集成突触元件的结构和方法
【专利摘要】本公开的实施例涉及一种集成突触元件的结构和方法。公开了一种互连结构中使用电迁移的突触元件，其中对所述互连结构进行最优化以给予跟随电流流动的电阻率变化的控制。突触元件展现取决于电流流动的数量(电荷)和方向的电阻率，其中通过控制互连结构中设计的空隙的容量来获得持续可变的电阻。
【专利说明】集成突触元件的结构和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及互连结构的领域。更具体而言，本发明涉及具有空隙的新型互连结构及其使用方法，该空隙的尺寸可以根据电迁移而变化。
【背景技术】
[0002]非冯诺依曼(Von-Neumann)计算架构对于提供明显更快的方式来解决一些种类的问题而言显现重要的应用前景。突触(synaptic)元件提供用以创建非冯诺依曼架构的许多方式中的一种方式。展现至少两种电阻态的任意材料原则上都可以提供模仿任意两个神经元之间的突触元件的路径。然而，仅展现双稳态的材料仅提供有限的架构可能性。理想地，能够多次或持续地变化稳定的电阻态的材料将提供最大的设计灵活性并且更接近允许模仿大脑的学习或适应功能。已经作为存储或存储器元件研究的许多材料可以用作突触元件，但通常需要复杂的集成机制。
[0003]举几个例子来说，一些示例包括相变存储器(PCM)材料、电阻随机存取存储器(RRAM)材料和旋转力矩转移(STT)磁性隧道结。所有这些都具有一些缺陷，这些缺陷可能需要附加的复杂性管理。例如，在相变材料中，通过使玻璃材料逐步地晶体化，容易降低电阻，但不可能缓慢地增加电阻(而不熔化、淬火和/或加热)以达到期望的更高电阻。为达到期望的更高电阻态，这增加了很多电路复杂度和迭代。RRAM材料通常仅展现两种具有有限有效性的稳态。STT结提供可变电阻，但它们往往松弛到它们的接地态，这增加了稳态的问题。此外，在STT结中，两个稳态之间的电阻对比度非常有限。
【发明内容】
[0004]这里公开了可以展现稳定并且仍持续可变的电阻态的突触元件。本发明的实施例是基于现有技术的系统和方法的改进。
[0005]本发明公开了一种用于互连结构的方法，其中在所述结构的导电部分中的标称均勻导电的材料在沿着所述导电部分定位的预先制作的空隙和储存库(reservoir)之间来回迁移。所述方法包括:当围绕所述空隙中的至少一个的导电材料迁移到所述储存库中的至少一个时，在第一方向上施加具有预先确定的幅度的第一电流通过所述导电部分，以将其电阻特意增加到第一水平；以及当所述导电材料从所述储存库中的至少一个迁移到所述空隙中的至少一个时，在与所述第一方向相反的第二方向上施加具有所述预先确定的幅度的第二电流通过所述导电部分，以将其电阻从所述第一水平特意减小到第二水平。
[0006]在一个实施例中，本发明公开了一种互连结构，包括:金属线，具有布置在第一电路和第二电路之间的可变电阻部分，所述金属线将所述第一电路和所述第二电路连接并且包括:至少一个突起(flare-up)部分,用作金属储存库；和至少一个空隙,尺寸可变,布置在所述金属线内，其中:(i)所述金属线具有取决于所述空隙的尺寸的电阻，(ii)由于金属原子从所述金属储存库到所述空隙附近区域的电迁移，因此在第一方向上施加到所述金属线的具有预定幅度的第一电流使所述空隙的尺寸增加，由此将所述金属线的电阻增加到第一电阻值，以及(iii)由于所述空隙附近的金属原子电迁移到所述金属储存库，因此在与所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金属线的具有相同的预定幅度的第二电流使所述空隙的尺寸减小，由此将所述金属线的电阻减小到第二电阻值。
[0007]在一个实施例中，本发明公开了一种互连结构，包括:金属线，布置在第一电路和第二电路之间，所述金属线将所述第一电路与所述第二电路连接；至少一个金属储存库，所述金属线连接到所述金属储存库；至少一个空隙，尺寸可变，布置在所述金属线内，以及其中:(i)所述金属线具有取决于所述空隙的尺寸的电阻，(ii)由于金属原子从所述金属储存库到所述空隙附近区域的电迁移，因此在第一方向上施加到所述金属线的具有预定幅度的第一电流使所述空隙的尺寸增加，由此将所述金属线的电阻增加到第一电阻值，以及(iii)由于所述空隙附近的金属原子电迁移到所述金属储存库，在与所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金属线的具有相同预定幅度的第二电流使所述空隙的尺寸减小，由此将所述金属线的电阻减小到第二电阻值。
[0008]第一电流可以是一组短电流脉冲，其中该组短电流脉冲将金属线的电阻逐步地增加到第一值。
[0009]第二电流可以是一组短电流脉冲，其中该组短电流脉冲将金属线的电阻逐步地减小到第二值。
[0010]第一电流可以是长电流脉冲，其中该长电流脉冲将金属线的电阻突然地增加到第一值。
[0011]第二电流可以是长电流脉冲，其中该长电流脉冲将金属线的电阻突然地减小到第二值。
[0012]第一电阻值与第二电阻值的比率优选地低于10。
[0013]金属线优选地由以下项或其合金中的任一种制成:招、铜、锡、铟、镓、银和铅。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1A图示了其中两个神经元具有布置在它们之间连接它们的布线。
[0015]图1B图示了示出在两个神经元之间形成电连接的金属线的优选实施例。
[0016]图2图示了根据本发明教导的空隙收缩和减小的导线电阻。
[0017]图3图示了根据本发明教导的空隙扩张和增加的导线电阻。
[0018]图4示出了半导体芯片中的典型的3层布线层。
[0019]图5描绘了与半导体互连布线的电迁移测试相关联的图表，其中该图表示出了当电流穿过电路时线的电阻如何随时间变化。
[0020]图6描绘了示出典型的线尺寸和线高度与将电阻改变10%所需的时间和能量的表。
【具体实施方式】
[0021]尽管在优选实施例中图示和描述了本发明，但本发明可以以多种不同的配置制作。在附图中描绘并且这里将详细地描述本发明的优选实施例，其中考虑本公开应视为本发明原理的示范以及其构思的相关联的功能说明，并且不旨在于将本发明限于所示实施例。本领域技术人员在本发明范围内将预想到多种其它可能的变型。
[0022]为了制造可以模仿大脑功能的系统，关键是证实具有突触的基本功能的材料，突触调节从一个神经元到另一神经元的信息流动。任意两个神经元之间的突触连接的特征在于其响应于突触前后神经元的启动顺序和定时来调整其电阻的能力。突触前神经元启动恰好在突触后神经元之前是连接电阻将降低的原因。相反的启动顺序(即突触后神经元启动恰好在突触前神经之前)导致突触的电阻的升高。连接电阻也依赖于在突触前神经元和突触后神经元的启动事件之间流逝的时间。为了构建模仿大脑的物理硬件，需要开发在这种可以容易调整的突触连接处允许可变电阻的技术。本发明公开了这种允许电阻调节的互连技术。
[0023]特别地，本发明公开了一种在微电子芯片互连结构中使用电迁移或应力迁移的突触元件，其中互连结构优化为给予跟随电流流动的电阻率变化的控制。突触元件展现取决于电流流动的数量(电荷)和方向的电阻率，其中通过控制互连结构中设计的空隙的容量来获得持续可变的电阻。借助于平衡电迁移和应力迁移现象，可以设计对(互连结构中)空隙容量的改变。与其中将互连具体设计成使电迁移和空隙形成最小化的半导体技术形成鲜明(且非直观)对比，本发明教导一种具有设计成便于电迁移的空隙的互连结构。
[0024]此外，本发明也教导使用半导体行业特别避免的材料。作为示例，在半导体行业从铝布线迁移到铜布线之前，若干行业范畴的调研项目研究了铝与铜和其它添加物的合金以特别地减慢电迁移过程。本公开教导了使用特别易于电迁移的金属。
[0025]图1A图示了一个优选实施例，其中标示为10的表示神经元的两个器件(其可以是两个电器件或电路)具有连接它们的布线20。在布线20内交叉是互连50的部分，互连50是本发明的核心，其中可以编程可变电阻。在本实施例中，布线20由典型地在半导体芯片技术中使用的材料制成(但不是必需限于这样的材料)并且具有抗电迁移失效的特性。示例包括铝铜合金或铜镀导线。上面的描述用于平面结构，其中所有器件(神经元)在单个层级上并且所有互连布线也在同一层级上。为了显著更高的互连性，可以具有跨多个层级布置的这些电子器件10，其中在该多个层级中可以使用过孔110来实现从一层到另一层的连接。互连结构中过孔110的存在或不存在不应限制本发明的范围。类似地，互连结构中的过孔110的位置不应限制本发明的范围。
[0026]图1B详细图示了图1A描述的互连结构50并且表明互连电路的其中电阻可编程的部分。在图1B中，金属线100具有张开(flared)部分105，其用作将描述的电迁移要求的金属的储存库。100和105都由在足够幅度的电流通过时易于明显电迁移的材料制成。电迁移辅助的电阻变化允许电路中的学习功能。将落入该范畴的材料的示例将为基本低熔点的纯铝或金属或合金。其它示例包括但不限于锡、铟、镓、银、铅和这些金属的合金。利用具有较高熔点的提供较高抗电迁移性的材料制成的互连结构将允许更渐进的学习。示例将包括其中该互连导线由合金的铜或合金的铝制成的结构。
[0027]在图1B中还示出了金属线100中的缺陷(所设计的)或空隙120，其是缺少金属的区域。该特意设计的缺陷120的尺寸将决定金属线100的起始电阻。如果空隙120的尺寸在使用过程中减小，则金属线100的电阻减小。相反，如果空隙120的尺寸在使用过程中增加，则金属线100的电阻增加。
[0028]图6所描绘的表示出了计算的线尺寸和线高度以及将电阻改变10%所需的时间和能量。在表中示出了电迁移的易感性估计。假设ImA/μ m2的电流密度，因为这是半导体行业中电迁移测试的标准。
[0029]对于电阻改变10%而言，半导体标准铜布线需要50小时的电应变，但是如果布线在较小的尺度上构建并且使用纯铝，则可以在18秒中实现同样的电阻偏移。这证实了线尺寸和材料选择的重要性。
[0030]如果突触前神经元在突触后神经元之前启动，则表明应加强连接的事件，即应减小金属线100的电阻。另一方面，如果启动的顺序相反，则期望的结果应该是金属线100的电阻的增加。电阻增加或减小的范围应取决于事件之间的时间延迟(即更长的时间延迟需要更高的电阻变化)。这样的连接电阻改变将表明用以构建学习功能或缜密编程功能的方法。
[0031]作为示例，利用认为在大脑中将发生什么。当神经元A启动脉冲时，由于累积输入，因此它从发送脉冲到神经元A的许多其他神经元接收使得它超过阈值。如果关注特定的神经元B到神经元A的连接，则在它们之间存在具有抗脉冲传输的突触。如果来自神经元B的脉冲恰好及时到达以助于神经元A启动，则它们之间的突触连接加强，S卩，突触的电阻减小，以便于脉冲的更容易的传输。另一方面，如果来自神经元B的输入稍迟或太早，则突触变得不太相关并且电阻增加。在本发明中，图1A中的元件50执行定制电阻的功能。如果期望电阻需要增加，则通过元件50驱动电流以增长空隙并因而提高电阻。另一方面，如果期望相反的效果，则通过该元件在相反方向上驱动电流以减小空隙尺寸并因而降低电阻。
[0032]再编程电路和自适应电路:
[0033]使用电迁移改变线电阻的观念对于两种可变电路是有用的:(i) 一种电路更类似于大脑，因为其持续地从观测到的图案中学习；以及(ii)另一种电路是需要更突然的互连电阻改变来改变电路功能。本发明的教导可以用于任一情况中。尽管第一实例需要多个事件情况下的更渐进的电阻变化，但后者需要一个事件情况下的更显著的电阻变化。
[0034]减小连接的电阻:
[0035]如上面所述，金属线100的电阻可以通过缩小空隙120的尺寸来减小。这通过图2中从左向右驱动电流脉冲通过金属线100来完成，这导致电子从右流向左。在适当高的电流密度下，电子将在电子流动方向上移动金属原子。在图2所示的结构中，金属原子将从法兰区域105移动到空隙中，由此缩小空隙120。作为这种收缩的结果，导线的电阻将减小。应注意到，一组短脉冲可以提供小的递增电阻改变，而长脉冲可以通过更剧烈的电阻改变。
[0036]增加连接的电阻:
[0037]同样，如上所述，金属线100的电阻可以通过增长空隙的尺寸来增加，如图3所示。这通过从右向左驱动电流通过导线来完成，这导致电子从左向右流动。在足够适当高的电流密度下，这将金属原子从左向右移动，由此空隙120的尺寸增加。作为空隙120的尺寸的这种增加的结果，导线的电阻将增加。此外，一组短脉冲可以提供电阻的小变化，而长脉冲可以提供电阻的剧烈变化。
[0038]基于图6所示的表中的数据，短脉冲是5秒量级，而长脉冲将是15秒量级。如果电流密度越高，则时间将越少。通常，公平而言，短脉冲的长度足以实现2% -3%的电阻改变，而长脉冲将实现10%的电阻改变。
[0039]图4示出了半导体芯片中的典型3层布线层，其中200表示给定层级上的线，210描绘过孔结构以将该线连接到该线200之上和之下的层级。这表明电迁移性质测试的典型结构。
[0040]图5描述了与半导体互连布线的电迁移测试相关联的图表，其中该图表示出了当电流穿过电路时线的电阻如何随时间改变。在与专有添加剂形成合金的行业标准铜镀线的情况下采用这些数据以提供抗电迁移性。在电测试的早期，不存在应变的可视效应，直到接近120小时时，电阻突然开始增加。这由图5中的点A表示。这与空隙的形成相关联。这样的空隙的外观在图4中示出为220。之后，随着电应变持续，电阻增加。当线的电阻增加50%时，测试结束。
[0041 ] 本发明公开了一种用于互连结构的方法，其中在结构的导电部分中的标称均匀导电的材料在沿着导电部分定位的预先制作的空隙和储存库之间来回迁移。该方法包括:当围绕空隙中的至少一个的导电材料迁移到所述储存库中的至少一个时，在第一方向上施加具有预先确定的幅度的第一电流通过所述导电部分，以将其电阻特意增加到第一水平；以及当所述导电材料从所述储存库中的至少一个迁移到所述空隙中的至少一个时，在与所述第一方向相反的第二方向上施加具有相同预先确定的幅度的第二电流通过所述导电部分，以将其电阻从所述第一水平特意减小到第二水平。
[0042]在一个实施例中，本发明公开了一种互连结构，包括:金属线，具有布置在第一电路和第二电路之间的可变电阻，所述金属线将所述第一电路和所述第二电路连接并且包括:至少一个突起部分，用作金属储存库；和至少一个空隙，尺寸可变，布置在所述金属线内，其中:(i)所述金属线具有取决于所述空隙的尺寸的电阻，(ii)由于金属原子从所述金属储存库到所述空隙附近区域的电迁移，因此在第一方向上施加到所述金属线的具有预定幅度的第一电流使所述空隙的尺寸增加，由此将所述金属线的电阻增加到第一电阻值，以及(iii)由于所述空隙附近的金属原子电迁移到所述金属储存库，因此在与所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金属线的具有相同预定幅度的第二电流使所述空隙的尺寸减小，由此将所述金属线的电阻减小到第二电阻值。
[0043]在一个实施例中，本发明公开了一种互连结构,包括:金属线，布置在第一电路和第二电路之间，所述金属线将所述第一电路与所述第二电路连接；至少一个金属储存库，所述金属线连接到所述金属储存库；至少一个空隙，尺寸可变，布置在所述金属线内，以及其中:(i)所述金属线具有取决于所述空隙的尺寸的电阻，(ii)由于金属原子从所述金属储存库到所述空隙附近区域的电迁移，因此在第一方向上施加到所述金属线的具有预定幅度的第一电流使所述空隙的尺寸增加，由此将所述金属线的电阻增加到第一电阻值，以及(iii)由于所述空隙附近的金属原子电迁移到所述金属储存库，在与所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金属线的具有相同预定幅度的第二电流使所述空隙的尺寸减小，由此将所述金属线的电阻减小到第二电阻值。
[0044]第一电流可以是一组短电流脉冲，其中该组短电流脉冲将金属线的电阻逐步地增加到第一值。
[0045]第二电流可以是一组短电流脉冲，其中该组短电流脉冲将金属线的电阻逐步地减小到第二值。
[0046]第一电流可以是长电流脉冲，其中该长电流脉冲将金属线的电阻突然地增加到第一值。
[0047]第二电流可以是长电流脉冲，其中该长电流脉冲将金属线的电阻突然地减小到第二值。
[0048]在一个实施例中，第一电阻值与第二电阻值的比率优选地低于10。
[0049]在一个实施例中，金属线优选地由以下项或其合金中的任一种制成:铝、铜、锡、铟、镓、银和铅。
[0050]结论
[0051]在上述实施例中示出了用于有效地实现具有其尺寸可以根据电迁移而变化的空隙的互连结构及其使用方法的系统和方法。尽管已经示出和描述了各种优选实施例，但将理解到的是，不旨在于通过这样的公开内容来限制本发明，而是旨在于覆盖落入所附权利要求限定的本发明的范围和精神内的所有修改。
【权利要求】
1.一种互连结构，包括: 金属线，具有布置在第一电路和第二电路之间的可变电阻部分，所述金属线将所述第一电路和所述第二电路连接并且包括: 至少一个突起部分，用作金属储存库；以及 至少一个空隙，其尺寸可变，布置在所述金属线内， 其中: 所述金属线具有取决于所述空隙的尺寸的电阻， 由于金属原子从所述金属储存库到所述空隙附近的区域的电迁移，因此在第一方向上施加到所述金属线的具有预定幅度的第一电流使所述空隙的尺寸增加，由此将所述金属线的电阻增加到第一电阻值，以及 由于所述空隙附近的金属原子电迁移到所述金属储存库，因此在与所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金属线的具有所述预定幅度的第二电流使所述空隙的尺寸减小，由此将所述金属线的电阻减小到第二电阻值。
2.根据权利要求1所述的互连结构，其中当所述第一电流是一组短电流脉冲时，所述一组短电流脉冲将所述金属线的电阻逐步地增加到所述第一值。
3.根据权利要求1所述的互连结构，其中当所述第二电流是一组短电流脉冲时，所述一组短电流脉冲将所述金属线的电阻逐步地减小到所述第二值。
4.根据权利要求1所述的互连结构，其中当所述第一电流是长电流脉冲时，所述长电流脉冲将所述金属线的电阻突然地增加到所述第一值。
5.根据权利要求1所述的互连结构，其中当所述第二电流是长电流脉冲时，所述长电流脉冲将所述金属线的电阻突然地减小到所述第二值。
6.根据权利要求1所述的互连结构，其中所述第一电阻值与所述第二电阻值的比率低于10。
7.根据权利要求1所述的互连结构，其中所述互连结构包括布置在所述金属线中的一个或多个过孔。
8.根据权利要求1所述的互连结构，其中所述互连结构是平坦的。
9.根据权利要求1所述的互连结构，其中所述金属线由以下项或其合金中的任一种制成:招、铜、锡、铟、镓、银和铅。
10.一种互连结构,包括: 金属线，布置在第一电路和第二电路之间，所述金属线将所述第一电路与所述第二电路连接； 至少一个金属储存库，所述金属线连接到所述金属储存库； 至少一个空隙，其尺寸可变，布置在所述金属线内，以及 其中: 所述金属线具有取决于所述空隙的尺寸的电阻， 由于金属原子从所述金属储存库到所述空隙附近的区域的电迁移，因此在第一方向上施加到所述金属线的具有预定幅度的第一电流使所述空隙的尺寸增加，由此将所述金属线的电阻增加到第一电阻值，以及 由于所述空隙附近的金属原子电迁移到所述金属储存库，因此在与所述第一方向相反的第二方向上施加到所述金属线的具有所述预定幅度的第二电流使所述空隙的尺寸减小，由此将所述金属线的电阻减小到第二电阻值。
11.根据权利要求10所述的互连结构，其中当所述第一电流是一组短电流脉冲时，所述一组短电流脉冲将所述金属线的电阻逐步地增加到所述第一值。
12.根据权利要求10所述的互连结构，其中当所述第二电流是一组短电流脉冲时，所述一组短电流脉冲将所述金属线的电阻逐步地减小到所述第二值。
13.根据权利要求10所述的互连结构，其中当所述第一电流是长电流脉冲时，所述长电流脉冲将所述金属线的电阻突然地增加到所述第一值。
14.根据权利要求10所述的互连结构，其中当所述第二电流是长电流脉冲时，所述长电流脉冲将所述金属线的电阻突然地减小到所述第二值。
15.根据权利要求10所述的互连结构，其中所述第一电阻值与所述第二电阻值的比率低于10。
16.根据权利要求10所述的互连结构，其中所述互连结构包括布置在所述金属线中的一个或多个过孔。
17.根据权利要求10所述的互连结构，其中所述互连结构是平坦的。
18.根据权利要求10所述的互连结构，其中所述金属储存库由以下项或其合金中的任意一种制成:铝、铜、锡、铟、镓、银和铅。
19.一种用于使用互连结构的方法，其中在所述结构的导电部分中的标称均匀导电的材料在沿着所述导电部分定位的预先制作的空隙和储存库之间来回迁移，所述方法包括: 当围绕所述空隙中的至少一个的导电材料迁移到所述储存库中的至少一个时，在第一方向上施加具有预先确定的幅度的第一电流通过所述导电部分，以将其电阻特意增加到第一水平；以及 当所述导电材料从所述储存库中的至少一个迁移到所述空隙中的至少一个时，在与所述第一方向相反的第二方向上施加具有所述预先确定的幅度的第二电流通过所述导电部分，以将其电阻从所述第一水平特意减小到第二水平。
20.根据权利要求19所述的方法，其中选择电阻的所述第一水平和所述第二水平，使得在与所述导电部分电连接的两个功能元件之间的互连的权重产生改变。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一水平的电阻与所述第二水平的电阻的比率低于10。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述导电部分的电阻在所述第一水平和所述第二水平之间可逆地改变50倍。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述互连结构是平坦的。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述导电部分由以下项或其合金中的任意一种制成:招、铜、锡、铟、镓、银和铅。
【文档编号】H01L23/522GK104183569SQ201410217142
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年5月21日 优先权日:2013年5月22日
【发明者】L·A·克莱文格, C·纳拉延, G·A·诺索普, C·J·拉登斯, B·C·萨普 申请人:国际商业机器公司