CN101454919A - 带有相变电阻器的电器件 - Google Patents

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CN101454919A CNA2007800188875A CN200780018887A CN101454919A CN 101454919 A CN101454919 A CN 101454919A CN A2007800188875 A CNA2007800188875 A CN A2007800188875A CN 200780018887 A CN200780018887 A CN 200780018887A CN 101454919 A CN101454919 A CN 101454919A
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Abstract

一种包含含有相变材料的电可转换电阻器(2′)的电器件。该电阻器的电阻值可以通过使用电阻器的焦耳加热来改变被称作转换区(12′)的电阻器的一部分之内的相变材料的相而在至少两个值之间改变。所述器件包括封装所述电阻器的主体(24′)，所述主体包含至少两个具有不同绝热特性的相邻区域(26′，28′)。这两个区域形成了绝热反差，利用该绝热反差，无需改变电阻器的尺寸就可以确定转换区的尺寸。这种器件可用于电存储器或可重复配置的逻辑电路。

Description

带有相变电阻器的电器件
技术领域
本发明涉及一种包含含有相变材料的电可转换电阻器的电器件，所述电阻器通过第一和第二接触区电连接至第一和第二电接触，所述电阻器在第一和第二接触区间延伸并具有一定的长度，该长度被定义为沿电阻器测量得到的第一和第二接触区之间的距离，所述器件还包括位于第一和第二接触区之间的电阻器周围的主体。
本发明还涉及一种包含该电器件的电路。
这种器件可应用于包含诸如可(重复)配置的逻辑或可(重复)编程的非易失性存储器的电装置。
背景技术
WO2005041196 A1公开了一种电器件，该电器件包含：由相变材料构成的存储器材料层；以及彼此相隔一定距离的第一和第二电接触，电流信号通过该电接触穿越存储器材料层的转换区。所述电流信号可用于引起结晶相和非晶相之间的相变，从而引起转换区中相变材料的电阻的改变。
在相变材料的电流信号焦耳(Joule)加热的过程中，将导致温度上升，以致在相变层的一部分(被称为“转换区”)内材料的相位可发生改变。具体而言，当结晶部分的温度高于熔点时，将变为非结晶状态，而将非晶部分加热至结晶温度和熔点间的温度将导致其结晶。这些相位即使在断电后也保持不变。
当相变层内的所有相变材料都是结晶材料时，由于结晶相变材料的电阻系数相对较低，相变层的电阻相对较低。这种情况被称为存储器的“设置(SET)”状态。当该结晶层的转换区内的相变材料处于具有比结晶相更高的电阻系数的非晶相时，电阻相对较高。这种情况定义了存储器的“重置(RESET)”状态。被定义为重置和设置状态的电阻之间的差值的可转换或动态电阻是由转换时转换区电阻的改变所决定的。
在已知器件的一实施例中，用于使结晶相变为非晶相(“重置信号”)或使非晶相变为结晶相(“设置信号”)的电流信号是由晶体管提供的。为了将电阻器集成于高效运行的器件，必须使电阻器不同状态下的电阻值同晶体管或者其他转换或选择器件或电路的电阻值匹配。因此，希望可以独立调整电阻器的电阻值。
已知器件存在的问题是，很难以可靠的方式独立调整不同状态下的电阻。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在开篇所述的能够以可靠的方式独立调整不同状态下的电阻的器件。本发明由独立权利要求所限定。从属权利要求限定了具有优势的实施例。
上述目的的实现方式为，对开篇所述的电器件加以修改，使得沿电阻器长度方向并在第一接触区和第二接触区之间，主体连续包含第一区域和第二区域，所述第一和第二区域形成了在第一和第二区域之间延伸的第一接触表面，所述第一接触表面包含第一部分，该第一部分与电阻器的长度方向呈第一倾角，所述第一区域具有第一材料组成，所述第二区域具有不同于第一材料组成的第二材料组成，因而第一和第二区域具有不同的绝热特性。
本发明基于这样一种认识，即可以在电阻器周围的主体内创建热反差，并使热反差与电阻器发生热接触，从而使其控制转换区的尺寸。
主体垂直于电阻器的长度方向，从电阻器的表面延伸至第一和第二接触之间的电阻器外围的内部，延伸的距离小于产生于电阻器内的热量透入外围的距离。因此，主体同电阻器发生热接触。
术语“热反差(thermal contrast)”是指主体内的结构，该结构导致位于电阻器旁的主体的绝热特性沿电阻器长度方向发生变化。术语“绝热特性(thermally insulating properties)”意在包括根据常识会影响材料绝热的至少一种参数。该参数包括例如：特定的热容量和/或导热系数。主体内的结构是由第一和第二区域形成的，第一和第二区域彼此相邻，因而具有公共的第一接触表面，第一接触表面的第一部分相对于电阻器的长度方向呈某个倾角，该倾角不能是0°或180°。由于第一和第二区域具有不同的热特性，因此主体在第一接触表面的倾斜部分处包含位于电阻器旁的热反差。
在加热过程中，热反差导致，产生于沿电阻器的长度方向的不同位置的热量以不同的速度流入并穿过主体。由此，主体在沿电阻器的长度方向的不同位置处提供不同的冷却，从而影响了电阻器内沿电阻器长度方向的温度分布。因此，在对电阻器施加以适当的非晶化电流信号后，就可以在电阻器内热反差位置旁形成结晶和非晶相变材料之间的过渡区。该过渡区在某个长度区间上延伸，代表转换区的剖面边界表面。
这样一来，通过调整一个或更多个剖面边界表面的位置，就可以控制转换区的长度。这有利地提供了对动态电阻的控制，从而使得可以独立地设计并获得重置和设置状态下的电阻。下面将在本发明的实施例中对其作进一步的阐释。
另一优势在于，无需对相变材料的组成进行复杂的调整，就可以实现对电阻的独立控制。除了不同相的电阻率，还有大量其他参数也取决于相变材料的组成。这些参数包括例如：转换速率、非晶相的稳定性、以及同其他器件材料的化学相容性。因此，本发明不需要进行复杂、昂贵、费时的材料调整。此外，本发明可以提高选择相变材料的自由度。
本发明的另一优势在于，可以控制从重置状态转换至设置状态所需的阈值电压。该阈值电压定义了电压范围的上限，在所述电压范围内电阻器可以在不发生因相变导致的状态改变的情况下传导电流。A.Pirovano等人在IEEE 2002中，A.Pirovano、A.L.Lacaita、D.Merlani、A.Benvenuti、F.Pellizzer和R.Bez在IEDM Tech.Dig.，923-926(2002)中说明所述阈值电压取决于重置状态的电阻。
优选情况下，阈值电压小于可以在包含器件的电装置或集成电路(IC)中获得的供电电压。否则，转换将受到妨碍或代价高昂，并且为了提供较高的电压还需要进行复杂的附加测量。
可以通过设计几何结构和/或对第一和第二区域的材料组成加以选择的方式有利地调整热反差。此外，所述调整可以用传统的半导体制造技术予以实现，从而可以例如便于将本发明集成到现有的半导体制造工艺流程中。
权利要求2限定了根据本发明的器件的第一实施例。在第一接触表面的第一部分与电阻器的长度方向之间的第一倾角的值位于60°和120°之间的情况下，热反差相对剧烈。这使得转换区的剖面边界表面形成相对薄的过渡区。过渡区越薄，沿长度方向形成边界表面的位置就越好，对动态电阻的控制也就越精确。因此，在多个剖面边界表面的情况下，尤其当电阻器较短时，较剧烈的反差是十分有益的。另一个优势在于，动态电阻对转换信号的变化不太敏感，从而提高了器件的可靠性。其原因在于，过渡区内的温度分布比较陡峭，因此剖面边界表面的位置对温度的依赖较小。
权利要求3限定了根据本发明的器件的一个实施例。在该实施例中，器件包括形成于第三和第四区域之间的第二接触表面。该第二接触表面与第一接触表面的种类相同，其第二部分与电阻器的长度方向呈第二倾角，在电阻器旁的主体内形成了第二热反差。上述第一热接触的所有优势都同样适用于第二热接触。然而，由于可以基本上独立于第一热反差对第二热反差进行调整，因此可以对转换区的额外的剖面边界表面加以控制。这有利地提高了限制转换区的自由度。例如，如果电阻器的形状或组成沿其长度方向并非始终不变，那么动态电阻取决于转换区的位置。此外，由于第一和第二接触通常起散热器的作用，因此可以使剖面边界表面同第一和第二接触及其外围保持一定的距离，从而降低og转换功率。
在该实施例的一个变型中，第一和第四区域具有相同的材料组成，第二和第三区域具有相同的材料组成。在该配置中，第二区域在第一区域内形成突出，在第一区域两侧各有一个接触表面，与电阻器的长度方向形成倾角。只包括两个这样的区域的优点在于可以使设计和制造更加简便。
权利要求4限定了根据本发明的器件的一个实施例。其中，基本并行的另一部分不形成热反差。因此，位于另一部分旁的电阻器的一部分内的温度梯度相对较小，即位于该区域旁的电阻器内的温度不会急剧变化。如果该另一部分相对较长，电阻器相邻部分内的温度甚至可以沿其长度的一部分基本保持不变。转换区内的这种温度分布有利地减少了不希望的热点，并可以提供受控的相变或转换动力，从而提高了器件的可靠性和寿命。
权利要求6限定了根据本发明的器件的一实施例。辅助区域至少部分地在物理上将电阻器同主体分开，辅助区域可服务于多种目的，每种目的都具有特定的优点。首先，辅助区域的材料组成使得它可以提高电阻器和主体的材料之间的粘附力，从而增强器件的完整性。第二，辅助区域可以防止电阻器污染主体内的材料成分和/或防止主体污染电阻器内的材料成分。该辅助区域使得，当同电阻器不相容的材料直接接触电阻器时，该材料可用于构造主体内的热反差。第三，辅助区域可以形成阻挡层，减小工作过程中电阻器的(重要)材料成分的向外扩散或渗气。从而，提高了器件的工作可靠性和/或寿命。第四，辅助区域可以用能够改善机械或热机械稳定性的材料形成。当反差区域之一包含真空或充有气体或液体的空缺时，这种配置是十分有益的。
权利要求7限定了本发明的器件的一个实施例。如果最小剖面是矩形的，那么其最小尺寸是其最短边的长度。可选地，当电阻器的剖面基本为圆形或椭圆形时，其最小尺寸是其最小半径。转换区具有横向边界表面，横向边界表面基本沿电阻器的长度方向延伸。横向边界表面主要平行于或者甚至部分或完全与电阻器表面重合。在该实施例中，横向边界表面大于剖面边界表面的总面积。因此，在转换或加热过程中，通过横向边界表面流入主体的热流比通过剖面边界表面流入主体的热流更多。这提高了热反差的效果。
权利要求8限定了根据本发明的器件的一个实施例。纳米线具有相对小的直径，并且具有相对于其剖面尺寸而言较大的长度。因此，根据前述实施例，主体的热反差特别有效。由于剖面较小，剖面边界表面相对较薄，即剖面边界表面在相对较短的长度区间上延伸。
权利要求9限定了根据本发明的器件的一个实施例。在收缩部分内，电流密度高于电阻器内其他位置的电流密度。因此，在收缩部分内产生的热量最多，并且可以有利地预先确定收缩部分的位置和形状，使其同主体的热反差协同作用，从而提高其对转换区的限制或限定作用。
权利要求10限定了根据本发明的器件的一个实施例。当在制造过程中平行于衬底表面沉积层时，沿长度方向的反差区域的尺寸(因而转换区的长度)可以同层厚度一起加以调整。层厚度控制通常极为精确，并且可以精确到几个原子层的程度，因此有利地实现了对相对较短的转换区的控制。此外，通常层的表面粗糙度也可以得到相对较好的控制。这可以形成更理想的接触表面，从而提高热反差的剧烈程度，以及随之而来的给动态电阻控制带来的优势。垂直配置的电阻器的另一优势在于，其所需要的空间小于水平配置的电阻器，从而提高了器件的集成密度。
权利要求11限定了根据本发明的器件的一个实施例。真空或气体具有相对较好的绝热特性。因此，从材料学的角度看，将包含气体或真空的区域同绝热特性稍差的区域相结合以形成接触表面的方式，可以提供相对较好的热反差。此外，相对较好的隔热有利地降低了转换电流或功率。此外，相对较好的隔热还可以减少在例如高密度集成方案中的相邻器件之间间的热串扰。
权利要求12限定了根据本发明的器件的一个实施例。为了调整主体内的热反差，可以选择如上所述的形成热反差的两个区域的两种材料组成的导热系数的比值。在该实施例的一个变型中，该比值大于5。采用大于10或20的比值可以获得更好的反差。优选地，该比值大于30或40。
权利要求13限定了根据本发明的电装置的第一实施例。这种装置可用作电非易失性存储器。各个存储单元可以包含选择器件，使得能够方便且独立地选择独立的存储元件来确定或设置电阻器的状态。
权利要求14限定了根据本发明的电装置的第二实施例。这种装置可用作可重复配置或可重复编程的逻辑装置。在这方面，保持开关状态较为有利，保持开关状态意味着开关状态能够在断电后继续保持。开关状态可以在器件的工作过程中发生改变。因此，可以在工作过程中改变装置的功能。
值得注意的是，在例如US 5,933,365中公开了一种带有能量控制机制的存储元件。此中说明，为了更有效的利用可用能量对存储材料进行编程，存储元件包含隔热装置，用于控制存储材料的至少一部分的热能流失。在该器件的一个实施例中，两个隔热层部分地将存储材料封装起来，以便实现这个目标。然而，在该文献中，并未公开如本发明所述的建立和利用热反差。
在例如US 6,815,704 B1中公开了一种利用绝热空缺的相变存储器件。在该已知器件中，空缺形成于垫片材料中，以阻止来自相变材料的热量通过绝热材料。在该已知器件中，空缺用于减小被编程的存储材料的体积，从而降低所需的转换功率。然而，其并未公开如本发明所述的热反差的形成以及利用。
文献US 2005/0056937 A1公开了一种连接器件，该连接器件包含多个连接第一金属层和第二金属层的可重复配置的相变通孔。将加热元件部署于第一金属层和第二金属层之间。所述加热元件提供了用于以电阻加热可重复配置的相变通孔从而改变其传导率的致动元件。该文献并未提供任何关于如何控制非导电状态下的通孔的电阻的说明。
附图说明
下面将参考附图对本发明的上述和其他方案进行阐述和说明，附图中：
图1示意性地示出了沿垂直于电阻器的长度方向观察到的、根据现有技术的器件的实施例的剖面图。
图2示意性地示出了沿垂直于电阻器的长度方向观察到的、根据本发明的器件的实施例的剖面图。
图3、4和5示意性地示出了沿垂直于电阻器的长度方向观察到的、根据本发明的器件的若干实施例的剖面图。
图6示出了计算得到的沿电阻器长度方向的电阻器内的温度曲线图，根据本发明所述电阻器的主体包含充有空气的空缺。
图7示出了计算得到的图7的电阻器的重置功率同空气间隙长度的关系。
图8示意性地示出了根据本发明的器件的实施例的剖面的一部分，在该实施例中水平电阻器电连接至晶体管。
图9示意性地示出了根据本发明的器件的实施例的剖面的一部分，在该实施例中垂直电阻器电连接至晶体管。
图10是根据本发明的存储器装置的示意性的电连接方案。
图11是根据本发明的可重构或可编程逻辑装置的示意性的电连接方案。
具体实施方式
用图1和2对本发明加以阐释，图1和2示意性地示出了包含相同的电阻器2(2′)和不同的电阻器外围的两个器件的剖面。图1所示的器件代表了现有技术，图2所示的器件表示根据本发明的器件的实施例。
每个包含相变材料的电阻器可以具有两种以上的状态，由于相变材料的属性及电阻器中相变材料相对含量的原因，不同状态下电阻器具有不同的电阻值。相变材料可以处于非晶相或结晶相，非晶相具有相对较高的电阻系数ρamorph，结晶相具有相对较低的电阻系数ρcryst。然而，在图1和2所示的示例中，假定电阻器2(2′)整个是由只具有两种状态的相变材料制成的。因此，电阻器2(2′)能够处于电阻相对较低的设置状态或电阻相对较高的重置状态。
在两个器件中，电阻器2(2′)在第一电极4(4′)和第二电极6(6′)之间延伸，通过第一电接触区8(8′)和第二电接触区10(10′)电连接至第一电极4(4′)和第二电极6(6′)。电阻器2(2′)的长度LR(LR′)是沿电阻器从第一接触区8(8′)到第二接触区10(10′)测量得到的。长度LR(LR′)是沿流经电阻器的电流的方向测量的。电阻器2(2′)还包括转换区12(12′)，该转换区表示电阻器或电阻器的一部分，其中当通过电极4(4′)和6(6′)将适当的电流信号作用于电阻器时，相变材料将发生相变。转换区12(12′)具有：面积为AC的剖面边界表面14(14′)和16(16′)、以及面积为AL的横向边界表面18(18′)，两者共同将整个转换区围住。转换区12(12′)在剖面边界表面14(14′)和16(16′)之间的长度Ls(Ls’)上沿长度的方向延伸。
所示器件以长度方向为对称。它们的剖面沿长度方向保持不变，因而剖面边界表面14(14′)和16(16′)沿长度方向也不发生改变。还假定水平边界表面18和(18′)与电阻器2(2′)的表面重合。值得注意的是，本发明不局限于上述结构和对称性。电阻器2(2′)的设置状态下的电阻RSET由RSET＝ρcryst·LR/AC给出。在重置状态下，电阻器2(2′)的电阻为RRESET＝(ρcryst·(LR-LS)+ρamorf·LS)/AC。动态电阻或可转换电阻Rdyn，被定义为RRESET-RSET，由Rdyn＝(ρamorph-ρcryst)·LS/AC给出。因此，如果可以独立于LR而单独地控制LS，就可以独立于RSET而预先确定RRESET。
在图1所示的现有技术器件中，转换区12的长度LS取决于用于加热的转换功率以及用于提供冷却的电阻器2的外围的热属性。发明人已经证明，降低转换功率以减小LS是不可靠的，即，由于反复转换，重置状态下的电阻将具有相当大的分布范围。为了进行可靠转换，需要提高功率，使转换区达到电阻器2的长度LR范围内的最大长度。在这种情况下，边界表面14和16的位置主要取决于电接触4和6的冷却特性，其次还取决于电接触4和6的直接外围，而后者取决于是否存在其他接触材料。电接触4和6用作针对产生于电阻器2的部分20和22中的热量的散热器，有效地冷却这些部分，并分别将边界表面14和16固定在距各个接触表面8和10一定距离的位置。然而，如此一来，重置状态下的电阻将同设置状态下的电阻发生联系，使得无法对它们进行独立调整。
本发明通过对电阻器2的临近外围采用特定设计和结构，以便沿电阻器的长度方向改变边界表面14和16中的至少一个边界表面的位置，从而使Ls小于其最大值，克服了上述问题。
在图1和图2所示的两个器件中，电阻器2(2′)的临近外围是由包围电阻器的主体24(24′)予以表示的。在长度方向上，主体24(24′)在第一8(8′)和第二10(10′)接触区之间延伸。在垂直于长度方向的方向上，主体24(24′)从电阻器的表面起延伸长度为d的一段距离。主体24(24′)的内边界表面与电阻器2(2′)的外表面重合，主体的外边界表面用虚线表示。
首先参考图1，产生于距剖面边界表面14或16一段距离的转换区12内的热量被传输至主体24。所属领域技术人员都知道，所述“透热深度”是指从加热起开始测量的时间t内热量传入主体24内的距离。这个深度正比于sqrt(t·k/C)，其中k是导热系数，C是主体24的特定热容量。主体24的所有位于透热深度范围内的部分在时间t内同电阻器2发生热接触，并在时间t内起到对电阻器进行冷却的作用。
本发明的要点在于，对主体24进行构造，使其在沿电阻器2的不同位置处提供不同的冷却。图2示出了根据本发明的器件的实施例，该器件具有示出这种结构的主体24′。该主体24’包括：第一区域26′和第二区域28′，对第一区域和第二区域加以配置，使它们形成延伸于两者之间的公共的第一接触表面32′。该表面的第一部分34′与长度方向成αi的倾角。第一部分34′基本不平行于电阻器的最近表面。此外，第一区域26′和第二区域28′的材料组成使得它们的导热系数和/或特定的热容量有所不同，因而区域26′和区域28′可以提供不同的绝热(thermal insulation)。因此，当沿长度方向穿越主体24′时，在主体24′内当穿过第一部分34′时绝热特性将突然发生实质性的变化。箭头36′表示了典型的穿越路径。主体24′的所述结构可以产生“热反差”。
在加热过程中，热反差将对沿长度方向的电阻器2′内的温度分布造成实质性的影响。举例而言，假定区域26′比区域28′具有更好的绝热特性，在转换过程中最接近区域26′的电阻器部分的温度将高于最接近区域28′的电阻器部分的温度。因此，一旦施加以适当的转换信号，转换区12′将位于区域26′的旁边。因此，同存在于缺少特殊设计和构造的主体24′的器件的电阻器2内的剖面边界表面16相比，剖面边界表面16′发生了移动。
本发明可以独立于LR将LS缩短至LS’。由此，可以独立于设置状态下的电阻对重置状态下的电阻进行控制。此外，这种方案的实现无须麻烦地改变相变材料的材料组成以独立地调整不同相位的电阻系数。由于调整相变材料的材料组成需要同时调整其他材料特性，因此通常这种调整极其复杂。此外，仍然可以通过AC和/或通过调整两个电阻系数(比如通过向相变材料混入或掺杂例如氮、氧、或其他元素的方式)方便地调整工作期间所需的功率。
实际上，剖面边界表面14(14′)或16(16′)表示具有有限厚度ΔL的过渡区，在过渡区中相变材料从非晶相变为结晶相，或从结晶相变为非晶相。热反差越强烈或剧烈，这个厚度就越小，因而过渡区内沿长度方向的温度曲线就越陡峭。因此，主体24′内的热反差越好或越剧烈，限定剖面边界表面16′的位置就越精确，该位置对加热过程中达到的绝对温度就越不敏感。因此，由于剧烈的热反差能够提高器件工作的可靠性，因此优选采用这样的剧烈的热反差。
调整或调节热反差的第一选择是通过调整主体24′的几何结构。在图3、4和5中，示出了根据本发明的器件的若干示意性实施例。值得注意的是，这些图是沿长度方向的剖面，是二维表示。优选地，在三维空间中，根据本发明的电阻器及其主体沿着长度而对称。然而，这不是必须的。举例而言，主体可以在电阻器的一侧包含热反差而在电阻器的另一侧不包含热反差。举例而言，这样做可以便于制造。可选地，主体的另一侧可以实现其他功能，如降低功率、或提高器件的机械强度等。
在图3A至3C中，接触表面的部分34′所提供的热反差与电阻器2′的最近表面直接接触。由于这样做可以提高热反差的效果，因此优选这种实现。可选地，如图3D或3E所示，如有需要，主体内的热反差可以距电阻器一定距离。优选地，热反差应尽可能接近于电阻器的最近表面。这可以节省空间。此外，当加热时间或转换时间t变短时，热量透入介质的深度变浅。因此，当需要提高转换速度时，热反差需要更接近于电阻器的最近表面。
在具有增强型热反差的实施例中，优选情况下，第一部分34′相对于电阻器2′长度方向的倾角α1的值位于60°和120°之间。如图3A、3E或3D所示，对于特别剧烈的反差而言，该倾角是90°。
还可以调节第一接触表面32′的第一部分34’的形状。第一部分34’可以包含平整的表面以增强热反差。优选地，如图3A、3C、3D和3E所示，第一部分34’可以是完全平整的。可选地，第一部分34’可以像图3B所示的那样发生弯曲。在这种情况下，为了提高热反差和/或对热能的约束，从而降低功耗，优选地朝隔热特性更好的区域弯曲。
为了获得增强型热反差，最好使第一部分34’和其他表面相交的拐角38′像图3D所示的那样具有锐角，而不是像图3F所示的那样是圆的。举例而言，所述其他表面包括最近的电阻器表面18′，或第一接触表面的其他部分，如58′。
如图3A、3B、3D和3F所示，第一部分34’可以贯穿整个主体24′。可选地，如图3C和3E所示，第一部分34’可以在主体24′的一部分上延伸。在这种情况下，第一部分34’垂直于长度方向延伸的宽度40′是十分重要的。虽然难以提供该宽度的理论最小值，但为了使热反差能够影响电阻器内的温度分布，此宽度必须足够大。值得注意的是，当宽度40′为0时，不存在热反差。对于接触表面32′任一侧上的两个区域26′和28′，宽度40′无须大于出现在具有最佳隔热特性的区域内的最浅透热深度。
图4示意性地示出了包含若干第二接触表面42′的实施例，这些实施例都包括具有相对于长度方向的第二倾角α2的第二部分44′。第二部分44′及其提供的第二热反差位于沿长度方向的与第一接触表面32′的第一部分34’不同的位置。这种配置可以实现对转换区12′第二边界表面46′位置的控制。同样将针对第一接触表面32′所描述的全部特征和优势应用于第二接触表面42′。两个接触表面不仅可以实现对转换区12′的长度的控制，还可以实现对转换区12′在电阻器2′的长度方向上的位置进行控制。
第二接触表面42′可以形成于第三区域48′和第四区域50′之间，第三区域48′和第四区域50′具有的材料组成使其热性能有所不同。在如图4A所示的具有热反差的器件中，四个区域26′、28′、48′和50可以具有不同的材料特性，从而具有不同的绝热特性。可选地，如图4B、4C、4D、4E、4F和4G所示，区域28′和48′可以具有相同的材料组成，从而成为一个合并区域52′。在图4B的器件中，区域26′和50′可以是不同的。优选地，区域26′和50′是相同的，形成单独的合并区域54’，从而使合并区域52′成为合并区域54′内的突出。例如，图4C、4D、4E、4F和4G示出了这种配置。这些采用了合并区域的实施例所需的制造步骤较少。
如图4A、4B、4C、4D、4F和4G所示，主体24′内的接触表面32′和/或42′具有与电阻器2′的最近表面基本平行的另一部分56′和/或58′。这样的部分56′和/或58′不产生热反差。然而，这将使其临近的电阻器部分内的温度曲线更加平滑。这样做可以减小不希望的温度偏差，并提高器件的操作可靠性和寿命。
举例而言，部分58′位于转换区12′旁边。因此，部分58′减小了该区域内热点(hotspot)的数量。在转换至设置状态的过程中，如果达到热点的温度高于熔点，热点可能会破坏结晶力(dynamics)。另一优势涉及如同WO 2004/057684 A1中所述的那样使用所谓“快生长”相变材料时的转换速度。在这类材料中，非晶相变材料的结晶是通过在转换区12′的边界表面处生长相变材料晶体来实现的。在结晶过程中，这些边界表面发生移位通过转换区12′。优选情况下，这种移位以可控方式发生，以便提高器件的可靠性和寿命。另一方面，当采用如US 5,933,365中描述的所谓成核(nucleation)生长相变材料时，可能希望热点引起晶种(seed forcrystallization)的产生。在这种情况下，无须沿转换区延伸的接触表面的平行部分58′。此外，接触表面甚至可以包括粗糙或有尖(spiked)的部分。
在图5中，示出了若干包含辅助区域60′的器件的实施例。辅助区域60′在物理上至少部分地将电阻器2′同主体24′隔开。辅助区域60′可服务于多种目的。首先，它可以改进或提高电阻器2′和主体24′的某些部分上的材料之间的粘附力。第二，它可以防止电阻器2′污染主体24′内的材料成分和/或防止主体24′污染电阻器2′内的材料成分。第三，它可以形成阻挡层，减小工作期间电阻器2′的(重要)材料成分的向外扩散或渗气。相变材料的转换通常发生在大约600摄氏度的高温下，而在如此高的温度之下存在于相变材料中的一种以上的成分将易于向外扩散或渗气。第四，辅助区域60′可以对电阻器2′进行机械支撑。特别地，当反差区域26′、28′、48′、50′、52或54′其中之一包含气体或被抽成真空时，后两种作用特别有利。
辅助区域的厚度垂直于长度方向，就最佳热反差而言优选情况下所述厚度应尽可能小，而为了满足上述需求，所述厚度应足够厚。举例而言，辅助区域的厚度可以<50nm、<30nm、<20nm、<10nm、<5nm或<1nm。
在该器件的一个实施例中，电阻器具有垂直于其长度方向的最小剖面，使得最小剖面的尺寸小于电阻器的长度。如果电阻器剖面是矩形，所述最小剖面的尺寸就是该剖面的最短边。可选地，当电阻器的剖面基本成圆形或椭圆形时，其最小剖面的尺寸是最小半径。
在该实施例中，当主体24内不存在反差时，转换区12的横向边界表面18大于其剖面边界表面14和16的总面积。因此，在转换或加热过程中，流过横向边界表面18进入主体24的热量部分高于流过剖面边界表面14和16的热量部分。因此，提高了热反差的有效性。举例而言，最小剖面尺寸可以是电阻器长度的1/5或1/10。优选地，可以是电阻器长度的1/100。可选地，剖面边界表面可以是横向边界表面的1倍、1/2、1/5、1/10或1/50。
在一实施例中，电阻器2′包含纳米线(nanowire)。纳米线通常具有相对大的长度和相对小的剖面尺寸。由此，根据上述原因，热反差效果特别显著。此外，其相对大的长度提供了容纳两个以上热反差表面的空间。此外，由于纳米线剖面直径较小的缘故，剖面边界表面相对较薄。因此，可以相对精确地限定转换区。此外，纳米线的尺寸可以形成小的转换区，从而降低了所需的转换功率。可以采用诸如在非预先公布申请PCT/IB2005/052729中描述的纳米线。可以将这些纳米线包含于所述的器件中。
第二种提高热反差的可选手段是对材料进行选择。为了提高热反差，优选地，形成相互接触的表面的两个区域(如26′和28′、或48′和50′、或52′和54′)内的材料的导热系数和/或特定热容量或其他热性能之间应具有较大的差异。为此，所属领域技术人员可以选择具有比如合适的导热系数和/或特定热容量的、现有技术中已知材料的组合。
热反差的一个区域的导热系数和特定热容量的乘积可以是形成该反差的另一个区域的导热系数和特定热容量的乘积的2倍、5倍、10倍、50倍、100倍或1000倍。可选地，热反差的一个区域的导热系数是形成该反差的另一个区域的导热系数的2倍、5倍、10倍、50倍或100倍。
各种材料及其热性能都是现有技术中已知的。它们可以在比如Thermal Management Handbook for Electronic Assemblies；McGraw Hill；ISBN 0070266999、或CRC Materials Science and Engineering Handbook；CRC Press；ISBN 0-8493-2696-6、或Microelectronic Engineering 70(2003)，280-284中找到。所属领域技术人员将可以选择适当的材料组合，以形成或制造根据上述要求的热反差。关于热性能的测量可以在比如Journal ofApplied Physics 81(1997)，2590或Journal of Applied Physics 85(1999)，7130中找到。
举例而言，适合于主体区域的材料可以是无机和有机物质，或两者的混合物。第一组包括诸如氧化物、氮化物、氧氮化物、碳氮化物(carbonitrite)、氟化物、硫化物、氯化物、碳化物、硼化物、磷化物或其混合物等的材料。第二组包括金属，典型地包括：钽、钨、铝、铜、碳、或掺杂的多晶硅。此外，可以使用诸如：TiW、TiN、TaSiN、TiSiN、TiAlC、或NiSi等金属合金。另外，典型地，第三组材料是纯半导体或掺杂形式的半导体。
通常第二组材料所具有的热性能可实现良好的冷却效果。由此，它们可以同比如通常具有绝热特性的第一组材料相结合提供适当的热反差形成材料。然而，第二组材料还具有较好的导电性能，并且其使用具有在电阻器接触之间发生漏电、甚至短路的风险。因此，优选地，包含这些金属的区域不应同电阻器接触。此外，可以使这些区域的电势和距电阻器最近的电接触的电势保持相同。此外，由于冷却的缘故，使用金属可能导致加热功率的损失。
可以在一个区域内使用第一组中的材料，而其相邻区域包含含有一个以上空缺的相似材料的方式，产生具有增强的整体绝热的增强型热反差。因此，相邻区域可以包括诸如在WO 2004/034482 A2中描述的多孔材料。可选地，相邻区域可以包括一个以上的较大的空缺。优选地，相邻区域整体由空缺构成。优选地，空缺可以是真空，但可选地空缺可以包含气体或液体。举例而言，Gosset等人在IITC 2003，6th IEEE InternationalInterconnects Conference，2003上发表的文章描述了空缺的制造。还可以采用具有约0.6W/mK的超低导热系数的纳米层(Nano-laminates)。举例而言，Science 303，2004 page 989-990中描述了若干纳米层的示例。它们的结构使得能够实现方向相关的热流控制。
辅助区域材料可以选自上述全部材料或其组合，只要辅助区域材料至少与反差区域之一的一种或多种材料有所不同。优选地，辅助区域材料可选自包括如下内容的组：氮化硅、氮化锗、碳化硅、二氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氮氧化硅、碳氧化钛、或氧化铝。可选地，这些材料可以包括诸如硫、碲等元素。这些材料均可以是基本纯净的，或者混合或掺杂有诸如碳等其他元素。
优选地，包含相变材料的电阻器的材料在化学性质上同电阻器周围的材料相容。优选地，它们还可以在机械特性上同主体和/或辅助区域相容。
可以对相材料的导热系数加以选择，从而使热反差效果达到最优化。由于线(14，16)的横截面通常远远小于横向边界表面(18)，因此热反差的效果主要是由主体材料所引起的。因此，流向电阻器的外围主体的热流最高。相变材料的导热系数可以和主体的导热系数处于同一数量级，但优选情况下，相变材料的导热系数是主体的导热系数的1/2或1/3。更优选地是，相变材料的导热系数小于主体的导热系数。这还将减少总热量损失，从而减小转换功率。相变材料是现有技术中已知的，并且可以从一大组材料中加以选择。US 5,933,365中描述了若干材料的示例。这些材料可以是成核生长材料。优选地，这些材料可以选自WO 2004/057684 A1中描述的一组快生长材料。此外，还可以采用如Journal of Electronic Material 34，2005，page176中描述的掺杂了例如氮或氧的材料。
电接触可根据现有技术中已知的适当方法，用合适的材料制成。
值得注意的是，材料的选择与区域的几何结构有关。例如，材料绝热特性之间的差异越大，对电阻器内的温度分布产生相似影响所需的包含热反差的主体的结构就可以越小。此外，降低主体内所有材料的特定的导热系数提高了区域的绝热特性，从而放慢了转换区损失热量的速率。这使得热能可以得到更有效的利用，从而在工作过程中降低器件的功耗。因此，优选综合地调整主体的材料和结构。
根据本发明的器件的制造(包括材料的沉积、层的图案形成或其他处理)可按照所属领域技术人员所熟知的、并在例如本申请所提供的参考文献中描述的标准过程来实现。
为了说明根据本发明的热反差对转换区的影响，对转换过程中沿长度方向L的相变电阻器内的温度曲线进行计算。电阻器整个由相变材料制成，相变材料的导热系数为λ＝3.2W/mK。电阻器的宽度为20nm，高度为20nm，长度LR为200nm。热反差是由图5A所示的主体所提供的。区域52′的突出以电阻器长度的中心为中心。α1和α2都是90°，区域52′是充满导热系数为λ＝0.03W/mK的空气的空缺，区域54′含有导热系数为λ＝1.4W/mK的SiO2。5nm厚的SiO2辅助区域60′包围着整个电阻器。空缺沿垂直于长度方向的方向延伸至少60nm的距离。
在图6中用曲线B至E示出了针对于不同长度LV的空缺的结果。为进行比较，用曲线A示出了无空缺的电阻器的结果。由于电阻器在长度方向上对称，因此只示出了温度曲线的一半。原点与电阻器的中心重合，箭头标出了电阻器的端点。从标记了转换区长度LS的一半的、处于Tmelt的水平线与温度曲线的交叉点可以看出，可以在不改变LR的前提下，利用长度LV设置如前所述的LS即设置动态电阻Rdyn。从温度曲线在交叉点附近的切线可以明显地看到，由热反差所引起的温度曲线A至E的斜率的增加。伴随着对动态电阻的控制，有益地降低了转换功率。图7示出了计算得到的针对所述电阻器所需的转换功率P。对于长度LV在50和150nm之间的、包围着200nm长的电阻器的SiO2中的空缺而言，提高了转换可靠性，并将转换功率减小了大约2至5倍。
在一实施例中，平行于具有如WO 2004/057618 A2和WO 2005/041196中所述的形状的衬底表面来构造电阻器。这种器件被称为水平器件。图8示出了根据本发明包含这种水平电阻器70的器件的垂直剖面，所述水平电阻器70封装在辅助区域71中，位于具有表面75的衬底73中的晶体管72之上，所述晶体管具有源极74、漏极76和栅极78。电阻器70通过插塞80、第一金属层82、通孔84和第二金属层86电连接至漏极76。转换区88两侧受形成于反差区域94和96之间的接触表面92的倾斜部分90的限制，后者形成了类似于例如图5A所示的主体结构。从顶部观察，如图4G所示，电阻器70可以包含沿长度方向的收缩部分(constriction)(未示出)。优选地，区域96是SiO2，而区域94是真空或填充有隔热的惰性气体的空缺。
可选地，如图9所示，可以制备垂直器件，将电阻器170配置为使其长度方向垂直于衬底173的表面175。图8和9的相似部分具有相似的参考标记。电阻器170制造于第一金属层182和第二金属层186之间的通孔中，通过插塞180和层182电连接至晶体管172的漏极176。电阻器170被垂直地包围在辅助区域171之中，辅助区域171被制成垫片(spacer)的形式。热反差形成于区域194和196之间，区域194具有更好的绝热特性。区域194和196的接触表面190在一侧限定了转换区188。电阻器170可以是例如由孔中生长的相变纳米线来形成。
所属领域技术人员将能够根据需要在集成电路的多层中设计出根据本发明的器件的其他配置和布局。所属领域技术人员还知道如何利用现有技术中已知的制造方法和材料制造这些器件。
根据本发明的器件可用作电存储装置。图10示出了这种装置内的存储单元202的阵列200的电连接方案。此处，各存储单元包含串联的存储元件204和选择晶体管206，并连接在导线208和210的网格之间。地址线212同晶体管206的栅极相连接。这种方案使得能够在不干扰存储在阵列中相邻或较远的存储单元中的信息的前提下，读取并写入被写入各分立存储元件204中的信息。根据现有技术中的已知方法，设计用于操作存储阵列的外围电路(未示出)并将其连接至栅格线208和210。
通常，本发明不局限于使用特定类型的连接方案或选择器件。选择器件的示例包括：场效应晶体管、双极结晶体管或二极管。场效应晶体管的示例包括JFET和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。MOSFET的示例包括NMOS晶体管和PMOS晶体管。此外，NMOS和PMOS晶体管甚至可形成在采用CMOS技术的同一芯片上。
图11示出了包含子单元302和304的装置300的电连接方案。可以通过切换根据本发明的器件306的方式，将这些子单元进行电连接和断开。开关306可以同晶体管308一起使用。子单元可以是诸如晶体管等单独的电元件或组件、或IC内完整的功能逻辑模块。
值得注意的是，上述实施例是为了说明而不是限制本发明的，并且，本领域技术人员将能够在不背离所附权利要求范围的前提下设计出许多候选实施例。在权利要求中，位于圆括号间的参考标记不应被解释为对权利要求的限制。词语“包括”不排除存在权利要求所列元件或步骤以外的其它元件或步骤，元件前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干器件的设备权利要求中，这些器件中的若干器件可以用同一硬件予以实现。在互不相同的从属权利要求中陈述特定措施这一事实，并不表示不能有利地将这些措施结合使用。

Claims (14)

1.一种包含含有相变材料的电可转换电阻器(2′)的电器件，所述电阻器通过第一(8′)和第二(10′)接触区电连接至第一(4′)和第二(6′)电接触，所述电阻器在第一和第二接触区之间延伸，并具有一定的长度，所述长度被定义为沿所述电阻器测量得到的第一和第二接触区之间的距离，所述器件还包括位于所述电阻器周围并处于第一和第二接触区之间的主体(24′)，所述主体同所述电阻器热接触，其特征在于：沿所述电阻器长度方向、并在第一接触区和第二接触区之间，所述主体连续包含第一区域(26′)和第二区域(28′)，所述第一和第二区域限定了在第一和第二区域之间延伸的第一接触表面(32′)，所述第一接触表面包含第一部分(34′)，所述第一部分与所述电阻器的长度方向呈第一倾角，所述第一区域具有第一材料组成，所述第二区域具有不同于第一材料组成的第二材料组成，从而所述第一和第二区域具有互不相同的绝热特性。
2.根据权利要求1所述的电器件，其特征在于：所述第一接触表面的第一部分具有基本平坦的表面，所述平坦表面的第一倾角的角度值在60°至120°之间。
3.根据权利要求1所述的电器件，其特征在于：沿所述电阻器长度方向、并在第一和第二接触区之间，所述主体包含第三区域(48′)和第四区域(50′)，所述第三和第四区域限定了第二接触表面(42′)，所述第二接触表面包含第二部分(44′)，所述第二部分与所述电阻器的长度方向呈第二倾角，所述第一和第二部分位于沿所述电阻器长度方向的不同位置，所述第三区域具有第三材料组成，所述第四区域具有不同于第三材料组成的第四材料组成，从而第三和第四区域具有互不相同的绝热特性。
4.根据权利要求3所述的电器件，其特征在于：所述第一和第四区域具有相同的材料组成，而且所述第二和第三区域具有相同的材料组成。
5.根据权利要求1或3所述的电器件，其特征在于：至少第一接触表面(32′)包含另一部分(56′，58′)，所述另一部分的朝向基本平行于距其最近的电阻器表面。
6.根据权利要求1所述的电器件，其特征在于：所述器件包含辅助区域(60′)，所述辅助区域至少部分地被设置于所述主体(24′)和所述电阻器(2′)之间。
7.根据权利要求1所述的电器件，其特征在于：所述电阻器包含垂直于其长度方向的最小剖面，使得所述最小剖面的最小尺寸小于所述电阻器的长度。
8.根据权利要求1所述的电器件，其特征在于：所述电阻器包括纳米线。
9.根据权利要求1所述的电器件，其特征在于：所述电阻器包括沿其长度方向的收缩部分。
10.根据权利要求1所述的电器件，其特征在于：所述器件包含具有表面(175)的衬底(173)，相对于所述表面来设置所述电阻器，使所述电阻器(170)的长度方向基本垂直于所述表面。
11.根据权利要求1或3所述的电器件，其特征在于：所述第一和第二区域中至少一个区域包含气体或者是真空的。
12.根据权利要求1或3所述的电器件，其特征在于：所述第一和第二材料组成分别具有第一和第二导热系数，并且第一或第二导热系数至少是另一导热系数的20倍。
13.一种包含存储器的电装置，所述存储器包括存储单元(202)的阵列(200)，所述存储单元中至少一个存储单元包含如权利要求1所述的电器件(204)。
14.一种电装置(300)，包含：子电单元(302，304)、以及至少一个如权利要求1所述的电器件(306)，其中所述电器件被设置为用于电连接和断开所述子电单元的开关。
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