集成突觸元件的結(jié)構(gòu)和方法
【專利摘要】本公開(kāi)的實(shí)施例涉及一種集成突觸元件的結(jié)構(gòu)和方法。公開(kāi)了一種互連結(jié)構(gòu)中使用電遷移的突觸元件，其中對(duì)所述互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化以給予跟隨電流流動(dòng)的電阻率變化的控制。突觸元件展現(xiàn)取決于電流流動(dòng)的數(shù)量(電荷)和方向的電阻率，其中通過(guò)控制互連結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)的空隙的容量來(lái)獲得持續(xù)可變的電阻。
【專利說(shuō)明】集成突觸元件的結(jié)構(gòu)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及互連結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明涉及具有空隙的新型互連結(jié)構(gòu)及其使用方法，該空隙的尺寸可以根據(jù)電遷移而變化。

【背景技術(shù)】
[0002]非馮諾依曼(Von-Neumann)計(jì)算架構(gòu)對(duì)于提供明顯更快的方式來(lái)解決一些種類的問(wèn)題而言顯現(xiàn)重要的應(yīng)用前景。突觸(synaptic)元件提供用以創(chuàng)建非馮諾依曼架構(gòu)的許多方式中的一種方式。展現(xiàn)至少兩種電阻態(tài)的任意材料原則上都可以提供模仿任意兩個(gè)神經(jīng)元之間的突觸元件的路徑。然而，僅展現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)的材料僅提供有限的架構(gòu)可能性。理想地，能夠多次或持續(xù)地變化穩(wěn)定的電阻態(tài)的材料將提供最大的設(shè)計(jì)靈活性并且更接近允許模仿大腦的學(xué)習(xí)或適應(yīng)功能。已經(jīng)作為存儲(chǔ)或存儲(chǔ)器元件研究的許多材料可以用作突觸元件，但通常需要復(fù)雜的集成機(jī)制。
[0003]舉幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)，一些示例包括相變存儲(chǔ)器(PCM)材料、電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)材料和旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)移(STT)磁性隧道結(jié)。所有這些都具有一些缺陷，這些缺陷可能需要附加的復(fù)雜性管理。例如，在相變材料中，通過(guò)使玻璃材料逐步地晶體化，容易降低電阻，但不可能緩慢地增加電阻(而不熔化、淬火和/或加熱)以達(dá)到期望的更高電阻。為達(dá)到期望的更高電阻態(tài)，這增加了很多電路復(fù)雜度和迭代。RRAM材料通常僅展現(xiàn)兩種具有有限有效性的穩(wěn)態(tài)。STT結(jié)提供可變電阻，但它們往往松弛到它們的接地態(tài)，這增加了穩(wěn)態(tài)的問(wèn)題。此外，在STT結(jié)中，兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間的電阻對(duì)比度非常有限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]這里公開(kāi)了可以展現(xiàn)穩(wěn)定并且仍持續(xù)可變的電阻態(tài)的突觸元件。本發(fā)明的實(shí)施例是基于現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)和方法的改進(jìn)。
[0005]本發(fā)明公開(kāi)了一種用于互連結(jié)構(gòu)的方法，其中在所述結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電部分中的標(biāo)稱均勻?qū)щ姷牟牧显谘刂鰧?dǎo)電部分定位的預(yù)先制作的空隙和儲(chǔ)存庫(kù)(reservoir)之間來(lái)回遷移。所述方法包括:當(dāng)圍繞所述空隙中的至少一個(gè)的導(dǎo)電材料遷移到所述儲(chǔ)存庫(kù)中的至少一個(gè)時(shí)，在第一方向上施加具有預(yù)先確定的幅度的第一電流通過(guò)所述導(dǎo)電部分，以將其電阻特意增加到第一水平；以及當(dāng)所述導(dǎo)電材料從所述儲(chǔ)存庫(kù)中的至少一個(gè)遷移到所述空隙中的至少一個(gè)時(shí)，在與所述第一方向相反的第二方向上施加具有所述預(yù)先確定的幅度的第二電流通過(guò)所述導(dǎo)電部分，以將其電阻從所述第一水平特意減小到第二水平。
[0006]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開(kāi)了一種互連結(jié)構(gòu)，包括:金屬線，具有布置在第一電路和第二電路之間的可變電阻部分，所述金屬線將所述第一電路和所述第二電路連接并且包括:至少一個(gè)突起(flare-up)部分,用作金屬儲(chǔ)存庫(kù)；和至少一個(gè)空隙,尺寸可變,布置在所述金屬線內(nèi)，其中:(i)所述金屬線具有取決于所述空隙的尺寸的電阻，(ii)由于金屬原子從所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)到所述空隙附近區(qū)域的電遷移，因此在第一方向上施加到所述金屬線的具有預(yù)定幅度的第一電流使所述空隙的尺寸增加，由此將所述金屬線的電阻增加到第一電阻值，以及(iii)由于所述空隙附近的金屬原子電遷移到所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)，因此在與所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金屬線的具有相同的預(yù)定幅度的第二電流使所述空隙的尺寸減小，由此將所述金屬線的電阻減小到第二電阻值。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開(kāi)了一種互連結(jié)構(gòu)，包括:金屬線，布置在第一電路和第二電路之間，所述金屬線將所述第一電路與所述第二電路連接；至少一個(gè)金屬儲(chǔ)存庫(kù)，所述金屬線連接到所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)；至少一個(gè)空隙，尺寸可變，布置在所述金屬線內(nèi)，以及其中:(i)所述金屬線具有取決于所述空隙的尺寸的電阻，(ii)由于金屬原子從所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)到所述空隙附近區(qū)域的電遷移，因此在第一方向上施加到所述金屬線的具有預(yù)定幅度的第一電流使所述空隙的尺寸增加，由此將所述金屬線的電阻增加到第一電阻值，以及(iii)由于所述空隙附近的金屬原子電遷移到所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)，在與所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金屬線的具有相同預(yù)定幅度的第二電流使所述空隙的尺寸減小，由此將所述金屬線的電阻減小到第二電阻值。
[0008]第一電流可以是一組短電流脈沖，其中該組短電流脈沖將金屬線的電阻逐步地增加到第一值。
[0009]第二電流可以是一組短電流脈沖，其中該組短電流脈沖將金屬線的電阻逐步地減小到第二值。
[0010]第一電流可以是長(zhǎng)電流脈沖，其中該長(zhǎng)電流脈沖將金屬線的電阻突然地增加到第一值。
[0011]第二電流可以是長(zhǎng)電流脈沖，其中該長(zhǎng)電流脈沖將金屬線的電阻突然地減小到第二值。
[0012]第一電阻值與第二電阻值的比率優(yōu)選地低于10。
[0013]金屬線優(yōu)選地由以下項(xiàng)或其合金中的任一種制成:招、銅、錫、銦、鎵、銀和鉛。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1A圖示了其中兩個(gè)神經(jīng)元具有布置在它們之間連接它們的布線。
[0015]圖1B圖示了示出在兩個(gè)神經(jīng)元之間形成電連接的金屬線的優(yōu)選實(shí)施例。
[0016]圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的空隙收縮和減小的導(dǎo)線電阻。
[0017]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的空隙擴(kuò)張和增加的導(dǎo)線電阻。
[0018]圖4示出了半導(dǎo)體芯片中的典型的3層布線層。
[0019]圖5描繪了與半導(dǎo)體互連布線的電遷移測(cè)試相關(guān)聯(lián)的圖表，其中該圖表示出了當(dāng)電流穿過(guò)電路時(shí)線的電阻如何隨時(shí)間變化。
[0020]圖6描繪了示出典型的線尺寸和線高度與將電阻改變10%所需的時(shí)間和能量的表。

【具體實(shí)施方式】
[0021]盡管在優(yōu)選實(shí)施例中圖示和描述了本發(fā)明，但本發(fā)明可以以多種不同的配置制作。在附圖中描繪并且這里將詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中考慮本公開(kāi)應(yīng)視為本發(fā)明原理的示范以及其構(gòu)思的相關(guān)聯(lián)的功能說(shuō)明，并且不旨在于將本發(fā)明限于所示實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明范圍內(nèi)將預(yù)想到多種其它可能的變型。
[0022]為了制造可以模仿大腦功能的系統(tǒng)，關(guān)鍵是證實(shí)具有突觸的基本功能的材料，突觸調(diào)節(jié)從一個(gè)神經(jīng)元到另一神經(jīng)元的信息流動(dòng)。任意兩個(gè)神經(jīng)元之間的突觸連接的特征在于其響應(yīng)于突觸前后神經(jīng)元的啟動(dòng)順序和定時(shí)來(lái)調(diào)整其電阻的能力。突觸前神經(jīng)元啟動(dòng)恰好在突觸后神經(jīng)元之前是連接電阻將降低的原因。相反的啟動(dòng)順序(即突觸后神經(jīng)元啟動(dòng)恰好在突觸前神經(jīng)之前)導(dǎo)致突觸的電阻的升高。連接電阻也依賴于在突觸前神經(jīng)元和突觸后神經(jīng)元的啟動(dòng)事件之間流逝的時(shí)間。為了構(gòu)建模仿大腦的物理硬件，需要開(kāi)發(fā)在這種可以容易調(diào)整的突觸連接處允許可變電阻的技術(shù)。本發(fā)明公開(kāi)了這種允許電阻調(diào)節(jié)的互連技術(shù)。
[0023]特別地，本發(fā)明公開(kāi)了一種在微電子芯片互連結(jié)構(gòu)中使用電遷移或應(yīng)力遷移的突觸元件，其中互連結(jié)構(gòu)優(yōu)化為給予跟隨電流流動(dòng)的電阻率變化的控制。突觸元件展現(xiàn)取決于電流流動(dòng)的數(shù)量(電荷)和方向的電阻率，其中通過(guò)控制互連結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)的空隙的容量來(lái)獲得持續(xù)可變的電阻。借助于平衡電遷移和應(yīng)力遷移現(xiàn)象，可以設(shè)計(jì)對(duì)(互連結(jié)構(gòu)中)空隙容量的改變。與其中將互連具體設(shè)計(jì)成使電遷移和空隙形成最小化的半導(dǎo)體技術(shù)形成鮮明(且非直觀)對(duì)比，本發(fā)明教導(dǎo)一種具有設(shè)計(jì)成便于電遷移的空隙的互連結(jié)構(gòu)。
[0024]此外，本發(fā)明也教導(dǎo)使用半導(dǎo)體行業(yè)特別避免的材料。作為示例，在半導(dǎo)體行業(yè)從鋁布線遷移到銅布線之前，若干行業(yè)范疇的調(diào)研項(xiàng)目研究了鋁與銅和其它添加物的合金以特別地減慢電遷移過(guò)程。本公開(kāi)教導(dǎo)了使用特別易于電遷移的金屬。
[0025]圖1A圖示了一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中標(biāo)示為10的表示神經(jīng)元的兩個(gè)器件(其可以是兩個(gè)電器件或電路)具有連接它們的布線20。在布線20內(nèi)交叉是互連50的部分，互連50是本發(fā)明的核心，其中可以編程可變電阻。在本實(shí)施例中，布線20由典型地在半導(dǎo)體芯片技術(shù)中使用的材料制成(但不是必需限于這樣的材料)并且具有抗電遷移失效的特性。示例包括鋁銅合金或銅鍍導(dǎo)線。上面的描述用于平面結(jié)構(gòu)，其中所有器件(神經(jīng)元)在單個(gè)層級(jí)上并且所有互連布線也在同一層級(jí)上。為了顯著更高的互連性，可以具有跨多個(gè)層級(jí)布置的這些電子器件10，其中在該多個(gè)層級(jí)中可以使用過(guò)孔110來(lái)實(shí)現(xiàn)從一層到另一層的連接。互連結(jié)構(gòu)中過(guò)孔110的存在或不存在不應(yīng)限制本發(fā)明的范圍。類似地，互連結(jié)構(gòu)中的過(guò)孔110的位置不應(yīng)限制本發(fā)明的范圍。
[0026]圖1B詳細(xì)圖示了圖1A描述的互連結(jié)構(gòu)50并且表明互連電路的其中電阻可編程的部分。在圖1B中，金屬線100具有張開(kāi)(flared)部分105，其用作將描述的電遷移要求的金屬的儲(chǔ)存庫(kù)。100和105都由在足夠幅度的電流通過(guò)時(shí)易于明顯電遷移的材料制成。電遷移輔助的電阻變化允許電路中的學(xué)習(xí)功能。將落入該范疇的材料的示例將為基本低熔點(diǎn)的純鋁或金屬或合金。其它示例包括但不限于錫、銦、鎵、銀、鉛和這些金屬的合金。利用具有較高熔點(diǎn)的提供較高抗電遷移性的材料制成的互連結(jié)構(gòu)將允許更漸進(jìn)的學(xué)習(xí)。示例將包括其中該互連導(dǎo)線由合金的銅或合金的鋁制成的結(jié)構(gòu)。
[0027]在圖1B中還示出了金屬線100中的缺陷(所設(shè)計(jì)的)或空隙120，其是缺少金屬的區(qū)域。該特意設(shè)計(jì)的缺陷120的尺寸將決定金屬線100的起始電阻。如果空隙120的尺寸在使用過(guò)程中減小，則金屬線100的電阻減小。相反，如果空隙120的尺寸在使用過(guò)程中增加，則金屬線100的電阻增加。
[0028]圖6所描繪的表示出了計(jì)算的線尺寸和線高度以及將電阻改變10%所需的時(shí)間和能量。在表中示出了電遷移的易感性估計(jì)。假設(shè)ImA/μ m2的電流密度，因?yàn)檫@是半導(dǎo)體行業(yè)中電遷移測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。
[0029]對(duì)于電阻改變10%而言，半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)銅布線需要50小時(shí)的電應(yīng)變，但是如果布線在較小的尺度上構(gòu)建并且使用純鋁，則可以在18秒中實(shí)現(xiàn)同樣的電阻偏移。這證實(shí)了線尺寸和材料選擇的重要性。
[0030]如果突觸前神經(jīng)元在突觸后神經(jīng)元之前啟動(dòng)，則表明應(yīng)加強(qiáng)連接的事件，即應(yīng)減小金屬線100的電阻。另一方面，如果啟動(dòng)的順序相反，則期望的結(jié)果應(yīng)該是金屬線100的電阻的增加。電阻增加或減小的范圍應(yīng)取決于事件之間的時(shí)間延遲(即更長(zhǎng)的時(shí)間延遲需要更高的電阻變化)。這樣的連接電阻改變將表明用以構(gòu)建學(xué)習(xí)功能或縝密編程功能的方法。
[0031]作為示例，利用認(rèn)為在大腦中將發(fā)生什么。當(dāng)神經(jīng)元A啟動(dòng)脈沖時(shí)，由于累積輸入，因此它從發(fā)送脈沖到神經(jīng)元A的許多其他神經(jīng)元接收使得它超過(guò)閾值。如果關(guān)注特定的神經(jīng)元B到神經(jīng)元A的連接，則在它們之間存在具有抗脈沖傳輸?shù)耐挥|。如果來(lái)自神經(jīng)元B的脈沖恰好及時(shí)到達(dá)以助于神經(jīng)元A啟動(dòng)，則它們之間的突觸連接加強(qiáng)，S卩，突觸的電阻減小，以便于脈沖的更容易的傳輸。另一方面，如果來(lái)自神經(jīng)元B的輸入稍遲或太早，則突觸變得不太相關(guān)并且電阻增加。在本發(fā)明中，圖1A中的元件50執(zhí)行定制電阻的功能。如果期望電阻需要增加，則通過(guò)元件50驅(qū)動(dòng)電流以增長(zhǎng)空隙并因而提高電阻。另一方面，如果期望相反的效果，則通過(guò)該元件在相反方向上驅(qū)動(dòng)電流以減小空隙尺寸并因而降低電阻。
[0032]再編程電路和自適應(yīng)電路:
[0033]使用電遷移改變線電阻的觀念對(duì)于兩種可變電路是有用的:(i) 一種電路更類似于大腦，因?yàn)槠涑掷m(xù)地從觀測(cè)到的圖案中學(xué)習(xí)；以及(ii)另一種電路是需要更突然的互連電阻改變來(lái)改變電路功能。本發(fā)明的教導(dǎo)可以用于任一情況中。盡管第一實(shí)例需要多個(gè)事件情況下的更漸進(jìn)的電阻變化，但后者需要一個(gè)事件情況下的更顯著的電阻變化。
[0034]減小連接的電阻:
[0035]如上面所述，金屬線100的電阻可以通過(guò)縮小空隙120的尺寸來(lái)減小。這通過(guò)圖2中從左向右驅(qū)動(dòng)電流脈沖通過(guò)金屬線100來(lái)完成，這導(dǎo)致電子從右流向左。在適當(dāng)高的電流密度下，電子將在電子流動(dòng)方向上移動(dòng)金屬原子。在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，金屬原子將從法蘭區(qū)域105移動(dòng)到空隙中，由此縮小空隙120。作為這種收縮的結(jié)果，導(dǎo)線的電阻將減小。應(yīng)注意到，一組短脈沖可以提供小的遞增電阻改變，而長(zhǎng)脈沖可以通過(guò)更劇烈的電阻改變。
[0036]增加連接的電阻:
[0037]同樣，如上所述，金屬線100的電阻可以通過(guò)增長(zhǎng)空隙的尺寸來(lái)增加，如圖3所示。這通過(guò)從右向左驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)導(dǎo)線來(lái)完成，這導(dǎo)致電子從左向右流動(dòng)。在足夠適當(dāng)高的電流密度下，這將金屬原子從左向右移動(dòng)，由此空隙120的尺寸增加。作為空隙120的尺寸的這種增加的結(jié)果，導(dǎo)線的電阻將增加。此外，一組短脈沖可以提供電阻的小變化，而長(zhǎng)脈沖可以提供電阻的劇烈變化。
[0038]基于圖6所示的表中的數(shù)據(jù)，短脈沖是5秒量級(jí)，而長(zhǎng)脈沖將是15秒量級(jí)。如果電流密度越高，則時(shí)間將越少。通常，公平而言，短脈沖的長(zhǎng)度足以實(shí)現(xiàn)2% -3%的電阻改變，而長(zhǎng)脈沖將實(shí)現(xiàn)10%的電阻改變。
[0039]圖4示出了半導(dǎo)體芯片中的典型3層布線層，其中200表示給定層級(jí)上的線，210描繪過(guò)孔結(jié)構(gòu)以將該線連接到該線200之上和之下的層級(jí)。這表明電遷移性質(zhì)測(cè)試的典型結(jié)構(gòu)。
[0040]圖5描述了與半導(dǎo)體互連布線的電遷移測(cè)試相關(guān)聯(lián)的圖表，其中該圖表示出了當(dāng)電流穿過(guò)電路時(shí)線的電阻如何隨時(shí)間改變。在與專有添加劑形成合金的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)銅鍍線的情況下采用這些數(shù)據(jù)以提供抗電遷移性。在電測(cè)試的早期，不存在應(yīng)變的可視效應(yīng)，直到接近120小時(shí)時(shí)，電阻突然開(kāi)始增加。這由圖5中的點(diǎn)A表示。這與空隙的形成相關(guān)聯(lián)。這樣的空隙的外觀在圖4中示出為220。之后，隨著電應(yīng)變持續(xù)，電阻增加。當(dāng)線的電阻增加50%時(shí)，測(cè)試結(jié)束。
[0041 ] 本發(fā)明公開(kāi)了一種用于互連結(jié)構(gòu)的方法，其中在結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電部分中的標(biāo)稱均勻?qū)щ姷牟牧显谘刂鴮?dǎo)電部分定位的預(yù)先制作的空隙和儲(chǔ)存庫(kù)之間來(lái)回遷移。該方法包括:當(dāng)圍繞空隙中的至少一個(gè)的導(dǎo)電材料遷移到所述儲(chǔ)存庫(kù)中的至少一個(gè)時(shí)，在第一方向上施加具有預(yù)先確定的幅度的第一電流通過(guò)所述導(dǎo)電部分，以將其電阻特意增加到第一水平；以及當(dāng)所述導(dǎo)電材料從所述儲(chǔ)存庫(kù)中的至少一個(gè)遷移到所述空隙中的至少一個(gè)時(shí)，在與所述第一方向相反的第二方向上施加具有相同預(yù)先確定的幅度的第二電流通過(guò)所述導(dǎo)電部分，以將其電阻從所述第一水平特意減小到第二水平。
[0042]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開(kāi)了一種互連結(jié)構(gòu)，包括:金屬線，具有布置在第一電路和第二電路之間的可變電阻，所述金屬線將所述第一電路和所述第二電路連接并且包括:至少一個(gè)突起部分，用作金屬儲(chǔ)存庫(kù)；和至少一個(gè)空隙，尺寸可變，布置在所述金屬線內(nèi)，其中:(i)所述金屬線具有取決于所述空隙的尺寸的電阻，(ii)由于金屬原子從所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)到所述空隙附近區(qū)域的電遷移，因此在第一方向上施加到所述金屬線的具有預(yù)定幅度的第一電流使所述空隙的尺寸增加，由此將所述金屬線的電阻增加到第一電阻值，以及(iii)由于所述空隙附近的金屬原子電遷移到所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)，因此在與所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金屬線的具有相同預(yù)定幅度的第二電流使所述空隙的尺寸減小，由此將所述金屬線的電阻減小到第二電阻值。
[0043]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開(kāi)了一種互連結(jié)構(gòu),包括:金屬線，布置在第一電路和第二電路之間，所述金屬線將所述第一電路與所述第二電路連接；至少一個(gè)金屬儲(chǔ)存庫(kù)，所述金屬線連接到所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)；至少一個(gè)空隙，尺寸可變，布置在所述金屬線內(nèi)，以及其中:(i)所述金屬線具有取決于所述空隙的尺寸的電阻，(ii)由于金屬原子從所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)到所述空隙附近區(qū)域的電遷移，因此在第一方向上施加到所述金屬線的具有預(yù)定幅度的第一電流使所述空隙的尺寸增加，由此將所述金屬線的電阻增加到第一電阻值，以及(iii)由于所述空隙附近的金屬原子電遷移到所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)，在與所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金屬線的具有相同預(yù)定幅度的第二電流使所述空隙的尺寸減小，由此將所述金屬線的電阻減小到第二電阻值。
[0044]第一電流可以是一組短電流脈沖，其中該組短電流脈沖將金屬線的電阻逐步地增加到第一值。
[0045]第二電流可以是一組短電流脈沖，其中該組短電流脈沖將金屬線的電阻逐步地減小到第二值。
[0046]第一電流可以是長(zhǎng)電流脈沖，其中該長(zhǎng)電流脈沖將金屬線的電阻突然地增加到第一值。
[0047]第二電流可以是長(zhǎng)電流脈沖，其中該長(zhǎng)電流脈沖將金屬線的電阻突然地減小到第二值。
[0048]在一個(gè)實(shí)施例中，第一電阻值與第二電阻值的比率優(yōu)選地低于10。
[0049]在一個(gè)實(shí)施例中，金屬線優(yōu)選地由以下項(xiàng)或其合金中的任一種制成:鋁、銅、錫、銦、鎵、銀和鉛。
[0050]結(jié)論
[0051]在上述實(shí)施例中示出了用于有效地實(shí)現(xiàn)具有其尺寸可以根據(jù)電遷移而變化的空隙的互連結(jié)構(gòu)及其使用方法的系統(tǒng)和方法。盡管已經(jīng)示出和描述了各種優(yōu)選實(shí)施例，但將理解到的是，不旨在于通過(guò)這樣的公開(kāi)內(nèi)容來(lái)限制本發(fā)明，而是旨在于覆蓋落入所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)的所有修改。
【權(quán)利要求】
1.一種互連結(jié)構(gòu)，包括: 金屬線，具有布置在第一電路和第二電路之間的可變電阻部分，所述金屬線將所述第一電路和所述第二電路連接并且包括: 至少一個(gè)突起部分，用作金屬儲(chǔ)存庫(kù)；以及 至少一個(gè)空隙，其尺寸可變，布置在所述金屬線內(nèi)， 其中: 所述金屬線具有取決于所述空隙的尺寸的電阻， 由于金屬原子從所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)到所述空隙附近的區(qū)域的電遷移，因此在第一方向上施加到所述金屬線的具有預(yù)定幅度的第一電流使所述空隙的尺寸增加，由此將所述金屬線的電阻增加到第一電阻值，以及 由于所述空隙附近的金屬原子電遷移到所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)，因此在與所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金屬線的具有所述預(yù)定幅度的第二電流使所述空隙的尺寸減小，由此將所述金屬線的電阻減小到第二電阻值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述第一電流是一組短電流脈沖時(shí)，所述一組短電流脈沖將所述金屬線的電阻逐步地增加到所述第一值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述第二電流是一組短電流脈沖時(shí)，所述一組短電流脈沖將所述金屬線的電阻逐步地減小到所述第二值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述第一電流是長(zhǎng)電流脈沖時(shí)，所述長(zhǎng)電流脈沖將所述金屬線的電阻突然地增加到所述第一值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述第二電流是長(zhǎng)電流脈沖時(shí)，所述長(zhǎng)電流脈沖將所述金屬線的電阻突然地減小到所述第二值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中所述第一電阻值與所述第二電阻值的比率低于10。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中所述互連結(jié)構(gòu)包括布置在所述金屬線中的一個(gè)或多個(gè)過(guò)孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中所述互連結(jié)構(gòu)是平坦的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中所述金屬線由以下項(xiàng)或其合金中的任一種制成:招、銅、錫、銦、鎵、銀和鉛。
10.一種互連結(jié)構(gòu),包括: 金屬線，布置在第一電路和第二電路之間，所述金屬線將所述第一電路與所述第二電路連接； 至少一個(gè)金屬儲(chǔ)存庫(kù)，所述金屬線連接到所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)； 至少一個(gè)空隙，其尺寸可變，布置在所述金屬線內(nèi)，以及 其中: 所述金屬線具有取決于所述空隙的尺寸的電阻， 由于金屬原子從所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)到所述空隙附近的區(qū)域的電遷移，因此在第一方向上施加到所述金屬線的具有預(yù)定幅度的第一電流使所述空隙的尺寸增加，由此將所述金屬線的電阻增加到第一電阻值，以及 由于所述空隙附近的金屬原子電遷移到所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)，因此在與所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金屬線的具有所述預(yù)定幅度的第二電流使所述空隙的尺寸減小，由此將所述金屬線的電阻減小到第二電阻值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的互連結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述第一電流是一組短電流脈沖時(shí)，所述一組短電流脈沖將所述金屬線的電阻逐步地增加到所述第一值。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的互連結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述第二電流是一組短電流脈沖時(shí)，所述一組短電流脈沖將所述金屬線的電阻逐步地減小到所述第二值。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的互連結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述第一電流是長(zhǎng)電流脈沖時(shí)，所述長(zhǎng)電流脈沖將所述金屬線的電阻突然地增加到所述第一值。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的互連結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述第二電流是長(zhǎng)電流脈沖時(shí)，所述長(zhǎng)電流脈沖將所述金屬線的電阻突然地減小到所述第二值。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的互連結(jié)構(gòu)，其中所述第一電阻值與所述第二電阻值的比率低于10。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的互連結(jié)構(gòu)，其中所述互連結(jié)構(gòu)包括布置在所述金屬線中的一個(gè)或多個(gè)過(guò)孔。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的互連結(jié)構(gòu)，其中所述互連結(jié)構(gòu)是平坦的。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的互連結(jié)構(gòu)，其中所述金屬儲(chǔ)存庫(kù)由以下項(xiàng)或其合金中的任意一種制成:鋁、銅、錫、銦、鎵、銀和鉛。
19.一種用于使用互連結(jié)構(gòu)的方法，其中在所述結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電部分中的標(biāo)稱均勻?qū)щ姷牟牧显谘刂鰧?dǎo)電部分定位的預(yù)先制作的空隙和儲(chǔ)存庫(kù)之間來(lái)回遷移，所述方法包括: 當(dāng)圍繞所述空隙中的至少一個(gè)的導(dǎo)電材料遷移到所述儲(chǔ)存庫(kù)中的至少一個(gè)時(shí)，在第一方向上施加具有預(yù)先確定的幅度的第一電流通過(guò)所述導(dǎo)電部分，以將其電阻特意增加到第一水平；以及 當(dāng)所述導(dǎo)電材料從所述儲(chǔ)存庫(kù)中的至少一個(gè)遷移到所述空隙中的至少一個(gè)時(shí)，在與所述第一方向相反的第二方向上施加具有所述預(yù)先確定的幅度的第二電流通過(guò)所述導(dǎo)電部分，以將其電阻從所述第一水平特意減小到第二水平。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中選擇電阻的所述第一水平和所述第二水平，使得在與所述導(dǎo)電部分電連接的兩個(gè)功能元件之間的互連的權(quán)重產(chǎn)生改變。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一水平的電阻與所述第二水平的電阻的比率低于10。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述導(dǎo)電部分的電阻在所述第一水平和所述第二水平之間可逆地改變50倍。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述互連結(jié)構(gòu)是平坦的。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述導(dǎo)電部分由以下項(xiàng)或其合金中的任意一種制成:招、銅、錫、銦、鎵、銀和鉛。
【文檔編號(hào)】H01L23/522GK104183569SQ201410217142
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月22日
【發(fā)明者】L·A·克萊文格, C·納拉延, G·A·諾索普, C·J·拉登斯, B·C·薩普 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司