圓柱形。如果孔205是圓柱形，那么中間端子260的形狀優(yōu)選是環(huán)形。如果孔205是非圓柱形，那么中間端子260的形狀優(yōu)選是環(huán)周形。
圖3的器件中的三個端子的存在提供了控制器件孔內的硫族化物材料210或其部分的結構狀態(tài)的靈活性和選擇性。當在一對端子之間施加適當?shù)碾娦盘?如電流脈沖、電壓脈沖)時，會影響那些端子附近的硫族化物材料的結構狀態(tài)，并且因而可以影響那些端子之間的電阻。有效的結構狀態(tài)可選自聚積狀態(tài)或灰度狀態(tài)或其組合。因為該器件包括三個端子，并且因為硫族化物材料的結構變換可以通過向在這三個端子中選擇的任何一對端子提供電能來實現(xiàn)，所以該三端子器件提供了硫族化物材料的結構狀態(tài)變換或電阻變換的多種選擇，并且允許影響器件的孔205內的所有硫族化物材料或選定的硫族化物材料區(qū)。
在’285申請中，描述了一種三端子多位硫族化物存儲器件，其中通過向不同的端子對施加電信號，實現(xiàn)了孔內不同部分的硫族化物材料的結構變換。在’285申請的多位存儲器件中，端子的選擇提供了對連續(xù)硫族化物材料體內的特定的不同部分的選擇性編程，其中，每個經(jīng)過選擇性編程的部分都受到一對特定端子的影響，并且提供了對單個二進制位或非二進制位的存儲。不同的結構狀態(tài)對應于在解釋上有所不同的信息內容，并且其特征可以是例如硫族化物材料的分數(shù)結晶度，其中孔的一部分或一個區(qū)域中的分數(shù)結晶度可能與孔的另一些部分或另一些區(qū)域中的分數(shù)結晶度不相同。
在本申請的邏輯器件中，特定的端子對也會影響孔內的特定區(qū)域或特定部分的硫族化物材料的結構狀態(tài)。但是，在本邏輯器件中，孔內可獨立編程的區(qū)域的分數(shù)結晶度本身不一定決定器件的操作、性能或功能。通常更重要的是硫族化物材料的電阻，更具體地說，是特定端子對之間的硫族化物材料的測量電阻。下面將更全面地描述，器件中不同端子對之間測得的相對電阻和不同端子對的集合之間測得的電阻模式可以用來提供邏輯功能。
一對電端子之間測量的電阻不僅取決于硫族化物材料的電阻，而且還取決于硫族化物材料內結晶區(qū)和非晶區(qū)的排列或空間分布以及一對端子中的一個或兩個端子相對于受到加在這兩個端子之間的信號的影響的硫族化物材料體的大小及位置。如上所述，硫族化物相變材料的晶相的電阻低于非晶相。因此，如果當電流在處于電阻測量中的一對端子之間流過時可以全部通過結晶區(qū)，那么這對端子之間測量的電阻較低。本文可以將電流從處于電阻測量中的一個端子流到另一端子時電流行進的路徑稱為傳導電流路徑、電流傳導路徑、電流流動路徑、電流通路、電流路徑等。一對電端子之間測量的電阻取決于硫族化物材料沿電流路徑的電阻。因為電流路徑不一定必須在孔的整個體積或橫截面上延伸，所以端子之間測量的電阻可能與位于孔內的硫族化物材料的電阻不相同。
從處于電阻測量中的一個端子到另一個端子的電流路徑沿著從一個端子開始并在另一個端子處結束的連續(xù)路徑延伸。該電流路徑可以是也可以不是連接端子的直線路徑。也可能是迂回的或分叉的電流路徑。電流優(yōu)選沿著低電阻方向流動，并且在可能的范圍內，給定電流強度和/或電流密度，電流流過材料的低電阻區(qū)域，同時避開高電阻區(qū)域。因此，在包括結晶區(qū)和非晶區(qū)的相變材料中，電流優(yōu)選流過結晶區(qū)。如果從處于電阻測量中的一個端子延伸到另一個端子的連續(xù)結晶路徑可用，那么電流優(yōu)選流過該路徑，同時只有很少或沒有電流流過非晶區(qū)。如果存在這樣的情形，那么即使存在非晶區(qū)，端子之間測量的電阻也將與相變材料的晶態(tài)的電阻十分一致。如果不存在連續(xù)的結晶路徑，或者如果電流強度或電流密度高至足以使結晶路徑飽和，那么電流在非晶區(qū)中流動，并且獲得相對較高的測量電阻。隨著孔內非晶區(qū)的體積分數(shù)的增加，連續(xù)結晶路徑的可用性下降，并且電流越來越多地流過非晶區(qū)，從而使測量電阻越來越高。
基于上述考慮，包含在器件孔中的硫族化物材料內的結晶度的體積分數(shù)和結晶區(qū)的排列都會影響一對端子之間測量的電阻。一對端子之間的連續(xù)結晶路徑的可用性有利于降低這對端子之間測量的電阻，而連續(xù)結晶路徑的缺乏則會迫使電流至少部分地流過一個或多個非晶區(qū)，從而使測量的電阻較高。因此，對于特定體積分數(shù)的結晶區(qū)來說，結晶區(qū)的排列或連通性是對一對端子之間測量的電阻起作用的一個因素。例如，提供在端子之間延伸的連續(xù)結晶路徑的排列所產(chǎn)生的測量電阻要低于其中結晶區(qū)整個或部分地相互斷開、分離或以其它方式隔離的排列所產(chǎn)生的測量電阻。因此，控制結晶區(qū)和非晶區(qū)相對于彼此的排列和/或連通性提供了控制一對端子之間測量的電阻的自由度。
影響測量的電阻的另一個因素是一個或多個電端子相對于包含在器件孔內的相變材料的結晶區(qū)和非晶區(qū)的大小或位置。如果一個端子的大小或橫截面與孔的大小或橫截面至少一樣大，那么這個端子與該孔完全重疊，與包含在該孔內的相變材料的整個橫截面電連通，并且可以直接接入可能存在于孔內的任何鄰接結晶路徑。在存在鄰接結晶路徑的情形下，電流能夠直接從這個端子流到該路徑，而無需流過非晶區(qū)。因此，即使孔內存在非晶區(qū)，測量的電阻也可以十分接近相變材料的晶相的電阻。相反，如果一個端子的大小或橫截面小于孔的大小或橫截面，使得這個端子不能與孔完全重疊，那么這個端子相對于任何可能存在的連續(xù)結晶路徑的位置決定著流過該端子的電流對該路徑的接入性。如果端子與連續(xù)結晶路徑的入口點重疊，那么電流可以直接從這個端子流到該路徑。如果不重疊，那么電流必須先流過非晶區(qū)，然后再與連續(xù)結晶路徑相遇，因此測量電阻增大。
電端子相對于孔內的硫族化物材料的結晶區(qū)和非晶區(qū)的位置的重要性的實例可以利用圖4A-4C中提供的示意性描繪來進行描述。圖4A-4C示出了孔100以及電端子130和140，其中孔100內填充有具有非晶區(qū)110和結晶區(qū)120的硫族化物材料。電端子130和140的大小小于孔100的橫截面，使得這些端子只與占據(jù)孔的硫族化物材料的橫截面的一部分重疊。端子130和140的位置在如圖4A-4C所示的不同實例中各不相同。在圖4A中，電端子130和140都直接接觸結晶區(qū)120，使得在端子130和140上測得的電阻與晶相的電阻基本一致。在圖4A中，非晶區(qū)110的高電阻抑制電流從結晶區(qū)120轉移或泄漏到非晶區(qū)110。
在圖4B中，電端子130和140都直接接觸非晶區(qū)110。如果電流路徑只存在于非晶區(qū)110中，那么如圖4B所示的實例中的端子130和140上測量的電阻將與非晶相的電阻基本一致。如果電流首先從非晶區(qū)110流到結晶區(qū)120，然后再流回到非晶區(qū)110，那么電端子130和140之間測量的電阻將較低。但是，不管電流路徑如何，電流都必須至少部分地流過非晶相，因此使得測量的電阻大于相變材料的晶相的電阻。
在圖4C中，端子130與非晶區(qū)110直接接觸，而端子140與結晶區(qū)120直接接觸。在該實例中，預期電流主要在結晶區(qū)120中流動，但是電流路徑必定包括非晶區(qū)110的至少一部分。預期圖4C的實例中測量的電阻介于圖4A和圖4B的實例中的電阻之間。
不管結晶區(qū)和非晶區(qū)的特定形狀如何，圖4A-4C中所描繪的示意性實例中所略述的原則通常都適用。當存在電連接一對端子的連續(xù)結晶路徑時，預期這對端子之間測量的電阻較低。結晶路徑可以是直線形、彎曲形、曲線形、弓形、分叉形、不規(guī)則形狀等。圖5A-5C示出了更復雜形狀的連續(xù)結晶路徑的實例。如圖5A-5C所示的實例包括孔500，這些孔500包含非晶區(qū)510和結晶區(qū)520。圖5A示出了曲線形結晶路徑，圖5B示出了分叉形結晶路徑，而圖5C示出了更復雜的結晶網(wǎng)。在這些實例中的每個實例中，對于一個電端子位于孔頂部的某個位置而另一個電端子位于孔底部的這樣一對電端子來說，當這兩個端子都與連續(xù)結晶路徑直接電連通，使得電流流過結晶路徑而基本上不流過非晶區(qū)時，孔兩端測量的電阻最小。當其中一個或兩個端子與非晶區(qū)完全或部分地重疊，使得電流流過孔內的非晶區(qū)的一部分時，出現(xiàn)較高的測量電阻。
本邏輯器件包括三個或三個以上與位于器件孔內的相變材料電連通的端子。具有三個或三個以上端子的器件提供了多種選擇端子對的方式，并且提供了器件的一對端子之間的多個測量的電阻。因此，在具有特定結晶體積分數(shù)和非晶區(qū)和結晶區(qū)的特定排列的給定器件內，可以在選定的不同端子對之間測得不同的電阻值。在本邏輯器件中，多端子(即，三個或三個以上端子)器件中的不同電子對之間測量的電阻之間的關系成為邏輯功能的基礎。
舉例來說，考慮如圖6A示意性描繪的三端子器件。該器件包括填充有相變材料610的孔600，該相變材料610具有與它電連通的電端子605、615和625。在該器件中，可以在端子605和615之間、端子605和625之間、以及端子615和625之間逐對地測量電阻。取決于相變材料610內的結晶區(qū)和非晶區(qū)的排列，不同端子對之間可產(chǎn)生不同的測量電阻。一個重要的考慮是在一對特定端子之間是否存在連續(xù)結晶路徑以及結晶路徑將多端子器件中的多少對端子直接相連。
為了說明的目的，我們可以考慮具有邏輯值“0”和“1”的二進制邏輯系統(tǒng)，其中不同的邏輯值對應于一對電端子之間可檢測到的不同的測量的電阻。為了實際的方便，這兩種邏輯狀態(tài)的測量的電阻優(yōu)選具有大差值，使得可以最容易地加以區(qū)分和辨別邏輯狀態(tài)。一種用于實現(xiàn)該目標的方法是將一個邏輯值與在一對端子之間存在連續(xù)結晶路徑的情形相關聯(lián)，而將另一個邏輯值與在一對端子之間不存在連續(xù)結晶路徑的情形相關聯(lián)。在后一情形中，為了使電流在這兩個端子之間流過，必須使電流至少部分地流過非晶區(qū)。因此，所測量的電阻將相對于前一情形有所增大，在前一情形中，電流基本上在連續(xù)結晶區(qū)內流動。在二進制邏輯的一個實施例中，可以定義一個參考電阻，并且可以為高于該參考電阻的測量的電阻賦予一個邏輯值，而為低于該參考電阻的測量的電阻賦予另一個邏輯值。高于參考值的電阻可以稱為高電阻或高邏輯狀態(tài)，并且它可以與例如邏輯值“1”相關聯(lián)。類似地，低于參考值的電阻可以稱為低電阻或低邏輯狀態(tài)，并且它可以與例如邏輯值“0”相關聯(lián)。在另一實施例中，當高電阻測量狀態(tài)和低電阻測量狀態(tài)對應于一對端子之間在電流流過一個或多個非晶區(qū)的程度上可檢測到不同的電流路徑時，無需定義參考電阻，并且可以分別將高邏輯值和低邏輯值賦給具有高電阻和低電阻的測量的電阻狀態(tài)。
多端子器件中不同端子對之間測量的電阻的差異的存在取決于結晶區(qū)和非晶區(qū)的相對量和空間分布。例如，在如圖6A所示的實施例中，如果硫族化物材料610均勻地或均質地為非晶或晶體，那么三對端子之間測量的電阻將基本相同。例如由于不同端子對的空間間隔的不同、不同端子的端子大小的不同、不同端子的接觸面積的不同等，測量的電阻中可能存在較小的變化。但是，與不同端子對之間電流路徑是結晶或非晶的任何程度上的差異相比，這些差異是次要的。
當硫族化物的結構狀態(tài)是非均質或非均勻時，可以觀察到不同端子對之間測量的電阻的明顯差異。圖6B示出了如圖6A所示的三端子器件實施例的一個實例，其中具有結晶區(qū)和非晶區(qū)的非均質或非均勻分布。圖6B中的器件包括與包含在孔600內的相變材料電連通的電端子605、615和625，其中相變材料包括非晶區(qū)620和結晶區(qū)630。在該器件中，任何流到端子625或從端子625流出的電流都必定必須通過非晶區(qū)620內的實質距離，從而使測量的電阻值較高。由于在端子605和615之間有連續(xù)的結晶路徑供電流流過，所以與這對端子之間測量的電阻相比，端子625和605之間、以及端子625和615之間測量的電阻較高。
當一對端子中的一個或兩個端子被非晶區(qū)環(huán)繞，使得不可以與結晶區(qū)直接接觸時，在這對端子之間通常存在高測量的電阻值。如圖6B所示的端子625就是被非晶區(qū)環(huán)繞的端子的一個實例。圖6C示出了端子625被非晶區(qū)環(huán)繞的另一個實例。圖6C示出了具有與孔600電連通的端子605、615和625的三端子器件，其中孔600內包含具有非晶區(qū)635和結晶區(qū)640的相變材料。圖6C中的端子對之間的電阻模式與圖6B中的一致。即，端子625和615之間、以及端子625和605之間測量的電阻較高，而端子615和605之間測量的電阻則較低。圖6C中的實例表明，非晶區(qū)無需在孔的整個直徑或橫截面上延伸便可在一對端子之間產(chǎn)生高電阻傳導路徑。
即使當一對端子中的每個端子都與結晶區(qū)直接接觸時，如果在端子之間存在在孔的整個直徑或橫截面上延伸的介入非晶區(qū)，那么也可產(chǎn)生高測量的電阻值。這種類型的情形的一個實例如圖6D所描繪，圖6D示出了具有與孔600電連通的電端子605、615和625的三端子器件，其中孔600內包含具有非晶區(qū)645以及結晶區(qū)650和655的相變材料。注意，端子625與結晶區(qū)650直接接觸。但是，在圖6D的實例中，在端子625和端子605之間、或端子625和端子615之間流過的電流必定要流過非晶區(qū)645，其結果是導致端子625和端子605之間、或端子625和端子615之間測量的電阻較高。相比之下，端子605和615之間測量的電阻仍較低，因為連續(xù)結晶路徑在這對端子之間延伸。
在圖6B、6C和6D的實例中，可以說非晶區(qū)620、635和645將端子625與端子605和615電阻屏蔽開。當非晶區(qū)的大小和/或形狀阻止電流通過結晶傳導路徑流到一個端子或阻止電流從一個端子流出經(jīng)過結晶傳導路徑時，存在電阻屏蔽。實情是，流向經(jīng)電阻屏蔽的端子或從經(jīng)電阻屏蔽的端子流出的電流必定至少部分地流過非晶區(qū)，使得經(jīng)屏蔽端子和至少一個其它端子之間測量的電阻高于連續(xù)結晶電流路徑可用時的端子間的電阻。可以將一個特定端子與多端子器件中的一些端子電阻屏蔽開，但是并不能將一個特定端子與多端子器件中的所有端子電阻屏蔽開。例如，在如圖6B、6C和6D所示的實例中，端子625與端子605和615中的每個端子電阻屏蔽，且端子605和615中的每個端子與端子625電阻屏蔽。但是，端子605和615不相互電阻屏蔽，因為連續(xù)結晶路徑可供電流在這些端子之間流過。
本文可以將圖6B、6C和6D實例中的非晶區(qū)(如區(qū)域620、635和645)稱為電阻屏蔽非晶區(qū)，因為它們用于將一個端子與其它端子電阻屏蔽開。電阻屏蔽非晶區(qū)可以具有任意形狀，只要該形狀使得至少一對端子之間的連續(xù)結晶路徑不可用，或者該形狀使得至少一對端子之間測量的電阻高于不存在經(jīng)電阻屏蔽的非晶時的端子之間測量的電阻。注意，電阻屏蔽非晶區(qū)不是防止電流在經(jīng)電阻屏蔽端子和其它端子之間流過，而是用于相對于不存在電阻屏蔽非晶區(qū)的情形增大多端子器件中經(jīng)電阻屏蔽端子和至少一個其它端子之間測量的電阻。電阻屏蔽非晶區(qū)可以完全也可以不完全環(huán)繞一個端子，并且可以在也可以不在孔的整個橫截面尺寸上延伸。
在本邏輯器件中，本發(fā)明者能夠通過施加適當?shù)妮斎胄盘杹磉x擇性地控制相變器件的孔區(qū)域內的非晶區(qū)的形成，并且能夠指導一個或多個電阻屏蔽非晶區(qū)的放置，使得可以選擇性地使特定端子對之間測量的電阻較高。本發(fā)明者還可通過在施加適當輸入信號時選擇性的結晶來選擇性地去除非晶電阻屏蔽區(qū)。在一個二進制邏輯系統(tǒng)中，通過適當放置電阻屏蔽非晶區(qū)所產(chǎn)生的高測量的電阻可以對應一個邏輯值，而因為缺乏電阻屏蔽非晶區(qū)而產(chǎn)生的低測量的電阻可以對應另一個邏輯值。通過讀取不同端子對之間的相對電阻(如高對低)，可以定義二進制邏輯功能，并且可以通過現(xiàn)在描述的方式來應用本器件作為邏輯器件。
如上所示，如圖2所示的器件和如圖3所示的三端子器件的中心部分的示意性描繪是根據(jù)本發(fā)明的代表性三端子器件。根據(jù)本發(fā)明的器件的另一個實例如圖7所示，圖7示出了一個三端子器件結構的橫截面圖。多個這樣的器件形成于6″硅晶片上。晶片上的器件和層是通過使用傳統(tǒng)的濺射、化學氣相沉積、蝕刻和光刻技術形成的。該結構包括硅晶片襯底705、包括由Ti和TiN的組合形成的導電層720和炭阻擋層725的底部端子715、SiNx絕緣區(qū)730、由TiW形成的中間端子735、包含延伸超過孔740的直徑的硫族化物材料745的孔740、包括炭阻擋層755和包含Ti及TiN的導電層760的頂部端子750、以及Ti層765。本文可以將端子750、735和715分別稱為頂部端子、中間端子和底部端子。在該實例中，硫族化物材料745的組成近似為Ge2Te2Sb5。圖7的器件中被硫族化物材料占據(jù)的孔區(qū)域的直徑約為500nm。端子715、735和750與硫族化物電連通。中間端子735限定孔740。絕緣材料將各端子隔開，使得端子之間主要通過硫族化物材料電連通。
如圖7所示的器件與如圖2所示的器件的差別主要在于相變材料與頂部端子之間的接觸面積。在圖2的器件中，在器件制造時已經(jīng)包含了額外的拋光步驟，從而去除了延伸超過孔直徑的那些相變材料部分。在圖7的器件中，并沒有去除超過孔直徑的相變材料。因此，圖7的器件中的頂部端子和相變材料之間的接觸面積大于如圖2所示的器件中的接觸面積。
如圖7所示的器件經(jīng)過實驗證實了電阻屏蔽非晶區(qū)的選擇性形成。選擇這樣的初始狀態(tài)，其中硫族化物材料745主要是晶態(tài)，在所存在的三對端子中的每對端子之間存在連續(xù)的結晶路徑。在該初始狀態(tài)中可能存在一個或多個非晶區(qū)，但是不存在電阻屏蔽非晶區(qū)。在該初始狀態(tài)時，測量不同端子對之間的電阻，結果如下8.5kΩ(端子715和750之間測量的電阻)，14kΩ(端子715和735之間測量的電阻)和4kΩ(端子735和750之間測量的電阻)。
根據(jù)本發(fā)明，通過在電端子對之間提供適當?shù)碾娦盘枺梢栽诎谄骷變鹊南嘧儾牧匣蛄蜃寤锊牧现羞x擇性地形成或擦除非晶區(qū)(一般來說是非晶區(qū)，具體地說是電阻屏蔽非晶區(qū))。電信號可以是電流或電壓的形式，并且可以是持續(xù)信號或為脈沖信號。下文可以將導致器件孔內的相變材料發(fā)生結晶體積分數(shù)變化或結構狀態(tài)改變的電信號稱為編程信號。編程信號通過引發(fā)新的非晶區(qū)的形成、已有非晶區(qū)的擴大或減小和/或已有非晶區(qū)的擦除(即，去除/結晶)來改變結晶體積分數(shù)或結構狀態(tài)。在一個優(yōu)選實施例中，編程信號通過變換結晶區(qū)或影響已有非晶區(qū)的大小和/或連通性來形成或破壞電阻屏蔽非晶區(qū)?？梢栽龃笃浯笮『?或連通性，以便促進由結晶區(qū)或非電阻屏蔽非晶區(qū)形成電阻屏蔽非晶區(qū)。類似地，已有電阻屏蔽非晶區(qū)可以整體或部分地擦除或斷開，以便形成非電阻屏蔽非晶區(qū)和/或結晶區(qū)。
實例1本發(fā)明者利用如圖7所示的器件通過施加合適的編程信號證實了電阻屏蔽非晶區(qū)的選擇性形成。在該證實過程中使用電流脈沖作為編程信號。在第一個實驗中，器件處于如上所述的初始狀態(tài)，隨后在端子735和750之間施加電流脈沖。電流脈沖的振幅約為2-5mA，持續(xù)時間約為100ns。在施加電流脈沖后，測量不同端子對之間的電阻。獲得以下結果8.0kΩ(端子715和750之間測量的電阻，與初始狀態(tài)時的8.5kΩ相比)，50kΩ(端子715和735之間測量的電阻，與初始狀態(tài)時的14kΩ相比)和34kΩ(端子735和750之間測量的電阻，與初始狀態(tài)時的4kΩ相比)。結果顯示，中間端子735和端子715之間、或者中間端子735和端子750之間測量的電阻顯著增大，而端子715和750之間的電阻則基本不變。從本邏輯應用的觀點看，結果表明，該實驗中所用的編程脈沖具有將中間端子735與其它端子電阻屏蔽的作用。電阻屏蔽是中間端子735附近一個或多個電阻屏蔽非晶區(qū)的選擇性形成的結果。因此，可以將該實例中所施加的編程脈沖稱為關于端子735的屏蔽脈沖。因為屏蔽對應于一個或多個電阻屏蔽非晶區(qū)的形成，所以本文也可以將屏蔽脈沖稱為非晶化脈沖。就本發(fā)明而言更一般地說，非晶化脈沖是用于增大一對輸入端子之間的非晶區(qū)的體積分數(shù)和/或非晶區(qū)的排列的輸入信號。
實例2在另一個實驗中利用如圖7所示的器件證實了底部端子715的電阻屏蔽。再次將該器件初始化為其中相變材料具有足夠大的結晶度以在器件的三對端子中的每對端子之間提供連續(xù)結晶路徑的狀態(tài)。該初始狀態(tài)時的端子間測量的電阻如下8kΩ(端子715和750之間測量的電阻)，14kΩ(端子715和735之間測量的電阻)和6kΩ(端子735和750之間測量的電阻)。接著，在端子715和735之間施加振幅約為2-5mA且持續(xù)時間約為100ns的編程脈沖。隨后，測量三對端子之間的電阻，結果如下1500kΩ(端子715和750之間測量的電阻)，1200kΩ(端子715和735之間測量的電阻)和8.5kΩ(端子735和750之間測量的電阻)。結果顯示，底部端子715和端子735之間、或底部端子715和端子750之間測量的電阻顯著增大，而端子735和750之間的電阻則基本不變。從本邏輯應用的觀點看，結果表明，該實驗中所用的編程脈沖具有將底部端子715與其它端子電阻屏蔽的作用。電阻屏蔽是底部端子715附近一個或多個電阻屏蔽非晶區(qū)的選擇性形成的結果。因此，可以將該實例中所施加的編程脈沖稱為關于端子715的屏蔽或非晶化脈沖。
實例3前述兩個實例通過使用適當?shù)姆蔷Щ}沖證實了端子715和735附近非晶區(qū)的選擇性形成。在本實例中，本發(fā)明者進行了其它實驗，以便證實通過選擇性結晶來去除或破壞非晶區(qū)。選擇性結晶可以通過施加結晶化(crystallizing)信號(如電流或電壓)來實現(xiàn)，該結晶化信號是脈沖信號或持續(xù)信號，并且會使電阻屏蔽非晶區(qū)充分地轉變?yōu)榫?，以便允許流到一個端子或從一個端子流出的電流基本流過結晶路徑。通過施加結晶化信號，可以使經(jīng)電阻屏蔽的端子變換為未經(jīng)電阻屏蔽的端子。就本發(fā)明而言更廣義地說，結晶化信號是用于增大一對輸入端子之間的結晶體積分數(shù)和/或結晶區(qū)的排列的信號。
在該實例中，使用圖7所示的器件，該器件處于中間端子735經(jīng)電阻屏蔽的初始狀態(tài)。初始狀態(tài)時的端子間的電阻如下10kΩ(端子715和750之間測量的電阻)，55kΩ(端子715和735之間測量的電阻)和67kΩ(端子735和750之間測量的電阻)。在中間端子735和端子715之間、以及中間端子735和端子750之間測得的高電阻證明了中間端子735附近電阻屏蔽非晶區(qū)的存在，而在頂部端子750和底部端子715之間測得的低電阻證明了電流基本流過結晶路徑，而沒有來自中間端子735存在的這個或這些電阻屏蔽非晶區(qū)或其它電阻屏蔽非晶區(qū)的顯著干擾。
隨后，在中間端子735和底部端子715之間施加振幅約為1-2.5mA且持續(xù)時間約為600ns的結晶化電流脈沖。在施加該結晶化脈沖后，測量端子間的電阻，結果如下8kΩ(端子715和750之間測量的電阻)，14kΩ(端子715和735之間測量的電阻)和6kΩ(端子735和750之間測量的電阻)。流向中間端子735或從中間端子735流出的測量的電阻顯著下降，這證實了由該實例中的結晶化脈沖所引發(fā)的選擇性結晶。底部端子715和頂部端子750之間測量的電阻仍較低，并且不受結晶化脈沖的顯著影響。
實例4在該實例中，使用圖7所示的器件，該器件處于底部端子715經(jīng)電阻屏蔽的初始狀態(tài)。初始狀態(tài)時的端子間的電阻如下1300kΩ(端子715和750之間測量的電阻)，1700kΩ(端子715和735之間測量的電阻)和5.5kΩ(端子735和750之間測量的電阻)。在端子715和端子735之間、以及端子715和端子750之間測得的高電阻證明了底部端子715附近電阻屏蔽非晶區(qū)的存在，而在頂部端子750和中間端子735之間測得的低電阻證明了電流基本流過結晶路徑，而沒有來自底部端子715存在的這個或這些電阻屏蔽非晶區(qū)或其它電阻屏蔽非晶區(qū)的顯著干擾。
隨后，在中間端子735和底部端子715之間施加振幅約為1-2.5mA且持續(xù)時間約為600ns的結晶化電流脈沖。在施加該結晶化脈沖后，測量端子間的電阻，結果如下30kΩ(端子715和750之間測量的電阻)，34kΩ(端子715和735之間測量的電阻)和6.5kΩ(端子735和750之間測量的電阻)。流向底部端子715或從底部端子715流出的測量的電阻顯著下降，這證實了由該實例中的結晶化脈沖所引發(fā)的選擇性結晶。頂部端子750和中間端子735之間測量的電阻仍較低，并且不受結晶化脈沖的顯著影響。
實例5前述實例證實了本發(fā)明者能夠使用非晶化信號和結晶化信號來在多端子硫族化物器件的選定端子附近形成或破壞電阻屏蔽非晶區(qū)，從而選擇性地影響多端子器件中的不同端子對之間的電阻模式。在本實例中，本發(fā)明者基于輸入信號通過使介入硫族化物材料選擇性地非晶化或結晶化來增大或減小特定端子對之間的電阻的能力證實了三端子硫族化物器件的邏輯功能。如圖7所示的器件是根據(jù)本發(fā)明的代表性器件，它可用來說明邏輯功能。在該實例中，我們考慮使用如圖7所示的器件來執(zhí)行“或”邏輯功能。
在“或”邏輯功能中，向器件提供兩個輸入，這兩個輸入經(jīng)過處理以便根據(jù)以下真值表提供輸出

其中，輸入和輸出對應于0和1的二進制狀態(tài)。在傳統(tǒng)的邏輯器件中，0和1狀態(tài)通常分別對應于低電壓和高電壓。在本邏輯器件中，可以使端子對之間測量的電阻與用于定義邏輯操作的真值表的0和1狀態(tài)相關聯(lián)。在本發(fā)明的一個實施例中，0和1狀態(tài)分別對應于低電阻和高電阻，而在另一個實施例中，0和1狀態(tài)分別對應于高電阻和低電阻。在該實例中，我們說明“或”邏輯功能，并且選擇令低測量的電阻和高測量的電阻分別對應于邏輯值0和1。
為了遵循邏輯真值表，需要兩個獨立的輸入和一個獨立的輸出。在本邏輯器件中，施加在兩對不同端子之間的信號對應于必要輸入，而第三對端子之間測得的電阻對應于輸出。因為圖7中的器件包括三個端子，所以存在三對獨立的端子，以便提供三種獨立的測量的電阻和/或用于提供可與邏輯輸入和輸出相關聯(lián)的信號的方式。對于該實例，我們選擇令底部端子715和頂部端子750成為對應于一個輸入的一對端子，而令中間端子735和頂部端子750成為對應于第二輸入的一對端子。底部端子715和中間端子735之間測量的電阻對應于輸出。在該實例中所作的與輸入和輸出相關聯(lián)的端子的選擇只是用于說明的目的，其它用于將特定端子對指派給輸入和輸出的方案也是可以的，并且在本發(fā)明的范圍內。
該實例中的邏輯器件的輸入信號是以施加在第一對端子(端子715和750)和第二對端子(端子735和750)之間的電流脈沖的形式提供的。在該實例中，分別提供了結晶化脈沖和非晶化脈沖形式的輸入信號。如上所述，在一對端子之間施加結晶化脈沖會以促使實質上結晶路徑的形成以供電流在一對端子之間流過的方式改變這對端子之間的相變材料的結構狀態(tài)。因此，結晶化脈沖可以在本器件的一對端子之間提供低測量的電阻，并且就該實例而言，構成對應于邏輯值0的輸入信號。類似地，一對端子之間的非晶化脈沖會以促使供電流在一對端子之間流過的路徑中形成非晶和/或電阻屏蔽非晶區(qū)的方式改變這對端子之間的相變材料的結構狀態(tài)。因此，非晶化脈沖可以在一對端子之間提供高測量的電阻，并且就該實例而言，構成對應于邏輯值1的輸入信號。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，輸入信號獨立起作用，并且不會相互干擾，使得受到提供于一對輸入端子之間的輸入信號影響的相變材料部分不會顯著地改變受到提供于一對不同的輸入端子之間的輸入信號影響的相變材料。在序列號為10/657285的美國專利申請中論述了施加在不同端子對之間的信號的影響區(qū)域的干擾和重疊。在該優(yōu)選實施例中，除了提供邏輯功能外，本器件還可提供對輸入信號的非易失性存儲。例如，在一對輸入端子之間的結晶化脈沖將促進這對端子之間連續(xù)結晶路徑的形成，并且有助于這對輸入端子之間的低測量的電阻，從而提供對輸入值0的存儲。類似地，通過在一對端子之間施加非晶化信號，提供了對輸入值1的存儲。
如序列號為10/657285的美國專利申請所述，當輸入信號相互干擾時，如當受到施加在不同端子之間的輸入信號影響的相變材料部分重疊時，或者當從一個區(qū)域發(fā)出的熱能或電能消散進入另一區(qū)域或以其它方式影響另一區(qū)域時，可以包含輸入值的非易失性存儲。當向一對端子施加隨后的信號時，取決于干擾的程度，該干擾可以使一對端子之間的結構狀態(tài)或測量的電阻發(fā)生改變。在這樣的情形下，如果干擾的程度足以顯著地改變施加有先前信號的端子之間的結構狀態(tài)或測量的電阻，那么先前輸入值的存儲可以是易失性的而不是非易失性的。
不管輸入信號是否存在任何重疊或干擾，本器件的邏輯輸出都根據(jù)本文實例中所述的真值表如實地符合輸入信號。輸入信號干擾或不干擾的實施例都在本發(fā)明的范圍內，非易失性地存儲或易失性地存儲輸入信號的實施例也是如此。諸如脈沖振幅、脈沖電壓、脈沖持續(xù)時間、器件尺寸、相變材料的選擇等因素都可用來影響提供于不同端子對之間的信號是否干擾，并且如果存在干擾，那么這些因素還可用來影響干擾的程度。更多信息請參見序列號為10/657285的美國專利申請。
該實例中的邏輯器件的輸出對應于底部端子715和中間端子735之間測量的電阻，它是在器件中的一個或多個其它端子對之間施加一個或多個輸入信號后獲得。高測量的電阻對應于輸出值1，而低測量的電阻對應于輸出值0。如上所述，該測量的電阻主要受到底部端子715和中間端子735之間的電流路徑中的結晶區(qū)與非晶區(qū)的相對比例和空間排列和/或鄰接性的影響。電阻屏蔽非晶區(qū)的存在促進高電阻，并且表現(xiàn)為輸出值1。未飽和或以其它方式受到電阻測量中所用的電流限制的連續(xù)結晶路徑的存在促進低測量的電阻，并且表現(xiàn)為輸出值0。或者，可以將輸出定義為在一對輸出端子之間流過的測量的電流。電流輸出必然是根據(jù)電阻得出的，因為對于給定電壓來說，低電阻所產(chǎn)生的電流要高于高電阻所產(chǎn)生的電流。因此，電流電平(高對低)也可用作本發(fā)明的器件中的輸出信號。在該實例中，我們考慮測量的電阻形式的輸出。
因為相變材料的電阻隨著相變材料的組成而變化，所以對于根據(jù)本發(fā)明的邏輯器件中特定體積分數(shù)和排列的結晶區(qū)和/或非晶區(qū)來說，其測量的電阻隨著器件中所用的相變材料而變化。特定測量的電阻是高還是低的判定以及因此得出的特定輸出是1還是0的判定可能取決于器件中所用的相變材料的選擇。在本發(fā)明的一個實施例中，可以將具體的電阻值賦予高電阻輸出狀態(tài)和低電阻輸出狀態(tài)。在另一實施例中，可以選擇參考電阻，其中超過該參考電阻的測量的輸出電阻對應于高電阻和輸出1，且其中低于該參考電阻的測量的輸出電阻對應于低電阻和輸出0。因為非晶相和晶相之間測量的電阻通常相差至少兩倍，并且時常相差一個數(shù)量級或更多，所以比較直接簡單的是建立明確描繪高、低輸出值的參考電阻。即使小的電阻差也可以很容易被測得所帶來的實際簡易性還有利于參考電阻的選擇，并且可以靈活地選擇參考電阻。
下表中呈現(xiàn)了本邏輯器件該實施例的工作特性的匯總。輸入1是施加在端子715和750之間的輸入信號，輸入2是施加在端子735和750之間的輸入信號，而輸出是在施加了這兩個輸入信號之后端子735和750之間測量的電阻。所列輸入為結晶化或非晶化脈沖，其中脈沖振幅和持續(xù)時間與上文實例1-4中所述的那些相當。

在該實例中，輸出是相對于20kΩ的參考電阻確定的。介于14和50kΩ之間的任何電阻都將用作該實例中的適當?shù)膮⒖茧娮?。對輸入和輸出之間的關系的觀察表明，該實例中的器件執(zhí)行邏輯“或”操作。
實例6在該實例中，描述了執(zhí)行邏輯“與”操作的器件的一個實例。該實例中的器件對應于上文實例5中所描述的器件，但是使邏輯值與電阻相關聯(lián)的程序有所不同。在以上的實例5中，將邏輯值0賦予結晶化輸入信號，將邏輯值1賦予非晶化輸入信號，并將輸出值0和1分別賦予低輸出電阻和高輸出電阻。
在該實例中，進行不同的邏輯值賦予。具體來說，將邏輯值0賦予非晶化輸入信號，將邏輯值1賦予結晶化輸入信號，并將輸出值0和1分別賦予高電阻輸出和低電阻輸出。如同以上的實例5，該實例中的邏輯器件的輸入信號是以施加在第一對端子(端子715和750)和第二對端子(端子735和750)之間的電流脈沖的形式提供的，并且輸出對應于在底部端子715和中間端子735之間測得的電阻。使用如實例5中所述的脈沖作為輸入信號，利用介于14和50kΩ之間的參考電阻和針對本實例描述的邏輯值的備選分配，獲得以下輸出特性表

該實例因此證實了根據(jù)“與”功能的邏輯。
盡管上述說明性實例強調了具有三個與相變材料電連通的端子的器件，但是顯然，操作原理和邏輯功能通常類似地延伸至多端子器件?？梢韵虿煌妮斎攵俗訉κ┘觾蓚€或兩個以上輸入信號，并且通過測量不同輸出端子對之間的電阻來獲得一個或多個輸出信號?？梢灶愃频赜盟┘拥妮斎胄盘柕念愋?例如，結晶化或非晶化，低或高，0或1等)、每種類型的輸入信號的數(shù)量和這個或這些輸出信號之間的關系來定義邏輯功能。如同上文所述的三端子實施例，可以為多端子器件的邏輯操作開發(fā)真值表。
本文所描述的公開內容和論述是說明性的，不希望它限制本發(fā)明的實施。盡管已經(jīng)描述了相信是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的實施例，但是本領域技術人員將認識到，在不背離本發(fā)明的精神的前提下，可以對這些實施例作其它和進一步的改變和修改，并且打算要求所有這些落在本發(fā)明的范圍內的變化和修改。包括所有等效物在內的權利要求結合以上的公開內容以及本領域技術人員通常可用的知識定義了本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種電子器件，包括相變材料；與所述相變材料電連通的第一端子；與所述相變材料電連通的第二端子；與所述相變材料電連通的第三端子；其中，在所述第一和第二端子之間測量的電阻與在所述第一和第三端子之間測量的電阻不相同。
2.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述相變材料是硫族化物材料。
3.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述相變材料可以在晶相和非晶相之間可逆地變換，所述晶相和所述非晶相具有不同的電阻。
4.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述相變材料包括S、Se或Te。
5.如權利要求4所述的器件，其特征在于，所述相變材料還包括Ge或Sb。
6.如權利要求4所述的器件，其特征在于，所述相變材料還包括As或Si。
7.如權利要求4所述的器件，其特征在于，所述相變材料還包括選自由Al、In、Bi、Pb、Sn、P和O組成的組中的元素。
8.如權利要求1所述的器件，其特征在于，測量的電阻的所述差別至少是兩倍。
9.如權利要求1所述的器件，其特征在于，測量的電阻的所述差別至少是一個數(shù)量級。
10.如權利要求1所述的器件，其特征在于，在所述第一和第二端子之間所述測量的電阻與在所述第二和第三端子之間測量的電阻不相同。
11.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件是邏輯器件。
12.如權利要求11所述的器件，其特征在于，所述器件是“或”器件。
13.如權利要求11所述的器件，其特征在于，所述器件是“與”器件。
14.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述相變材料包括結晶區(qū)和非晶區(qū)。
15.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述相變材料包括電阻屏蔽所述端子其中之一的非晶區(qū)。
16.如權利要求15所述的器件，其特征在于，所述電阻屏蔽非晶區(qū)與所述經(jīng)電阻屏蔽的端子物理接觸。
17.如權利要求16所述的器件，其特征在于，所述電阻屏蔽非晶區(qū)基本覆蓋所述經(jīng)電阻屏蔽的端子。
18.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述相變材料包括在至少一對所述端子之間的連續(xù)的結晶路徑。
19.一種用于操作電子器件的方法，所述器件包括相變材料和三個或三個以上與所述相變材料電連通的端子，所述方法包括以下步驟在所述器件的第一對所述端子之間施加第一信號；以及在所述器件的第二對所述端子之間施加第二信號。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一和第二信號中的一個信號是非晶化信號。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述非晶化信號形成電阻屏蔽非晶區(qū)。
22.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一和第二信號中的一個信號是結晶化信號。
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述結晶化信號除去電阻屏蔽非晶區(qū)。
24.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一和第二信號是電信號。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述電信號是電流脈沖。
26.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一信號改變所述第一對端子之間測量的電阻。
27.如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述第一信號基本不改變所述第二對端子之間測量的電阻。
28.如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述第二信號改變所述第二對端子之間測量的電阻。
29.如權利要求19所述的方法，還包括測量第三對所述端子之間的電阻的步驟。
30.如權利要求19所述的方法，還包括測量第三對所述端子之間的電流的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開一種多端子邏輯器件。該器件包括具有晶態(tài)和非晶態(tài)的相變材料，該相變材料與三個或三個以上電端子電連通。該相變材料能夠響應所施加的電能而經(jīng)受非晶態(tài)和晶態(tài)之間的可逆變換，其中，非晶態(tài)和晶態(tài)表現(xiàn)出可測量的不同電阻。施加在一對端子之間的電流或電壓脈沖形式的電能影響這對端子之間的結構狀態(tài)和測量的電阻。在本器件中，在不同的端子對之間提供獨立的輸入信號，并且測量作為另一對端子之間的電阻的輸出。通過所施加的輸入信號和所測得的輸出電阻之間的關系，實現(xiàn)了邏輯功能，其中，該關系由輸入信號對相變材料的結構狀態(tài)和電阻的影響決定?？梢詫⑦壿嬛蹬c相變材料的晶態(tài)和非晶態(tài)相關聯(lián)，或者可以使它們與一對端子之間測量的電阻相關聯(lián)。
文檔編號H01L29/51GK1934706SQ200480042478
公開日2007年3月21日 申請日期2004年12月10日 優(yōu)先權日2004年1月20日
發(fā)明者S·R·奧夫辛斯基 申請人:能源變換設備有限公司