集成突触元件的结构和方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
集成突触元件的结构和方法
本专利技术总体涉及互连结构的领域。更具体而言，本专利技术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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
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。本专利技术的实施例是基于现有技术的系统和方法的改进。本专利技术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(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。在一个实施例中，本专利技术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。在一个实施例中，本专利技术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。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。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。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。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。第一电阻值与第二电阻值的比率优选地低于10。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。附图说明图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。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。图2图示了根据本专利技术教导的空隙收缩和减小的导线电阻。图3图示了根据本专利技术教导的空隙扩张和增加的导线电阻。图4示出了半导体芯片中的典型的3层布线层。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。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。具体实施方式尽管在优选实施例中图示和描述了本专利技术，但本专利技术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专利技术的优选实施例，其中考虑本公开应视为本专利技术原理的示范以及其构思的相关联的功能说明，并且不旨在于将本专利技术限于所示实施例。本领域技术人员在本专利技术范围内将预想到多种其它可能的变型。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。本专利技术公开了这种允许电阻调节的互连技术。特别地，本专利技术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，本专利技术教导一种具有设计成便于电迁移的空隙的互连结构。此外，本专利技术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。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是本专利技术的核心，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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2013.05.22 US 13/899,8871.一种互连结构，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电阻值。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电阻值。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电阻值。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电阻值。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：铝、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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US