201001471 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 器’且更特定而言之，係 切換器上的應用。
本發明係關於交又點切換 於相位改變切換器在交又點 【先前技術】 可重置（reconfigUrable)邏輯與電路結構的三種主要 類型係電晶體型交又點切換器、熔絲型交又點切換器、 以及反熔絲型交又點切換器。該等電晶體型交又點切換 器可多次重新編程，而該等熔絲型及反熔絲型交又點切 換器一般而言僅可重新編程一次。 習知之電晶體型交叉點切換器需要將在一交叉點切換 器中之每一個別終端節點接線至該交叉點切換器中之另 個別終端節點上。此外，每一對終端節點需要指派來 調節該對終端節點間之連接的一個別切換器。現行之η」 個電晶體型交叉點切換器需要個連接/電晶體切換 器’其中η為該電晶體型交叉點切換器中之終端節點 數。因此’該「可動部分」數目及該交叉點切換器之全 部電阻係隨著每一增加之終端節點大幅增加。 熔絲型重置技術目前仰賴數種方法來製造（「熔絲」） 或打斷（「反熔絲」）組裝結構中之電連接。例如，雷射 4 201001471 術)。一電子遷移炫絲佔用-相對大之區域且需要 流來炫斷該H並且電子遷移炼絲係「 可熔鏈代表一早期之方法， 之電技術所取代。此外，目 IBM公司用來為晶片邏輯重 其目$由元全在該晶片内部 月1J也使用電子遷移溶絲（例如 新佈線（routing)的eFUSE技 高電 次性 —hot)」的(如上所述)，因為一旦該熔絲熔斷，其無 法再回到-導電狀態。此外，eFUSE特徵之變化係相對 寬廣的，因此需要藉由一識別電路感應每一炼絲之狀 態’該識別電路具有儲存在—鎖存器中之該數位結果。 -電子遷移熔絲之料也相對緩慢。此外，就像該等目 則之電晶體型交叉點切換器一樣’每—對終端節點通常 需要一熔絲區域。 反熔絲方法（例如：用於一些DRAM修補操作）一般而 言在兩導體間包含一極薄之介電材料，像是：二氧化矽， 或是氧化矽一氮化物—氧化物（ONO)之一夾心結構組 合。反熔絲編程之實施係施加一相對高之電壓通過該傳 導終端。這引起該介電内之介電崩潰，如此該反熔絲之 電阻將永久地由高變低。這也是如以上所述之需要高電 壓的一種一次性技術。再者，類似該等目前之電晶體型 交又點切換器般，每一對終端節點通常需要一反熔絲區 域0 上述該等現有之可控 不幸地，由於像是以下的因素， 201001471 制鏈結技術可能對未來之微晶片世代不具有最佳特性： 該熔絲所佔用之過多區域、熔絲編程可能需要之該等非 標準尚電壓/電流的「曰落（sunsetting)」效應、「多次性 (multishot)」可重新編程熔絲之需求、以及相對於特定應 用積體電路（application specific integrated circuit, ASIC) 設計的不足速度。 因此’吾人需要提供一種可重新編程之交又點切換 器’其適用於類似ASIC設計之效能。 【發明内容】 本發明之一示例性態樣係一相位改變交又點切換器， 其用來將電訊號由一輸入節點佈線到至少一輸出節點。 該相位改變交叉點切換器包括一中央節點及複數個相位 改變切換器。每一相位改變切換器包括二切換節點，該 等二切換節點之一係電耦合至該中央節點上。每一相位 改變切換器在一結晶相位時實質上係具導電性，且在一 非晶形相位時實質上係非導電性。該相位改變交又點切 換器進一步包括複數個加熱元件，其中每一加熱元件係 與該等相位改變切換器之一配對並與其緊鄰 (proximate)。每一加熱元件係可控制來將與該加熱元件 配對之該相位改變切換器由該結晶相位變成該非晶形相 位，反之亦然。此外，該等加熱元件可在不受通過該等 6 201001471 切換節點之電流影響下控制。 本發明之-特定具體實施例中，每一個別加熱元件係 由-個別之電晶體來控制。該等電晶體調節至每—個別 加熱元件之該電流，因此可調整一個別加熱元件至一特 定溫度，因而將該相位改變材料融化或結晶。 本發明之另-示例性態樣係_交叉點切換器結構，其 用來將電訊號由一輸入節點佈線到至少—輸出節點。該 相位改變交叉點切換器結構包含複數個互連相位改變交 叉點切換器。每-相位改變交又點切換器包括一中央節 點及複數個相位改變切換器。每一相位改變切換器包括 二切換節點，該等二切換節點之—係電輕合至該中央節 點上。每一相位改變切換器在一結晶相位時實質上係具 導電性，且在一非晶形相位時實質上係非導電性。該相 位改變交又點切換器進一步包括複數個加熱元件，其中 每一加熱元件係與該等相位改變切換器之一配對並與其 緊鄰。每一加熱元件係可控制來將與該加熱元件配對之 該相位改變切換盗由該結晶相位改變成該非晶形相位， 反之亦然。此外，該等加熱元件可在不受通過該等切換 節點之電流影響下控制。 本發明之再另一示例性態樣係一種方法，其用於使— 訊號佈線通過一相位改變交叉點切換器，該切換器具有 自一輸入節點到至少一輪出節點的複數個節點。該方法 201001471 包括啟動複數個加熱元件，其與複數個相位改變切換器 配對。每一相位改變 換為包括二切換節點，該等二切 :節點之一係電搞合至-中央節點。每一相位改變切換
器在一結晶相位時實曹F x買上係具導電性，且在一非晶形相 位時實質上係非導電性，其中料複數個加熱元件可在 不受通過該等切換節點之電流影響下啟動…停用㈣ ㈣等複數個加熱元件停用’因此該等複數個相位改變 切換器實質上係非導電性。一啟動操作啟動與_輸入相 位改變切換器配對之-輸入加熱元件，該輸入相位改變 切換器之該等切換節點中的—個節點係該輸人節點。另 :停用操作將該輸入加熱元件停用，因此該輸入相位改 變切換益係實質上具導電性。另—啟動操作啟動與一輪 改1切換益配對之-輸出加熱元件，該輪出相位 改變切換器之該等切換節點中的一個節點係該輸出節 點。—進一步之停用操作將該輸出加熱元件停用，因此 该輸出相位改變切換器係實質上具導電性。 【實施方式】 本發明係參考本發明之呈體眚 3十拭η 菔貫施例加以描述。第【圖 苐3圖係作為描述整個本發明之袁考。 如以下所詳細描述 交又點切換器，其使 本發月之態樣係一種相位改變 用相位改變切換器及加熱元件。各 201001471 種相位改變材料可用於該等相位改變切換器，像是：鍺 —銻-碲（Germanium_Antimony_Tellurium，GST)。藉由 使用父叉點切換器中之相位改變切換器，可減少操作 所必須之内部節點連接數。例如’如上所述，目前之電 晶體型交又點切換器需要固連接/電晶體切換器，其中 ”為該電晶體型交又點切換器中之終端節點數。另—選 * 擇為，該相位改變交又點切換器僅需要《個連接/相值改 變切換器’其中„為該相位交又點切換器中之終端節點 數ι 3超過二個終端節點之任何相位改變交叉點切換 益將具有較含相同終端節點數目之—電晶體型交又點切 換器少的連接/切換器。藉由減少該相位改變交叉點切換 益中之連接/切換器數，也減少了該相位改變交叉點切換 器中之電阻。 L 第1圖顯示具四個終端節點之該相位改變交叉點切換 益之不例性具體實施例的一示意圖。該相位改變交又 點切換器包含一相位改變交叉點電路14〇及一加熱電路 142。該相位改變交又點電路14〇包含該等終端節點 104 106、108 ’其接線至該等相位改變切換器11 〇、 112 U4、116。該等相位改變切換器係接線至一中央節 點138。本發明之此示例性具體實施例中，該中央節點 138包含連接該等相位改變切換器m lb 9 201001471 之該接線。該等相位改變切換器i i 0、11 2、11 4、11 6允 許或避免實質電流自一終端節點i〇2、1 〇4、1 〇6、1 Ο8流 向另一終端節點1 02、1 04、1 06、1 08。具一非晶形相位 之一個別相位改變切換器11 〇、丨丨2、11 4、11 6將具有相 對局之電阻並避免電流流向該接線終端節點丨丨〇、u 2、 114、11 6。具一結晶相位之一個別相位改變切換器丨丨〇、 112、114、11 6將具有相對低之電阻並允許實質電流流向 該接線終端節點11 0 ' 11 2、11 4、11 6。 本發明之一特定具體實施例中’該相位改變交叉點電 路14〇係由一終端節點102、104、106、1〇8向另一終端 節點1 02、1 04、1 06、1 08串聯地接線。本發明之一替代 具體貝把例中，該相位改變交又點電路丨4〇係由一終端 節點102、104、106、108向另一終端節點1〇2、1〇4、 106、108並聯地接線。應注意本發明之不同具體實施例 可能包含一較多或較少數目之終端節點102、104、106、 108。如上所述，該相位改變切換器數係—對一地對應該 終端節點數。 在該交叉點切換器之一進—步具體實施例中，至少二 相位改變切換器係以串聯電路電耦合至該中央節點138 上。使用此種切換器組態可増加該訊號路徑之電阻。在 該交叉點切換器之一替代或額外組態中，至少二相位改 變切換器係以並聯電路電耦合至該中央節·點138上。此 10 201001471 切換器組態可用來減少該訊號路徑之電阻。 第1圖也顯示該加熱電路丨42係用來操作該相位改變 又又點電路140。加熱元件118、120、122、124係與個 別之相位改變切換器110、112、114、116配對，因此加 熱凡件11 8係與該相位改變切換器11 0配對，加熱元件 120係與該相位改變切換器112配對，加熱元件122係 與該相位改變切換器114配對，以及加熱元件124係與 β亥相位改變切換器11 6配對。應注意該加熱元件數係一 對一地對應該相位改變切換器數。 該等加熱元件118、120、122、124使用高電阻材料， 當施加電流時其引起歐姆加熱。該等材料包括（但不限於） 多晶矽、Ρ型非晶矽、鈕矽氮化物、及氮化鈦。每一個 別加熱元件11 8、1 20、122、1 24改變該配對之相位改變 切換器11 0、112、Π 4、11 6之相位。該等加熱元件11 8、 120、122、1 24可藉由將該等相位改變切換器u 〇、i工2、 114、11 6中之該相位改變材料加熱至一熔點然後快速地 冷卻以使s亥相位改變材料在可結晶前「淬火（qUench)」， 並固定在該非晶形相位來將該等相位改變切換器丨丨〇、 11 2、11 4、11 6改變成該非晶形相位。該等加熱元件u 8、 1 20、1 22、1 24可藉由將該等相位改變切換器n i丨2、 114、11 6中之該相位改變材料加熱至一結晶點，以使該 相位改變材料結晶並固定在該結晶相位來將該等相位改 201001471 變切換器11 0、11 2、11 4、11 6改變成該結晶相位。 本發明之此示例性具體實施例中，該等加熱元件丨丨8、 120、122、124係接線至一共同電壓源134及一共同接 地線146。此外’該外部加熱器丨丨8係接線至一電晶體 1 26 ’該外部加熱器1 20係接線至一電晶體128，該外部 加熱器1 2 2係接線至一電晶體丨3 〇，以及該外部加熱器 I 24係接線至一電晶體丨3 2。 在本發明之一特定具體實施例中，該等加熱元件丨丨8、 120、122、124 及該等電晶體 126、128、13〇、ι32 係在 該外部加熱電路142中並聯地接線。藉由將該等加熱元 件 118、120、122、124 及電晶體 126、128、130、132 並聯地接線，該外部加熱電路丨42之總電阻係大幅少於 以串聯接線之一外部加熱電路的總電阻。 在本發明之一具體實施例中，該共同電壓源丨34係設 定成一夠大之電壓以使該等加熱元件118、12〇、122、 124可融化該等相位改變切換器u〇、U2、ιΐ4、ιΐ6中 之該相位改變材料。在本發明之一替代具體實施例中， 該共同電壓源134之該電壓設定係調整成該等加熱元件 118、120、122、124融化或結晶該等相位改變切換器11〇、 II 2、11 4、11 6中之該相位改變材料所必要之該電壓。 第2圖舉例說明用來操作該交又點切換器之本發明的 -具體實施例。該交叉點切換器之操作允許將—訊號由 12 201001471 -輸入節點佈線到至少一輸出節點。第2圖所述之該等 操作可用軟體、韌體、硬體或此等組合來實施。程式碼 邏輯可儲存於—儲存媒體中，以—電腦载人及/或執行， 其中當將該程式碼邏輯載入一電腦並執行時，該電腦變 成實施該等發明之—裝置。儲存媒體之範例包括：固態 記憶體（隨機存取記憶體RAM或唯讀記憶體R〇M)、軟 碟、唯讀光碟（CD-R〇mS)、硬碟、通用序列匯流排（USB) 快閃驅動器、或是任.何其它電腦可讀取之儲存媒體。 在啟動操作202中，初始之相位改變交叉點切換器程 式開始。在此操作期間’與一相位改變切換器配對之每 一加熱元件118、120、122、124之啟動係藉由施加一啟 動電流通過該加熱元件以使該加熱元件提高至一溫度， 其足以融化該等相位改變切換器中之一相位改變材料。 在一特定具體實施例中，該共同電壓源丨34設定為5伏 特。所有該等電晶體126、128、130、132係設定成5伏 特，其允許該等加熱元件11 8、1 20、1 22、1 24可將該等 相位改變切換器110、112、114、116中之該相位改變材 料加熱至一熔點800。(：（該實際熔點溫度係依所使用之該 相位改變材料而定）。在啟動操作202完成後，控制傳遞 至停用操作2 0 4。 在停用操作204中，該等複數個加熱元件11 8、1 20、 122、1 24停用，因此該等複數個相位改變切換器實質上 13 201001471 係非導電性。接著根據本發明之一特定具體實施例，該 等電晶體126、128、130、132快速地設成0伏特，如此 關閉了該等加熱元件11 8、12〇、122、1 24，且快速地冷 卻該等相位改變切換器11〇、112、114、116中之該相位 改變材料並固定在該非晶形相位。如上所述，該非晶形 相位具一相對高電阻’如此電流通常不能由終端節點 102、104、1〇6、108 通到終端節點 1〇2、1〇4、106、1〇8。 在V用操作204完成後’控制傳遞至啟動操作206及2 1 0。 在啟動操作206及210時，啟動輸入加熱元件及輸出 加熱το件。該輸入加熱元件係與包含該輸入節點之該相 位改變切換器配對的該加熱元件。相反地，該輸出加熱 元件係與包含輸出節點之該相位改變切換器配對的該加 熱元件。 該輸入加熱元件及該（等）輸出加熱元件之啟動包含施 加啟動電流通過該輸入加熱元件，以使該等加熱元件 提同至足以再結晶該等相關相位改變切換器中之一相位 改變材料的一溫度。例如，根據本發明之一特定具體實 施例，若需要連接終端節點丨〇2(輸入節點）及終端節點 1〇4(輸出節點）時，該共同電壓源134設定為5伏特。電 日日體126及電晶體128係設定成 熱元件118及輸出加熱元件12〇 器110 毛成2 · 5伏特，使得輸入加 12 0可將輸入相位改變切換
112加熱至一結晶點 14 201001471 4 5 0 ° C (再次說明，該實際之結晶溫度係依該相位改變材 料而定）。 在實施啟動操作206及2 1 0後，程序傳遞至停用操作 208及212。在停用操作2〇8及212中，停用該等輸入及 輸出加熱元件’因而該等輸入及輸出相位改變切換器實 質上係具導電性。特別是，將該等輸入及輸出加熱元件 處之該啟動電流淬火，以使該等輸入及輸出相位改變切 換器中之該相位改變材料冷卻至一結晶相位。繼續以上 範例，當相位改變切換器110及112中之該相位改變材 料已結晶時，將電晶體1 26及1 28設定在〇伏特，從而 關閉了加熱元件11 8及120。相位改變切換器110及i i 2 中之該相位改變材料的該結晶相位可允許一訊號由終端 節點1 02流向終端節點丨〇4(反之亦然）。注意可同時連接 多個終端節點102、104、106、108。 參照第3圖，顯示用來將電訊號由一輪入節點佈線到 至少一輸出節點的一交叉點切換器結構3 〇2。該交叉點 切換器結構包括複數個互連之相位改變交叉點切換哭。 該等終端節點1 〇2、1 〇4、1 〇6、1 〇8係接線至該等相位 改變切換器110、112、114、116。該等相位改變切換器 110' 112、114、116係接線至該中央節點138。此圖示 中並未示出該外部加熱電流142，包括用來啟動如上所 述之該等加熱元件118、120、122、124之位在緊鄰該等 15 201001471 相位改變切換器110、112、114、116及該等電晶體i26、 128、130、132 的該等加熱元件 118、12〇、122、a。 在本發明之此特定具體實施例中，該中央節點係在二電 線或連接間的一連接交叉點。 第4圖舉例說明在本發明之一特定具體實施例中在該 相位改變父又切換器中一對相位改變切換器及加熱元件 的結構。該相位改變交叉點切換器包含一共同電壓源連 接402、一共同接地連接4〇4、一「内」連接4〇6(至該終 端節點）、一「外」連接408(至該中央節點）、一熱/電 絕緣材料層410、一低介電係數（1〇w_K)介電材料層412、 該相位改變切換器414、該加熱元件41 6、及一薄電絕緣 層418。注意該共同電壓源連接4〇2及該共同接地連接 404可以互換。此外，該「内」連接4〇6及該「外」連 接408也可以互換。 在本發明之一特定具體實施例中，結構之形成開始於 在一低介電係數介電材料層412中建立一大通路（via)並 於該大通路中形成該熱/電絕緣材料層41〇。熟習本技術 之該等人士將了解有各種程序可形成該大通路並在該低 介電係數介電材料層4 1 2中沈積該熱/電絕緣材料層 41〇。建立該大通路之該等程序可以是（但不限於）光微影 技術（photolithography)及活性離子蝕刻（reactive i〇n etches，RIE) ’且用來沈積該熱/電絕緣材料層4i〇之一電 16 201001471 漿增強化學氣相沈積法（plasma_enhanced cheniicai vapor dep〇slt1〇n，PECVD)。此外，可實施像是一化學機械研磨 (chemical mechanical polish，CMP)之程序來移除過量之 熱/電絕緣材料。該低介電係數介電材料層4丨2可能包含 任何低介電係數之介電材料，像是：多孔二氧化矽，且 §亥熱/電絕緣材料層410可包含任何熱/電絕緣材料，像 疋·石厌氮化矽（silicon carbonitride)。該熱/電絕緣材料層 應可隔離電流以及對該相位改變切換器414之相位改變 加熱。 一通路形成於該熱/電絕緣材料層4丨〇中，且該相位改 變切換器414於該熱/電絕緣材料層41〇中該通路内形 成。再者，熟習本技術之該等人士將了解有各種程序可 用來形成該通路’像是：光微影技術及RIE，及形成該 相位改變切換器414，像是：化學氣相沈積（chemical vapor deposition，CVD)。再者，可實施—CMp來移除過 量之材料。如上所述之該相位改變切換器414包含一相 位改變材料，其可固定在一非晶形狀態及一結晶狀態。 該相位改變切換器414可使用像是（但不限於）鍺—銻— 碲（Germanium-Antimony-Tellurium，GST)之相位改變材 料。注意用於該相位改變切換器414之相位改變材料的 量與通常用於其它相位改變應用（像是：相位改變記憶體 (phase change memory，PCM))上之相位改變材料的量相 17 201001471 比係相對大。一齡士 4 权大里之相位改變材料有助於減少在該 結：相位時之該相位改變切換器414中的電阻。 J通路形成於該相位改變切換器414中，且該薄電 胃4 1 8及該加熱&件4 i 6於該小通路内形成。形成 該薄電絕緣層418是為了使電流不會從該外部加熱電路 :广相位改變交又點電路’反之亦然。熟習本技術 f κ. “等人士將了解形成該小通路所需之該等程序。在本 、月之#疋具體實施例中，—絕緣材料係像是（但不限 Οχ】通路内之_氧化⑪。接著’應用—光微影光罩並 實施- RIE來形成該薄電絕緣層418，其形成該小通路 之該等壁的襯裡。接著，去除該光微影光罩，—傳導加 熱材料（像是（但不限於）：钽鈔I化物 (T咖lUm-SUieon_Nitride，加⑽在該小通路中形成. 可實施像是CVD或金屬噴賤沈積程序以形成包含傳導 力’、、、材料之该加熱元件416。可實施一金屬清洗⑽^ clean)及CMP來移除過量之料加熱材料及過量之絕緣 材料。 最後，形成該共同接地連才妾404,其連接該共同接地 線（未示出）及該加熱元件416之一端。形成該共同電壓 源連接402 ’其連接該共同電屬源（未示出）及該加熱元件 416之另-端。形成該「内」連接4〇6，其連接該終端節 點（未不出）及該相位改變切換器414之一端。形成該「外」 18 201001471 連接408,其連接該中央節點（未示出）及該相位改變切換 器414之另一端。可使用一傳導材料來形成該共同接地 連接404及該共同電壓源連接4〇2，像是（但不限於广鎢 (W)或銅（Cu)。熟習本技術之人士將明白可利用各種程序 來形成一共同接地連接404及一共同電壓源連接4〇2。 切換器之較佳具體 以上已描述該相位改變材料交叉點
實施例（其係作為舉例說明之用而非限制本發明），應注 意熟習本技術之人士可根據該等以上教導進行修正及變 化。因此’吾人應了解可在該等後附之中請專利範圍所 定義之本發明的該範疇及精神下對所揭示之該等特定具 ，實施例進行改變。因此，經描述以上之本發明的各種 態樣，其包含專利法規所要求之該等細節及特質，吾人 於該等隨附之申請專利範圍中提出所申請之專利範圍及 請求專利特許證保護的内容。
【圖式簡單說明】 枯在本說明書結尾之該等中請專利範圍中特別指出並清 楚地請求本發明關注之標的。吾人參 /可U下之實施方式 並配合該等隨附圖式可明白本發 η心忑寺則述及其它目 的、特徵、及優點，其中： 第1圖舉例說明一相位改變交又點切換器之—示意 圖。 、 19 201001471 第2圖根據本發明顯示用來操作該交叉點切換器的一 具體實施例。 第3圖舉例說明用來將電訊號由一輸入節點佈線到至 少一輸出節點的一交叉點切換器結構。 第4圖舉例說明一相位改變切換器及一配對之外部加 熱器。 【主要元件符號說明】 102終端節點 1 3 2電晶體 104終端節點 1 3 4共同電壓源 10 6終端節點 146共同接地線 108終端節點 1 3 8中央節點 11 0相位改變切換器 1 40相位改變交又點電路 112相位改變切換p 142加熱電路 11 4相位改變切換器 302交叉點切換器結構 11 6相位改變切換器 402共同電壓源連接 11 8加熱元件 404共同接地連接 120加熱元件 406内連接 1 2 2加熱元件 408外連接 124加熱元件 410熱/電絕緣材料層 126電晶體 4 1 2低介電係數介電材料 128電晶體 層 130電晶體 4 14相位改變切換器 20 201001471 4 1 6加熱元件 4 1 8薄電絕緣層
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