形成功能元件的方法以及其形成的功能元件、制造功能装置的方法以及其制造的功能装置的制作方法

专利名称：形成功能元件的方法以及其形成的功能元件、制造功能装置的方法以及其制造的功能装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用作为金属至绝缘体转变材料的氧化钒(vo2)形成功能元件的方 法、该方法形成的功能元件、制造功能装置的方法以及该方法所制造的功能装置。
背景技术：
到目前为止，用于其中包括能动元件和受动元件的半导体装置的布线由如铝或铜 的金属构成。布线图案由例如金属溅射或蒸镀的形成金属膜的步骤、形成抗蚀层的步骤、 将掩模爆光的步骤、显影的步骤、刻蚀金属膜的步骤、去除抗蚀层的步骤等形成。在布线图 案不是由一层形成的情况中，布线图案分成多个布线层。布线层通过设置在层间过孔芯棒 (viaplugs)的电连接。例如，名称为"Wiring board and method for producing same，，的曰本未经审查 专利申请公开No. 2002-158418 (参见0005至0008段、0015至0018段以及附图1)公开的 技术中，布线图案的形成没有刻蚀步骤，并且布线图案甚至可以在形成之后改变。以下描述 该专利文献。在元件(例如电子或电气电路)之间包括布线的布线板中，布线由光诱导相变材 料的导电状态形成，光诱导相变材料可以在绝缘状态(稳定状态)和导电状态(亚稳定状 态)中存在。对于生产布线板的方法，在用光线形成光诱导相变材料的导电状态的步骤中，布 线图案利用掩模形成或直接由激光扫描照射形成。用于布线的材料主要由通过光线照射或加热而发生相变的过渡金属元素或其氧 化物构成。这样的过渡金属元素氧化物的典型的示例包括由化学式AxBy0z表示的化合物 (其中，x、y和z的范围为1彡14，1彡y彡24，1彡z彡41，并且A和B可以是相同或 不同的元素)。在过渡金属元素氧化物中，通过光线照射似乎改变了原子的能量状态以产 生晶格位移，从而发生相变现象。这些在日本未经审查专利申请公开No. 2002-158418中描 述。呈现金属至绝缘体的转变的材料的一个示例是氧化钒(V02)。V02是在室温下具 有单斜晶结构并在约68°C经历金属至绝缘体的转变成为金红石结构(rutile structure) 的氧化物。V02的电阻率的大小变化三倍或更多。由于对于温度的电阻变化率高，V02 用于红外辐射热测量计型式的温度传感器(例如，参见日本未经审查专利申请公开 No. 2007-225532(0036 段至 0041 段以及附图 1))。氧化钒具有另一种不呈现金属至绝缘体转变的晶相V02(B)。因此，呈现单斜晶至 金红石转变的氧化钒通常表示为V02 (M)或V02 (R)。通常表示为V02(M)或V02(R)的氧化钒的薄膜据报道通过施加电场而经历金属 至绝缘体的转变。氧化钒可能被用于场效应晶体管、开关元件以及存储元件(例如，参见 PCT日语翻译专利公开No. 2006-526273(0025段至0028段以及附图3至5)日本未经审
4查专利申请公开No. 2007-224390(0026段至0039段，0077段至0080段以及附图1、11至 13)、PCT日语翻译专利公开No. 2007-515055(0007段至0022段以及附图1、2)日本未经 审查专利申请公开No. 2008-205140 (0049段和0058段至0065段，以及附图4、6至9)、 B. Guiton等人所著"Single-CrystallineVanadium Dioxide Nanowire with Rectangular Cross Sections”，JACS, 127，498-499 (2005) (498 页左边栏 22 至 36 行和 499 页右边栏 12 至 15 行)、H_T. Kim 等人所著"Raman study of electro-field-induced first-order metal-to-insulator transition V02_based devices，，， Applied Physics Letters,86, 242101 (2005) (242101-2 左边栏、图 1))。

发明内容
过去，形成布线图案的步骤很复杂。形成布线图案后，即使只想改变部分布线图 案，也很难将部分的布线图案改变。在多层布线图案中，很难改变位于深层的布线。为了改 变这样的布线图案，优选地是可以非破坏性地自由形成和消除电气布线。为了增加改变电路中电气布线的灵活性并实现集成化，电气布线的布局优选地可 以被改变或消除。为了实现该电气布线，优选地采用在任意部分形成和消除薄的金属布线 的方法。在深入部分中形成的没有暴露在表面的集成电路中，很难通过化学或机械技术仅 局部移动电气布线。电路中的电气布线根据布局平面形成。很难重新构造布线。具体地，集成电路包 括大量精细的布线，从而很难简重新构造布线。在几乎所有构成专用系统电路的逻辑电路中，电路不具有一般通用性。电路具有 用于装置的专用布局平面。因此，随着不同产品的数量的增加，产生成本极大提高。在系统电路是通用的并且在加工过程完成后形成布线的情况下，可以在相同的布 局平面上形成不同的专用系统电路，产生显著的成本降低。此外，可以在实际电路上执行系 统操作测试，并且然后按照情况改善电路，从而节约用于生产测试电路的时间和劳动。其中布线可消除的集成电路可以提供降低成本和研发时间的效果。此外，这样的 集成电路可以用于如准突触元件的人脑型信息处理器的实时可重新构造的电路(动态可 重新构造的电路)。过去已经提出可重新构造的电路。在该电路中，布线没有改变。利用用作为开关 的FET改变电信号的路径。即，很难提高电路变化的多样性。随着多样性的增加，FET开关 的数量极大增加，给增加电路的密度带来困难。在FET开关中，重新构造的电路的信息通常在电源关闭时被消除，从而不关闭电 源。一般用电池维持电路信息。为了改变这种情况，产生了在电源关闭时其中的信息不会 消除的铁电性的栅FET的模型。该FET包括铁电材料构成的栅绝缘膜。然而，该FET并没 有实际应用，因为薄膜要在高温下形成并且包含如铅或铋的低熔点的金属元素。有一种电路，其中信息存储在非易失存储器中并且信息在产品重启后被读取。然 而，进一步增加了 FET开关的数量，从而很难提高电路的密度并普遍推广。日本未经审查专利申请公开No. 2002-158418描述了通过光线形成光致相变材料 的导电状态的步骤，布线图案通过标记形成或直接通过激光扫描照射形成。在该专利文献 所描述的技术中，在改变导电的布线图案的状态中(即，在重新构造布线的状态中)，导电状态的布线图案被加热到600°C或更高的温度，从而产生绝缘状态并消除布线。在600°C的 温度下，几乎所有元件受到破坏。因此，在日本未经审查专利申请公开No. 2002-158418描 述的技术中，即使可以用光致相变材料形成布线图案，也很难在构件安装或形成后在装置 中重新构造布线。希望提供一种利用作为金属至绝缘体转变材料的氧化钒(V02)形成功能元件的 方法、该方法形成的功能元件、制造功能装置的方法以及该方法所制造的功能装置。根据本发明的一个方面，提供了一种用于形成功能元件(例如从以下实施例中描 述的20a至20e、23、25a和25b以及80a至80c中所选取的导线)，该方法包括第一步骤和 第二步骤第一步骤中，形成由用作为金属至绝缘体转变材料的过渡金属元素氧化物(例 如以下实施例中描述的氧化钒10或60)的绝缘体相构成的绝缘体层，过渡金属元素氧化物 主要由氧化钒构成；第二步骤中，使部分绝缘层转变为金属相，其中绝缘体相和金属相在电 阻率与/或光的透射比的方面不同。从而可以形成功能元件，其具有由金属至绝缘体转变材料的相变引起的不同电阻 率与/或光的透射比的状态。根据本发明的实施例，提供了一种由上述的用于形成功能元件的方法所形成的功 能元件。从而可以提供功能元件，其具有由金属至绝缘体转变材料的相变引起的不同电阻 率与/或光的透射比的状态。根据本发明的实施例，提供了一种用于制造功能装置的方法，该方法包括上述的 用于形成功能元件的方法。从而可以提供用于制造含有功能元件的功能装置的方法，该功能元件具有由金属 至绝缘体转变材料的相变引起的不同电阻率与/或光的透射比的状态。根据本发明的实施例，提供了一种由用于制造功能装置的方法所制造的功能装置。从而可以提供功能装置，其具有由金属至绝缘体转变材料的相变引起的不同电阻 率与/或光的透射比的状态。


图1A和1B示出了根据本发明的实施例的金属布线的形成，该布线通过用激光扫 描使金属至绝缘体转变材料转变为金属相来形成；图2示出了根据本发明的实施例的金属布线的消除，该布线通过用激光扫描使金 属至绝缘体转变材料转变为金属相而形成；图3A(a)至图3C(b)是示出根据本发明的实施例利用金属至绝缘体转变材料转变 为金属相的相变的布线的形成和重新构造的平面图；图4A和4B示出了电子构件的安装以及布线的形成，该布线根据本发明的实施例 通过使金属至绝缘体转变材料转变为金属相而形成；图5是示出根据本发明的实施例的多层布线的形成和消除的横截面图，该布线通 过用激光扫描使金属至绝缘体转变材料转变为金属相而形成；图6示出了根据本发明的示例的氧化钒薄膜的金属至绝缘体转变特性；
图7A和7B示出了作为根据本发明的示例的布线的形成，该布线通过用激光扫描 使金属至绝缘体转变材料转变为金属相而形成；图8A和8B示出了作为根据本发明的示例的布线的形成，该布线通过用激光扫描 使金属至绝缘体转变材料转变为金属相而形成；并且图9A和9B示出了作为根据本发明的示例的布线的形成。
具体实施例方式形成根据本发明的实施例的功能元件的方法优选地包括使至少部分金属相转变 为绝缘体相的第三步骤。即，功能元件的状态优选地通过使至少部分由金属想构成的功能 元件转变为绝缘体相而消除。换言之，功能元件的状态优选地可以消除。根据该方法，可以 在第二步骤中形成功能元件，并且功能元件可以在第三步骤中消除。在第三步骤中，至少部分金属相优选地加热到高于过渡金属元素氧化物的金属至 绝缘体转变温度并且等于或小于ioo°c的温度，并且随后冷却到低于金属至绝缘体转变温 度的温度，从而使至少部分金属相转变为绝缘体相。根据该方法，即使在通过将过渡金属元 素氧化物加热到高于金属至绝缘体转变温度并且等于或小于ioo°c的温度所形成的功能元 件与在超过ioo°c的温度下将热退化的成分一起使用的情况下，该成分也不会在该功能元 件的消除状态下退化。过渡金属元素氧化物优选地包含除钒(V)外的至少一种3d过渡金属元素。在这 种情况下，可以使用具有与上述金属至绝缘体转变材料不同的金属至绝缘体转变温度的金 属至绝缘体转变材料。因此，可以通过选取3d过渡金属元素来调节功能元件的消除的加热温度。3d过渡金属元素优选地从Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu中选取。在这种情况下，可 以使用具有20°C至100°C的金属至绝缘体转变温度的金属至绝缘体转变材料。因此，可以 通过选取3d过渡金属元素来调节功能元件的消除的加热温度。在第二步骤中，位于导体之间的绝缘层的区域优选地被激光照射以形成用于将导 体彼此连接的金属相。在此情况下，由金属相形成用于将导体彼此连接的功能元件。在第一步骤中，多个绝缘层优选地堆叠。在此情况下，功能元件可形成在多个绝缘 层中。在第二步骤中，多个绝缘层的每个的区域(位于相应的导体之间的区域)优选地 由激光照射，以形成三维配置的金属相。在这种情况下，由金属相形成用于连接导体的三维 配置的功能元件。功能元件优选地形成为电气布线。在此情况下，金属相起电气布线的作用。可以 提供能够被形成并消除的布线，即在室温至100°c之间的温度可消除的布线。功能元件优选地形成为电阻元件。在这种情况下，金属相用作为电阻元件。可以 提供能够被形成并消除的电阻元件，即在室温至100°C之间的温度可消除的电阻元件。功能元件优选地形成为继电器开关。构成功能元件的金属相经历相变转变为绝缘 体相，用作为关断状态的开关元件。构成关断状态的开关元件的绝缘体相经历相变转变为 金属相，用作为打开状态的开关元件。这样，通过过渡金属元素氧化物的金属至绝缘体转 变，优选地执行电气开关。在这种情况下，可以提供能够被形成并消除的继电器开关，即在
7室温至100°c之间的温度可消除的继电器开关。优选地，金属相和绝缘体相在光的透射比方面不同，并且功能元件形成为其中存 储信息并且/或用光读取的光学存储介质的光学存储元件。在这种情况下，可以提供能够 被形成并消除的光学存储元件，即在室温至100°c之间的温度可消除的光学存储元件。优选地，金属相和绝缘体相在光的透射比方面不同，并且功能元件形成为其中利 用光的透射比的不同显示信息的显示单元的显示元件。在这种情况下，可以提供能够被形 成并消除的显示元件，即在室温至100°c之间的温度可消除的显示元件。在用于制造根据本发明的实施例的功能装置的方法中，功能装置优选地包括具有 有机半导体元件的有机半导体电路、具有逻辑元件的半导体逻辑电路、薄膜FET、显示单元 和光学存储介质。根据该方法，即使有机半导体电路、半导体逻辑电路、薄膜FET、显示单元 和光学存储介质在超过100°C的温度热退化，有机半导体电路、半导体逻辑电路、薄膜FET、 显示单元和光学存储介质不会在形成或消除功能元件时退化。金属至绝缘体转变现象是其中金属材料从呈现金属特性的状态转变为呈现绝缘 体特性的状态的现象。在由表现出金属至绝缘体转变现象的材料构成的区域中的任意部分 经历相变的情况中，可以将导电状态控制为使得该区域的一部分是金属相并且该区域的一 部分是绝缘体相。绝缘体相是低温相。金属相是高温相。通过利用表现出金属至绝缘体转 变现象的材料，可以在任意部分中形成功能元件。“功能元件”用于表示通过利用低温相和 高温相之间在电阻率与/或光的透射比方面的不同而形成的元件。例如，功能元件可以形 成为金属布线(导电的布线)。在本发明的一个实施例中，氧化钒(V02)用作为呈现金属至绝缘体转变现象并表 现出金属状态和绝缘体状态的双稳态金属至绝缘体转变材料(莫托(Mott)绝缘体)。可以 形成例如金属布线(导电的布线)的可消除的功能元件，其中通过用激光照射V02构成的 区域中的任意部分，使绝缘体相经历相变转变为金属相。例如，在例如金属布线的功能元件形成在布置有多个导体电极端子的绝缘基底的 表面的情况中，首先在表面上形成用作为金属至绝缘体转变材料的vo2薄膜以与每个导体 电极端子的至少部分接触。接下来，执行激光照射使得理想的导体电极端子连接，从而使 vo2薄膜的位于受激光照射的区域中的部分的绝缘体相转变为金属相以形成电气布线。这 样，可以将理想的导体电极端子彼此电连接。上述的形成有电气布线的区域的整体或部分通过红外线激光照射加热到高于V02 的相变温度的温度，如100°c。该区域的整体或部分然后冷却到低于vo2的从金属相到绝缘 体相的相变温度的温度，例如室温。这样，通过使构成金属布线的金属相转变为绝缘体相， 使整体或部分的电气布线消除。从而，通过使用V02薄膜的金属至绝缘体转变可以形成或除去(消除)功能元件， 从而提供可消除的功能元件。至于上述的可消除功能元件(例如金属布线)，可以形成多个可消除功能元件(例 如形成多层布线)。可以消除形成在任意层中的金属布线。如上所述，可以形成或消除上述的功能元件(例如金属布线)，从而提供可消除的 金属布线。根据本发明的实施例，例如金属布线的功能元件可以经历金属至绝缘体转变成为绝缘体。金属相可以经历相变转变为绝缘体相。因为金属布线可以消除，所以可以调节金 属布线。可调节布线可以形成和消除，可以不使用通过化学或物理刻蚀来消除。因此，可以通过在用于功能装置(例如电子装置)或功能构件(电子构件)的集 成电路中形成金属至绝缘体转变材料(vo2)并用光线照射金属至绝缘体转变材料所构成的 区域的任意部分，来形成功能元件(例如可消除的金属布线)。至于包括多个子电路的三维电路，通过会聚照射光线而获得的光点的直径和深度 位置可以通过用照射光线的会聚透镜调节焦点距离(透镜和光点之间的距离)和焦点深度 (焦点范围)来改变，从而改变深入设置在功能装置(例如电子装置)或功能构件(电子构 件)中的功能元件(例如金属布线)。此外，如果光诱导部分设置在集成电路芯片中，可以 在芯片形成后通过光诱导部分将光引入芯片中，从而消除功能构件。在根据本发明的实施例的用作为功能元件的电气布线中，在功能装置(例如电子 装置)或功能构件(电子构件)中的预定位置中形成并且由金属至绝缘体转变材料构成的 区域的任意部分被具有特定波长的激光扫描。这使得金属至绝缘体转变，在功能装置(例 如电子装置)或功能构件(电子构件)中的任意二维或三维位置处形成金属部分。金属部 分可以用作为电气布线(金属相的线)。应注意，还可以在功能装置(例如电子装置)或功能构件(电子构件)中同时设 置由金属材料(例如Cu、Al、Au或kg)构成的布线(不可消除布线)和由V02的相变获得 的金属相形成的金属布线(可消除布线)。以下将参照附图详细描述本发明的实施例。金属至绝缘体转变金属至绝缘体转变材料的一般示例包括含有3d过渡金属元素的钙钛矿氧化 物(perovskite oxides)和金红石氧化物、如BEDT-TTF的有机强相关电子材料，以及如 GeSbTe的硫族系化合物。含有3d过渡金属元素的钙钛矿氧化物的一般示例包括CaTi03、SrTi03、BaTi03> LaTi03、(La, Sr)Ti03、SrCe03、LaFe03、(La, Ca)Mn03、(La, Sr)Mn03、(La, Ba)Mn03、(Pr, Ca) Mn03、(La, Sr)Co03、(La, Sr)V03* SmNi03。含有3d过渡金属元素的金红石氧化物的一般示例包括Ti02、V02、Mn02和Cr02。有机强相关电子材料的一般示例是含有用作为施主的BEDT-TTF (C10H8S8, bis (ethylenedithio) tetrathiafulvalene)和用作为受体的X的电荷传输合成物，其中X 代表 I3、MM' (SCN)4(M = Nb、Tl 或 Cs ;M' = Co 或 Zn)或 Cu [N (CN) 2] CI。硫族系化合物的一般示例GeSbTe是相变材料。晶体GeSbTe具有高导电率。非晶 体GeSbTe的导电率的大小比晶体GeSbTe的低几个数量级。已知的是光线照射使这些金属至绝缘体转变材料转变。已经提出可以通过使用金 属至绝缘体转变来形成和消除金属布线。在本说明书中，“金属布线”用于表示由金属至绝缘体转变材料(V02)的相变形成 的导电的布线(金属相布线)。在以下的说明中，电气布线将作为功能元件的示例。氧化钒(V02)薄膜的形成本发明的实施例中使用的金属至绝缘体转变材料是氧化钒(V02)。目前，除乂02外， 没有其它材料在室温至100°C的温度经历金属至绝缘体转变。V02 —般具有约68°C的相变
9温度。高于相变温度的温度的相(即，高温相)是金属相并具有四方晶体结构。低于相变 温度的温度的相(即，低温相)是绝缘体相并具有单斜晶晶体结构。高温相具有较低的可 见光透射性并且是彩色的。低温相几乎是无色的。V02可以包含除钒(V)外的附加元素。附加元素M的示例包括Fe、Co、Ni、Mo、Nb 和W。掺有附加元素M的V02(S卩V02:M)具有降低的相变温度。掺有3d过渡金属元素(不 同于V)的V02的相变温度通过调节附加元素的类型和浓度可以在20°C至100°C的范围改变。V02可以通过溅射、真空蒸镀、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积等沉积在例如由 Ti02、A1203或Si构成的基底上。可以采用的溅射的示例包括通常的技术，如直流溅射、高频溅射、磁控溅射和反应 溅射。可以采用的真空蒸镀的示例包括通常的技术，如电子束(EB)沉积。脉冲激光沉积(PLD)的方法中，靶在真空室中受到脉冲激光照射，然后来自靶的 等离子区的碎片(原子、分子、离子、团粒等)沉积到基底上。靶物质(target substance) 的等离子区称为翎(plume)。由脉冲激光沉积形成的薄膜的特性由基底的类型、基底的温 度、靶物质、基底和靶之间的距离、环境气体类型、气体压力、激光波长、照射能量(强度)、 脉冲激光的振荡频率、脉冲宽度和照射时间确定。在根据本发明的实施例的形成功能元件的方法所用于的功能装置例如是包括有 机半导体元件的有机半导体电路、包括逻辑元件的半导体逻辑电路、薄膜FET、显示单元或 光存储介质的情况下，V02薄膜理想地在低温下形成，优选地为100°C或更低，用于抑制功能 装置的热退化。其上形成V02薄膜的基底的加热温度优选地为100°C或更低。在此温度条 件下，即使功能装置包含有机基底，也可以防止有机基底的热退化。电气布线的形成波长等于或小于500nm的光线的照射使V02的绝缘体相转变为金属相。注意，金属 至绝缘体转变材料的吸收光谱按照其构成而变化。用于使材料转变的照射光线的波长的上 限也按照材料的构成而变化。在掺有非钒(V)的元素M的V02 (即V02:M)中，用于使V02:M 的绝缘体相转变为金属相的照射光线的波长的上限设为与附加元素M的类型和浓度对应 的最优值。图1A和1B示出了作为根据本发明的实施例的功能元件的示例的金属布线的形 成，功能元件通过用激光扫描使金属至绝缘体转变材料(V02)转变为金属相来形成。图1A 是平面图，图1B是沿线IB-IB所取的横截面图。如图1A和1B所示，用作为金属至绝缘体转变材料10的V02薄膜设置在基底40的 表面上。彼此平行的两个导电电极15a和15b设置在V02薄膜的表面上并间隔预定的距离。 图1A和1B示出形成多个金属导线20a、20b、20c、20d和20e，其每个配置为将两个导电电极 15a和15b彼此连接起来。金属导线20a至20e通过用激光光源30 (产生波长为488nm的激光)的激光35 在扫描方向37上扫描V02薄膜的部分以使激光35所照射的V02薄膜部分从绝缘体相转变 为金属相来形成。示出了激光35关于金属导线20e的扫描状态。或者，当激光光源的位置 固定时，可以移动基底40而不用移动激光35。使金属至绝缘体转变材料(V02)转变为金属相所形成的金属导线20a至20e的宽
10度由照射V02薄膜的激光的宽度或由用激光35连续扫描的面积所确定。此外，通过调节用 于激光35的会聚透镜的焦点距离和焦点深度，可以改变通过会聚激光所获得的激光光点 的直径和深度位置。即，焦点深度设为等于或大于V02薄膜的厚度的值，使整个V02薄膜在 厚度方向上转变为金属相。电气布线的消除金属导线20a至20e可以如以下所述被消除。例如，用波长等于或大于800nm的 红外线(IR)激光照射设置金属导线20a至20e的区域，将该区域加热到如100°C的使V02 转变为金属相的高温。然后该区域冷却到如室温的使V02转变为绝缘体相的低温，从而消 除金属导线20a至20e。注意，可以用加热器代替IR激光照射来加热该区域。如上所述，用于形成电气布线的V02薄膜被加热到约100°C并且然后冷却到室温， 使vo2薄膜的金属相转变为绝缘体相。从而消除电气布线。在用加热器或通过镜像光线(image light)光源、激光光源的红外线照射来加热 元件的整个表面的情况下，设置在元件中的全部电气布线被消除，并且vo2薄膜恢复到没有 布线的原始状态，即绝缘体相。通过会聚波长等于或大于800nm的红外光可以部分地或局部地消除电气布线。激 光光源和镜像光线光源可以用作为配置成发射波长等于或大于800nm的红外光的红外线 光源。此外，在乂02薄膜形成的多个绝缘层配置在元件中的情况下，可以如以下所述(参见 图5)在每个绝缘层中形成或消除电气布线。如上所述，通过用加热器加热或用波长等于或大于800nm的红外光照射并且然后 冷却，可以消除通过￥02薄膜的绝缘体相的相变而形成的金属布线。图2示出了作为根据本发明的实施例的功能元件的示例的金属布线的消除，该功 能元件通过激光扫描使金属至绝缘体转变材料(vo2)转变为金属相而形成。如图2所示，形成金属导线20a至20e的整个区域通过红外激光照射被加热到约 100°C的高温，使整个金属至绝缘体转变材料10(V02)转变为金属相。该区域然后冷却到低 温(即室温)，使整个金属至绝缘体转变材料10(V02)转变为绝缘体相并且消除金属导线。此外，金属导线20a至20e的具体部分(例如仅仅图1A和1B中所示的形成金属导 线20c的区域)通过红外激光照射被加热到约100°C的高温。该区域然后冷却到低温(即 室温)，使具体的导线部分转变为绝缘体相并且消除金属导线的具体部分。金属布线的形成和消除图3A(a)至图3C(b)示出作为根据本发明的实施例的功能元件的示例的金属布线 的形成和消除，功能元件通过用激光扫描使金属至绝缘体转变材料(vo2)转变为金属相而 形成。在图3A(a)至图3C(b)中，金属至绝缘体转变材料60 (V02)设置在每个基底(未 图示)的表面上。图3A(a)至图3C(b)示出了布线的消除(包括布线的添加)。图3A(a)、3B(a)和 3C(a)示出了消除布线前的布线状态。图3A(b)示出了添加布线后的布线状态。图3B(b) 和3C(b)示出了消除布线后的布线状态。图3A(a)示出了包括安装在基底上的金属至绝缘体转变材料60 (V02)上的多个半 导体芯片62a至62d的示例性电子电路，该电路包括粗线表示的导线23 (金属导线)。导线23如上所述通过用激光扫描使金属至绝缘体转变材料60 (V02)转变为金属相而形成。已经 存在的导线23连接半导体芯片62a和半导体芯片62b。可以在图3A(a)所示的电子电路中形成添加的布线。图3A(b)示出了包括新添加 的导线25a和25b的示例性电子电路，导线25a连接半导体芯片62a和半导体芯片62c并 且导线25b连接半导体芯片62a和半导体芯片62d。新添加的导线25a和25b如上所述通 过用激光扫描使金属至绝缘体转变材料60 (V02)转变为金属相而形成。半导体芯片62a至62d在图3A (a)所示的电子电路形成之前安装在设置在基底上 的金属至绝缘体转变材料60 (V02)上。这将在以下描述(参照图4A和4B)。消除所有电气布线图3B(a)和图3B(b)示出了消除所有布线。图3B(a)示出了消除布线前的布线状 态(与图3A(b)中所示的布线状态相同)。图3B(b)示出了消除布线后的布线状态。如图3B(a)和图3B(b)所示，配置有布线的整个区域被加热器22或红外线灯24 加热到等于或大于金属至绝缘体转变温度的高温(例如100°c )并且然后冷却到例如室温 的低温，使所有金属布线转变为绝缘体相并从而消除所有金属布线。消除部分电气布线图3C(a)和图3C(b)示出了消除部分布线。图3C(a)示出了消除布线前的布线状 态(与图3A(b)中所示的布线状态相同)。图3C(b)示出了消除布线后的布线状态。如图3C(a)和图3C(b)所示，用从红外线灯24发射并随后被透镜27会聚的红外 光扫描，将配置有导线23 (金属布线)的区域加热到等于或大于金属至绝缘体转变温度的 高温(例如100°C )。接下来，该区域冷却到例如室温的低温，使配置有导线23的区域转变 为绝缘体相并从而消除导线23。注意，红外激光光源可以用于代替红外线灯24。以上描述了单层金属布线的形成和消除。如以下所描述，也可以执行多层金属布 线的形成和消除(参见图5)。将电子构件安装到基底图4A和4B示出了电子构件的安装以及布线的形成，该布线根据本发明的实施例 通过使金属至绝缘体转变材料(V02)转变为金属相而形成。图4A是平面图。图4B是沿线 IVB-IVB所取的横截面图。图4A和4B示出了半导体芯片62e和62f安装在基底40上的示 例性结构。如下所述，在安装半导体芯片62e和62f之前，在基底40上形成由金属至绝缘体 转变材料60(V02)构成的用于电气布线的绝缘层和电极15。电极15形成在基底40的表面上，之后形成由金属至绝缘体转变材料60(V02)构 成的用于电气布线的绝缘层。或者，先形成由金属至绝缘体转变材料60(V02)构成的用于 电气布线的绝缘层，再形成电极15。由金属至绝缘体转变材料60 (V02)构成的用于电气布 线的绝缘层的端部与电极15的端部接触。或者，端部位于安装半导体芯片62e和62f的区 域以外，并且由金属至绝缘体转变材料60 (V02)构成的绝缘层与电极15在端部附近重叠。形成由金属至绝缘体转变材料60 (V02)构成的绝缘层和电极15之后，半导体芯片 62e和62f的连接端子通过电极导线64连接到电极15，从而将半导体芯片62e和62f安装 在基底40上。将半导体芯片62e和62f安装在基底40上后，以将理想的电极15彼此连接的方
12式用激光照射由金属至绝缘体转变材料60(V02)构成的绝缘层，使照射区域转变为金属相 并且从而形成构成电子电路的电气布线。所形成的构成电子电路的电气布线的全部或部分可以如上所述被消除(参见图2 和图 3A(a)至 3C(b))。多层布线的形成和消除图5是示出作为根据本发明的实施例的功能元件的示例的多层布线的形成和消 除的横截面图，该功能元件通过用激光扫描使金属至绝缘体转变材料(V02)转变为金属相 而形成。图5所示的多层布线包括构成设置在基底90的表面上的第一布线层的电气布线 80a、构成第二布线层的电气布线80b和构成第三布线层的电气布线80c，这些层被绝缘层 95分开。为了形成电气布线80a、80b和80c，首先形成由金属至绝缘体转变材料10(绝缘 体V02)构成并且用于形成第一、第二和第三布线层的第一、第二和第三绝缘层。电极75a 和75b形成在每个绝缘层的预定的位置上。为了通过使第一至第三绝缘层的每个从绝缘体相转变为金属相来形成电气布线， 用透镜调节激光的焦点距离。激光通过透镜被会聚并聚焦在每个绝缘层上，从而在所调节 的焦点深度处形成激光光点。用激光光点二维地扫描每个绝缘层，用激光照射使每个绝缘 层的理想区域从绝缘体像转变为金属相，并且从而形成电气布线。这样，可以形成三维地布 置的电气布线。用通过透镜将来自激光光源30a的激光35a会聚而形成的激光光点二维地扫描 金属至绝缘体转变材料10 (绝缘体vo2)，使金属至绝缘体转变材料从绝缘体相转变为金属 相，从而在理想的层的理想的位置形成电气布线。图5示出了激光光点入射在第二绝缘层 上的状态。并没有提到，通过以不同的布线层彼此连接的方式预先形成金属至绝缘体转变材 料10(V02)，可以形成用作配置为将不同的布线层彼此电连接的过孔芯棒的金属布线。用透镜(未图示)会聚作为激光35的红外线激光而形成的激光光点照射理想层 中形成的电气布线的理想区域，从而以图2所描述的相同的方式消除三维地配置的电气布 线，即设置在每层中理想区域中的电气布线。因此，可以以图3A(a)至图3C(b)所描述的相 同的方式通过添加或消除电气布线来重新配置布线。即，可以通过添加配置为层间连接的 新的布线或消除布线来重新配置布线。对于三维地配置的电气布线，通过透镜来调节红外线激光的焦点距离。用透镜将 红外线激光会聚并聚焦在目标布线层上，从而在所调节的焦点深度处形成激光光点。用激 光光点二维地扫描目标布线层，从而将目标布线层加热到等于或大于金属至绝缘体转变温 度的高温(例如约100°c )并且然后冷却到如室温的低温，从而消除目标布线层。用激光光点二维地扫描目标布线层的整个区域，消除布线层中的全部电气布线。 用激光光点二维地扫描目标布线层的部分，消除布线层中的部分电气布线。图5中所示的 绝缘层95可以具有足够透射激光35a的透射比，并且由按照用途的任意材料构成。以下将描述用激光扫描形成或消除金属至绝缘体转变材料(V02)所构成的金属布 线的示例。示例
氧化钒(V02)薄膜的形成￥02薄膜可以通过脉冲激光沉积来形成。环境气体充入真空室以达到10Pa或更低 的压力。低密度的翎从高密度的翎分出。来自靶的等离子区的碎片(例如原子、分子、离子 和团粒)到达基底表面，从而在基底表面上形成vo2薄膜。用作为靶的五氧化二钒(V205)的烧结的坯块(团粒)和用作为基底的Si02/Si晶 片放置在具有氧气分压为1X10_2至3X10_2Torr(1.3至4.0Pa)的薄膜形成装置中。靶和 基底之间的距离设为30至50mm。基底温度设为350°C至420°C。将500至30000剂量的波 长为248nm、激光能量为0. 5至2J/cm2、激光频率为1至10Hz且脉冲宽度为20ns每触发的 激光用于靶，从而形成lcmX lcm的厚度为10至500nm晶体氧化钒(V02)薄膜。除五氧化 二钒(V205)外，氧化钒(V02)、四氧化二钒(V204)、三氧化二钒(V203)可以用作为靶材料。具体地，具有最好的结晶度的薄膜在以下条件下形成气体流量(02 Ar)为 1 1，氧气分压为lX10_2Torr，基底温度为400°C，激光频率为5Hz，靶与基底的距离为 50mm。形成的氧化钒(V02)呈现相变(参见图6)，并且在室温下具有绝缘的单斜晶结构并 在转变温度或更高的温度下具有导电的四方晶体结构。氧化钒的金属至绝缘体转变特性图6示出了根据本发明的示例的氧化钒(V02)薄膜的金属至绝缘体转变特性以及 通过四个端子测量确定的州2薄膜的电阻率。在图6中，横坐标表示V02薄膜的温度(°C)， 并且纵坐标表示电阻率(Q cm)。如图6所示，当V02薄膜的温度受热升高到约68°C时，电阻率逐渐下降(以下这种 变化被称为“逐渐降低曲线”)。进一步升高温度，电阻率急剧降低。在约77°C或更高温度 下，电阻率逐渐降低。在约68°C至约77°C的范围中(以下，图6所示的该范围中的变化被 称为“升温曲线”)，V02薄膜经历金属至绝缘体转变以从作为低温相的绝缘体相转变为作为 高温相的金属相。这样，V02薄膜的绝缘体相经历相变转变为金属相，从而形成布线。如图6所示，当通过冷却使V02薄膜的温度降低到约63°C时，电阻率逐渐上升(以 下这种变化被称为“逐渐升高曲线”)。进一步降低温度，电阻率急剧升高。在约56°C或更 低的温度下，电阻率逐渐上升。在约63°C至约56°C的范围中(以下，图6所示的该范围中 的变化被称为“降温曲线”)，V02薄膜经历金属至绝缘体转变以从作为高温相的金属相转变 为作为低温相的绝缘体相。这样，V02薄膜的金属相相经历相变转变为绝缘体，从而消除布 线。如图6所示，乂02薄膜的电阻率随温度的变化示出滞后回线。升温曲线的中点限 定为相变温度，并且被确定为约73°C。降温曲线的中点限定为相变温度，并且被确定为约 60°C。8口，迟滞的宽度约13°C。在由升温曲线上的点表示的状态下的V02薄膜的温度降低的情况下，V02薄膜的 电阻率不沿升温曲线变化而沿大体上平行于逐渐降低曲线的线变化，因此vo2薄膜的电阻 率不会显著改变。类似地，在由降温曲线上的点表示的状态下的vo2薄膜的温度升高的情 况下，vo2薄膜的电阻率不沿降温曲线变化而沿大体上平行于逐渐升高曲线的线变化，因此 vo2薄膜的电阻率不会显著改变。如上所述，V02薄膜根据升温曲线从绝缘体相变为金属相。V02薄膜根据降温曲线 从金属相变为绝缘体相。即，￥02薄膜呈现可逆的金属至绝缘体转变。在V02薄膜形成在蓝
14宝石上的情况下，￥02薄膜的电阻率约1X10_3Q cm，与透明电极的电阻率相当。这或许是 因为晶粒尺寸增加。因此，尽管图6所示的V02薄膜的金属相的电阻率约2X10_2Q _，然 而通过将V02薄膜的厚度增加到约10 y m而增大晶粒尺寸可以将V02薄膜的金属相的电阻 率减小至约1X10_4Q cm。金属布线的形成如上所述通过脉冲激光沉积在Si02基底的表面上形成厚度为lOOnm的V02薄膜。 如图1A和1B中所述在V02薄膜表面上形成各自厚度为50nm的蒸镀的铝膜形成的两个电 极。利用波长为488nm的激光在两个电极之间形成金属导线。图7A至8B示出了作为根据本发明的示例的功能元件的示例性金属布线的形成， 功能元件通过使金属至绝缘体转变材料(V02)转变为金属相而形成。图7A和8A是激光扫 描前的氧化钒(V02)薄膜的光显微照片。图7B和8B是激光扫描后的氧化钒(V02)薄膜的 光显微照片。在图7A和7B中示出了聚焦标记。在图8A和8B中未示出聚焦标记。如图7A和8A所示，彼此平行的两个铝电极45a和45b设置在金属至绝缘体转变 材料60 (V02)的表面上并且分离50 u m。图7B和8B各示出通过使金属至绝缘体转变材料(V02)从绝缘体相转变为金属相 以连接铝电极45a和45b的五个导线50a、50b、50c、50d和50e。每个导线直线设置在由相 应的一圈虚线包围的区域中。导线50a至50e每个具有约2 ym的宽度。可以通过调节激 光的集聚度来改变导线的宽度。图7B和8B中所示的导线50a至50e每个在光学显微镜的实际视场中观察时是黄 色的。该颜色与金属至绝缘体转变材料60 (V02)通过温度变化经历从绝缘体相到金属相的 相变时所观察的颜色是相同的。即，该颜色表示金属至绝缘体转变是由激光引起的。图9A和9B示出了作为根据本发明的示例的功能元件的示例性金属布线的形成。 图9A是示出通过用激光扫描使金属至绝缘体转变材料(V02)转变为金属相而形成导线(a、 b、c、d和e)(用激光形成布线)时流过电极之间的电流的变化的曲线图。图9B示意性地 示出图7B和8B的显微照片，并且是Si02基底上的导线(a、b、c、d和e)和电极布置的平面 图。在图9A中，横坐标表示在形成图7A至8B中所示的导线时通过用激光扫描使金属 至绝缘体转变材料(V02)转变为金属相而形成导线a、b、c、d和e所经过的时间。纵坐标 表示流过铝电极45a和45b之间的电流。如图9A所示，每次完成导线a、b、c、d和e的形 成，流过铝电极45a和45b之间的电流逐步增加大体上相同的量。结果明确地示出金属导 线50a至50e相继形成在铝电极45a和45b之间。通过用加热器将V02薄膜加热到约100°C度并将薄膜冷却到室温，图9A和9B中所 示的形成的电气布线被消除。其中电气布线被消除的vo2薄膜的光学显微照片(未图示) 与图7A和8A中的相同。该膜在光学显微镜的实际视场中观察时是黄色的。如上所述，在本发明的实施例中，主要由氧化钒(V02)构成的过渡金属元素氧化物 用作为金属至绝缘体转变材料，其中低温相具有高电阻率并且高温相具有低电阻率。从而 可以通过将构成布线的金属相加热到等于或小于100°C的温度以使金属相转变为绝缘体相 来消除布线。从而，即使在电子构件安装在或形成在装置上之后，也可以在不损坏安装在或 形成在装置上的如半导体芯片的电子构件(元件)的情况下执行布线的重新布置。
在以上的描述中，以用作为电子电路中使用的功能元件的可消除电气布线作为示 例。同样在功能元件用作为电子电路的电阻元件、继电器开关、光学存储介质的光学存储元 件或显示单元的显示元件的情况下，由主要包含vo2的过渡金属元素氧化物构成的功能元 件能够以与电子电路中的电气布线相同的方式被形成和消除。在以上描述的本发明的实施例中，形成了由作为金属至绝缘体转变材料的乂02构 成并且可以通过激光照射而消除的功能元件。从而，可以提供以下特征。(1)形成由V02构成的电气布线。电气布线可以通过将布线加热到约100°C来消 除。从而可以提供可以在低温下消除的电气布线，这在过去是难以实现的。(2)可以在将理想的电子构件安装在基底上的步骤后形成电气布线。即，可以在安 装构件之后执行形成电气布线的步骤。(3)通过形成和消除V02构成的电气布线，可以提供可消除的半导体逻辑元件(可 重新构造元件)。可重新构造元件是可消除的逻辑元件。可重新构造元件的一般示例是现 场可编程门阵列(FPGA)。逻辑元件可以被用户重新构造。该元件已经实际用于半导体设计 和半导体操作测试。此外，由于作为大脑突触的可重新构造性，该元件还用于如机器人的人 工智能装置。(4)可以有效地改变其中使用易受过程工艺步骤损坏的装置(例如有机场效应晶 体管(由有机半导体构成的包括沟槽的FET)和有机电致发光装置)的有机半导体装置和 电路的布局。由于由V02构成的电气布线可以在约100°C的加热温度下消除，有机半导体材 料和有机电致发光材料构成的沟槽不会退化。(5)可以通过调节用于形成V02构成的电气布线的激光照射面积来改变电气布线 的宽度。因此，电路可以响应于电信号的强度而改变。(6)在￥02与例如激光元件的发光元件结合的情况下，通过激光元件发射的激光的 照射，vo2可逆地经历金属至绝缘体转变。从而可以形成能够实时重新构造的电路元件。在 元件操作时，可以改变如(2)中所述安装有理想电子构件的基底的上的布线或(3)中描述 的半导体元件上的布线。例如，图3C(a)中所示的灯(激光)与MEMS元件结合到封装中。 可以提供通过在亚微米尺度通过光刻在芯片上重新布置布线的装置。(7)可以通过利用激光照射引起的V02的可逆的金属至绝缘体转变形成继电器开 关。通过继电器开关对激光元件的运动控制以及微机电系统(MEMS)装置带来了利用光信 号的逻辑电路的形成。这里，(2)中描述的构件和(3)中描述的元件不是对电信号操作，而 是对光信号操作。由于反光或其非透明性，V02的金属相不传递光(光信号)，导致不形成 布线的状态，即电路关断的状态。V02的绝缘体相传递光(光信号)，导致形成布线的状态， 即电路接通的状态。在使用光信号的情况下，V02的金属相提供不形成布线的状态，即电路 关断的状态；并且V02的绝缘体相提供形成布线的状态，即电路接通的状态。相比之下，在 使用电信号的情况下，V02的金属相提供形成布线的状态，即电路接通的状态，并且V02的绝 缘体相提供不形成布线的状态，即电路关断的状态。即，使用光信号的情况和使用电信号的 情况相反。(8)用于入射到V02上的激光的会聚透镜的焦点距离和焦点深度的改变产生激光 光点的直径和深度位置的改变。激光光点的深度位置(焦点深度)是三维变化的，形成三 维布置的薄的金属线网。此外，乂02纳米颗粒混合并分散在用于激光的透明材料(例如透明树脂或透明玻璃)中。在这种情况下，可以形成形成和消除上述的具有三维结构的薄的金 属线网。(9)金属相的乂02构成的布线是有颜色的，从而导致布线的可见性。从而可以在可 视地监控布线的形成状态的同时改变电路。(10)可以通过得用V02的相变产生的颜色执行二维或三维绘图。可以形成电子布 告板。用从包括激光元件的激光打印机发射的激光执行绘图。卩02经历可逆的金属至绝缘 体转变，产生颜色。从而，还可以提供利用相变产生的颜色的绘图介质。该绘图介质可以放 置在公共场所并用作为可再用的显示器，作为普遍存在的信息介质。(11)通过利用V02的相变带来的光的透射性的差异，可以提供光学存储介质的光 学存储元件。(12)通过利用电阻率随温度的变化，可以形成用于电压电路的可消除的电阻元 件，电阻元件的电阻率由vo2的加热温度控制。尽管以上描述了本发明的实施例，然而本发明并不限于这些实施例。只要不背离 本发明的主旨和范围，可以进行各种改变和修改。例如，可以通过不同的方法形成vo2薄膜。 当基底的温度设为等于或小于100°c时，vo2薄膜可以形成在基底的表面上。此外，可以使 用除vo2外的其它材料，只要材料在室温至100°c的温度经历金属至绝缘体转变。本发明包含了与2009年3月16日向日本专利局递交的日本优先权专利申请 JP2009-062759中公开的主题相关的主题，这里通过引用引入其全部内容。本领域技术人员应理解，只要在所附权利要求或与其相当的范围内，可以按照设 计要求等其它因素进行各种改变、结合、附属结合和替代。
1权利要求
一种形成功能元件的方法，包括第一步骤，形成绝缘层，所述绝缘层由用作为金属至绝缘体转变材料的过渡金属元素氧化物的绝缘体相构成，所述过渡金属元素氧化物主要由氧化钒构成；以及第二步骤，使部分所述绝缘层转变为金属相，其中，绝缘体相和金属相在电阻率与/或光的透射比的方面不同。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括第三步骤，使至少部分金属相转变为绝缘体相，其中，通过使金属相构成的所述功能元件至少部分转变为绝缘体相来消除所述功能元 件的状态，从而所述功能元件可重新构造。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在第三步骤中，所述至少部分金属相被加热到高于所述过渡金属元素氧化物的 金属至绝缘体转变温度并且等于或低于locrc的温度，并且随后冷却到低于所述金属至绝 缘体转变温度的温度，使至所述少部分金属相转变为绝缘体相。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述过渡金属元素氧化物包含除钒(V)外的至少一种3d过渡金属元素。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述3(1过渡金属元素从！1、0^11、？6、&)、附和Cu中选取。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在第二步骤中，所述绝缘层的位于导体之间的区域受到激光照射以形成金属相， 使得所述导体彼此连接。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在第一步骤中，多个所述绝缘层堆叠。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在第二步骤中，所述多个绝缘层的每个的位于相应的导体之间的区域受到激光 照射以形成三维地布置的金属相，使得所述相应的导体彼此连接。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述功能元件形成为电气布线。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述功能元件形成为电阻元件。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述功能元件形成为继电器开关，构成所述功能元件的金属相经历相变而转变 为绝缘体相，用作为关断状态的开关元件；构成所述关断状态的开关元件的绝缘体相经历 相变转变为金属相，用作为打开状态的开关元件，并且通过所述过渡金属元素氧化物的金 属至绝缘体转变来执行电气开关切换。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，金属相和绝缘体相在光的透射比方面不同，并且所述功能元件形成为其中存储 信息并且/或用光读取信息的光学存储介质的光学存储元件。
13.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，金属相和绝缘体相在光的透射比方面不同，并且所述功能元件形成为其中利用光的透射比的不同显示信息的显示单元的显示元件。
14.一种通过根据权利要求1至13中任一项所述的用于形成功能元件的方法所形成的 功能元件。
15.一种形成功能装置的方法，包括根据权利要求1至13中任一项所述的用于形成功能元件的方法。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述功能装置包括具有有机半导体元件的有机半导体电路、具有逻辑元件的半 导体逻辑电路、薄膜场效应晶体管、显示单元和光学存储介质。
17.—种通过根据权利要求15或16所述的方法所形成的功能装置。
全文摘要
本发明涉及形成功能元件的方法以及其形成的功能元件、制造功能装置的方法以及其制造的功能装置。形成功能元件的方法包括第一步骤和第二步骤第一步骤中，形成由用作为金属至绝缘体转变材料的过渡金属元素氧化物的绝缘体相构成的绝缘体层，过渡金属元素氧化物主要由氧化钒构成；第二步骤中，使部分绝缘层转变为金属相，其中绝缘体相和金属相在电阻率与/或光的透射比的方面不同。
文档编号H01L23/532GK101853806SQ20101012925
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月9日 优先权日2009年3月16日
发明者伊藤大辅 申请人:索尼公司