KR20090007363A - 상변화 저항기를 갖는 전기 디바이스 및 전기 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 전기 디바이스는 상 변화 물질을 포함하는 전기적으로 스위칭 가능한 저항기(2')를 구비한다. 상기 저항기의 저항값은 저항기의 줄 열을 사용하여 스위칭 구역으로 지칭되는 저항기의 일부분 내에서 상변화 물질의 상을 변경함으로써 적어도 두개의 값 사이에서 변경될 수 있다. 전기 디바이스는 상기 저항기 주위에 위치하며 상이한 열적 절연 특성을 갖는 적어도 두개의 인접 영역(26',28')을 포함하는 몸체(24')를 더 포함한다. 이들 영역은 열적 절연 콘트라스트를 형성하며 이 콘트라스트를 통해 스위칭 구역의 치수는 저항기의 치수를 변경할 필요없이 결정될 수 있다. 이러한 디바이스는 전자 메모리 또는 재구성가능 로직 회로에 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 상변화 물질을 포함하는 전기적 스위칭 가능 저항기를 포함하는 전기 장치에 관한 것으로, 그 저항기는 제 1 및 제 2 접촉 영역을 통해 제 1 및 제 2 전기 접촉부에 전기적으로 접속되고, 제 1 및 제 2 접촉 영역 사이에 소정 길이로 연장되며, 전기 장치는 제 1 및 제 2 접촉 영역 사이 및 저항기의 주면에 배치된 몸체를 더 포함하고, 그 몸체는 저항기와 열적 결합을 이룬다. 여기서, 소정 길이는 제 1 및 제 2 접촉 영역간의 거리가 저항기를 따라 측정되는 것으로 정의된다.
또한, 본 발명은 상술한 전기 장치를 포함하는 전기 회로에 관한 것이다.
그러한 장치는 예를 들어 (재)구성 가능 논리 또는 (재) 프로그램가능 비휘발성 메모리를 구비한 전자 장치에 응용될 수 있다.
WO2005041196A1에는 상변화 물질로 이루어진 메모리 물질층과, 서로간에 소정 거리로 배치된 제 1 및 제 2 전기적 접촉부를 구비하되, 그를 통해 전류 신호가 메모리 물질층의 스위칭 구역(switching zone)을 횡단하는, 전기 장치가 개시되어 있다. 그 전류 신호는 결정질 위상 및 비정질 위상간의 상변환을 유도하고, 그와 함께 스위칭 구역내의 상변화 물질의 저항의 변화를 유도하는데 이용될 수 있다.
전류 신호가 제공되는 동안, 상변화 물질의 줄 가열(Joule Heating)이 발생함으로써, 소위 "스위칭 구역"이라고 하는 상변환층의 일부분내에서 물질의 위상이 변환될 수 있을 정도까지 온도가 증가하게 된다. 특히, 결정질 부분의 온도가 용융 온도보다 높아지면, 그것은 비정질로 되고, 반면, 결정질 온도와 비정질 온도 사이의 온도로 비정질 부분을 가연하면, 그것은 결정질로 된다. 그 위상은 시간적으로 지속되며, 심지어는 전원이 셧다운(shutdown)된 이후에도 그러하다.
상변화 층내의 모든 상변화 물질이 결정질이면, 그 층의 저항은 비교적 낮아지는데, 그 이유는 결정질 상변화 물질의 고유저항이 비교적 낮기 때문이다. 이러한 것을 메모리의 "세트(SET)" 상태라 한다. 그러한 결정질층의 스위칭 구역내의 상변화 물질이, 결정질 위상보다 높은 고유 저항을 가진 비정질위상 상태이면, 그 저항은 비교적 높게 된다. 이것을 메모리의 "리세트(RESET)"라 정의한다. 스위칭 가능 또는 동적 저항은, 리세트 상태의 저항과 세트 상태의 저항간의 차이에 의해 정의되며, 스위칭시에 스위칭 구역의 저항의 변화에 의해 결정된다.
알려진 장치의 일 구현에 있어서, 결정질 위상에서 비정질 위상으로 변환을 유도하는데 이용되는 전류 신호("리세트 신호") 또는 그와 반대로 작용하게 하는 전류 신호("세트 신호")는 트랜지스터에 의해 제공된다. 저항기를 유효 동작 장치에 집적화하기 위해서는, 그의 서로 다른 상태들의 저항값들이 트랜지스터, 임의의 다른 스위칭 또는 선택 장치나 회로의 저항값들과 매칭되어야 한다. 그러므로, 저항기의 저항값은 독자적으로 정해지는 것이 바람직하다.
서로 다른 상태들의 저항값들이 신뢰성있게 독자적으로 정해지기가 어렵다는 점이 알려진 장치의 단점이다.
본 발명의 목적은 전제부에 설명된 유형의 장치를 제공하기 위한 것으로, 그 장치에서는 서로 다른 상태들의 저항들이 신뢰성있게 독자적으로 정해질 수 있다. 본 발명은 독립 청구항에 의해 정의된다. 종속 청구항은 장점이 있는 실시 예를 정의한다.
몸체는, 저항기의 길이 방향을 따라 및 제 1 접촉 영역과 제 2 접촉 영역 사이에서, 연속하는 제 1 영역과 제 2 영역을 포함하되, 제 1 영역 및 제 2 영역은 그들 사이에 연장된 제 1 접촉 표면을 정의하고, 그 접촉 표면은 저항기의 길이 방향에 대해 제 1 각도만큼 경사진 제 1 부분을 포함하고, 제 1 영역은 제 1 물질 성분을 가지며, 제 2 영역은 제 1 물질 성분과는 다른 제 2 물질 성분을 가짐으로서, 제 1 영역 및 제 2 영역이 서로 다른 열적 절연 성질을 갖게 되는 전제부에 설명된 전기 장치를 채택함으로써 본 발명의 목적이 실현된다.
본 발명은, 저항기를 둘러싸고 있으며 그 저항기와 열적 접촉을 이룸으로써 스위칭 구역의 치수를 조절할 수 있게 하는 몸체내에 열적 콘트라스트가 생성될 수 있다는 인식에 기반한다.
그 몸체는 제 1 접촉부와 제 2 접촉부 사이에 있는 저항기의 주변으로 연장되어 있으며, 저항기 표면으로부터 저항기의 길이 방향에 대해 수직하게 진행하여 저항기내에 생성된 열이 그 주변내로 관통하는 거리보다 작은 거리이내로 연장된다. 따라서, 그 몸체는 저항기와 열적 접촉을 이룬다.
용어, "열적 콘트라스트"는 저항기 측면에 있는 몸체의 열적 절연 성질이 저항기의 길이 방향을 따라서 달라지게 하는 몸체내의 구조를 지칭한다. "열적 절연 성질"이란 용어는, 상식적으로 물질의 열적 절연에 영향을 미치는 적어도 하나의 파라메타를 포함하는 것을 의미한다. 그러한 파라메타는, 예를 들어, 특정의 열적 용량 및/또는 열적 전도성을 포함한다. 몸체내의 그러한 구조는 서로간에 인접하게 배치되어 제 1 부분이 저항기의 길이 방향에 대해 0° 또는 180°차이가 나는 경사 각도를 가진 상호 제 1 접촉 표면을 갖도록 하는 제 1 영역과 제 2 영역에 의해 형성된다. 제 1 영역과 제 2 영역이 서로 다른 열적 성질을 가지기 때문에, 몸체는 제 1 접촉 표면의 경사진 부분의 그 위치에서 저항기 측면을 따라 열적 콘트라스트를 구비하게 된다.
가열 동안, 열적 콘트라스트는 저항기의 길이 방향을 따르는 서로 다른 위치에서 생성된 열이 서로 다른 속도로 몸체 내부를 관통하여 흐르게 한다. 그와 함께, 몸체는 저항기의 길이 방향을 따르는 서로 다른 위치에 서로 다른 냉각을 제공하여, 저항기의 길이 방향을 따르는 저항기내의 온도 분포에 영향을 준다. 따라서, 적절한 비정질화 전류 신호를 저항기에 인가하고 나면, 결정질 상변화 물질과 비정질 상변화 물질간의 천이 영역이 열적 콘트라스트 위치의 측면을 따라 저항기내에 형성된다. 이러한 천이 영역은 소정 길이 간격에 걸쳐 연장되며, 스위칭 구역의 절단 경계 표면을 나타낸다.
따라서, 하나 이상의 단면의 경계면의 위치를 조정함으로써, 스위칭 구역의 길이를 제어할 수 있다. 이것은 동적 저항에 대한 제어를 제공하며, 따라서 RESET 및 SET 상태의 저항을 독립적으로 설계하여 획득할 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에서 더욱 명확해진다.
부가적인 이점은, 상 변화 물질의 구성의 복잡한 조정을 거치지 않고도 저항에 대한 독립적인 제어를 얻는다는 것이다. 여러 상들의 고유 저항 외에, 다수의 다른 파라미터들도 이 구성에 의존한다. 그러한 파라미터의 예로는, 스위칭 속도, 비정질 상의 안정성 및 다른 디바이스 물질과의 화학적 호환성이 있다. 따라서, 본 발명은 복잡하고 비용이 많이 들며 시간 소모적인 물질 조정의 필요성을 감소시킨다. 또한, 본 발명은 상 변화 물질의 선택의 자유도를 증가시킨다.
본 발명의 다른 이점은 RESET로부터 SET 상태로 스위칭하는 임계 전압이 제어될 수 있다는 것이다. 임계 전압은, 저항기가 상 변화로 인해 발생하는 상의 변화 없이 전류를 도통할 수 있는 전압 범위의 상한을 정의한다. 임계 전압이 RESET 상태 저항에 의존한다는 것은 A. Pirovano 등의 IEEE 2002, A. Pirovano, A. L. Lacaita, D. Merlani, A. Benvenuti, F. Pellizzer and R.Bez in, IEDM Tech. Dig., 923-926(2002)에 개시되어 있다.
임계 전압은 바람직하게는 디바이스를 포함하는 집적회로(IC) 또는 전기 장치 내에서 이용 가능한 공급 전압보다 더 낮다. 그렇지 않다면, 스위칭이 방해받거나 또는 보다 높은 전압을 공급하기 위해 비용이 많이 드는 복잡한 부가적인 조치가 필요하다.
열적 콘트라스트는 제 1 및 제 2 영역의 물질 구조의 선택 및/또는 기하학적 구조의 설계에 의해 바람직하게 조정될 수 있다. 또한, 이 조정은 예를 들어 기존의 반도체 제조 공정 흐름에 본 발명의 통합을 용이하게 하는 종래의 반도체 제조 기법에 의해 행해질 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스의 제 1 실시예는 청구항 2에 개시된 바와 같이 정의된다. 이 제 1 접촉 표면의 제 1 부분과 저항기의 길이 방향 사이의 제 1 경사각의 값이 60°와 120° 사이인 경우, 열적 콘트라스트는 비교적 높다. 이로 인해, 스위칭 구역의 단면의 경계면이 비교적 얇은 전이 영역(transition region)을 형성한다. 이 전이 영역이 얇아질수록, 경계면의 위치가 길이 방향을 따라 보다 양호하게 정의되며, 동적 저항에 대한 제어가 보다 정확해진다. 따라서, 콘트라스트가 뚜렷해질수록, 특히 저항기가 짧을 때, 복수의 단면의 경계면의 경우에도 유익하다. 다른 이점은, 동적 저항이 디바이스의 신뢰도를 향상시키는 스위칭 신호의 변화에 덜 민감하다는 것이다. 이것은 전이 영역 내의 온도 분포가 단면의 경계면의 위치가 온도에 덜 의존하도록 보다 급격하다는 사실 때문이다.
본 발명에 따른 디바이스의 일실시예는 청구항 3에 개시된 바와 같이 정의된다. 이 실시예에서, 디바이스는 제 3 및 제 4 영역 사이에 형성된 제 2 접촉면을 포함한다. 이 제 2 접촉면은 제 1 접촉면 및 그것의 제 2 부분과 동일한 종류이고, 저항기의 길이 방향과의 제 2 경사각을 가지며, 저항기의 측면을 따라 본체 내에 제 2 열적 콘트라스트를 생성한다. 제 1 열적 콘트라스트에 대해 설명한 모든 이점이 제 2 열적 콘트라스트에 적용된다. 그러나, 제 2 열적 콘트라스트가 제 1 열적 콘트라스트와 실질적으로 독립적으로 조정될 수 있기 때문에, 스위칭 구역의 여분의 단면의 경계면에 대한 제어가 가능하다. 이로 인해, 스위칭 구역을 한정하는 자유도가 증가한다. 예를 들면, 저항기가 그 길이를 따라 일정하지 않는 형상 또는 구성을 갖는 경우, 동적 저항은 스위칭 구역의 위치에 의존한다. 또한, 단면의 경계면은 제 1 및 제 2 접촉부와 주변으로부터 일정한 거리를 유지할 수 있으며, 이들 접촉부는 히트싱크로서 작용하므로, 스위칭 전력을 감소시킬 수 있다.
이 실시예의 한 변형예에서는, 제 1 및 제 4 영역이 동일한 물질 구성을 가지며, 제 2 및 제 3 영역이 동일한 물질 구성을 갖는다. 이 구성에서는, 제 2 영역이 그 양쪽에 접촉면을 가지며 저항기의 길이 방향과 경사진 제 1 영역에 돌출부를 형성한다. 두 영역만을 갖는 경우의 이점은 설계 및 제조가 보다 간단하다는 것이다.
본 발명에 따른 디바이스의 일실시예는 청구항 4에 개시된 바와 같이 정의된다. 실질적으로 평행한 추가 부분은 열적 콘트라스트를 형성하지 않는다. 따라서, 추가 부분의 측면을 따른 저항기의 일부분 내에서의 온도 구배는 비교적 작은데, 즉 저항기 내의 온도는 이 부분의 측면을 따라 크게 상이하지 않을 것이다. 추가 부분이 비교적 긴 경우에, 저항기의 인접 부분 내의 온도는 그 길이를 따라 실질적으로 일정할 수도 있다. 스위칭 구역 내의 그러한 온도 분포는 원치 않는 핫스폿(hotspot)을 감소시키고, 제어된 상 변화 또는 스위칭 동력을 제공하며, 따라서 디바이스의 신뢰도와 수명을 향상시킨다.
본 발명에 따른 디바이스의 일실시예는 청구항 6에 개시된 바와 같이 정의된다. 보조 영역은 본체로부터 저항기를 물리적으로 분리시키고, 여러 목적에 그 특정 이점을 제공할 수도 있다. 첫째로, 이 보조 영역은 본체의 물질들과 저항기 사이의 응착을 촉진하도록 하는 물질 구성을 가질 수 있으며, 이에 따라 디바이스의 통합을 향상시킬 수 있다. 둘째로, 보조 영역은 본체에 존재하는 물질 구성에 의해 오염으로부터 저항기를 보호하고/또는 그 반대로 본체를 보호하 수 있다. 이 보조 영역은 저항기와 직접 접촉할 때 저항기와 호환될 수 없는 재료가 본체 내의 열적 콘트라스트의 구성에 사용될 수 있게 한다. 셋째, 보조 영역은 동작 동안에 저항기의 (필수적) 물질 구성의 외부 확산(out-diffusion) 또는 기체 방출을 감소시키는 장벽 층을 형성할 수 있다. 따라서, 디바이스 동작 신뢰도 및/또는 수명이 향상된다. 넷째, 보조 영역은 기계적 또는 열적 기계적(thermal-mechanical) 안정성을 향상시키는 물질로 형성될 수 있다. 이는 콘트라스팅 영역들 중 하나가 진공 또는 기체 또는 액체로 채워진 보이드(void)를 포함할 때 유익할 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스의 일실시예는 청구항 7에 개시된 바와 같이 정의된다. 최소 단면이 직사각형인 경우, 그 최소 크기는 최단 면의 길이이다. 또는, 최소 단면이 실질적으로 둥글거나, 타원형 또는 원형인 경우에는, 그 최소 크기가 최소 반경이다. 스위칭 구역은 그 길이 방향으로 저항기를 따라 실질적으로 연장되는 측면 경계면을 갖는다. 이 스위칭 구역은 저항기 표면과 거의 평행하거나 또는 부분적으로 또는 완전히 일치할 수도 있다. 이 실시예에서, 경계면은 단면의 경계면의 총 면적보다 더 크다. 따라서, 스위칭 또는 가열되는 경우, 보다 많은 열이 단면의 경계면을 통하기보다 측면 경계면을 통해 본체로 흐른다. 이것은 열적 콘트라스트의 효과를 증가시킨다.
본 발명에 따른 장치의 실시예는 청구항 제 8 항에 규정된다. 나노와이어는 비교적 작은 직경을 가지며 그 단면 치수에 비해 비교적 그 길이는 길다. 또한 이전에 기술된 실시예에 의하면, 몸체의 열적 콘트라스트는 특히 효과적이다. 작은 단면 치수로 인해, 단면 경계 표면은 비교적 얇다. 즉, 그 단면 경계 표면은 비교적 짧은 길이 구간 동안 연장된다.
본 발명에 따른 장치의 실시예는 청구항 제 9 항에 규정된다. 이러한 압축부 내에서, 전류 밀도는 저항기의 어디에서보다 더 높다. 따라서, 대부분의 열은 압축부 내에서 발생되며, 그 위치 및 형상은 효과적으로 사전결정되어, 몸체의 열적 콘트라스트와 협력하여 스위칭 영역 제한 또는 규정에 대한 효과를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 장치의 실시예는 청구항 제 10 항에 규정된다. 제조 동안 층들의 증착이 기판의 표면에 대해 병렬로 발생할 때, 길이 방향의 콘트라스팅 영역들의 치수와 스위칭 영역의 길이는 층의 두께와 함께 조정될 수 있다. 층의 두께 조정은 일반적으로 매우 정밀하며 수 개의 원자층으로까지 내려갈 수 있어서 비교적 짧은 스위칭 영역을 통해 상기 제어를 효과적으로 가능하게 한다. 또한, 층들의 표면 거칠기는 일반적으로 비교적 정밀하게 제어될 수 있다. 이는 보다 우수한 컨택트 표면의 형성을 가능하게 하여 다이나믹 저항 제어에 대한 효과와 함께 열적 콘트라스트의 선명도(sharpness)를 향상시킬 수 있다. 수직 배열된 저항기의 또 다른 이점은 수직 배열된 저항기보다 공간을 덜 필요로하여 장치 집적 밀도를 향상시킬 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 장치의 실시예는 청구항 제 11 항에서 규정된다. 진공 또는 가스들은 비교적 우수한 열적 절연 특성을 갖는다. 따라서, 가스 또는 진공을 포함하는 영역과 비교적 덜 우수한 열적 절연 특성을 갖는 영역을 조합하여 컨택트 표면을 형성하게 되면 물질의 시각적 포인트로부터 비교적 우수한 열적 콘트라스트가 제공된다. 또한, 비교적 우수한 열적 격리에 의해 낮은 스위칭 전류 또는 전력이 효과적으로 발생된다. 게다가, 가령 고밀도 집적 체계에서 이웃하는 장치들 간의 열적 간섭을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 실시예는 청구항 제 12 항에서 규정된다. 몸체에서 열적 콘트라스트를 조정하기 위해, 위에서 언급한 열적 콘트라스트를 형성하는 두개의 영역의 두 물질 조정물의 열 전도성의 비율이 선택될 수 있다. 하나의 변형 실시예에서, 이 비율은 5보다 크다. 10 또는 20보다 큰 비율과 함께 보다 우수한 콘트라트스가 달성된다. 바람직하게도 이 비율은 30 또는 40보다 크다.
본 발명에 따른 전기 장치의 제 1 실시예는 청구항 제 13 항에서 규정된다. 그 장치는 전기적 비휘발성 메모리로서 사용될 수 있다. 각각의 메모리 셀은 선택 장치를 포함하여, 개개의 메모리 요소들이 저항기의 상태의 결정 또는 세팅을 위해 편리하게 독립적으로 선택될 수 있게 한다.
본 발명에 따른 전기 장치의 제 2 실시예는 청구항 제 14 항에 규정된다. 그러한 장치는 재구성가능한 또는 재프로그램가능한 로직 장치로서 기능할 수 있다. 이와 관련하여 스위치의 상태가 잔류(remnant)적인 것이 효과적이며, 이는 전력 셧다운이후도 그 상태가 유지된다는 것을 의미한다. 스위치의 상태는 장치의 동작 동안 변경될 수 있다. 또한 장치의 기능은 동작 동안 변경될 수 있다.
주목할 것은 에너지 제어 메카니즘을 갖는 메모리 소자가 미국특허 제5,933,365호에서 개시되고 있다는 것이다. 여기에는 메모리 물질의 프로그래밍을 위하여 이용가능한 에너지의 보다 효율적인 사용을 달성하기 위해, 메모리 소자가 메모리 물질의 적어도 일부로부터 열 에너지의 이송을 제어하기 위한 열적 격리 수단을 포함한다는 것을 기술하고 있다. 장치의 실시예에서 메모리 물질을 부분적으로 캡슐화하는 두개의 열적 격리 층이 이러한 목적 달성을 위해 사용된다. 그러나, 이 미국특허에서는 본 발명에서 기술되는 열적 콘트라스트를 생성하여 사용하는 방법에 대해서는 개시하지 않고 있다.
열적 절연 보이드를 사용하는 상변화 물질이 미국특허 제6,815,704호에 기술되고 있다. 이 공지된 장치에서는 상변화 물질로부터의 열이 절연 물질을 통해 전도되는 것을 방지하기 위해 스페이서 물질(spacer material) 내에 보이드(void)가 형성된다. 이 공지된 장치에서는 요구되는 스위칭 전력을 감소시키도록 프로그램된 메모리 물질의 볼륨을 감소시키는 데 보이드가 사용된다. 그러나, 본 발명에서 기술되는 열적 콘트라스트의 준비 및 사용에 대해서는 개시하지 못하고 있다.
미국 특허 공개 제 2005/0056937 A1호의 문헌에서는 커넥션 장치(connection device)가 기술되며 이는 다수의 재구성가능한 상변화 비아(re-configurable phase change vias)를 포함하며, 이 비아는 제 1 금속층과 제 2 금속층을 연결한다. 상기 제 1 금속층과 제 2 금속층 간에는 가열 요소가 배치된다. 가열 요소는 전도성을 변경하기 위해 재구성가능한 상변화 비아의 저항성 가열을 위한 액추에이팅 요소(actuating element)를 제공한다. 이 문헌은 비 전도성 상태에서 비아의 저항값을 제어하는 방법에 대해서는 어떠한 언급도 하고 있지 않다.
본 발명의 이러한 측면 및 기타 측면들은 도면과 관련하여 기술될 것이다.
도 1은 저항기의 길이 방향에 대해 수직으로 관측되는, 종래 기술의 장치의 실시예의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 저항기의 길이 방향에 대해 수직으로 관측되는, 본 발명의 장치의 실시예의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 저항기의 길이 방향에 대해 수직으로 관측되는, 본 발명의 여러 실시예의 단면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따라 에어(air)가 채워진 보이드(void)를 포함한 몸체를 갖는 저항기 내의 계산된 온도 프로파일을 그 길이 방향에 따라 도시한 도면이다.
도 7은 에어 갭 길이(air gap length)의 함수로서 도 7의 저항기의 계산된 RESET 전력을 도시한 도면이다.
도 8은 수평 저항기가 트랜지스터에 전기적으로 접속된 본 발명에 따른 장치 의 실시예의 단면의 일부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 수직 저항기가 트랜지스터에 전기적으로 접속된 본 발명에 따른 장치의 실시예의 단면의 일부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 메모리 장치의 개략적 전기 접속 체계이다.
도 11은 본 발명에 따른 재구성가능한 또는 프로그램가능한 로직 장치의 개략적 전기 접속 체계이다.
본 발명은 동일한 저항기(2)(2')를 포함하지만 저항기의 주변은 상이한 장치의 2 개의 단면을 개략적으로 도시하는 도 1 및 도 2를 사용하여 설명된다. 도 1에 도시된 장치는 종래 기술을 나타내지만, 도 2의 장치는 본 발명에 따른 장치의 실시예를 나타낸다.
상 변화 재료를 포함하는 각 저항기는 상 변화 재료의 특성 및 저항 내에서 상 변화 재료의 상대적인 양에서 비롯되는 상이한 저항값을 가진 2 개 이상의 상태를 가질 수 있다. 이 재료는 전기적 저항률 ρamorph 이 비교적 높은 비결정질 상 또는 전기적 저항률 ρcryst이 비교적 낮은 결정질 상에 존재할 수 있다. 그러나, 도 1 및 도 2에 도시된 예에서, 저항기(2)(2')는 전적으로 2 개의 상만 가지는 상 변화 재료로 만들어진다고 가정한다. 따라서, 저항기(2)(2')는 전기적 저항률이 비교적 낮은 SET 상태 또는 전지적 저항률이 비교적 높은 RESET 상태에 있을 수 있 다.
양 장치에서, 저항기(2)(2')는 제 1 전극(4)(4')과 제 2 전극(6)(6') 사이에 연장되고, 둘 다 제 1 전기적 접촉 영역(8)(8')과 제 2 전기적 접촉 영역(10)(10')을 통해 저항기에 전기적으로 접속된다. 저항기(2)(2')는 저항기를 따라 제 1 접촉 영역(8)(8')으로부터 제 2 접촉 영역(10)(10')까지 측정된 길이(LR)(LR')를 갖는다. 길이(LR)(LR')는 저항기를 통해 전류 흐름 방향으로 측정된다. 저항기(2)(2')는 저항기의 용량 또는 부분을 나타내는 스위칭 구역(12)(12')을 더 포함하는데, 상 변화 재료의 상은 적합한 전류 신호가 전극(4)(4') 및 (6)(6')을 통해 저항기에 인가될 때 변한다. 스위칭 구역(12)(12')은 영역 AC을 가진 횡단면 경계 표면(14)(14') 및 (16)(16')뿐만 아니라, 영역 AL을 가진 측면 경계 표면(18)(18')도 구비하는데, 이들은 함께 전체 스위칭 구역을 둘러싼다. 스위칭 구역(12)(12')은 횡단면 경계 표면(14)(14') 및 (16)(16') 사이의 길이(LS)(LS')에 걸쳐 길이 방향으로 연장한다.
도시된 장치는 길이 방향 주변에서 대칭이다. 장치의 단면은 길이 방향을 따라 일정하며, 그 결과 횡단면 경계 표면(14)(14') 및 (16)(16')도 이 방향을 따라 일정하게 된다. 측면 경계 표면(18)(18')이 저항기(2)(2')의 표면과 일치하다고 또한 가정한다. 본 발명이 이러한 구성 및 대칭으로 한정되지 않음을 알아야 한다. 저항기(2)(2')의 SET 상태의 저항 RSET은 RSET=ρcryst·LR/AC과 같다. RESET 상태에서 저항기(2)(2')는 저항 RRESET=(ρcryst·(LR-LS)+ρamorph·LS)/AC을 갖는다. RRESET-RSET으로 정의되는 동적 저항 또는 스위칭 가능한 저항 Rdyn은 Rdyn=(ρamorph-ρcryst)·LS/AC과 같다. 따라서, 만일 LS가 LR과 독립적으로 제어될 수 있다면 RRESET은 RSET와 독립적으로 사전결정될 수 있다.
도 1에 도시된 종래 기술의 장치에서, 스위칭 구역(12)의 길이 LS는 가열하기 위해 인가된 스위칭 전력 및 냉각을 제공하는 저항기(2)의 주변의 열 특성에 좌우된다. LS를 감소시키기 위해 스위칭 전력을 낮추는 것을 신뢰할 수 없다는 것, 즉, RESET 상태의 저항의 상당한 확산이 스위칭이 반복됨에 따라 발견된다는 것은 발명자에 의해 입증되었다. 신뢰가능한 스위칭을 위해, 스위칭 구역이 저항(2)의 길이 LR 내에서 최대 길이를 가지도록 전력이 증가해야 한다. 이 경우에 경계 표면(14,16)의 위치는 전기적 접촉부(4,6)의 냉각 특성을 제어함으로써 다른 접촉 재료의 존재에 따라 바로 주변의 보다 좁은 범위까지 결정된다. 이들 접촉부(4,6)는 각각 저항기(2)의 부분(20,22)에서 생성된 열에 대한 열 싱크로서 제공되어, 이들 부분을 효율적으로 냉각하고 각 접촉 표면(8,10)으로부터 이격된 경계 표면(14,16)을 고정한다. 그러나, RESET 상태의 저항은 SET 상태의 저항에 커플링되어, 그들의 독립적인 조정이 방지된다.
본 발명은 횡단면 경계 표면(14,16) 중 적어도 하나를 저항기의 길이 방향을 따라 재배치하여 LS가 최대값으로부터 감소하도록 저항기(2)의 가까운 주변의 특정 설계 및 구성을 이용함으로써 이 문제점을 극복하는 것을 가능하게 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 양 장치에서, 저항기(2)(2')의 가까운 주변은 저항기를 캡슐화하는 몸체(24)(24')로 나타낸다. 길이 방향으로, 몸체(24)(24')는 제 1 접촉 영역(8)(8')과 제 2 접촉 영역(10)(10') 사이에서 연장된다. 이 방향과 수직으로, 몸체(24)(24')는 거리 d에 걸쳐 저항기의 표면으로부터 연장된다. 몸체(24)(24')의 내부 경계 표면은 저항기(2)(2')의 외부 표면과 일치하고, 몸체의 외부 경계 표면은 점선으로 나타낸다.
우선 도 1을 참조하면, 횡단면 경계 표면(14 또는 16) 중 어느 하나로부터 이격된 스위칭 구역(12) 내에서 발생한 열은 몸체(24)로 전달된다. 당업자는 가열 사건의 시작부터 측정된, 시간 t 동안 몸체(24) 내로의 거리 열 이동이 "열 침투 깊이"로 지칭됨을 알고 있다. 이 깊이는 
에 비례하는데, k는 열 전도율이고 C는 몸체(24)의 특정 열 용량이다. 열 침투 깊이의 범위 내에 위치하는 몸체(24)의 모든 부분은 시간 t 동안 저항기(2)와 열 접촉하고 있으며, 시간 t 동안 저항기의 냉각에 기여한다.
본 발명의 요점은 몸체(24)가 저항기(2)를 따라 서로 다른 위치에서 상이한 냉각을 제공하도록 구성된다는 것이다. 도 2는 이러한 구조를 예시하는 몸체(24')를 구비하는 본 발명에 따른 장치의 실시예를 도시한다. 이 몸체(24')는 사이를 연장하는 공통의 제 1 접촉 표면(32')을 규정하도록 배치된 제 1 영역(26') 및 제 2 영역(28')을 포함한다. 이 표면의 제 1 부분(34')은 길이 방향에 대하여 경사각 α1을 갖는다. 제 1 부분(34')은 저항기의 가장 가까운 표면에 실질적으로 평행하지 않다. 또한, 제 1 영역(26') 및 제 2 영역(28')은 재료 혼합물을 가지며, 이에 따라 열 전도율 및/또는 특정 열 용량이 달라서 영역(26',28')이 상이한 단열을 제공하게 된다. 따라서, 이 몸체(24') 내에서, 길이 방향을 따라 몸체(24')를 통과할 때 제 1 부분(34')을 지남에 따라 단열 특성은 갑자기 실질적으로 변한다. 예시적인 통과 루트는 화살표(36')로 나타낸다. 설명된 몸체(24')의 구조는 "열적 콘트라스트"를 발생시킨다.
열적 콘트라스트는 가열 사건 동안 길이 방향을 따라 저항기(2') 내의 온도 분포에 실질적으로 영향을 준다. 예컨대, 영역(26')이 영역(28')보다 더 나은 절연 특성을 갖는다고 가정하면, 스위칭 사건 동안 영역(26')에 가장 가까이 배치된 저항기의 일부분은 영역(28')에 가장 가까운 부분보다 더 뜨거워질 것이다. 따라서, 적합한 스위칭 신호가 인가되면, 스위칭 구역(12')은 영역(26') 쪽에 배치된다. 따라서, 특별히 설계되고 구성된 몸체(24')가 없다면 장치의 저항기(2) 내에 있는 횡단면 경계 표면(16)과 비교했을 때 횡단면 경계 표면(16')은 시프트하였다.
본 발명은 LR과는 무관하게 Ls을 Ls'로 감소시키는 것을 가능케 한다. 그에 따라, RESET 상태의 저항은 SET 상태의 저항으로부터 독립적으로 제어될 수 있다. 또한, 이것은 서로 다른 상(phase)의 저항을 독립적으로 튜닝하기 위해 성가시게 상변화 물질의 재료 조합을 적응시키는 일 없이 수행될 수 있다. 이러한 조정은 일반적으로 매우 복잡하며, 이는 다른 재료들의 특성이 동시에 조정되어야 하기 때문 이다. 또한, 동작 중의 전력 필요량은 AC를 통해 및/또는 예로서 질소, 산소 또는 그외의 원소를 갖는 상변화 물질의 혼합 또는 도핑을 통한 두 저항의 조정을 통해 편리하게 조정될 수 있다.
실제로, 단면의 경계 표면(14(14')) 또는 표면(16(16'))은 유한 두께 ΔL을 갖는 전이 영역을 나타내며, 이때 상변화 물질은 비결정질로부터 결정질로 또는 그 역으로 변화한다. 길이 방향에 따른 전이 영역 내에서의 온도 분포가 더욱 급격하도록 열적 콘트라스트가 더욱 가파르거나 첨예할 때에, 이러한 두께는 보다 작다. 따라서, 몸체(24') 내의 열적 콘트라스트가 보다 우수하거나 보다 첨예할수록, 단면의 경계 표면(16')의 위치는 보다 정확하게 정의되고, 가열 사건 동안 도달된 절대 온도에 대한 위치의 민감도는 낮아진다. 따라서, 첨예한 열적 콘트라스트는 디바이스 동작 신뢰도를 향상시키기 때문에 바람직하다.
열적 콘트라스트를 설정 또는 튜닝하는 제 1 선택은 몸체(24')의 지형적 구조를 조정함으로써 수행된다. 도 3, 4 및 5에서 본 발명에 따른 디바이스의 다수의 개략적인 실시예가 도시되었다. 이러한 도면이 길이 방향에 따른 2차원 표현의 단면도임을 인지하여라. 바람직하게, 3차원에서, 본 발명에 따른 저항 및 자신의 몸체는 자신의 길이 주위에서 대칭한다. 그러나, 반드시 그래야만 하는 것은 아니다. 예로서 몸체는 저항의 한 측면 상에서 열적 콘트라스트를 포함하고 다른 한 측면 상에는 포함하지 않을 수 있다. 이것은 예로서 제조를 용이하게 할 수 있다. 이와 달리, 몸체의 다른 측면이 전력 감소 또는 디바이스의 기계적 강화와 같은 다른 기 능을 수행할 수도 있다.
도 3a 내지 3c에서, 접촉 표면의 부분(34')에 의해 제공된 열적 콘트라스트는 저항(2')의 최근접한 표면과 직접 접촉한다. 이것은 열적 콘트라스트의 효과가 향상되기 때문에 바람직하다. 이와 달리, 필요하다면, 도 3d 또는 3e에 도시된 바와 같이 열적 콘트라스트는 저항으로부터 거리를 두고 몸체 내에 위치될 수도 있다. 바람직하게는, 열적 콘트라스트는 저항의 최근접한 표면에 최대한 가깝게 위치한다. 이것은 공간을 절약한다. 또한, 가열 시간 또는 스위칭 시간 t가 작아지면, 매개체 내로의 열 침투가 보다 얕아진다. 그러므로, 스위칭 속도가 증가되어야 할 때 열적 콘트라스트는 최근접한 저항 표면에 보다 가까워야 한다.
향상된 열적 콘트라스트를 갖는 실시예에서, 저항(2')의 길이 방향에 대한 제 1 부분(34')의 경사도 α1는, 바람직하게는 60°와 120° 사이의 값을 갖는다. 특별히 첨예한 열적 콘트라스트를 위해서는 도 3a, 3e 또는 3d에 도시된 바와 같이 90°의 값을 갖는다.
제 1 접촉 표면(32')의 제 1 부분(34')의 형태는 튜닝될 수 있다. 제 1 부분(34')은 향상된 열적 콘트라스트를 위해 편평한 표면을 포함할 수 있다. 바람직하게는 도 3a, 3c, 3d 및 3e에 도시된 바와 같이 완전히 편평하다. 이와 달리, 제 1 부분(34')은 도 3b에서와 같이 구부러진다. 이러한 경우, 향상된 열적 콘트라스트 및/또는 열 에너지 제한을 위해 보다 우수한 단열 특성을 갖는 영역을 향하는 곡률이 바람직하며 그에 따라 보다 낮은 전력 사용량을 나타낸다.
향상된 열적 콘트라스트를 위해 도 3d에서의 예시와 같이 제 1 부분(34')과 일부 다른 표면이 만나는 코너(38')가 날카로운 것이 바람직하며 도 3f에서와 같이 둥글려지지 않는다. 다른 표면은, 예로서 최근접 저항 표면(18') 또는 제 1 접촉 표면의 다른 부분(58')을 포함한다.
제 1 부분(34')은 도 3a, 3b, 3d 및 3f에서와 같이 전체 몸체(24')를 통해 연장할 수 있다. 이와 달리 이것은 도 3c 및 3e에 도시된 바와 같이 몸체(24')의 일부 상에서만 연장할 수도 있다. 이러한 경우, 이것이 길이 방향에 대해 직교하게 연장하는 폭(40')은 중요하다. 이러한 폭에 대한 이론적인 최소값을 제공하는 것이 어려움에도 불구하고, 열적 콘트라스트가 저항 내의 온도 분포에 대한 영향을 미치도록 충분히 커야만 한다. 폭(40')이 0일 때, 열적 콘트라스트가 전혀 존재하지 않음을 인지하여라. 접촉 표면(32')의 양 측면 상의 두 영역(26', 28')에서, 폭(40')은 최상의 단열 특성을 갖는 영역 내에서 발생하는 최단 열 침투 깊이보다 클 필요가 없다.
도 4는 길이 방향에 대한 제 2 경사도 α2를 갖는 제 2 부분(44')을 모두 포함하는, 제 2 접촉 표면(42')을 포함하는 다수의 실시예를 개략적으로 도시한다. 제 2 부분(44') 및 이것이 제공하는 제 2 열적 콘트라스트는 길이 방향에서 제 1 접촉 표면(32')의 제 1 부분(34')과는 다른 위치에 위치한다. 이것은 스위칭 구역(12')의 제 2 경계 표면(46')의 위치에 대한 제어를 가능케 한다. 제 1 접촉 표면(32')에 대해 기술된 모든 특성 및 장점이 제 2 접촉 표면(42')에 대해서도 동일하게 적용된다. 두 개의 접촉 표면을 구비하는 것은, 스위칭 구역(12')의 길이에 대한 제어를 가능케할 뿐 아니라, 저항(2')의 길이에 따른 위치에 대한 제어도 가 능케 한다.
제 2 접촉 표면(42')은 서로 다른 열 특성을 갖도록 재료들의 조합을 갖는 제 3 영역(48')과 제 4 영역(50') 사이에서 형성될 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같은 열적 콘트라스트를 갖는 디바이스에서, 네 개의 영역(26', 28', 48', 50) 모두는 서로 다른 단열 특성을 갖도록 서로 다른 재료 특성을 가질 수 있다. 이와 달리, 도 4b, 4c, 4d, 4e, 4f 및 4g에 도시된 바와 같이, 영역(28', 48')은 그들이 하나의 결합된 영역(52')이 되도록 동일한 재료 조합을 가질 수 있다. 도 4b의 디바이스에서 영역(26', 50')은 서로 다를 수 있다. 바람직하게는, 영역(26', 50')은 동일하며, 단일의 결합된 영역(54')을 형성하여, 결합된 영역(52')이 결합된 영역(54') 내에 돌출부를 형성하도록 한다. 이것은 예로서 도 4c, 4d, 4e, 4f 및 4g에 도시되었다. 결합된 영역을 갖는 실시에는 보다 적은 제조 단계를 필요로 한다.
도 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f 및 4g에 도시된 바와 같이, 몸체(24') 내의 접촉 표면(32') 및/또는 접촉 표면(42')은 저항(2')의 최근접 표면에 실질적으로 평행하게 배향된 추가 부분(56') 및/또는 부분(58')을 구비한다. 이러한 부분(56') 및/또는 부분(58')은 열적 콘트라스트를 발생시키지 않을 것이다. 그러나, 이것은 자신에 최근접한 저항의 일부분 내에서 완곡한 온도 분포를 유도할 것이다. 이것은 원치않는 온도 편차를 감소시키고 디바이스 동작 신뢰도 및 수명을 향상시킨다.
예를 들어, 부분(58')은 스위칭 구역(12')을 따라 위치된다. 이에 의해 이러한 구역 내의 핫스폿(hotspots)의 양을 감소시킨다. 이러한 핫스폿에 도달하는 온도가 용융점보다 높게 되면, 핫스폿은 SET 상태로의 스위칭 동안 결정화의 다이 내믹스를 붕괴시킬 수 있다. 다른 장점은 WO 2004/057684 A1에 기술된 바와 같이 소위 "고속 성장" 상변화 재료가 사용될 때의 스위칭 속도에 관한 것이다. 이러한 부류의 재료에서, 비정질 상변화 재료의 결정화는 스위칭 구역(12')의 경계 면에 존재하는 상변화 재료 결정의 성장을 통해 생성한다. 결정화 동안, 이들 경계 면은 스위칭 구역(12')을 통해 변위된다. 이러한 변위는 제어된 방식으로 발생되어 디바이스의 수명 및 신뢰성을 증강시키는 것이 바람직하다. 한편, 예를 들어, US 5,913,365에서 기술된 것과 같은 소위 핵 성장 상변화 재료가 사용되는 경우, 핫스폿은 결정화를 위한 시드를 초래하도록 요구될 수 있다. 그 경우에, 접촉면의 평행한 부분(58')은 스위칭 구역을 따라 존재할 필요는 없다. 또한, 접촉면은 심지어 거친 부분 또는 스파이크된 부분을 포함할 수 있다.
도 5에는, 보조 영역(60')을 포함하는 디바이스에 대한 다수의 실시예가 도시되어 있다. 이러한 보조 영역(60')은 몸체(24')로부터 적어도 부분적으로, 저항기(2')를 물리적으로 분리시킨다. 이것은 다수의 목적을 제공할 수 있다. 첫 번째로, 이것은 저항기(2')의 재료 및 몸체(24')의 부분 사이의 접촉을 촉진시키거나 또는 향상시킬 수 있다. 두 번째로, 이것은 몸체(24')에 존재하는 재료 구성요소와의 오염으로부터 저항기(2')를 보호할 수 있고/있거나 저항기(2')로부터 몸체(24')를 보호할 수 있다. 세 번째로, 이것은 동작 동안 저항기(2')의 (중요한) 재료 구성요소의 외부 확산 또는 외부 가스 발생을 감소시키는 장벽 층을 형성할 수 있다. 상변화 물질의 스위칭은 전형적으로 약 600℃의 고온에서 발생하며 상변화 물질로 존재하는 하나 이상의 요소는 이러한 온도에서 외부 확산 또는 외부 가 스 발생을 야기할 수 있다. 네 번째로, 보조 영역(60')은 저항기(2')를 기계적으로 지지할 수 있다. 특히, 후자의 두 가지 기능은 콘트라스트 영역(26', 28', 48', 5-' 52' 또는 54') 중 하나가 가스 또는 진공 상태를 포함할 때 유용하다.
보조 영역은 최적의 이론적인 콘트라스트에 대해 가능한 한 적은 것이 바람직하지만, 예를 들어, 앞서 기술된 요건을 수행하는데 충분히 큰 길이 방향에 수직하는 두께를 갖는다. 그 두께는, 예를 들어, <50㎚ , <30㎚, <20㎚, <10㎚, <5㎚, 또는 <1㎚일 수 있다.
디바이스의 실시예에서, 저항기는 보다 작은 횡단면 치수가 저항기의 길이보다 작도록 길이 방향에 수직하는 보다 작은 횡단면을 갖는다. 저항기 횡단면이 장방형인 경우에, 가장 작은 횡단면 치수는 이러한 횡단면의 가장 짧은 측면의 치수이다. 이와 달리, 그 단면 부분이 실질적으로 구형이거나, 타원형이거나, 원형일 때, 그의 가장 짧은 단면 부분 치수는 가장 짧은 반경이다.
이러한 실시예에서, 몸체(24) 내에 콘트라스트가 존재하지 않을 때, 스위칭 구역(12)은 그 단면 부분 경계면(14 및 16)의 전체 영역보다 큰 측방향 경계면(18)을 갖는다. 따라서, 스위칭 또는 가열 이벤트 동안, 측방향 경계면(18)을 통해 몸체(24)로 흐르는 가열 부분은 단면 부분 경계면(14 및 16)을 통해 흐르는 가열 부분보다 높다. 따라서, 열적 콘트라스트의 효율은 증가된다. 가장 작은 단면 부분 치수는, 예를 들어, 저항기의 길이보다 5배 또는 10배 작다. 바람직하게 이것은 100배 작다. 이와 달리, 단면 부분 경계면은 측방향 경계면보다 1배, 2배, 5배, 10배 또는 50배 작을 수 있다.
실시예에서, 저항기(2')는 나노와이어를 포함한다. 나노와이어는 일반적으로 상대적으로 큰 길이 및 작은 단면 부분 치수를 갖는다. 이에 의해, 상술한 이유에 따르면, 열적 콘트라스트가 특히 효과적일 수 있다. 또한, 그 상대적으로 큰 길이는 3개 이상의 열적 콘트라스트면을 수용하는 공간을 제공한다. 또한, 그 작은 단면 부분 직경으로 인해, 단면 부분 경계면이 상대적으로 얇다. 따라서 스위칭 구역이 상대적으로 정밀하게 정의된다. 또한, 그 치수는 감소된 스위칭 전력을 필요로 하는 작은 스위칭 구역을 초래한다. 사전 공개되지 않은 출원 PCT/IB2005/052729에 기술된 것과 같은 나노와이어가 사용될 수 있다. 이들은 전술된 바와 같은 디바이스 내에 또한 내장될 수 있다.
열적 콘트라스트를 증강시키는 두 번째 옵션은 재료 선택에 의한 것이다. 강화된 콘트라스트를 위해, 상호 접촉면을 형성하는, 예를 들어, 영역(26', 28', 48', 5-' 52' 또는 54')과 같은 2개의 영역 내의 재료는, 바람직하게 그 이론적 전도성 및/또는 특정의 열 용량이나 다른 열적 특성 사이에서 증대된 차이를 갖는다. 이를 위해, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 예를 들어, 적절한 열적 전도성 및/또는 특정의 열 용량을 갖는 분야에서 알려진 재료의 결합을 선택할 수 있을 것이다.
열적 전도성의 제품 및 열적 콘트라스트의 한 영역의 특정의 열 용량은 콘트라스트를 형성하는 다른 영역보다 2배, 5배, 10배, 50배, 100배 또는 1000배 클 수 있다. 이와 달리, 열적 콘트라스트의 한 영역의 열적 전도성은 콘트라스트를 형성하는 다른 영역보다 2배, 5배, 10배, 50배 또는 100배 클 수 있다.
다양한 재료 및 그 열적 특성은 당 분야에서 알려져 있다. 이들은, 예를 들어, Thermal Management Handbook for Electronic Assemblies; McGraw Hill; ISBN 0070266999, 또는 CRC Materials Science and Engineering Handbook; CRC Press, ISBN 0-8493-2696-6, 또는 Microelectronic Engineering 70(2003), 280-284에서 찾아볼 수 있다. 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 요건에 따른 열적 콘트라스트를 생성하고 제조하는 재료의 적절한 결합을 선택할 수 있을 것이다. 열적 특성의 측정은, 예를 들어, Journal of Applied Physics 81(1997), 2590 또는 Journal of Applied Physics 85(1999), 7130에서 찾아볼 수 있다.
예를 들어, 몸체 영역에 대한 적절한 재료는 무기 및 유기 물질이나, 두 가지의 혼합물일 수 있다. 제 1 그룹은 옥사이드, 나이트라이드, 옥시나이트라이드, 카본나이트라이드, 플루오라이드, 설파이드, 클로라이드, 카바이드, 보라이드, 포스파이드 및 그 혼합뭉르 포함한다. 제 2 그룹은, 예를 들어, 티탄, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 탄소, 또는 도핑된 폴리실리콘으로 예시되는 금속을 포함한다. 또한, 예를 들어, TiW, TiN, TaSiN, TiSiN, TiAlc 또는 NiSi와 같은 금속이 합금이 사용될 수 있다. 또한 재료의 제 3 그룹은 반도체, 순수한 또는 도핑된 형태의 반도체로 나타내어진다.
제 2 그룹의 재료는 일반적으로 양호한 냉각을 위한 열적 특성을 갖는다. 이와 함께, 이들은, 예를 들어, 열적 절연 특성을 일반적으로 갖는 제 1 그룹의 재료와 결합하여 적절한 콘트라스프를 형성하는 재료를 제공한다. 그러나, 제 2 그룹의 재료는 상대적으로 양호하게 전류를 또한 도통하고 이들의 사용은 심지어 저 항기 접촉 사이의 전기적 누설 또는 전기적 단락의 위험성을 갖는다. 따라서, 이들 금속을 포함하는 영역은 바람직하게 저항기와 접촉하지 않는다. 또한, 이들 영역의 전위는 저항기에 대한 가장 근접한 전기적 접촉부와 동일하게 유지될 수 있다. 또한, 금속의 사용은 냉각으로 인해, 열 전력의 손실을 초래할 수 있다.
향상된 전체 열 격리를 갖는 향상된 열적 콘트라스트는 한 영역 내의 제 1 그룹으로부터의 물질을 사용하여 생성될 수 있으며, 인접 영역의 그룹은 하나 이상의 공극(voids)을 포함하는 유사한 물질을 포함한다. 따라서, 인접 영역은, 예를 들어, WO 2004/034482 A2에 개시된 바와 같은 다공성 물질을 포함할 수 있다. 이와 달리, 하나 이상의 더 큰 공극을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 한 공극을 전체적으로 구성한다. 바람직하게는, 공극은 진공이지만 기체 또는 액체를 포함할 수 있다. 공극의 제조는, 예를 들어, 2003년도 제6회 IEEE 국제 상호접속 회의, IITC 2003의 Gosset 등의 논문에 기재되어 있다. 약 0.6W/mK의 초저 열 전도성을 갖는 나노-라미네이트가 사용될 수도 있다. 예를 들어, Science 303, 2004 989쪽 내지 990쪽에 예들이 기재되어 있다. 그 구조는 방향 의존 열 흐름 제어를 가능하게 한다.
보조 영역의 물질은 콘트라스팅 영역 중 하나의 하나 이상으로부터 적어도 상이하다면 전술한 모든 물질 또는 그 조합으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 이들은, 실리콘 니트라이드, 게르마늄 니트라이드, 실리콘 카바이드, 실리콘 다이옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 실리콘 옥사이니트라이드, 티타늄 옥사이 카바이드 또는 알루미늄 옥사이드를 포함하는 그룹 으로부터 선택된다. 이와 달리, 물질은 유황, 텔루르와 같은 원소를 포함할 수 있다. 이들 모두는 실질적으로 순수한 형태로 또는 예를 들어 탄소와 같은 원소와 혼합 또는 도핑되어 사용될 수 있다.
상변화 물질을 포함하는 저항의 물질은 바람직하게는 저항을 둘러싸는 물질과 화학적으로 호환 가능하다. 바람직하게는, 이들은 몸체 및/또는 보조 영역과 기계적으로 호환 가능하기도 하다.
상변화 물질의 열 전도성은 열적 콘트라스트의 효과를 최적화하도록 선택될 수 있다. 이 효과는 몸체 물질에 의해 주로 야기되는데, 와이어(14, 16)의 단면적이 횡방향 경계면(18)보다 통상적으로 훨씬 작기 때문이다. 따라서, 열 흐름은 저항의 둘러싸는 몸체를 향해 최고이다. 상변화 물질의 열 전도성은 몸체의 열 전도성과 동일할 수 있지만, 바람직하게는 몸체의 열 전도성보다 2배 또는 3배 작다. 더 바람직하게는, 이는 몸체의 열 전도성보다 작다. 또한, 이는 전체 열 손실 및 스위칭 전력을 더 감소시킬 것이다. 상변화 물질은 이 기술 분야에 잘 알려져 있으며 더 큰 물질 그룹으로부터 선택될 수 있다. US 5,933,365에 예가 개시되어 있다. 이들은 뉴클리에션(nucleation) 성장 물질일 수 있다. 바람직하게는, 이들은 WO 2004/057684 A1에 개시되어 있는 고속 성장 물질 그룹으로부터 선택된다. 또한, 2005년도 Joural of Electronic Material 34 176쪽에 기재된 예와 같이 질소 또는 산소로 도핑괸 물질이 사용될 수 있다.
전기 접촉부는 이 기술 분야에 알려진 적합한 방법에 따라 임의의 적합한 물질로 구성될 수 있다.
물질의 선택은 영역의 기하구조에 관련된다는 것을 유의하자. 예를 들어, 열적 격리 특성을 갖는 물질들 사이의 차이가 클수록 저항기 내의 온도 분배에 대한 유사한 효과를 얻기 위한 열적 콘트라스트를 포함하는 몸체의 구조는 더 작을 수 있다. 또한, 몸체 내의 모든 물질의 특정 열 및/또는 열적 전도성을 감소시키는 것은 영역의 격리 특성을 증가시켜서, 스위칭 구역으로부터의 열 손실 비율을 느리게 한다. 이는 열 에너지의 더 효율적인 사용 및 동작 중의 장치의 관련되는 더 낮은 전력 사용을 얻게 한다. 그러므로, 물질의 조합된 튜닝 및 몸체의 구조가 바람직하다.
물질의 증착, 층의 패터닝 또는 기타 처리를 포함하는 본 발명에 따른 장치의 제조는 이 기술 분야에 알려지고 예를 들어 본 출원에 제공된 참고문헌에 개시된 표준 절차에 따라 수행될 수 있다.
스위칭 구역상의 본 발명에 따른 열적 콘트라스트의 효과를 설명하기 위해, 스위칭 이벤트 동안 길이 방향 L을 따른 상변화 저항 내의 온도 프로파일이 계산되었다. 저항은 열적 전도성 λ=3.2 W/mK을 갖는 상변화 물질로 전체적으로 구성되었다. 저항은 20nm의 너비와, 20nm의 높이와, 200nm의 길이 LR을 가졌다. 열적 콘트라스트는 도 5a에 도시된 바와 같이 몸체에 의해 제공된다. 영역(52')의 돌출은 저항의 길이의 중심 부근으로 집중된다. α1 및 α2는 모두 90°이고, 영역(52')은 λ=0.03 W/mK를 갖는 공기로 채워지고 영역(54')은 λ=1.4 W/mK를 갖는 SiO2로 구성된다. 5nm 두께 SiO2 보조 영역(60')은 전체 저항을 둘러싼다. 공극은 적어도 60nm의 거리를 지나는 길이 방향에 수직하게 연장된다.
상이한 길이 Lv를 갖는 공극에 대한 결과가 프로파일 B 내지 E에 의해 도 6에 도시되어 있다. 비교를 위해, 공극을 갖지 않는 저항에 대한 결과가 프로파일 A에 의해 도시되어 있다. 저항은 길이 방향으로 비대칭이므로, 온도 프로파일의 절반만이 도시되어 있다. 원점은 저항의 중심과 일치하며 화살표는 저항의 단부를 표시한다. Tmelt에서의 수평선과 스위칭 구역의 길이 Ls의 절반을 표시하는 온도 프로파일의 교차점으로부터, Ls, 즉, 전술한 동적 저항 Rdyn은 교번하는 LR 없이 길이 Lv로 설정될 수 있다는 것이 명백하다. 열적 콘트라스트에 의해 야기되는 온도 프로파일(A 내지 E)의 증가하는 가파름은 교차점 부근의 이들 프로파일로의 접선으로부터 명백하다. 동적 저항의 제어는 스위칭 전력의 유리한 감소에 의해 동반된다. 설명된 저항을 위해 요구되는 계산된 스위칭 전력 P은 도 7에 도시되어 있다. 50 내지 150nm 사이의 길이 Lv를 가지며 200nm 길이 저항을 둘러싸는 SiO2의 공극에 있어서, 스위칭 신뢰성은 증가되고 스위칭 전력은 대략 2 내지 5의 배수만큼 감소된다.
일 실시예에서는, 예를 들어, WO 2004/057618 A2 및 WO 2005/041196에 개시된 바와 같은 형상을 갖는 기판 표면에 평행하게 저항이 구성된다. 이러한 장치는 수평 장치라 한다. 도 8은 본 발명에 따른 장치의 수직 단면도를 도시하고 있는데, 표면(75)을 갖는 기판(73)의 트랜지스터(72)의 상부에 보조 영역(71)에 의해 쌓이는 이러한 수평 저항(70)을 포함하여, 이 트랜지스터는 소스(74), 드레인(76) 및 게이트(78)를 갖는다. 저항(70)은 플러그(80), 금속-1 층(82), 84 및 금속-2 층(86)을 통해 드레인(76)에 접속된다. 스위칭 구역(88)은, 예를 들어, 도 5a에 도시된 것과 유사한 몸체 구조를 생성하는 콘트라스트 영역(94 및 96) 사이에 형성되는 콘트라스트 표면(92)의 경사진 부분(90)에 의해 2측면상에 한정된다. 상부로부터 보면, 저항(70)은 길이 방향을 따른 압축부를 포함할 수 있는데, 이는, 예를 들어, 도 4g에 도시된 바와 같다. 바람직하게는, 영역(96)은 SiO2이고, 영역(94)은 진공이거나 열적으로 격리된 비활성 기체로 채워지는 공극이다.
이와 달리, 도 9에 예시된 바와 같이, 수직 장치가 마련될 수 있는데, 여기서 저항(170)은 길이 방향이 기판(173)의 표면(175)에 수직하도록 배열된다. 도 8 및 9와 동일한 부분은 동일하나 번호를 갖는다. 저항(170)은 금속-1 층(182)과 금속-2 층(186) 사이의 비아에서 제조된다. 이는 플러그(180) 및 계층(182)을 통해 트랜지스터(172)의 드레인(176)에 전기적으로 접속된다. 저항(170)은 스페이서로서 제조되는 보조 영역(171)에 의해 수직으로 둘러싸인다. 열적 콘트라스트는 영역(194 및 196) 사이에 형성되는데, 전자가 더 우사한 열적 격리 특성을 갖는다. 상호 접촉 표면(190)은 안 측면상의 스위칭 구역(188)을 한정한다. 저항(170)은 예를 들어 홀 내에서 성장되는 상변화 나노와이어에 의해 형성될 수 있다.
당업자라면, 필요에 따라 집적 회로의 다수의 층 내에 본 발명에 따른 디바이스의 기타 배치 및 위치를 설계할 수 있을 것이다. 당업자라면, 또한 본 기술분야에 알려진 제조 방법 및 재료를 이용하여 그러한 디바이스를 제조하는 방법을 알 것이다.
본 발명에 따른 디바이스는 전기 메모리 장치로서 사용될 수 있다. 그러한 장치 내에서 메모리 셀(202)로 구성되는 어레이(200)의 전기적 접속 방식이 도 10에 도시되어 있다. 여기서, 각각의 메모리 셀은 메모리 소자(204)와 선택 트랜지스터(206)의 직렬 접속부를 포함하며, 전도성 라인(208, 210)의 그리드들 사이에 접속된다. 어드레싱 라인(212)은 트랜지스터(206)의 게이트에 접속된다. 이러한 방식은 각각의 이산 메모리 소자(204)에 기록된 정보가 어레이의 인접 메모리 셀 또는 원격 메모리 셀에 저장된 정보를 교란시키지 않고 판독 및 기록될 수 있다. 메모리 어레이를 동작시키는 주변장치 회로기기(도시하지 않음)는 본 기술분야에 알려진 방법에 따라 설계되고 그리드라인(208, 210)에 접속된다.
일반적으로, 본 발명은 임의의 특정 타입의 전도 방식 또는 선택 디바이스의 사용으로 제한되지 않는다. 선택 디바이스의 일례는 필드-효과 트랜지스터, 바이폴라 접합 트랜지스터 또는 다이오드를 포함한다. 필드 효과 트랜지스터의 일례는 JFET 및 MOSFET(metal oxide semiconductor field-effect transistors)를 포함한다. MOSFET의 일례는 NMOS 트랜지스터 및 PMOS 트랜지스터를 포함한다. 또한, NMOS 및 PMOS 트랜지스터는 심지어 CMOS 기술에 관해서 동일한 칩 상에 형성될 수 있다.
도 11은 전기 서브유닛(302, 304)을 포함하는 장치(300)의 전도 방식을 도시하고 있다. 이들 서브유닛은 본 발명에 따른 디바이스(306)의 스위칭을 통해 전기적으로 접속 및 분리될 수 있다. 스위치(306)는 트랜지스터(308)를 이용하여 동작 할 수 있다. 서브유닛은, 예를 들어 IC 내의 트랜지스터 및 완전한 기능 논리 블록과 같은 단일 전기 소자들 또는 부품들 사이에 있는 임의의 것일 수 있다.
전술한 실시예는 본 발명을 제한한다기보다는 예시하는 것이며, 당업자라면 첨부한 특허청구범위의 범주로부터 벗어나지 않는 수많은 대안의 실시예를 설계할 수 있을 것이라는 점에 주의해야 한다. 특허청구범위에서, 괄호 안의 임의의 참조 기호는 청구항을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 용어 "포함(하다)"는 청구항에 나열된 소자 또는 단계 이외의 소자 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 특정 소자의 단수 표현이 그러한 소자가 복수 개 존재함을 배제하는 것은 아니다. 여러 가지 수단을 열거한 디바이스 청구항에서는, 그들 수단 중 여러 가기가 동일한 항목의 하드웨어에 의해 구현될 수 있다. 소정 측정치가 서로 다른 종속항에 인용된다는 단순한 사실은 그들 측정치의 조합이 이익을 위해 이용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.
Claims (14)
- 상 변화 물질(a phase change material)을 포함하는 전기적으로 스위칭 가능한 저항기(2')를 포함하는 전기 디바이스로서,상기 저항기는 제 1 접촉 영역(8') 및 제 2 접촉 영역(10')을 통해 제 1 전기 접촉부(4') 및 제 2 전기 접촉부(6')에 전기적으로 접속되고, 상기 제 1 접촉 영역과 상기 제 2 접촉 영역 사이에서 상기 저항기를 따라 측정된 상기 제 1 접촉 영역과 상기 제 2 접촉 영역 사이의 거리로서 정의된 길이로 연장되며,상기 디바이스는 상기 제 1 접촉 영역과 상기 제 2 접촉 영역 사이에서 상기 저항기 주위에 위치하며 상기 저항기와 열 접촉 상태에 있는 몸체(24')를 더 포함하되,상기 몸체는 상기 제 1 접촉 영역과 상기 제 2 접촉 영역 사이에서 길이 방향으로 상기 저항기를 따라 제 1 영역(26') 및 제 2 영역(28')을 연속적으로 포함하고,상기 제 1 및 제 2 영역은 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역 사이에 연장된 제 1 접촉 표면(32')을 규정하며,상기 접촉 표면은 상기 저항기의 상기 길이 방향에 대해 제 1 경사각을 갖는 제 1 부분(34')을 포함하고,상기 제 1 영역은 제 1 물질 구성을 가지며,상기 제 2 영역은 상기 제 1 및 제 2 영역이 상호 상이한 열 절연 성질을 갖 도록 상기 제 1 물질 구성과는 상이한 제 2 물질 구성을 갖는전기 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 접촉 표면의 상기 제 1 부분은 실질적으로 평평한 표면을 포함하고,상기 평평한 표면의 상기 제 1 경사각은 60°와 120°사이의 값을 갖는전기 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상기 몸체는 상기 제 1 접촉 영역과 상기 제 2 접촉 영역 사이에서 길이 방향으로 상기 저항기를 따라 제 3 영역(48') 및 제 4 영역(50')을 연속적으로 포함하고,상기 제 3 및 제 4 영역은 상기 길이 방향에 대해 제 2 경사각을 갖는 제 2 부분(44')을 포함하는 제 2 접촉 표면(42')을 규정하며,상기 제 1 및 제 2 부분은 길이 방향으로 상기 저항기를 따라서 상이한 위치에 배치되고,상기 제 3 영역은 제 3 물질 구성을 가지며,상기 제 4 영역은 상기 제 3 및 제 4 영역이 상호 상이한 열 절연 성질을 갖도록 상기 제 3 물질 구성과는 상이한 제 4 물질 구성을 갖는전기 디바이스.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 1 영역과 상기 제 4 영역은 동일한 물질 구성을 가지며,상기 제 2 영역과 상기 제 3 영역은 동일한 물질 구성을 갖는전기 디바이스.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,적어도 상기 제 1 접촉 표면(32')은 가장 가까운 상기 저항기의 표면에 실질적으로 평행하게 배향된 추가 부분(56', 58')을 포함하는전기 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상기 디바이스는 적어도 부분적으로 상기 몸체(24')와 상기 저항기(2') 사이에 구성되는 보조 영역(60')을 포함하는전기 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상기 저항기는 최소 단면의 최소 치수가 상기 저항기의 길이보다 작도록 상기 저항기의 상기 길이 방향에 대해 수직인 상기 최소 단면을 포함하는전기 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상기 저항기는 나노와이어를 포함하는전기 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상 저항기는 상기 저항기의 상기 길이 방향을 따른 수축(a constriction)을 포함하는전기 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,상기 디바이스는 표면(175)을 갖는 기판(173)을 포함하며,상기 저항기는 상기 저항기(170)의 상기 길이 방향이 상기 표면에 대해 실질적으로 수직이도록 상기 표면에 관하여 구성되는전기 디바이스.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역 중 적어도 하나의 영역은 기체 또는 진공을 포함하는전기 디바이스.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 제 1 물질 구성 및 상기 제 2 물질 구성은 각각 제 1 열 전도성 및 제 2 열 전도성을 가지며,상기 제 1 열 전도성 또는 상기 제 2 열 전도성 중 하나는 다른 하나보다 적어도 20배 더 높은전기 디바이스.
- 메모리 셀(202)로 구성된 어레이(200)를 포함하는 메모리를 포함하는 전기 장치로서,상기 메모리 셀 중 적어도 하나는 제 1 항에 따른 전기 디바이스(204)를 포함하는전기 장치.
- 전기 서브유닛(302, 304) 및 제 1 항에 따른 적어도 하나의 전기 디바이스(306)를 포함하는 전기 장치(300)로서,상기 전기 디바이스는 상기 전기 서브유닛을 전기적으로 접속 및 분리시키는 스위치로서 구성되는전기 장치.
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