CN1260734C - 可编程子表面集聚金属化器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种可编程子表面集聚金属化器件(100)，该器件包括诸如硫族玻璃之类的离子导体(110)，它包括金属离子和至少两个放置在离子导体(110)的相对表面的电极(120，130)。比较好的是离子导体(110)包括硫族材料包括任何包含硫、硒和/或碲的化合物。两个电极(120，130)中的一个为阴极另一个为阳极。当在阴极与阳极之间施加电压时使所述金属枝状晶体从阴极向阳极生长。在足够长的时间之后金属枝状晶体经离子导体(110)将电极(120，130)连接起来从而短路器件。通过施加另一电压可以使金属枝状晶体断开。

Description

可编程子表面集聚金属化器件及其制造方法
发明领域
本发明通常涉及可编程金属化器件，具体而言涉及可编程子表面集聚金属化(“PSAM”)器件，该器件包括离子导体、多个电极和形成于电极之间的离子导体的电压控制金属器件或枝状晶体。
背景技术
本发明对1997年12月4日提交的美国分案申请No.60/067509要求优先权。
存储器件
电子系统和计算机内所用存储器件以二进制数据的形式存储数据。这些存储器件可以根据特征分为各种类型，每种类型都有各种优点和缺点。
例如个人计算机中的随机存储器(“RAM”)是易失半导体存储器；换句话说，如果与电源断开或者去除电源，存储的数据将丢失。动态RAM(“DRAM”)由于为了保持存储的数据，必须每隔几个微秒就“更新”(即充电)，所以特别是易失的。静态RAM(“SRAM”)只要维持电源，一次写入后将保存数据；但是一旦断电，则数据丢失。因此在这些易失存储器器件中，只要不关闭电源，数据就被保存。
CD-ROM是非易失存储器的实例。CD-ROM有足够的容量包含非常长的音频和视频数据段；但是信息只能被读取而不能写入存储器。因此CD-ROM一旦在制造期间编程，它就无法用新的信息再编程。
诸如磁性存储设备之类的其他存储设备(即软盘、硬盘和磁带)以及诸如光盘之类的其他系统是非易失的，具有极高的容量，并且可以重复写入多次。遗憾的是，这些存储设备的体积较大，对震动/振动敏感，需要昂贵的机械设备，并且消耗的功率较大。这些不利之处使得这些存储设备在低功耗场合(例如膝上和掌上电脑以及个人数字助理(“PDAs”))应用时不理想。
由于存储信息常规变化的小型低功耗便携式计算机系统数量的快速增长，读/写半导体存储器变得普遍起来。而且由于这些便携式系统在电源关闭时需要存储数据，所以需要非易失存储器。在这些计算机中，最简单的可编程半导体非易失存储器件是可编程只读存储器(“PROM”)。最基本的PROM采用可熔断链接列阵；一旦编程，PROM就无法再编程。一次写入多次读取(“WORM”)存储器是一个实例。可擦写PROM(“EPROM”)的内容可以改变，但是每次重新写入之前必须完成包含紫外线曝光的擦除步骤。电可擦写PROM(“EEPROM”或“E2PROM”)也许是最理想的普通非易失半导体存储器，因为它可以多次写入。快闪存储器作为另一种EEPROM比低密度的传统EEPROM具有更高的容量，但是耐用性差。EEPROM自身固有的主要问题是比较复杂。用于这些存储器件内的浮点门存储单元难易制造并且消耗较大数量的半导体有效面积。而且电路设计必须经受编程器件所需的高电压。因此与其他数据存储装置相比，EEPROM的每存储容量比特的成本非常高。EEPROM另一个缺点是虽然可以在断开电源时保存数据，但是需要较大的功耗编程。在用电池供电的小型便携式系统中这种功耗是值得重视的。
因此考虑到上述普通数据存储设备存在的各种问题，非常需要一种读/写存储技术和器件，它简单而制造成本低。而且这种存储技术应该满足新一代便携式计算机的要求，工作在低电压下而存储密度高、非易失并且制造成本低。
可编程无源和有源单元
电子电路可以包括上百万的单元部分。这些单元部分一般分为截然不同的两类，即无源单元和有源单元。诸如电阻和电容之类的无源单元具有相对为常数的电学值。另一方面，有源单元(例如晶体管)的一些电学特性被设计为相应施加的电压或电流而变化。
由于这两种类型单元的广泛使用，所以非常需要完成上述无源和有源单元功能的低成本器件。例如，非常需要一种相当于有源单元的器件，它通过改变电阻和电容而对所施加的信号响应，在另一实施例中，它相当于无源单元，可以预先编程(即在编程后由器件“记住”变化)。这种器件将用于许多不同的应用，从通信设备中的调谐电路到音频系统中的音量控制。
由于诸如存储器和可编程电阻和电容之类器件的广泛使用，非常需要成本低、容易制造的器件，它们可以在各种应用中实施。
发明内容
按照本发明的示意性实施例，可编程子表面集聚金属化(“PSAM”)器件，该器件包括诸如硫族玻璃之类的离子导体，它包括金属离子和至少两个电极(例如阳极和阴极)，每个电极包含导电材料并放置在离子导体的相对表面。此处所称硫族材料包括任何包含硫、硒和/或碲的化合物。在示意性实施例中，离子导体由硫族元素和族I或族II金属至少一种组成(最好的是As2S3Ag)。阴极和阴极由任何合适的导电材料构成，并且阳极比较好的是包含某些银。
当电压施加在阳极与阴极之间时，金属枝状晶体从阴极经离子导体向阳极生长。可以通过撤除电压停止枝状晶体的生长速率或者通过在阳极与阴极之间施加反向电压极性使枝状晶体退回阴极。当在足够长时间内施加电压时，连续的金属枝状晶体经离子导体生长并且将电极连接起来，从而使器件短路。连续的金属枝状晶体可以通过施加另一电压断开。金属枝状晶体的断开可以通过施加另一电压而重新闭合。枝状晶体长度的变化或者枝状晶体内的端口的存在影响着PSAM的电阻、电容和阻抗。
附图的简要说明
在说明书的结论部分特别指出和声明了本发明的主体。但是借助以下结合附图的描述，可以更好地理解本发明，并且附图中相同的部分采用相同的标号表示：
图1A为按照本发明各个方面的示意性可编程子表面集聚金属化器件的透视图；
图1B为沿直线1-1剖取的图1A剖面图；
图2A-2D为按照本发明各个方面的另一示意性可编程子表面集聚金属化器件的剖面图；
图3A-3F为按照本发明各个方面的示意性可编程子表面集聚金属化器件各改进构造的剖面图；
图4A为本发明示意性实施例中电流与时间之间关系的曲线图；
图4B为本发明示意性实施例中电压与短路时间之间关系的曲线图；
图4C为本发明示意性实施例中电流与电压之间关系的曲线图；
图5A为本发明各个方面的示意性存储器件的剖面图；
图5B为图5A中示意性存储器件另一构造部分的剖面图；
图5C为按照本发明各个方面的存储器件网络的示意图；
图6为按照本发明各个方面的另一示意性存储器件的剖面图；
图7为按照本发明各个方面的示意性可编程电阻/电容器件的剖面图；
图8为按照本发明各个方面的另一示意性可编程电阻/电容器件的剖面图；以及
图9为按照本发明各个方面的另一示意性可编程电阻/电容器件的剖面图。
实施发明的较佳方式
下面的描述仅仅具有示意性质，并且对本发明的范围、应用或构造没有限定作用。下面的描述提供了对本发明示意性实施例的阐述。在这方面，可以在不偏离所附权利要求设定的精神和范围的前提下对示意性实施例中单元的功能和排列作各种修改。
参见图1A和1B，示出的是按照本发明各个方面的可编程子表面集聚金属化(“PSAM”)器件100。在本发明示意性的实施例中，PSAM器件100比较好的是包括离子导体110和多个放置在导体110表面上的电极120和130。
PSAM器件100的离子导体110可以包括固体电解质、金属含离子玻璃、金属含离子非晶半导体、包含金属离子的硫族玻璃等。就广义而言，按照本发明的各个方面，硫族材料包括任何含有硫、硒和/或碲的化合物，不管它们是三价、四价或更高价化合物。在示意性的实施例中，离子导体110由包含金属离子成分的硫族玻璃构成，而金属可以选自各个族I或族II金属(比较好的是银、铜、锌或它们的组合)。
包含金属离子成分的离子导体110可以利用常规方法获得。例如在本发明示意性的实施例中，离子导体110比较好的是利用光解从三硫化二砷—银(As2S3-Ag)形成。银通过用合适波长(例如小于500纳米左右)的光照射银薄膜和As2S3层引入As2S3。银和As2S3双层在光线下暴露直到达到合适的饱和水平，大约是Ag-As2S3为45％的原子比。离子导体110的厚度从几个纳米到几百个纳米不等。
电极120和130在离子导体110表面相互隔开地放置。电极120和130可以由任何导电材料构成，它将在离子导体110内产生运输金属离子的电场。在示意性的实施例中，电极120和130由包含银的材料构成。
当在电极120和130之间施加合适的电压时，金属枝状晶体140从电极120(即阴极，与电源负端相连的电极)经离子导体110向电极130(即阳极)生长。显而易见的是，电极120和130的极性可以在金属枝状晶体140生长之前反转过来，这样金属枝状晶体140将从电极130(现在为阴极)向电极120(现在为阳极)生长。正如下面将要详述的，如果当金属枝状晶体140已经开始从电极120(阴极)向电极130(阳极)生长时使电极120和130极性反转，则金属枝状晶体140将向电极120退回。
金属枝状晶体140可以整个通过离子导体110生长直到到达电极130，从而构成电路。另外，金属枝状晶体140可以在到达电极130之前通过停止施加电压中止。只要金属枝状晶体140未到达电极130，它的生长就可以通过反转电极120和130上的施加电压停止和退回。
此外，金属枝状晶体140的生长速率是施加电压、器件几何尺寸和时间的函数；因此低压导致较低的生长而高压导致较快的生长。上述金属枝状晶体140长度的生长和变化影响了PSAM器件100的电学特性(例如电阻、电容等)，利用普通的检测电路可以检测这些电学特性。一旦金属枝状晶体140生长到特定的长度，当电压从电极120和130撤除时金属枝状晶体140仍然是完整的。因此金属枝状晶体140长度变化导致的PSAM器件100的电学特性的变化也是非易失的。
在描述了示意性实施例的基本器件之后，以下的说明和附图更为详细地描述另一示意性实施例的操作。参见图2A-2D，示出了按照本发明各个方面的可编程子表面集聚金属化(“PSAM”)器件200。在示意性实施例中，PSAM器件200比较好的是包括位于电极220与230之间的离子导体210。
参见图2A，按照本发明的一个方面，在PSAM器件200的电极220与230之间施加具高压设定点和低电流限的调节脉冲。在示意性实施例中，电极220和230分别作为阴极和阳极。因此非易失金属枝状晶体240从电极220(阴极)经离子导体210向电极230(阳极)生长。
参见图2B，按照本发明的另一方面，当调节脉冲在PSAM器件200电极220上施加较长的时间间隔时，在非易失金属枝状晶体240在整个离子导体220内生长并且与电极230接触。所需时间长短部分取决于调节脉冲的电压和PSAM器件200的几何结构。例如如果离子导体210的厚度t2较薄，为10-50纳米，并且调节脉冲为1V左右，则在整个离子导体220内生长非易失金属枝状晶体240需要50微秒。但是如果调节脉冲为5V左右时，则在整个离子导体220内生长非易失金属枝状晶体240需要2微秒。显而易见的是，各种电压、尺度和所需时间长度都是可行的。在PSAM器件200的电极220与230之间施加电压限。删除脉冲是正向偏压的，意味着电极220和230的极性无需反转。删除脉冲断开金属枝状晶体140，导致金属枝状晶体140内出现间距。金属枝状晶体240内间距的存在改变了PSAM器件200的电学特性(例如阻抗)。非常小电压的脉冲(例如小于300毫伏)一般不促进枝状晶体的生长；因此枝状晶体的状态可以利用短暂的小电流脉冲检测(读取)。
参见图2D，按照本发明的另一方面，在PSAM器件200的电极220与230之间施加具高压设定点和低电流限的写入脉冲以再闭合金属枝状晶体240内的间距。因此可以通过施加不同极性的电压脉冲删除、读取和写入PSAM器件200。另外，也可以沿各种方向删除、读取和写入PSAM器件200，从而提供值得考虑的操作灵活性。例如可以用正向偏压脉冲删除PSAM器件200，用反向偏压脉冲读取，随后用正向偏压脉冲写入，或者各种其他组合。
在上述说明中，描述了具高或低电压设定点和高或低电流限的脉冲。显而易见的是，具体的高和低电压设定点和电流限主要取决于PSAM器件的具体构造和尺寸。通常情况下，低压设定点指的是足以防止金属枝状晶体生长的电压设定点。因此高压设定点指的是促进金属枝状晶体生长的电压设定点。高电流限指的是足以在生长于电极之间的金属枝状晶体内形成间距的电流限。因此低电流限指的是足以保持金属枝状晶体完整的电流限。在金属枝状晶体内形成间距的具体电流限部分取决于金属枝状晶体的厚度。例如薄金属枝状晶体内的间距可以几个纳安的电流限形成，而厚金属枝状晶体内的间距可以几个微安的电流限形成。
虽然描述了本发明的示意性实施例，但是在不偏离本发明范围和精神的前提下可以作出各种构造和布局。例如，参见图3A-3F，示出了本发明各种其他构造。特别是，参见图3A，在一种替换构造中，PSAM器件300比较好的是包括离子导体302和电极304与306。按照这种构造，电极304和306比较好的是小于离子导体302。参见图3B，按照另一种替换构造，PSAM器件310比较好的是包括离子导体312和电极314与316。按照这种构造，电极314和316比较好的是与离子导体312同样尺寸。参见图3C，在本发明另一构造中，PSAM器件320比较好的是包括离子导体322和多对电极324、326、328和329。参见图3D，在本发明另一构造中，PSAM器件330比较好的是包括离子导体332和电极334与336。在这种器件中，电极334和336在离子导体332上沿水平方向合适放置。参见图3E，在本发明另一构造中，PSAM器件340比较好的是包括离子导体342和多对电极344、346、348和349。它们在离子导体342上具有多个尺寸。参见图3F，在本发明另一构造中，PSAM器件350比较好的是包括球形离子导体352和电极354和356。虽然在这种器件中离子导体是球形的，但是离子导体也可以是其他非普通的几何结构。此外显而易见的是上述各种构造可以扩展到三维结构。例如离子导体可以是块状，多个电极附着在其一些或全部表面。
参见图4A和4B，曲线示出了实验PSAM器件中电压与时间和施加的短路电压与时间之间的关系。用来获得这些结果的PSAM器件的离子导体厚度为120纳米左右并且在结构上与图1A和1B所示实施例基本相似。但是值得注意的是，上述具体实施例仅仅是示意性质的并且本发明并不局限于任何特定的构造。参见图4A，曲线410表示PSAM器件的电压与时间之间的关系。当施加5V电压时，PSAM器件在大约2微秒内短路。参见图4B，曲线420表示PSAM器件的短路电压与时间之间的关系。在离子导体内完成制作晶体生长并连接电极从而短路PSAM器件所需的时间随施加电压的减小而增加。参见图4C，曲线430表示未短路PSAM器件的电流与电压之间的关系。该器件的小信号“Bulter-Volmer”特性表明在非常小的偏压下有非常小的法拉第电流；因此在小于10mV的偏压下，枝状晶体生长很慢。PSAM器件的这种特性允许利用单极脉冲对枝状晶体状态无干扰地读取枝状晶体状态。
按照本发明各个方面的PSAM器件特别适合于与诸如可编程只读存储器(“PROM”)器件、电可擦除PROM(“EEPROM”)器件之类存储器件一起使用。此外，本发明特别适合于与可编程电阻和电容器件一起使用。因此本发明示意性实施例在下面的描述中具有上下文关系。但是应该认识到，这种描述对本发明的使用或应用并无限制，但是可以对示意性实施例作完整的描述。
金属枝状存储器
如上所述，PSAM器件可以用于实现各种不同的技术。因此参见图5A，示出了按照本发明各个方面的金属枝状存储器(“MDM”)500。在本发明示意性实施例中，MDM500比较好的包括为存储器单元或器件提供物理支持的衬底510。如果衬底510是非绝缘的或者与MDM500所用材料不兼容，则将绝缘体520淀积在衬底510上以将MDM500的有源部分与衬底510隔离。接着，底部电极530适于淀积和在衬底500上(如果采用绝缘体则是绝缘层520)刻制图案。接着，离子导体540适于淀积和在底部电极530和衬底510(如果采用绝缘体则是绝缘层520)上刻制图案。介电薄膜550比较好的是淀积在离子导体540上并且在离子导体540和底部电极层530上开通孔。最后顶部电极560淀积并在通孔内刻制图案。利用半导体集成电路工业内众所周知的普通方法将底部电极530和顶部电极560互联。
当在顶部电极560(阴极)与底部电极530(阳极)之间施加合适的电压时，非易失金属枝状晶体570经离子导体540向底部电极530(阳极)生长。与上述PSAM器件类似，非易失金属枝状晶体570长度的生长和变化影响了MDM500的电学特性(例如电阻、电容等)。在这种方式下，如下所述，MDM500可以用作各种器件。
MDM500也可以经过适当的图案刻制以提供与多个相邻MDM器件的隔离。例如参见图5B，可以在底部电极560与离子导体540之间配置诸如Schottky或p-n结二极管的非晶硅二极管562。此外，介电薄膜可以淀积在顶部电极560上并且可以重复整个结构。因此参见图5C，MDM500的行和列可以高密度地形成以提供非常大的存储容量。通常而言，存储器件的最大存储密度可能受到列和行译码器电路尺寸和复杂度的限制。但是MDM单元不使用任何硅有效面积，所以MDM存储堆可以制造为用专用于行/列译码的整个半导体芯片、检测放大器和数据管理电路(未画出)覆盖集成电路。这样，可以利用MDM器件达到多个Gb/cm2的存储密度。这样，MDM本质上是附加技术，它在现有硅集成电路技术上增加了能力和功能。
显而易见的是，有各种不同的配置或方法构造按照本发明的MDM器件。例如参见图6，在按照本发明各个方面的另一配置中，在示出的MDM600中，介电薄膜650比较好的是淀积在底部电极630与衬底610上(或者入采用绝缘体，则是绝缘层620)。通孔开在底部电极630上。离子导体640可以在通孔内的底部电极630上淀积和刻制图案。接着可以在通孔内淀积和刻制顶部电极660。
参见图7，所示的器件与图5和6的存储器单元或枝状存储器单元类似，但是提供了另外的电极。具体而言，MDM700包括离子导体710和放置在离子导体710表面的电极720和730。当在电极720(阴极)上施加合适的电压时，枝状晶体740经过离子导体710向电极730(阳极)生长。
按照本发明的一个方面，MDM700还包括两个另外的电极760和770。电极760和770用材料750与离子导体710隔开，该材料可以是介电材料或电阻材料。如果是介电材料，MDM700在各种电极之间具有可编程的电容。如果是电阻材料，MDM700在各种电极之间具有可编程电阻。各种电极之间的可编程电容或电阻比较好的是用金属枝状晶体740的生长程度编程。
MDM700与图5A和6所示配置两个电极的MDM500和600相比有几个优点。例如，一个优点是电压可以施加在除电极720和730以外的任何电极组合上而不改变金属枝状晶体740的长度和器件电容和/或电阻。对于存储器列阵和其他电子线路应用中MDM700的使用这是重要的。对于三电极器件而非四电极器件有同样的考虑和优点。显而易见的是，在特定的示意性实施例中，金属枝状晶体740在电极720与730之间而非其他电极电极之间生长。因此电极720和730是MDM700的编程终端，其他电极是MDM700的输出终端。
图5A、6和7的示意性MDM与普通硅基微电子有明显的区别。实际上，对于MDM的操作硅不是必需的，除非控制电子要包含在同一芯片上。而且MDM的整个制造工艺比甚至是最基本的半导体工艺技术都要简单。将简单的工艺技术与合理的材料成本结合起来，MDM提供了制造成本低于其他存储器件的存储器件。
1.PROM和防熔断应用
参见图5A，按照本发明的一个方面，MDM器件可以用作PROM型存储器件。大多数的普通PROM从业可熔断连接，在编程器件它们断裂或熔断。一旦连接断裂，就不可再造。本发明的MDM器件能够制造和随后断裂、连接。由于这样具有灵活性，所以更为需要；例如，即使制造了错误连接，也可以象普通保险丝那样熔断。而且MDM器件的枝状晶体可以忍受多次制造/断裂；因此可以实现多次再编程。
本发明的MDM器件也可用于可编程逻辑阵列(“PLA”)。在PLA中，形成了诸如门或加法器之类的逻辑单元块，但是它们没有连接在一起。针对特定的小容量应用(例如不作为正当的客户芯片设计的应用)进行连接。传统意义上，各种逻辑单元之间的最终连接在制造商处完成。但是由于MDM器件比较容易用金属枝状晶体定义各部分之间的硬连接，所以允许这类PLA器件在现场编程。
在采用冗余技术解决工艺缺陷和使用故障的集成电路中也有防熔断。例如诸如64兆字节的DRAM之类的复杂高密度电路在板上有比实际使用的存储器更多的存储器。如果芯片的一个部分在工艺器件损坏或操作时出故障，多余的存储器可以在线替换。该过程一般由存储器芯片上的逻辑门控制并且需要恒定的自检测和电学重配置。按照本发明的MDM器件可以包含在这种存储器芯片内以在需要时在芯片内部构成新的连接。
按照本发明的一个方面，数据可以通过向MDM器件的电极施加恒定或脉冲调节偏压以促进枝状晶体生长从而写入PROM器件的MDM(“MDM-PROM”)器件。允许金属枝状晶体到达阳极从而形成低电阻防熔断连接。这种连接改变了存储器系统的电阻和电容。通过将小电流(例如小到不会损坏枝状晶体连接的电流)通过枝状晶体连接可以方便地“读取”MDM-PROM。通过使足够大的电流通过枝状晶体以断开枝状晶体和连接完成MDM-PROM器件的“擦除”。通过向MDM器件的电极施加另一恒定或脉冲偏压可以闭合枝状晶体内的断裂。
在MDM-PROM器件中，两个枝状晶体连接电极之间的电学变化可以大到在MDM单元中无需晶体管。因此存储器单元的尺寸变成阳极/离子导体/阴极几何尺寸的函数。这种几何尺寸使得本发明的存储器在体积上能够比需要晶体管作为存储单元部分的浮点门或铁氧体存储器更小。此外，MDM器件可以形成于任何化学和机械稳定的衬底材料上；如果需要硅用作其他电路，则可以简单地在硅衬底上形成MDM器件。
2.EEPROM应用
继续参见图5A，形成和控制电学阐述(例如电阻或电容)非易失变化的能力使得本发明的MDM能够用于许多采用传统EEPROM或FLASH技术的应用。与目前EEPROM和FLASH存储器相比，本发明的优点包括较低的制造成本和根据各种应用灵活采用制造技术的能力。在成本是主要关注问题的应用中(例如智能卡和电子物品标签)，MDM具有特别的优势。而且由于对于其他半导体存储器，直接在塑料卡上形成存储器的能力通常是不可能的，所以这是它在这些应用中的主要优势。
按照本发明的MDM器件，存储器单元可以在尺寸上小于几个平方微米，器件的有源部分小于一个微米。与每个器件及其互联可能占用数十平方微米的传统半导体技术相比，这具有明显的优点。
按照本发明的另一方面，导通晶体管被用于EEPROM构造的MDM(“MDM-EEPROM”)以向EEPROM器件提供DRAM型的密度。另外，MDM器件或分离二极管或薄膜晶体管(“TFT”)的材料可以代替硅导通晶体管以防止包含多个器件的阵列内单元—单元之间的短路。按照本发明的一个方面，数据可以通过向MDM-EEPROM器件施加恒定或脉冲偏压以促进枝状晶体生长而写入MDM-EEPROM器件。如上所述，枝状晶体的生长改变了器件的电阻和电容，二者可以利用普通的方法检测。
由于MDM-EEPROM器件具有高度的非易失特性，并且枝状晶体位置(因此电阻和电容)部分是施加电压的大小和长短的函数，所以可以实现多状态或n状态逻辑存储。在这种存储方案中，可以在每个存储单元内保存两种(例如二进制)以上的电平；因此大大提高了整个存储密度。例如4状态存储器(可以利用四个枝状晶体位置实现)可以在存储器单元尺寸相同的前提下成倍提高单位面积上的存储容量。因此按照本发明的各个方面，MDM-EEPROM器件能够存储模拟而不是数字的连续量。如果不说是不可能的，在普通存储技术中存储模拟值也是非常困难的。
按照本发明的另一方面，MDM-EEPROM器件可以通过施加具有低电流限的调节偏压进行“调节”。调节电压施加足够长的时间以使非易失金属枝状晶体生长从而将MDM-EEPROM器件的电极连接起来。施加具有高电流限的短暂擦除偏压以断开金属枝状晶体从而“擦除”MDM-EEPROM器件。为防止枝状晶体生长，施加足够低的电压限的读取偏压以“读取”MDM-EEPROM器件。施加低电流限的写入偏压以闭合枝状晶体内的短路从而“重写”MDM-EEPROM器件。
根据操作需求，通过施加相同或不同极性的偏压，可以擦除、读取和写入MDM-EEPROM器件。例如MDM-EEPROM器件可以用正向偏压擦除，用反向偏压读取，并用正向偏压写入，或者采用其他各种组合。
3.军事和航天应用
本发明具有许多潜在特点可以应用于其他领域。通常情况下，读取/写入电子存储器基于电荷存储原理。例如在DRAM中，电荷存储几个微秒，在EEPROM中电荷可以存储几年。遗憾的是，存在各种处理可以改变电荷，例如离子辐射。例如在军事和空间应用中，当阿尔法粒子通过半导体器件时，它留下放电的轨迹，改变了半导体器件内的电荷。对于存储器技术，这导致软故障和数据毁坏。另一方面，本发明并不依赖于电荷存储而是依赖于材料的物理变化，这种材料在较大剂量的辐射下没有变化。换句话说，本发明是抗辐射的。对于军事和空间系统以及许多高度集成的商业系统(例如飞行器和导航系统)，这具有明显的优点。
4.综合神经系统
本发明的另一应用是综合神经系统(“SNS”)。SNS器件基于人脑的工作并且目的是变为下一代计算和控制装置。SNS器件依赖于作为“学习”过程部分的单元之间的连接的能力。连接形成于大多数有源电路节点之间(例如那些大部分时间有信号的节点)。应用输入的系统“训练”形成硬件接线逻辑。但是这种类型的系统难易用普通基于硅的器件实现。另一方面，按照本发明，SNS系统可以用MDM器件构造。如上所述，在MDM器件中，枝状晶体的形成依赖于电压信号的存在，因此当枝状晶体向施加电压的电极生长时连接自然形成于大多数有源节点之间。此外，由电容控制的连接强度依赖于输入的强度。这种指导性的模拟存储效应是本发明的另一有意义的地方。
III.可编程电阻/电容器件
如上所述，PSAM器件可用于实现各种不同的技术，例如可编程电阻和电容(“PR/C”)器件。因此参见图8，示出了按照本发明各个方面的PR/C器件800。在示意性的实施例中，PR/C器件800比较好的是包括衬底810，它为PR/C器件800提供了物理支承。如果衬底810是非绝缘的或者与PR/C器件800中所用材料不兼容，则绝缘体820可以放置在衬底810上以将PR/C器件800的有源部分与衬底810隔离开来。接着，底部电极830适于淀积和在衬底810上(如果采用绝缘体则是绝缘层820)刻制图案。接着，离子导体840在底部电极830和衬底810(如果采用绝缘体则是绝缘层820)上淀积和刻制图案。介电薄膜850比较好的是淀积在离子导体840上并且在离子导体840和底部电极层830上开通孔。最后顶部电极860在通孔内淀积和刻制图案。利用半导体集成电路工业内众所周知的普通方法将底部电极830和顶部电极860互联。
当在顶部电极860(阴极)与底部电极830(阳极)之间施加合适的电压时，非易失金属枝状晶体870经离子导体840向底部电极830(阳极)生长。与上述PSAM器件类似，非易失金属枝状晶体870长度的生长和变化影响了PR/C器件800的电学特性(例如电阻、电容等)。
PR/C器件也可以经过适当的图案刻制以提供与多个相邻PR/C器件的隔离。此外，介电薄膜可以淀积在顶部电极860上并且可以重复整个结构。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储容量。
显而易见的是，有各种不同的配置或方法构造按照本发明的PR/C器件。例如参见图9，在PR/C器件900中，介电薄膜950比较好的是淀积在底部电极930与衬底910上(或者如采用绝缘体，则是绝缘层920)。通孔开在底部电极930上。离子导体940可以在通孔内的底部电极930上淀积和刻制图案。接着可以在通孔内淀积和刻制图案。
如前面结合图7所述，按照本发明一些实施例的MDM器件除了用来变成枝状晶体生长以外还包括一个或多个淀积，它们用作器件的“输出”。图7所示的同一结构可以用于提供除存储器单元以外的可编程电容和电阻单元并且用于利用电容和电阻单元的合适的应用。
本发明的PR/C器件一般构造为在物理上大于图5A、6和7的MDM器件，从而可以达到更大的参数变化。本发明的PR/C器件适于利用较大电路的DC电压“编程”；因此小电流的小信号交流电压或直流电压不会影响枝状晶体条件并且电阻和电容不会变化。这些可编程器件通常可以用作调谐电路(例如通信系统中的频率选择、音调控制和音频系统、电压受控滤波电路)、电压受控振荡器(“VCO”)、信号电平(例如音量控制)、自动增益控制(“AGC”)等。
参见图8，示意性的PR/C表示与普通硅基微电子明显的不同。实际上，对于PR/C操作而言，硅甚至是不需要的。而且整个制造工艺比最基本的半导体工艺技术都简单。简单的工艺技术结合合理的材料成本使得器件的制造成本较低。
IV.结论
因此，按照本发明，获得了低成本的可制造器件，它可以用于各种应用，例如存储器件、可编程电阻和电容器件等。
虽然结合附图对本发明作了描述，但是本发明并不局限于上述形式。在不偏离本发明精神和范围的前提下可以对本发明作出各种修改和安排。

Claims (20)

1.一种可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于包含：
离子导体；
放置在所述离子导体上的多个电极，其中所述电极中有至少两个电极用于当电压施加到所述至少两个电极之间时使金属枝状晶体从所述至少两个电极中的负极经所述离子导体向正极方向生长；以及
环绕至少一部分所述器件的绝缘材料层。
2.如权利要求1所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于所述离子导体由包含金属离子的硫族元素材料构成。
3.如权利要求2所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于所述硫族元素材料选自硫、硒和碲构成的组，而所述金属离子由选自银、铜和锌的金属构成。
4.如权利要求3所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于所述离子导体包含三硫化二砷—银。
5.如权利要求1所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于所述多个电极中至少一个由包含银的导电材料构成。
6.如权利要求1所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于所述多个电极进一步包括：
第一导电材料层；以及
第二导电材料层，
其中所述离子导体放置在所述第一导电材料层与第二导电材料层之间。
7.如权利要求6所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于所述第一导电材料层和第二导电材料层以及所述离子导体形成于有强度和刚性的衬底材料上。
8.一种可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于包含：
离子导体；
阴极；
阳极，所述阴极和阳极在所述离子导体上互相相对放置；金属枝状晶体，当在所述阴极与阳极之间施加第一电脉冲序列时使所述金属枝状晶体从所述阴极经所述离子导体向所述阳极生长；以及
环绕至少一部分所述器件的绝缘材料层。
9.如权利要求8所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于所述金属枝状晶体的长度影响可编程子表面集聚金属化器件的电学特性，并且在去除所述第一电脉冲序列时所述金属枝状晶体的长度完好无损。
10.如权利要求9所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于当施加第二电脉冲序列时所述金属枝状晶体的所述长度减小，所述第二电脉冲序列的极性与所述第一电脉冲序列相反。
11.如权利要求8所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于施加所述第一电脉冲序列直到所述金属枝状晶体与所述阳极接触。
12.如权利要求11所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于当在所述阴极与所述阳极之间施加第三电脉冲序列时在所述金属枝状晶体内形成间距，所述第三电脉冲序列具有高电流设定点和低电压限。
13.如权利要求12所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于形成于所述金属枝状晶体内的所述间距当在所述阴极与所述阳极之间施加第四电脉冲序列时闭合，所述第四电脉冲序列具有高电压设定点和低电流限。
14.如权利要求8所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于所述离子导体进一步由包含金属离子的硫族元素材料组成，其中所述硫族元素材料选自硫、硒和碲构成的组，而所述金属离子由选自银、铜和锌的金属构成的组。
15.如权利要求8所述的可编程子表面集聚金属化器件，其特征在于所述阴极和/或阳极由包含银的导电材料构成。
16.一种形成可编程子表面集聚金属化器件的方法，其特征在于包含以下步骤：
提供绝缘材料层；
提供阴极；
提供阳极；以及
在所述阴极与阳极之间提供离子导体材料从而当在所述阴极与阳极之间施加第一电压时使金属枝状晶体从所述阴极经所述离子导体向所述阳极生长；
其中，所述阴极与阳极中的至少一个形成覆盖在所述绝缘材料层上。
17.如权利要求16所述的形成可编程子表面集聚金属化器件的方法，其特征在于所述提供离子导体材料的步骤进一步包括从选自硫、硒和碲的硫族材料和选自周期表的IB族和IIB族的金属形成离子导体材料的步骤。
18.如权利要求16所述的形成可编程子表面集聚金属化器件的方法，其特征在于进一步包括提供支承所述可编程子表面集聚金属化器件的衬底的步骤。
19.如权利要求16所述的形成可编程子表面集聚金属化器件的方法，其特征在于进一步包括以下步骤：
通过使金属枝状晶体从所述阴极经所述离子导体向所述阳极生长从而调节可编程子表面集聚金属化器件；
通过在所述阴极与阳极之间施加第二电压在所述金属枝状晶体内形成间距从而对可编程子表面集聚金属化器件进行擦除操作；
通过在所述阴极与阳极之间施加第三电压使所述金属枝状晶体内间距再闭合从而对可编程子表面集聚金属化器件进行写入操作。
20.如权利要求19所述的形成可编程子表面集聚金属化器件的方法，其特征在于进一步包括以下步骤：
通过在所述阴极与阳极之间施加第四电压读取可编程子表面集聚金属化器件，其中所述第四电压具有短小电流脉冲。
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