CN220733372U - 电子设备 - Google Patents

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S·蒙弗莱
P·卡瑟琳
B·雷格
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STMicroelectronics Crolles 2 SAS
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Abstract

本说明涉及一种电子设备，包括：相变材料区域；加热元件，与相变材料区域电绝缘；以及一个或多个柱状件，在相变材料区域中延伸，一个或多个柱状件由具有比相变材料的导热率大的导热率的材料制成。

Description

电子设备
技术领域
本公开总体涉及电子设备。本公开更具体地涉及基于相变材料的开关，该相变材料能够在导电的晶相与电绝缘的非晶相之间交替。
背景技术
利用基于相变材料的开关或断续器来允许或防止电流在全部或部分电路中流动的许多应用是已知的。这种开关可以具体地实现在射频通信应用中，例如，以在发射模式和接收模式之间切换天线，以激活对应于频带的滤波器等。
实用新型内容
需要改进现有的基于相变材料的开关。
根据本公开的一个或多个方面，提供了一种电子设备，包括：开关，包括相变层，开关包括：第一传导电极和第二传导电极；相变层的第一区域和第二区域，各自耦合到开关的第一传导电极和第二传导电极，第二区域位于第一区域上方；以及加热元件，在相变层的第一区域与第二区域之间，并且与相变层的第一区域和第二区域电绝缘；以及多个柱状件，在相变层的第一区域中延伸，柱状件由具有比相变层的导热率大的导热率的导热层制成。
在一个或多个实施例中，第一区域在第一电极和第二电极之上并且与第一电极和第二电极接触。
在一个或多个实施例中，第二区域通过过孔耦合到第一电极和第二电极。
在一个或多个实施例中，过孔通过相应的上表面与相变层的第二区域的下表面接触。
在一个或多个实施例中，相变层的第二区域在第三电极和第四电极之下并且与第三电极和第四电极接触。
在一个或多个实施例中，第三电极和第四电极通过过孔分别耦合到第一电极和第二电极。
在一个或多个实施例中，加热元件包括钨层或氮化钛层。
在一个或多个实施例中，电子设备包括：一个或多个柱状件，在相变层的第二区域中延伸，一个或多个柱状件由具有比相变层的导热率大的导热率的导热层制成。
根据本公开的一个或多个方面，提供了一种电子设备，包括：衬底；第一电极和第二电极，在衬底上；第一相变层，在第一电极和第二电极上；加热元件，在第一相变层上；第二相变层，在加热元件上，加热元件在第一相变层与第二相变层之间。
在一个或多个实施例中，电子设备包括：多个柱状件，在第一相变层中延伸，柱状件由具有比第一相变层的导热率大的导热率的导热层制成。
在一个或多个实施例中，电子设备包括：第三电极和第四电极，在第二相变层上。
在一个或多个实施例中，电子设备包括：第一过孔，在第三电极与第一电极之间。
在一个或多个实施例中，电子设备包括：第二过孔，在第四电极与第二电极之间。
为此目的，一个实施例提供了一种基于相变材料的开关，包括：
区域，由所述相变材料制成；
电加热元件，与所述相变材料区域绝缘；以及
一个或多个柱状件，在所述相变材料区域中延伸，一个或多个柱状件由具有比所述相变材料的导热率大的导热率的材料制成。
根据一个实施例，一个或多个柱状件的材料电绝缘。
根据一个实施例，一个或多个柱状件的材料选自氮化铝或氮化硅。
根据一个实施例，所述相变材料是硫族化物材料。
根据一个实施例，电绝缘层被插入到加热元件与所述相变材料区域之间。
根据一个实施例，电绝缘层由与一个或多个柱状件相同的材料制成。
根据一个实施例，所述相变材料区域比加热元件更靠近衬底，开关形成在衬底内部和顶部上。
根据一个实施例，加热元件比所述相变材料区域更靠近衬底，开关形成在衬底内部和顶部上。
根据一个实施例，所述相变材料区域覆盖有钝化层。
根据一个实施例，所述相变材料区域将开关的第一传导电极和第二传导电极耦合。
根据一个实施例，每个柱状件具有等于大约300nm的最大横向尺寸。
根据一个实施例，每个柱状件与相邻柱状件分开大约300nm的距离。
此外，一个实施例提供了一种基于相变材料的开关，包括：
相变材料区域，该区域将开关的第一传导电极和第二传导电极耦合；
电加热元件，与所述相变材料区域绝缘；以及
一个或多个岛，由电绝缘材料制成，每个岛具有第一表面，该第一表面在第一电极和第二电极之上延伸，并且与第一电极和第二电极接触，其中所述相变材料区域在每个岛的侧面和第二表面上延伸，该第二表面与第一表面相对。
根据一个实施例，每个岛的所述侧面基本平行于开关的传导方向。
根据一个实施例，开关包括由所述电绝缘材料制成的单个岛。
根据一个实施例，开关包括由所述电绝缘材料制成的多个岛。
根据一个实施例，岛沿加热元件以规则间隔分布。
根据一个实施例，所述电绝缘材料是氮化铝。
根据一个实施例，介于所述相变材料区域与加热元件之间的电绝缘层覆盖每个岛的所有侧面。
根据一个实施例，所述相变材料区域覆盖每个岛的所有侧面。
根据一个实施例，被插入到所述相变材料区域和加热元件之间的电绝缘层覆盖所述相变材料区域的上表面和侧面。
根据一个实施例，每个岛具有梯形的截面。
根据一个实施例，每个岛具有等于大约5μm的高度。
根据一个实施例，开关还包括在所述相变材料区域中延伸的一个或多个柱状件，该一个或多个柱状件由具有比所述相变材料的导热率大的导热率的材料制成。
此外，一个实施例提供了一种基于相变材料的开关，包括：
第一区域和第二区域，由所述相变材料制成，每个区域均连接到开关的第一传导电极和第二传导电极，第二区域位于第一区域上方；以及
加热元件，位于所述相变材料的第一区域与第二区域之间，并且与所述相变材料的第一区域和第二区域电绝缘。
根据一个实施例，所述相变材料的第一区域和第二区域之中的一个区域位于第一电极和第二电极之上并且与第一电极和第二电极接触。
根据一个实施例，另一相变材料区域通过过孔连接到第一电极和第二电极。
根据一个实施例，所述过孔通过它们的上表面与另一相变材料区域的下表面接触。
根据一个实施例，另一相变材料区域在第三电极和第四电极下方，并且第三电极和第四电极与接触。
根据一个实施例，第三电极和第四电极通过过孔分别连接到第一和第二电极。
根据一个实施例，加热元件由金属或金属合金制成。
根据一个实施例，加热元件由钨或氮化钛制成。
根据一个实施例，开关还包括在所述相变材料的第一区域中延伸的一个或多个柱状件，该一个或多个柱状件由具有比所述相变材料的导热率大的导热率的材料制成。
根据一个实施例，开关还包括在所述相变材料的第二区域中延伸的一个或多个柱状件，该一个或多个柱状件由具有比所述相变材料的导热率大的导热率的材料制成。
一个实施例克服了已知的基于相变材料的开关的全部或部分缺点。
一个实施例的一个方面更具体地旨在提供一种具有改进的热效率的开关。
另一个实施例的一个方面更具体地旨在提供一种具有减小的尺寸的开关。
又一个实施例的一个方面更具体地旨在提供一种具有增强的切换速度的开关。
附图说明
本公开的上述和其他特征和优点将在下面结合附图对具体实施例的非限制性说明中进行详细讨论，其中：
图1是基于相变材料的开关的示例的简化和局部透视图；
图2是图1的开关沿图1的平面AA的截面图；
图3是根据一个实施例的基于相变材料的开关的示例的简化和局部透视图；
图4是图3的开关沿图3的平面AA的截面图；
图5是根据一个实施例的基于相变材料的开关的示例的简化和局部透视图；
图6A、图6B和图6C以简化和局部截面图的形式图示了根据一个实施例的制造图3的开关的方法的示例的连续步骤；
图7是根据一个实施例的基于相变材料的开关的示例的简化和局部透视图；
图8是图7的开关沿图7的平面AA的截面图；
图9是根据一个实施例的基于相变材料的开关的示例的简化和局部透视图；
图10是根据一个实施例的基于相变材料的开关的示例的简化和局部透视图；
图11是根据一个实施例的基于相变材料的开关的示例的简化和局部透视图；
图12A和图12B以简化和局部截面图的形式图示了根据一个实施例的制造基于相变材料的开关的方法的示例的连续步骤；
图13A、图13B、图13C以及图13D以简化和局部截面图的形式图示了根据一个实施例的制造基于相变材料的开关的方法的示例的连续步骤；以及
图14A和图14B以简化和局部截面图的形式图示了根据一个实施例的制造基于相变材料的开关的方法的示例的连续步骤。
具体实施方式
在各个图中，相似的特征已经由相似的附图标记标示。具体地，在各个实施例中间共用的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记，并且可以布置相同的结构、尺寸和材料性质。
为了清楚起见，仅详细图示和描述了有助于理解本文描述的实施例的步骤和元件。具体地，用于控制基于相变材料的开关的电路和可以在其中提供这种开关的应用没有被详细描述，所描述的实施例和变型与用于控制基于相变材料的开关的常规电路兼容，并且与实现基于相变材料的开关的常规应用兼容。
除非另有指示，否则当提及连接在一起的两个元件时，这表示没有导体以外的任何中间元件的直接连接；并且当提及耦合在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以连接或者它们可以经由一个或多个其他元件耦合。
在下面的说明中，当提及限定绝对位置(诸如，术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)或相对位置(诸如，术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)的术语时，或者当提及限定方向的术语(诸如，“水平”、“垂直”等)时，除非另有指定，否则指的是附图的定向。
除非另有指定，否则表述“约”、“近似”、“基本”和“大约”表示正或负10％，优选为正或负5％。
一个实施例提供了一种形成诸如所描述的开关的方法，包括在每个控制电极的上表面的一部分之上并且与其接触地形成岛的步骤。
一个实施例提供了一种制造诸如所描述的开关的方法，包括以下连续步骤：
a)沉积所述相变材料的第一区域；
b)形成加热元件；以及
c)沉积所述相变材料的第二区域。
图1是基于相变材料的开关100的示例的简化和局部透视图。图2是图1的开关100沿图1的平面AA的截面图。图1的平面AA基本平行于开关100的传导方向。
在所示示例中，开关100形成在衬底101(例如，由半导体材料制成的晶片或部分晶片)的内部和顶部上。作为示例，衬底101由硅制成，并且具有大约100Ω.m的电阻率(硅被称为具有“高电阻率”)。
在该示例中，衬底101在其表面中的一个表面(在图2的定向上的衬底101的上表面)上覆盖有电绝缘层103。作为示例，层103由二氧化硅(SiO2)制成，并且具有大约500nm的厚度。
在所示示例中，开关100包括位于电绝缘层103之上并且与电绝缘层103的上表面接触的第一传导电极105a和第二传导电极105b。电极105a和105b例如旨在连接到射频通信电路(图中未详细示出)。电极105a与电极105b分开例如大约1μm的距离。电极105a和105b由导电材料制成，导电材料例如是金属(例如铜或铝)或金属合金。每个电极105a、105b可以具有单层结构或多层结构，例如，从层103的上表面起包括具有大约10nm厚度的钛层、具有大约440nm厚度的铜和铝合金的层、具有大约10nm厚度的另一钛层以及具有大约100nm厚度的氮化钛层(TiN)。
在该示例中，另一电绝缘层107覆盖层103的上表面的未被电极105a和105b覆盖的部分。在所示示例中，层107的材料在电极105a和105b的所有侧表面上围绕电极105a和105b。层107的一部分具体地在电极105a和105b之间延伸，并且使电极105a与电极105b电绝缘。层107例如与电极105a和105b的上表面齐平，如图2中所示。作为示例，层107由与层103相同的材料制成，例如二氧化硅。
为了避免附图过载，图1中未示出衬底101和电绝缘层103和107。
在所示示例中，开关100还包括由相变材料制成的区域109，区域109将第一传导电极105a和第二传导电极105b耦合。更准确地，在该示例中，区域109覆盖层107的将传导电极105a和105b分开的部分的上表面，并且进一步在每个电极105a、105b的上表面的一部分之上并且与其接触地延伸例如超过大约1μm的距离。区域109例如具有在从100nm到300nm的范围内的厚度T。
作为示例，开关100的区域109由被称为“硫族化物”的材料制成，即，包括至少一种硫族元素的材料或合金，例如，来自碲化锗(GeTe)、碲化锑(SbTe)或锗-锑-碲(GeSbTe，通常用首字母缩写词“GST”标示)家族的材料。作为变型，区域109由氧化钒(VO2)制成。
通常，相变材料是能够在温度变化的影响下在晶相和非晶相之间交替的材料，非晶相具有比晶相的电阻更大的电阻。在开关100的情况中，利用该现象以在位于传导电极之间的区域109的材料中的至少一部分材料处于非晶相时，获得关断状态，从而防止电流在传导电极105a和105b之间流动，并且在区域109的材料处于晶相时，获得导通状态，从而允许电流在电极105a和105b之间流动。
在所示示例中，区域109的上表面覆盖有电绝缘层111。作为示例，层111由电介质和导热材料制成，例如氮化硅(SiN)或氮化铝(AlN)。
在该示例中，开关100还包括加热元件113，加热元件113位于层111的上表面之上并且与其接触，与相变材料区域109垂直成列。加热元件113通过层111与区域109电绝缘。在所示示例中，加热元件113具有沿基本垂直于开关100的传导方向的方向延伸的条带形状。在该示例中，加热元件113的端部通过导电焊盘117分别连接到开关100的第三控制电极115a和第四控制电极115b。加热元件113例如具有大约100nm的厚度。作为示例，加热元件113由金属(例如钨)或金属合金(例如氮化钛)制成。
尽管这在附图中未被图示，但是开关100的结构在衬底101的上表面侧上可以覆盖有绝热层，绝热层旨在限制由加热元件113生成的热量。
在导通状态和关断状态之间的切换期间，开关100的控制电极115a和115b例如旨在被施加使得电流流过加热元件113的控制电压。该电流通过焦耳效应，然后通过开关100的结构内部的辐射和/或传导(特别地，通过层111)，使得位于加热元件113前面的区域109自其上表面温度上升。
更准确地，为了将开关100从关断状态切换到导通状态，区域109通过加热元件113进行加热，例如，在温度T1下并且持续持续时间d1。选择温度T1和持续时间d1以引起区域109的材料从非晶相到晶相的相变。温度T1例如高于区域109的材料的结晶温度，并且低于熔化温度。作为示例，温度T1在从150℃到350℃的范围内，并且持续时间d1短于1μs。在区域109由碲化锗制成的情况下，温度T1例如等于大约300℃，并且持续时间d1例如在从100ns到1μs的范围内。
相反，为了将开关100从导通状态切换到关断状态，区域109通过加热元件113进行加热，例如直到高于温度T1的温度T2，并且持续短于持续时间d1的持续时间d2。温度T2和持续时间d2被选择以引起区域109的材料从晶相到非晶相的相变。温度T2例如高于相变材料的熔化温度。作为示例，温度T2在600℃到1000℃的范围内，并且持续时间d2短于500ns。在区域109由碲化锗制成的情况下，温度T2例如等于大约700℃，并且持续时间d2例如等于大约100ns。
开关100被称为是“间接加热”，相变材料的温度上升是通过电流流过与相变材料绝缘的电加热元件而获得的，这与“直接加热”类型的开关相反，“直接加热”类型的开关不包括加热元件，并且其中温度上升是由电流直接流过相变材料引起的。在直接加热开关的情况中，控制电极例如连接到相变材料区域的两个相对侧，例如，沿着与开关的传导路径正交的方向。直接加热开关的缺点在于以下事实：当开关导通时，通过开关的控制电极和传导电极之间的相变材料产生导电路径。这引起泄漏电流，泄漏电流会干扰在传导电极之间传送的信号。
为了响应于各种应用(例如在射频通信的领域)的约束，期望开关100具有尽可能低的品质因数。在本公开中，开关的品质因数对应于该开关的导通状态电阻RON与关断状态电容COFF的乘积。
本公开的开关的导通状态电阻RON由以下关系定义：
[公式1]
在上面的相关公式1中，L、W和T分别表示相变材料区域109的长度、宽度和厚度，长度L和宽度W对应于区域109的分别沿平行于和正交于开关的传导方向的方向测量的尺寸，并且σON表示相变材料在处于其晶相时的电导率(单位为西门子每米)。
为了减小开关100的品质因数，例如可以通过增加相变材料区域109的厚度T来减小其导通状态电阻RON。然而，这会引起切换持续时间的不期望增加，或在导通状态和关断状态之间的切换速度的减小。实际上，对于相同的控制电压，区域109越厚，持续时间d1和d2就越长，持续时间d1和d2分别对应于非晶相与晶相之间的转换的持续时间以及晶相与非晶相之间的转换的持续时间。为了减小持续时间d1和d2，可能会尝试增加加热元件113的控制电压，但这会引起开关100的能量消耗的不期望增加。
图3是根据一个实施例的基于相变材料的开关300的示例的局部和简化透视图。图4是图3的开关300沿图3的平面AA的截面图。
图3和图4的开关300包括与图1和图2的开关100共用的元件。在下文中将不再详述这些共用元件。
根据一个实施例，开关300包括在相变材料区域109中延伸的一个或多个柱状件301(在所示示例中，数十个柱状件301)。更准确地，在图3和图4图示的示例中，柱状件301垂直延伸穿过区域109的整个厚度T。
根据一个实施例，一个或多个柱状件301由具有比区域109的相变材料的导热率大的导热率的材料制成。作为示例，柱状件301由电绝缘且导热的材料(例如氮化硅、氮化铝等)制成。作为变型，柱状件301可以由导电且导热的材料(例如金属)制成。然而，对于射频通信应用中的开关300的实现，优选为使用由电绝缘材料制成的柱状件301，以限制或避免寄生电容现象的出现。
在所示示例中，在俯视图中，柱状件301均具有基本圆形的截面。然而，该示例不是限制性的，并且一个或多个柱状件301可以具有任何形状，例如矩形或正方形的截面。作为示例，每个柱状件301具有等于大约300nm的最大横向尺寸(例如，在柱状件具有基本圆形的截面的所示示例中的直径)。此外，每个柱状件301例如与相邻柱状件301分开大约300nm的距离。柱状件301例如根据周期性图案分布。尽管已经描述了开关300包括数十个柱状件301的示例，但是开关300可以包括任何数目的柱状件301。
柱状件301的存在产生的一个优势在于以下事实：由加热元件113生成的热量更有效地在开关300的区域109中传播。具体地，与具有主要从区域109的上表面加热的区域109的开关100相比，源自开关300的加热元件113的热量进一步在区域109的相变材料的中心扩散。因此，开关300具有比开关100的热效率更大的热效率。
在开关300的情况中，对于在电极115a和115b之间施加的相同控制电压，相对于开关100，加热元件113经历更低的温度上升。此外，对于相同的控制电压，开关300的区域109相对于开关100的区域109经历更高的温度上升。与开关100的情况相比，在开关300的情况中，在切换步骤期间加热元件113和区域109分别达到的温度之间的差异较低。
对于类似厚度T的区域109，开关300使得能够获得比开关100更短的切换持续时间，或比开关100更大的切换速度。有利地，可以利用开关300的增加热效率来相对于开关100增加区域109的厚度T，以减小开关300的品质因数，而不使切换持续时间相对于开关100降级。还可以有利地从区域109拉开加热元件113。这继而引起关断状态电容COFF的减小，并且因此相对于开关100，开关300的品质因数减小。
如在所示示例中，开关300的区域109的上表面可以整体地覆盖有电绝缘层303。可选层303例如使得能够钝化区域109的上表面。层303还使得能够相对于开关100而减小开关300的关断状态电容COFF，并且因此减小开关300的品质因数。在所示示例中，柱状件301跨层303的整个厚度而跨过层303。更准确地，在该示例中，每个柱状件301从层303的上表面垂直延伸到区域109的下表面。层303例如具有在从200nm至300nm的范围内的厚度。作为示例，层303由氮化硅或氮化锗(GeN)制成。
在所示示例中，开关300还可选地包括分开的电绝缘区域305，电绝缘区域305覆盖电绝缘层107的上表面，并且在每个传导电极105a、105b的上表面的一部分之上延伸。每个区域305例如具有大约20nm的厚度。作为示例，电绝缘区域305由例如氮化硅的介电材料制成。
为了避免附图过载，图3中未示出衬底101、电绝缘层103和107以及电绝缘区域305。
在所示示例中，开关300还包括电绝缘层307。开关300的层307例如类似于开关100的层111。在开关300中，层307被插入到层303与加热元件113之间。更准确地，在所示示例中，层307覆盖柱状件301的上表面、层303的上表面和侧面、区域109的侧面、电极105a和105b的暴露部分以及区域305的上表面和侧面。作为示例，层307由电绝缘且导热的材料制成，例如与柱状件301的材料相同的材料，例如氮化硅或氮化铝。
尽管这在附图中未被图示，但开关300的结构在衬底101的上表面侧上可以覆盖有绝热层，其旨在限制由加热元件113生成的热量。
开关300具有一种结构，在该结构中，加热元件113比相变材料层109更远离衬底101。这意味着低热容量，加热元件113能够被定位成靠近环境空气。这有利地导致快速热交换，并且因此导致低的切换持续时间。
图5是根据一个实施例的基于相变材料的开关500的示例的简化和局部截面图。
图5的开关500包括与图3和图4的开关300共用的元件。在下文中将不再描述这些共用元件。与图3和图4的开关300(其中相变材料区域109位于加热元件113之下)相反地，在图5的定向上，开关500的区域109位于加热元件113上方。
在所示示例中，更准确地，加热元件113位于电绝缘层103的上表面之上并且与其接触。此外，在该示例中，电绝缘层307覆盖加热元件113的上表面和侧面，并且在层103的上表面的未被加热元件113覆盖的部分上进一步延伸。
在图5中图示的示例中，与柱状件301交叉的相变材料区域109位于层307的上表面之上并且与层307的上表面接触，与加热元件113垂直成列。在该示例中，开关500的传导电极105a和105b在层307的上表面之上并且与其接触。此外，电极105a和105b均覆盖区域109的侧面和上表面的一部分。
在所示示例中，电绝缘层107在电极105a和105b之间延伸。在图5的定向上，层107在区域109的上表面之上并且与其接触。
尽管这在图5中未被图示，但开关500还可以包括区域109的钝化层和电绝缘层，区域109的钝化层和电绝缘层分别类似于图3和图4的开关300的层303和区域305。
与开关300相比，开关500具有加热元件113更靠近衬底101的结构。在开关500的情况中，这意味着更高的热容量，相对于开关300，更高的热容量有利于在加热元件113上施加较低的控制电压，以在切换期间获得区域109的温度的类似上升。
图6A至图6C以简化和局部截面图的形式图示了根据一个实施例的制造图3的开关300的方法的示例的连续步骤。
图6A更准确地图示了例如通过衬底101的材料的热氧化，在衬底101的上表面上形成电绝缘层103的步骤。图6A还图示了在层103的上表面上形成传导电极105a和105b的步骤。作为示例，首先例如通过一个或多个金属层的物理气相沉积(PVD)在衬底101的上表面侧上沉积金属化层。然后，光刻和蚀刻的步骤使得能够仅保留金属化层中位于电极105a和105b的期望位置处的部分。射频线(图6A中未示出)可以在该步骤期间进一步形成在第一金属化层中。
图6B图示了在电极105a和105b周围形成电绝缘层107的步骤。作为示例，首先，例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)(例如，更准确地，通过高密度等离子体增强化学气相沉积(HDPCVD或HDP PECVD))，在图6A的结构的上表面侧上沉积层107。在沉积之后，层107可以覆盖电极105a和105b，并且可以具有例如大约700nm的厚度。然后，例如通过化学机械抛光的平坦化的步骤使得能够暴露电极105a和105b的上表面。然后，层107例如具有基本等于电极105a和105b的厚度的厚度。
图6B还图示了形成电绝缘区域305的步骤。作为示例，首先在衬底101的上表面侧上沉积电绝缘层。然后，光刻和蚀刻的步骤使得能够保留电绝缘层的位于区域305的期望位置处的部分。作为变型，可以通过电绝缘材料在衬底101的上表面侧上的局部沉积形成区域305。
图6C图示了形成相变材料区域109和钝化层303的步骤。作为示例，例如通过物理气相沉积，在图6B的结构的上表面侧上连续沉积相变材料层和钝化层。然后，光刻和蚀刻的步骤(例如，通过反应离子蚀刻(RIE)或通过离子束蚀刻(IBE))使得能够仅保留相变材料层和钝化层的在区域109和层303的期望位置处的部分。在这些步骤期间，可以进一步在柱状件301的期望位置处的相变材料层中和钝化层中形成开口601。作为变型，可以在形成区域109和层303的步骤之后的光刻和蚀刻的步骤之后，形成开口601。
在另一个步骤期间，在关于图6C描述的步骤之后，整体填充开口601以形成柱状件301。然后，在结构的整个上表面之上沉积电绝缘层307。在柱状件301和层307由相同材料制成的情况下，例如在层307的沉积期间形成柱状件301。然后，加热元件113形成在层307的上表面之上并且与其接触。还可以在形成加热元件113的步骤期间形成控制电极115a和115b以及焊盘117，例如，自相同的金属化层形成。在这些步骤结束时，获得图3的开关300。
本领域技术人员能够调整上面关于图6A至图6C描述的制造开关300的方法来形成开关500。
图7是根据一个实施例的基于相变材料的开关700的示例的局部和简化透视图。图8是图7的开关沿图7的平面AA的截面图。图7的平面AA基本平行于开关700的传导方向。
图7和图8的开关700包括与图1和图2的开关100共用的元件。在下文中将不再详述这些共用的元件。
为了避免附图过载，图7中未示出衬底101以及电绝缘层103和107。
根据一个实施例，图7和图8的开关700包括一个或多个电绝缘岛701(在所示示例中的三个岛701)，每个电绝缘岛具有第一表面(在图7和图8的定向上的下表面)，该第一表面在开关700的第一传导电极105a和第二传导电极105b之上延伸并且与其接触。在开关700中，相变材料区域109在每个岛701的侧面的一部分之上以及在第二表面(在图7和图8的定向上的上表面)的一部分之上延伸，第二表面与第一表面相对。更准确地，在所示示例中，区域109覆盖岛701的侧面的一部分，其基本平行于图7的平面AA，即，岛701的沿开关700的传导方向延伸的侧面。在所示示例中，开关700的加热元件113进一步沿垂直于开关700的传导方向的方向，在区域109的上表面的一部分之上并且与其接触地延伸。
岛701由介电材料制成或包括介电材料的堆叠。作为示例，岛701由电绝缘且导热的材料制成，例如具有比相变材料区域109的导热率大的导热率的材料，例如氮化铝。这有利地使得能够在加热元件113和区域109之间获得较低的热阻。因此有利于在区域109的从晶相到非晶相的转换期间出现的“淬火”现象。作为变型，岛701可以由二氧化硅制成。
在图7中图示的示例中，每个岛701具有沿开关700的传导方向的细长形状，并且具有基本梯形的截面，每个岛701的第一表面具有大于第二表面面积的表面面积。相对于岛701具有垂直于第一和第二表面的竖直侧面的情况，提供具有梯形截面的岛701(岛701的侧面因此倾斜)的事实，有利地使得能够促进利用区域109覆盖岛701。然而，图7中图示的示例不是限制性的，作为变型，每个岛701能够具有任何形状的截面，例如矩形或正方形。岛701例如沿着加热元件(113)以规则间隔分布。
与开关100(其中区域109基本是平面的)相反地，在图7的开关700中，相变材料区域109在三维结构上形成，或者呈现凹凸形状。这有利地使得能够增加相变材料区域109的宽度W和/或减小开关的外部尺寸。
更准确地，与开关100相比，开关700可以在其控制电极115a和115b之间具有更短的距离，同时保持区域109具有基本等于开关100的区域109的宽度的宽度W。与开关100相比，这有利地使得开关700能够具有更小的外部尺寸，并且因此具有更高的集成密度。
作为示例，在开关700包括两个具有大约5μm高度的岛701的情况下，沿着垂直于图7的平面AA的方向(平行于加热元件113的轴线的方向)测量的、对应于岛701的平均横向尺寸的宽度为大约1μm，并且间距为大约1μm，在三维结构上形成的区域109的宽度W为大约25μm。在该情况下，开关700具有大约5μm的宽度，该宽度基本对应于垂直于图7的平面AA截取的传导电极105a和105b的尺寸。作为比较，在其区域109具有等于大约25μm的宽度的情况下，开关100的宽度为大约25μm。
作为变型，可以使开关700的区域109的宽度W大于开关100的区域109的宽度，同时保持电极115a和115b之间的距离小于或等于开关100的电极115a和115b之间的距离。与开关100相比，这有利地使得开关700能够具有较低的导通状态电阻RON，并且因此具有较低的品质因数。
作为变型，可以使开关700的区域109具有比开关100的区域109更大的宽度W以及比开关100的区域109更小的厚度T，同时保持相似的导通状态电阻RON。减小区域109的厚度T的事实有利地使得能够在切换期间获得更快的相变。此外，区域109的厚度T的减小使得能够获得具有更好的晶体和化学计量品质的相变材料。因此，区域109的材料的相变有利地需要更少的能量。因此，相对于开关100，开关700的热效率得到了改进。
开关700的另一个优点在于以下事实：岛701的存在使得能够减小关断状态电容COFF。更准确地，由于每个岛701将加热元件113拉离电极105a和105b的事实，岛701使得能够减小加热元件113与开关700的传导电极105a和105b之间的寄生电容Cp。在开关700的宽度小于开关100的宽度的情况下，关断状态电容COFF相对于开关100进一步减小。
开关700的另一个优点在于以下事实：相对于开关100的情况，对于相同的宽度W，岛701的存在使得能够减小加热元件113的电感。这看起来是由于以下事实：加热元件113的相邻竖直部分之间的互感变为负，因此引起总电感的减小。加热元件113的电感减小有利地使得能够达到更高的切换速度。
尽管这在图7和图8中未被图示，但开关700可以包括与图3和图4的开关300的钝化层303和区域305相同或相似的钝化层和绝缘区域。
图9是根据一个实施例的基于相变材料的开关900的示例的局部和简化透视图。
图9的开关900包括与图7和图8的开关700共用的元件。在下文中将不再描述这些共用的元件。
为了避免附图过载，图9中未示出衬底101以及电绝缘层103和107。
图9的开关900与图7和图8的开关700的不同之处在于，开关900包括被插入到相变材料区域109与传导电极105a和105b之间的单个岛701。
在沿图9的平面AA的截面图中，开关900具有类似于先前关于图8讨论的结构。
在开关900中，岛701的尺寸，特别是宽度，使得区域109的大部分覆盖岛701。相对于开关700，这有利地使得能够使加热元件113进一步远离传导电极105a和105b，并且因此减小开关800的关断状态电容COFF。
图10是根据一个实施例的基于相变材料的开关1000的示例的简化和局部截面图。
图10的开关1000包括与图7和图8的开关700共用的元件。在下文中将不再详述这些共用的元件。
图10的开关1000与图7和图8的开关700的不同之处在于，在开关1000中，电绝缘层111在结构的整个上表面之上延伸。在所示示例中，电绝缘层111覆盖相变材料区域109和介电材料岛701。更准确地，在该示例中，层111覆盖相变材料区域109的上表面和侧面、每个岛701的上表面的未被区域109覆盖的部分、每个岛701的所有侧面、每个传导电极105a、105b的上表面的未被岛701覆盖的部分以及电绝缘层107的上表面的未被岛701覆盖的部分。
具体地，与开关700和开关900相比，提供层111以覆盖整个结构的事实使得能够简化开关1000的制造。
图11是根据一个实施例的基于相变材料的开关1100的示例的简化和局部截面图。
图11的开关1100包括与图7和图8的开关700共用的元件。在下文中将不再详述这些共用的元件。
图11的开关1100与图7和图8的开关700的不同之处在于，在开关1100中，相变材料区域109覆盖每个介电材料岛701，并且电绝缘层111在结构的整个上表面之上延伸。更准确地，在所示示例中，相变材料区域109覆盖每个岛701的上表面和所有侧面，并且进一步在开关1100的每个传导电极105a、105b的上表面的一部分之上并且与其接触地延伸。此外，在该示例中，层111覆盖相变材料区域109的上表面和侧面、每个传导电极105a、105b的上表面的未被区域109覆盖的部分以及电绝缘层107的上表面的未被岛701覆盖的部分。
与开关700、开关900和开关1000中的情况相比，在开关1100中，区域109的在传导电极105a和105b之上并且与其接触地延伸的部分有利地在相变材料区域109与电极105a和105b之间提供更好的电接触。具体地，与开关700、开关900以及开关1000相比，这进一步使得能够简化开关1100的制造。本领域技术人员能够将关于图10和图11描述的开关1000和1100的实施例调整为包括任意数目的岛701的开关。
图12A和图12B以简化和局部截面图的形式图示了根据一个实施例的制造基于相变材料的开关(例如，图7的开关700)的方法的示例的连续步骤。
图12A更准确地图示了在形成电绝缘层103、形成控制电极105a和105b以及层107的沉积和平坦化的连续步骤结束时获得的结构。这些步骤例如与先前关于图6A讨论的内容相同或相似地实施。
图12B图示了在结构的上表面侧上形成岛701的步骤。作为示例，首先例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在图12A的结构的上表面侧上沉积氮化铝层或包括氮化铝层和二氧化硅层的堆叠。然后，光刻和蚀刻的步骤使得能够仅保留层或堆叠的位于岛701的期望位置处的部分。
在后续步骤期间，相变材料被沉积在衬底101的上表面侧上。与开关300的层303相同或相似的可选钝化层可以被沉积在相变材料上以保护它免受氧化。然后，光刻和蚀刻的步骤使得能够保留在区域109的期望位置处的相变材料以及可能的可选钝化层的材料。
然后，可以执行层111的沉积，例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成氮化硅层或通过物理气相沉积(PVD)形成氮化铝层。在电绝缘层111覆盖电极105a和105b的情况下，然后可以例如通过光刻和蚀刻(例如反应离子蚀刻(RIE))，在层111中形成开口，以暴露每个电极105a、105b的上表面的部分。
然后，可以例如通过在衬底101的上表面侧上沉积金属化层的步骤、随后的光刻和蚀刻的步骤来形成加热元件113。在该步骤期间，还可以在先前形成的开口中形成导电过孔，以恢复开关的电极105a和105b的接触。
本领域技术人员能够调整上面关于图12A和图12B描述的制造开关700的方法来形成开关900、开关1000和开关1100。
先前关于图3至图5讨论的开关300和开关500的实施例可以与图7至图11的开关700、900、1000和1100的实施例组合。更准确地，它可以被提供以在开关700、900、1000和1100的相变材料区域109中形成与开关300的柱状件301相同或相似的柱状件。开关700、900、1000和1100的结构可以被进一步修改，以获得与开关500的结构类似的结构，其中加热元件113被插入到衬底101与传导电极105a和105b之间。本领域技术人员能够调整上面关于图12A和图12B描述的制造开关700的方法来形成这些不同的结构。
图13A至图13D以简化和局部截面图的形式图示了根据一个实施例的制造基于相变材料的开关1300的方法的示例的连续步骤。
开关1300包括与图1和图2的开关100共用的元件。在下文中将不再详述这些共用的元件。
图13A更准确地图示了在衬底101的上表面侧上形成电绝缘层103、形成传导电极105a和105b以及层107的沉积和平坦化的步骤之后获得的结构。例如，如先前关于图6A和图6B所讨论的那样实施这些步骤。然后，实施相变材料区域109和钝化层303的形成步骤，例如，如先前关于图6B所讨论。
图13B更准确地图示了在图13A的结构的上表面侧上沉积电绝缘层307的步骤、随后的沉积覆盖层307的另一电绝缘层1301的步骤结束时获得的结构。然后，层1301例如通过化学机械抛光进行平坦化，以获得具有平坦上表面的结构。作为示例，层1301由二氧化硅或氮化铝制成。
图13C更准确地图示了在层307的上表面之上并且与其接触地形成加热元件1303的步骤结束时获得的结构，加热元件1303与区域109垂直成列。加热元件1303例如与开关100的加热元件113相同或相似。在该步骤期间，例如通过光刻和蚀刻、在加热元件1303的期望位置处、在层1301中形成开口。然后利用加热元件1303的材料整体填充该开口，之后例如通过化学机械抛光实施平坦化的步骤，以获得具有平坦上表面的结构，加热元件1303与层1301的上表面齐平。然后，实施在该结构的上表面侧上沉积电绝缘层1305的后续步骤。更准确地，层1305覆盖层1301的上表面和加热元件1303的上表面。作为示例，层1305由氮化铝制成。
图13D更准确地图示了在形成导电过孔1307(每个导电过孔1307从层1305的上表面垂直延伸到开关1300的传导电极105a、105b中的一个传导电极的上表面)、形成覆盖有另一钝化层1311的另一相变材料区域1309以及在该结构的上表面侧上沉积电绝缘层1313的连续步骤结束时获得的开关1300的结构。
例如通过光刻和蚀刻、在过孔1307的期望位置处、例如通过形成穿过层1305、1301和307的整个厚度的开口以暴露每个电极105a、105b的上表面的一部分来形成导电过孔1307。然后，利用导电过孔1307的材料整体填充开口，然后例如通过化学机械抛光实施平坦化的步骤，以获得具有平坦上表面的结构，导电过孔1307与层1305的上表面齐平。作为示例，导电过孔1307由钨制成。
例如，如先前所讨论(例如，关于图6C针对区域109和层303所讨论)地形成区域1309和层1311。作为示例，区域1309和层1311分别由与区域109和层303相同的材料制成。
在所示示例中，层1313覆盖层1311的上表面和侧面、区域1309的侧面以及层1305的上表面的未被区域1309覆盖的部分。层1313例如使得能够将开关1300钝化以保护它免受氧化的影响。
相变材料区域109和1309均通过导电过孔1307连接到传导电极105a和105b中的一个传导电极，在图13D的定向上，区域1309位于区域109上方。位于区域109和1309之间的加热元件1303通过层307与区域109电绝缘，并且通过层1305与区域1309电绝缘。
开关1300的相变材料区域109和1309可以均具有比开关100的层109的厚度T小两倍的厚度，同时使开关1300能够保持与开关100的导通状态电阻RON基本相等的导通状态电阻RON。这有利地使得区域109和1309能够具有更好的晶体质量。使用比开关100的区域109更薄的区域109和1309进一步有利地使得开关1300能够达到更高的切换速度，对于相变材料的相似累加厚度，相对于开关100，在开关1300中，暴露于由加热元件生成的热量的相变材料的表面基本加倍。这使得开关1300具有比开关100更好的能量性能，区域109和1309的材料的相变所需的能量更低。
图14A和图14B以简化和局部截面图的形式图示了根据一个实施例的制造基于相变材料的开关1400的方法的示例的连续步骤。
图14A更准确地图示了在层1305的上表面之上并且与其接触地形成覆盖有另一钝化层1411的相变材料的另一区域1409以及在结构的上表面侧上沉积电绝缘层1413的步骤之后，例如从先前关于图13C描述的结构获得的结构。
例如，如先前例如关于图6C、针对区域109和层303讨论的那样形成区域1409和层1411。作为示例，区域1409和层1411分别由与区域109和层303相同的材料制成。
作为示例，在形成区域1409和层1411之后，层1413首先被沉积在结构的上表面侧上。例如，在沉积之后，层1413可以覆盖区域1409的侧面以及层1411的侧面和上表面。然后，例如通过化学机械抛光的平坦化步骤使得能够暴露层1411的上表面。如在图14A中图示的示例中，在平坦化之后，层1413例如与层1411的上表面齐平。
图14B更准确地图示了在形成导电过孔1415的步骤(每个导电过孔1415从层1413的上表面垂直延伸到传导电极105a、105b中的一个传导电极的上表面)、形成其他导电过孔1417的步骤(每个导电过孔1417从层1411的上表面垂直延伸到区域1409的靠近区域1409的两个相对侧的上表面)、形成分别连接到传导电极105a和105b的两个传导电极1419a和1419b的步骤以及在结构的上表面侧上沉积电绝缘层1421的步骤结束时获得的结构。
例如，通过光刻和蚀刻、在过孔1415的期望位置处、例如通过形成穿过层1413、1305、1301和307的整个厚度的开口形成导电过孔1415，以暴露每个电极105a、105b的上表面的一部分。然后，利用导电过孔1415的材料整体填充开口。类似地，例如，通过光刻和蚀刻、在过孔1417的期望位置处、例如通过形成穿过层1411的整个厚度的开口形成导电过孔1417，以暴露层1409的上表面的部分。然后，例如实施平坦化步骤(例如，通过化学机械抛光)，以获得具有平坦上表面的结构，导电过孔1415和1417与层1413的上表面齐平。作为示例，导电过孔1415和1417由钨制成。
例如，类似于关于图6A针对电极105a和105b所讨论的那样，形成电极1419a和1419b。电极1419a、1419b中的每个电极通过导电过孔1415中的一个导电过孔连接到对应的电极105a、105b，并且通过过孔1417中的一个导电过孔连接到区域1409。作为示例，电极1419a和1419b由与电极105a和105b相同的材料制成，或者包括与电极105a和105b相同的材料层堆叠。
作为示例，在形成电极1419a和1419b之后，层1421被沉积在结构的上表面侧上。例如，在沉积之后，层1413可以覆盖电极1419a和1419b的上表面和侧面。然后，例如通过化学机械抛光的平坦化的步骤使得能够获得具有平坦上表面的结构。
开关1400具有与开关1300相同或相似的优点。
尽管已经关于图14A和图14B图示了制造包括两个相变材料区域109和1409的开关的方法的实施模式，但是本领域技术人员将能够调整该方法来形成包括多个(两个以上)相变材料区域的开关，即，包括相变材料层与加热元件层的交替的结构。相对于开关100，这将使得能够进一步减小相变材料的每个区域的厚度，同时保持类似的导通状态电阻RON。
先前关于图13D和图14B讨论的开关1300和1400的实施例可以与图3的开关300的实施例组合。具体地，可以使开关1300和1400的相变材料区域109、1309、1409中的一个区域包括类似于开关300的柱状件301的一个或多个柱状件，该柱状件在相变材料区域中延伸，该一个或多个柱状件由具有比相变材料的导热率大的导热率的材料制成。因此，开关1300和1400将受益于与开关300类似的优势。
先前关于图13D和图14B讨论的开关1300和1400的实施例可以进一步与图7、图9、图10和图11的开关700、900、1000和1100的实施例组合。具体地，可以使开关1300和1400的相变材料区域109、1309、1409中的至少一个区域在包括与岛701相同或相似的至少一个岛的三维表面上形成。
本领域技术人员能够调整上面关于图13A至图13D描述的制造开关1300的方法和下面关于图14A至图14B描述的制造开关1400的方法，以形成这些不同的结构。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员应当理解，这些各种实施例和变型的某些特征可以进行组合，并且本领域技术人员将想到其他变型。
最后，基于上文给出的功能指示，所描述的实施例和变型的实际实现在本领域技术人员的能力之内。具体地，所描述的实施例不限于在本公开中提及的材料和尺寸的具体示例。
基于相变材料的开关可以被概括为包括：所述相变材料的第一区域和第二区域(109，1309；109，1409)，各自连接到开关的第一传导电极和第二传导电极(105a，105b)，第二区域位于第一区域上方；以及加热元件(1303)，位于所述相变材料的第一区域和第二区域之间，并且与所述相变材料的第一区域和第二区域电绝缘。
所述相变材料的第一区域和第二区域中间的区域(109)可以在第一电极和第二电极(105a，105b)之上并且与它们接触。
所述相变材料的其他区域(1309)可以通过过孔(1307)连接到第一电极和第二电极。
所述过孔(1307)可以通过其上表面与所述相变材料的所述其他区域(1309)的下表面接触。
所述相变材料的其他区域(1409)可以在第三电极和第四电极(1419a，1419b)之下并且与它们接触。
第三电极和第四电极可以通过过孔(1415)分别连接到第一电极和第二电极。
所述相变材料可以是硫族化物材料。
加热元件(1303)可以由金属或金属合金制成。
加热元件(1303)可以由钨或氮化钛制成。
开关还可以包括：一个或多个柱状件(301)，在所述相变材料的第一区域(109，1309)中延伸，该一个或多个柱状件由具有比所述相变材料的导热率大的导热率材料制成。
开关还可以包括：一个或多个柱状件(301)，在所述相变材料的第二区域(109，1409)中延伸，该一个或多个柱状件由具有比所述相变材料的导热率大的导热率的材料制成。
一个或多个柱状件(301)的材料可以电绝缘。
每个柱状件(301)可以具有等于大约300nm的最大横向尺寸。
制造开关的方法可以被概括为包括以下连续步骤：a)沉积所述相变材料的第一区域(109)；b)形成加热元件(1303)；以及c)沉积所述相变材料的第二区域(1309；1409)。
上述各种实施例可以被组合以提供其他实施例。如果需要采用各种专利、申请和出版物的构思来提供更进一步的实施例，则可以修改实施例的方面。
可以根据以上详细说明对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在所附权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求被赋予的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (13)

1.一种电子设备，其特征在于，包括：
开关，包括相变层，所述开关包括：
第一传导电极和第二传导电极；
所述相变层的第一区域和第二区域，各自耦合到所述开关的所述第一传导电极和第二传导电极，所述第二区域位于所述第一区域上方；以及
加热元件，在所述相变层的第一区域与第二区域之间，并且与所述相变层的所述第一区域和所述第二区域电绝缘；以及
多个柱状件，在所述相变层的所述第一区域中延伸，所述柱状件由具有比所述相变层的导热率大的导热率的导热层制成。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述第一区域在第一电极和第二电极之上并且与所述第一电极和所述第二电极接触。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其特征在于，所述第二区域通过过孔耦合到所述第一电极和所述第二电极。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其特征在于，所述过孔通过相应的上表面与所述相变层的所述第二区域的下表面接触。
5.根据权利要求2所述的电子设备，其特征在于，所述相变层的所述第二区域在第三电极和第四电极之下并且与所述第三电极和所述第四电极接触。
6.根据权利要求5所述的电子设备，其特征在于，所述第三电极和所述第四电极通过过孔分别耦合到所述第一电极和所述第二电极。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述加热元件包括钨层或氮化钛层。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于，包括：一个或多个柱状件，在所述相变层的所述第二区域中延伸，所述一个或多个柱状件由具有比所述相变层的导热率大的导热率的导热层制成。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
衬底；
第一电极和第二电极，在所述衬底上；
第一相变层，在所述第一电极和所述第二电极上；
加热元件，在所述第一相变层上；
第二相变层，在所述加热元件上，所述加热元件在所述第一相变层与所述第二相变层之间。
10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，包括：多个柱状件，在所述第一相变层中延伸，所述柱状件由具有比所述第一相变层的导热率大的导热率的导热层制成。
11.根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，包括：第三电极和第四电极，在所述第二相变层上。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，包括：第一过孔，在所述第三电极与所述第一电极之间。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其特征在于，包括：第二过孔，在所述第四电极与所述第二电极之间。
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