专利名称：可靠的相变器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及为了保护信息内容而调节对数据存储和处理元件的内容存取的电子器件。更具体地说，本发明涉及包括有三端安全元件和相变元件的并联电路组合，其中安全元件具有用于保护相变元件的导通状态和允许读取相变元件的截止状态。
背景技术：
存在有改进计算机性能以满足新的以及更尖端的计算应用要求的持续需求。如模式关联、模式分类、联想存储器功能、语音、和字符识别这样的应用在很大程度上不能顺应当前计算机的解决方案或实际应用，包括许多由人或其他生物体易于并直观实施的任务。
扩展计算机科学新领域的愿望已经促使对影响当前计算机的局限性的因素的考虑。硅是今天计算机的核心。这些年来，计算能力和速度的先进性在很大程度上曾是更好地理解硅的基础特性以及将这些特性付诸实际的结果。最初的进展以构造基本的电子元件(如用硅制成的晶体管和二极管)为基础，以及后来的进展是从集成电路的开发而得到的。最新的发展表现为这些趋势的持续并且通常强调单芯片上大量微电子器件的小型化和集成化。更小的器件导致同一芯片上器件之间更高的存储密度、更高度集成的电路以及减少的相互作用时间。
因为未来在计算能力和功能性方面的改进目前以硅技术方面的进一步改进为基础，关于基于硅的电子器件持续小型化的预测已经有最新的讨论。日益增加的一致意见正在形成，即计算机行业正在快速朝着硅的性能极限发展。在今天的制造工艺中，特征尺度是0.18微米，并且现在它被减小到约为0.10微米。然而，特征尺寸的进一步减小被认为是有问题的，因为低于约为0.10微米的尺寸导致了硅的基础特性的变化。更具体地说，在硅器件的尺寸减小至数十纳米以及以下时，硅进入其行为的量子领域，并且不再遵照描述宏观物体的经典物理学。在量子状态中，能态被量子化而不是连续的并且如隧道效应这样的现象导致电子越过许多器件。隧道效应的结果包括在电子从一个器件逃逸至邻近的器件时电流的泄漏以及在一个器件的状态影响邻近器件的状态时与器件无关的损失。这样的泄漏也可发生在单个器件内。除了硅行为中的基础变化外，硅器件尺寸的进一步减小还提出了难以克服的技术问题。为制作更小的特征尺寸，将会需要制造方法(比如光刻术)中新的并且成本较高的创新。
一种提高计算机性能的策略是确定除硅以外的、能够在数据处理和/或存储应用中用作活性介质的材料。这种可选用的计算介质的使用可以独立于硅或者与硅结合来形成设法提供比用硅所能够达到的更好性能、更便于制造以及更经济的新计算行业的基础。
其中一个本发明者S.R.Ovshinsky最近曾提出硫属化物相变材料作为处理和存储数据的活性材料的新用法。在其公开内容通过引用而结合于本文的美国专利No.6,617,710(‘710专利)中，Ovshinsky等人描述了在传统的认知计算应用中相变材料的工作原理。相变材料不仅能够在传统硅计算机的二进制模式特征下工作，而且能够提供数据的非二进制存储和处理的机会。非二进制存储保证了较高的信息存储密度，同时非二进制处理提供了增加的操作并行性。‘710专利还描述了利用非二进制计算介质进行数学运算(如加、减、乘和除)的代表性算法。其公开内容通过引用而结合于本文的Ovshinsky等人的美国专利申请No.10/155,527(‘527申请)进一步描述了基于相变计算介质的数学运算，包括因式分解、模运算和并行运算。
在其公开内容通过引用而结合于本文的美国专利申请No.10/189,749(‘749申请)中，Ovshinsky考虑了基于将相变材料用作活性计算材料的器件的计算系统的体系结构。更具体地说，Ovshinsky考虑了相变计算器件的网络并证实了与生物神经网络的功能性近似并行的功能性。这种功能性的重要特征包括相变计算器件对来自各种源的输入信号的累积响应、加权输入信号的能力以及模仿生物神经元触发的稳定可再生材料的变换。这种功能性使得以学习、适应性和可塑性为特征的智能计算中的新概念得以实现。
在其公开内容通过引用而结合于本文的美国专利申请Nos.10/384,994(‘994申请)、10/426,321(‘321申请)、10/657,285(‘285申请)和10/761,022(‘022申请)中，Ovshinsky等人通过讨论附加的计算和存储器件进一步开发了相变计算的概念。‘994申请讨论了多端相变器件，其中在一个电端子处设置的控制信号通过载荷子的注入而调制在其他电端子之间传输的电流、阈值电压或信号。‘321申请描述了利用场效应端子来调制在其他端子之间传输的电流、阈值电压或信号的有关多端器件。在‘994申请和‘321申请中描述的器件可被配置成提供与晶体管的功能性类似的功能性，而所述晶体管的功能性对基于硅的计算机来说是极为重要的。‘285申请提出了具有多端子、利用相变材料的多位存储器件。‘022申请描述了利用相变材料的多端逻辑器件。
Ovshinsky等人的前述工作提供了使得整体或部分基于硫属化物或其他相变材料的计算范例得以实现的概念、工作原理和某些基本器件。为了进一步促进作为可行的实际应用或者基于硅技术的备选的硫属化物计算的实现，最好是扩展器件的范围以及硫属化物和其他相变材料可利用的功能性。最令人关注的是能够执行处理、存储器或内存、以及逻辑功能的器件和系统。另外的考虑包括加密和安全的数据存储。
发明内容
本发明提供了安全存储和处理器件。在一个实施例中，可靠器件包括用于存储或处理数据的安全元件和寄存器。寄存器包括相变材料并且可用于数据存储、常规计算和认知计算。安全元件是可调节对寄存器内容的存取的三端元件。安全元件可被配置为截止状态以允许寄存器的读取或者被配置为导通状态以阻止寄存器的读取。安全元件和寄存器在本发明的可靠器件中作为一个并联组合被连接。器件电阻由该并联组合的电阻控制，该并联组合的电阻又由安全元件和寄存器的相对电阻来控制。在截止状态下，安全元件具有比寄存器高的电阻，并且可靠器件的测量电阻接近地对应于寄存器的电阻，从而提供了关于寄存器状态的信息。在导通状态下，安全元件具有比寄存器低的电阻，并且器件的测量电阻更接近地对应于安全元件的电阻，从而阻止或禁止寄存器电阻的确定。安全元件因此为寄存器的内容提供了大于寄存器自身所固有的安全度。
在另一个实施例中，可靠器件包括一个安全元件和一个加权器件的并联组合。加权器件包括相变材料，该相变材料的电阻在某一电阻范围内是连续可变的。加权器件在信息处理过程中是有用的并且可通过对其电阻进行控制来调制信号在网络中器件之间的传输。在截止状态下，安全元件具有比加权器件高的电阻，从而使得电阻读取或加权器件电阻状态的变更成为可能。在导通状态下，安全元件具有比加权器件低的电阻，从而阻止或禁止加权器件电阻状态的读取或变更。加权器件可独自由安全元件保护或者可与寄存器组合而被保护。
图1是代表性的两端相变器件的示意图。
图2是作为能量或电流的函数的两端相变器件的电阻的典型关系曲线。
图3是本发明的可靠器件的示意图。
具体实施例方式
本发明提供了提高由寄存器或加权器件存储或处理的信息或数据的安全性的器件。正如这里所用到的，寄存器是包含或处理数据或信息的计算元件。寄存器包括以二进制或非二进制方式工作的存储器和其他数据存储元件以及处理元件。正如这里所用到的，加权器件是电阻性地修改信号传输的元件。在一个典型实施例中，加权器件连接器件网络中的两个或多个器件并调节在器件之间传输的信号强度或大小。在许多计算应用中，理想的方式是使存储或处理于一个或一组寄存器或加权器件中的信息保持保密状态，并且各种加密和保护方案已经在独占今天市场的基于硅或非基于硅的存储器和处理器件的现有技术中被构思。本发明的焦点是非基于硅的寄存器或加权器件中的信息保护。更具体地说，本发明涉及到阻止对普通寄存器或加权器件的非期望存取或对那些将相变材料用作工作介质的寄存器或加权器件的非期望存取。
一个关于本发明的可靠器件的实施例中包含的寄存器先前已经在‘710专利以及‘527和‘749申请中被描述，它们包括两端相变器件。上述加权器件先前在‘749申请中已经被描述，它们包括两端相变器件。通过依照一种机制操作相变材料的结构状态，寄存器存储和/或处理信息。通过依照第二机制操作相变材料的结构状态，加权器件电阻性地对传过它们自身的电信号传输加以修改。结构变化的机制将在下面进行详细描述。
如上所述，在本发明的可靠器件中可用作相变元件的寄存器和加权器件包括两端相变器件，如在‘710专利以及‘527和‘749申请中通过引用而描述或结合的那些寄存器和加权器件。在美国专利Nos.5,714,768、5,912,839和6,141,241中讨论的两端器件在这些器件当中，上述美国专利的公开内容通过引用而结合于本文。这些专利包括器件结构、材料、生长方法、层厚等的描述。图1示出的是可用作寄存器或加权器件的代表性的两端器件。该器件包括衬底2(如Si)、下层的电接触层5(如，碳、金属或金属合金，典型厚度为几埃至几百埃(如600 ))、绝缘层15(如SiNx、SiO2，典型厚度为几埃至几百埃(如800 ))、相变材料25(具有几埃至几百埃(如600 )的中央孔隙外面的典型层厚)以及上层的电接触层35(如，碳、金属或金属合金，典型厚度为几百埃至几千埃(如2000 ))。涉及材料和电端子或接触层、绝缘材料以及其他层的尺寸的另外细节与先前在‘994、‘321、‘285和‘022申请中描述的那些是相似的。
适用于本发明的相变材料是能够在两种或多种可检测的不同结构状态之间变换的材料。不同的结构状态可以是比如晶体结构、原子排列、有序或无序、分级结晶度、两种或多种不同结构状态的相对比例(如晶相或非晶相的比例)、物理(如电的、光学的、磁的、机械的)或化学特性等为基础来区分。在一个优选实施例中，结构状态之间的变换是可逆的，使得被变换材料的原始状态在结构变换之后可被恢复。
在一个优选实施例中，硫属化物材料被用作本发明的可靠器件的寄存器和加权器件中的相变材料。硫属化物以前曾被用于光学和电学存储器，并且一些开关变换应用以及某些典型成分和特性已经在其公开内容通过引用而结合于本文的美国专利Nos.3,543,737、5,694,146、5,757,446、5,166,758、5,296,716、5,534,711、5,536,947、5,596,522和6,087,674中，以及其公开内容通过引用而结合于本文的、包括S.R.Ovshinsky的“Reversible Electrical Switching Phenomena inDisordered Structure”，Physics Review Letters，Vol.21，p.1450-1453(1969)、S.R.Ovshinsky和H.Fritzsche的“AmorphousSemiconductors for Switching，Memory，and Imaging Application”，IEEETransactions Electron Devices，vol.ED-20，p.91-105(1973)在内的若干杂志文章中进行了讨论。有助于理解本发明的关于相变硫属化物材料性质的通常特征及评论将在下面的讨论中给出。
适用于本发明的寄存器的代表性硫属化物材料是包括来自元素周期表的VI列的一种或多种元素(硫族元素)并且可选地包括III、IV或V列的一种或多种化学改性剂。S、Se和Te的其中一种或多种是包括在本发明的存储器的硫属化物数据存储材料中的最常用的硫族元素。适当的改性剂包括一种或多种三价或四价改性元素，如As、Ge、Ga、Si、Sn、Pb、Al、Sb、In和Bi。过渡金属元素，如Cu、Ni、Zn、Ag和Cd也可用作改性剂。优选的硫属化物成分包括一种或多种硫属化物元素连同一种或多种三价或四价改性剂和/或一种或多种过渡金属改性剂。包括Ge、Sb和/或Te的材料(如Ge2Sb2Te5)是本发明的硫属化物材料的实例。
硫族元素的特征在于二价结合以及孤对电子的存在。一旦结合硫族元素而形成硫属化物，二价结合就导致链式和环式结构的形成，并且为孤对电子提供了用于形成开关应用中的导电细丝的电子来源。导电细丝还可促使或有助于驱动不同结构状态之间发生的相变。三价、四价和过渡金属改性剂可加入硫族元素的链式和环式结构并提供用于分支和交联的点。硫属化物材料的结构硬度取决于交联的延伸，并影响它们经受结晶化或其他结构变换或重排的能力。
在本发明的可靠器件的寄存器和加权器件的操作中的硫属化物的重要特征是其经历两种或多种结构状态之间相变的能力。硫属化物材料具有包括晶态、一个或多个局部晶态和非晶态的结构状态。晶态可以是单晶态或多晶态。正如这里所用到的，局部晶态指的是包括非结晶部分和结晶部分的硫属化物材料块的结构状态。优选地，多个局部晶态存在于根据非结晶和结晶部分的相对比例来区分的相变材料中。分级结晶度是一种表征硫属化物相变材料的结构状态特征的方式。晶态的分级结晶度为100％，非晶态的分级结晶度为0％，局部晶态具有在0％(非晶态限度)和100％(晶态限度)之间连续变化的分级结晶度。相变硫属化物材料因此能够在0％和100％的分级结晶度之间内在变化的多种结构状态当中变换。
硫属化物在具有各种分级结晶度的结构状态当中经历结构变换的能力和性能取决于硫属化物材料的成分和结构特征。较高程度交联的硫属化物材料在结构上更刚性且通常包括较高浓度的改性剂。较高程度交联的硫属化物材料更难以结晶，因为成核及增长晶相所需要的原子重排由于结构的硬度而被禁止。较轻程度交联的硫属化物材料更容易经历完全的或局部的结晶。
通过向硫属化物材料提供能量而引发在硫属化物材料的结构状态之间的变换。各种形式的能量可影响硫属化物材料的分级结晶度从而引发结构变换。适当形式的能量包括引发硫属化物材料中的电、热和光效应的电能、热能、光能或其他形式的能量(如粒子束能)或前述能量形式的组合。通过控制硫属化物材料的能量环境可实现分级结晶度的连续的和可逆的可变性。通过对硫属化物材料的能量环境进行适当的控制，晶态可被变换为局部结晶或非晶态，局部结晶状态可被变换为晶态或非晶态，并且非晶态可被变换为局部结晶或晶态。在下面的讨论中，将提出与利用热、电和光能引发结构变换相关联的某些考虑。
在用热能引发结构变换中，利用了与晶相至非晶相或者非晶相至晶相变换相关联的热力学和动力学。非晶相可通过比如将硫属化物材料加热到熔化温度以上并以某种足以禁止晶相形成的速率冷却而由局部晶态或晶态来形成。晶相可通过比如将硫属化物材料加热到结晶温度以上并持续一段时间足以影响成核和/或晶畴增长而由比如非晶态或局部晶态来形成。结晶温度低于熔化温度并与结晶可发生的最低温度相对应。结晶的驱动力通常是热力学的，因为晶态或局部晶态的自由能低于非晶态的自由能，使硫属化物材料的总能量随分级结晶度的增加而下降。然而，在局部晶态内的晶态或晶畴的形成(成核和增长)在动力学上是被禁止的，使低于熔点的加热通过提供促使原子重排的能量而促进结晶，原子重排是构成晶相或晶畴所需要的。通过控制晶态或局部晶态的加热的温度或时间或通过控制非晶态或局部晶态的冷却温度或速率来控制局部晶态的分级结晶度。
用电能引发结构变换的过程取决于施加到硫属化物材料的电(电流或电压)脉冲。电引发结构变换的机制性质上可以是电子的，并可能带有伴生的或由此产生的热影响。通过控制施加于硫属化物材料的电脉冲的量值和/或持续时间，能够连续改变分级结晶度。电能对硫属化物材料结构的影响通常根据硫属化物材料的电阻随所提供的电能量的变化或者随施加于硫属化物材料的电流或电压脉冲的量值的变化来描述。这里，图2给出的是作为电能或电流脉冲量值(能量/电流)的函数的硫属化物材料的电阻(R)的代表性描述。图2示出了硫属化物材料的电阻随电能或电流脉冲量值的变化，并且可一般被称为电阻图(resistance plot)。
电阻图包括了硫属化物材料对电能的两种特征响应范围。这两种范围用图2所示的垂直虚线10作了大致的区分。虚线10左边对应的范围被称为硫属化物材料的累积范围。通过随增加的电能而近似恒定或微弱变化的电阻来区分累积范围，该范围在达到和超出阈值能量时电阻突然下降点结束。累积范围因此沿着增加能量的方向从电阻图最左边的点20开始穿过与电阻变化很小或可忽略的点上的范围所对应的平坦区(通常用30来描述)伸展至随后电阻突然下降的设定点或状态40。平坦区30可以是水平的或倾斜的。电阻图的左侧被称为积累范围，因为当能量被施加时，硫属化物材料的结构状态持续发展，结构状态的分级结晶度与施加的能量的总积累相关。最左边的点20与具有最低分级结晶度的积累范围内的结构状态相对应并且可称为复位状态。这个状态可以是完全非结晶的或者可包含一些剩余的晶体含量。当能量被添加时，分级结晶度增加并且硫属化物材料在增加的施加能量的方向上沿着平坦区30在多个局部结晶状态之间变换。在图2中，所选择的累积状态(在累积区域内的结构状态)用正方形标记。当累积达到所施加的能量阈值时，硫属化物材料的分级结晶度增加至足以影响变定转变(settingtransformation)，变定转变的特征在于电阻的显著下降和变定状态(setstate)40的稳定。累积范围内的结构状态可被称为硫属化物材料的积累状态。正如在比如‘527和‘749申请中所描述的，积累范围内的结构变换在它们于平坦区30内沿着增加的施加能量的方向发展的意义上是单向的，并且只有通过首先驱使硫属化物材料经过变定点(set point)40并变定才是可逆的。
虽然不希望被理论所限制，但是本发明认为在累积范围内将能量添加到硫属化物材料通过新晶畴的成核、现有晶畴的增长或其中的组合导致了分级结晶度的增加。可认为电阻沿平坦区30只有微弱的变化，尽管分级结晶度增加，因为晶畴彼此相对孤立地构成或增长以防止横跨硫属化物材料的毗邻结晶网络的构成。这种类型的结晶被称为次渗透结晶。变定转变与渗透阈值相符，其中毗邻的、互连的结晶网络在硫属化物材料内构成。例如，当晶畴的尺寸增加到足以侵犯或与邻近域重叠时，这样的网络可构成。因为硫属化物材料的晶相比非晶相更导电以及电阻更小，因此渗透阈值对应于穿过硫属化物材料的邻接的低电阻导电通道的形成。结果，渗透阈值由硫属化物材料的电阻的显著下降来标记。积累范围最左边的点可以是非晶态或者是缺少毗邻结晶网络的局部晶态。次渗透结晶以初始非晶态或部分晶态开始并且通过具有越来越高的分级结晶度的多个局部晶态发展直至渗透阈值和变定转变发生为止。在‘319、‘527和‘749申请以及美国专利Nos.5,912,839和6,141,241中提供了有关在累积范围内硫属化物材料的行为的进一步讨论，上述申请和专利的公开内容通过引用而结合于本文。
图2虚线10右侧的范围可被称为灰度范围或灰度区域。灰度范围从变定状态40经过多个中间状态(通常用50描述)伸展至复位点或状态60。灰度范围内的各个点可被称为硫属化物材料的灰度状态。所选择的灰度状态在图2中用圆圈标记。通过将电流或电压脉冲施加于硫属化物材料可引发灰度范围内的结构变换。在图2中，电流脉冲被指示。在灰度范围内，硫属化物材料的电阻随所施加的电脉冲的量值而改变。灰度范围内特定状态的电阻是硫属化物材料的结构状态的特征，且硫属化物材料的结构状态由在灰度区域内施加的电流脉冲的量值来限定。硫属化物材料的分级结晶度随电流脉冲量值的增加而减少。设定点40处或附近的灰度状态的分级结晶度最高并且在接近复位状态60时分级结晶度逐渐下降。硫属化物材料从在变定状态40处有邻接结晶网络的结构状态变换到在复位状态60处没有邻接结晶网络的非晶态或基本非晶态或局部晶态的结构状态。量值增加的电流脉冲的施加对将结晶网络的部分变换成非晶相有影响并且导致了硫属化物材料中邻接的高导电性结晶通道的中断或打断。结果，硫属化物材料的电阻随灰度区域内施加的电流脉冲量值的增加而增加。
与累积区域相反，发生在灰度区域内的结构变换是可逆的、双向的，并且该区域还因此可被称为电阻图的直接重写区域。电流脉冲被施加时硫属化物材料对电流脉冲的响应，由相对于与硫属化物材料的初始状态相关联的电流脉冲量值的电流脉冲量值来确定。如上所述，灰度区域内每种状态可由其电阻和电流脉冲的量值来识别，其中该电流脉冲量值的施加引发了产生状态的特定电阻的分级结晶度的变化。分级结晶度随后电流脉冲的施加可增加或减少相对于硫属化物材料的初始状态的分级结晶度的分级结晶度。如果随后的电流脉冲具有比用来建立初始状态的脉冲更高的量值，则硫属化物材料的分级结晶度减少并且结构状态从初始状态在复位状态的方向上沿灰度电阻曲线被变换。同样地，如果随后的电流脉冲具有比用来建立初始状态的脉冲更低的量值，则硫属化物材料的分级结晶度增加并且结构状态从初始状态在变定状态的方向上沿灰度电阻曲线被变换。例如在美国专利Nos.5,296,716和5,414,271中可以找到有关在灰度区域内硫属化物材料的特性的进一步讨论；上述专利的公开内容通过引用而结合于本文。
本发明的可靠器件的硫属化物相变器件包括在电阻图的累积或灰度范围内工作的那些器件。‘710专利以及‘527和‘749申请描述了在复位状态20和变定状态40之间的累积范围内工作的认知寄存器。这些认知寄存器可用来以二进制或非二进制的方式存储或处理数据或信息或者加密数据或信息。认知寄存器因此可用作如在‘710专利中描述的加密器件。‘749申请描述了在变定状态40和复位状态60之间的灰度区域内工作的加权器件。加权器件电阻性地修改在连接于此的电路元件之间传输的信号以使通过控制加权器件的电阻状态，从一个电路元件传输至另一个电路元件的信号电平或大小可被调制或以其他的方式改变。流过加权器件的电流借助于加权器件的电阻或电阻状态而被修改。在一个优选实施例中，加权器件具有两种或多种电阻状态，各状态通过不同的电阻值来区分。加权器件可用作比如电路中的互连器件或用来加权提供给电路元件(包括神经网络的节点或上述的认知寄存器)的输入信号。加权器件的电阻可拥有解释意义(如在神经网络应用中，电阻对应于可被看作是关于神经处理的记忆形式的加权因子；信息还可通过加杈器件的电阻被编码)，并且因此可以期望借助于本发明的可靠器件来保护它。
如上所述，相变材料的电阻取决于相变材料的结构状态。电阻还取决于相变材料的厚度、相变材料在器件结构中占据的中央孔隙的直径及其成分。例如，对于具有成分为Ge22Sb22Te56、厚度为～600 以及孔隙直径为～0.1μm的相变材料层，复位状态的电阻为～1000kΩ，变定状态的电阻为～1kΩ。相变材料通常示为复位状态的电阻在～100kΩ至～1000kΩ范围内以及变定状态的电阻在～0.1kΩ至～10kΩ范围内。在优选的相变材料中，复位状态的电阻至少比变定状态的电阻大两个或通常更多个数量级。复位和变定状态的电阻通常对应于相变材料在累积范围和灰度范围内可能的电阻范围。
本发明的可靠器件将安全元件与相变器件(如寄存器或加权器件)结合。安全元件是与寄存器或加权器件并联的三端器件以提供本发明的可靠器件。安全元件可以是传统的基于硅的晶体管或三端相变器件(如在‘994和‘321申请中描述的那些器件)。图3提供了本发明的可靠器件的示意性描述。器件包括安全元件110和相变元件120的并联组合105。还包括有安全元件110和相变元件120各自的控制系统130和140。相变元件120可以是寄存器或加权器件并包括相变材料作为工作物质。在一个优选实施例中，相变材料是硫属化物(如上所述的那些)。作为处理或存储元件，相变元件可在其工作中利用累积状态、灰度状态或它们的组合。
安全元件110包括三个端子112、114和116。如图3所示，端子112和114被用来建立安全元件110与相变器件120的并联连接。端子116被连接至用来控制安全元件110的状态的控制电子部件130。更具体地说，由控制系统130提供的控制信号可用来调节安全元件的端子112和114之间的电流或电阻。在其中安全元件110是晶体管的实施例中，例如，端子116可以是调节分别充当基极和发射极引出线(或反之亦然)的端子112和114之间电流的栅极引出线。在其中安全元件110是三端硫属化物器件的实施例中，端子116可以是调制端子112和114之间电流或电阻的控制端。正如在‘994和‘321申请中所述的，多端硫属化物器件的控制端通过比如载流子的直接注入或借助于场效应可影响电流、细丝形成或电阻。
控制系统140包括提供影响如上所述的相变材料的结构状态、分级结晶度等所需要的电流或电压脉冲所必不可少的电子部件。控制系统140通常提供具有许多状况下的幅度和持续时间的以及具有许多可能的脉冲轮廓的电流或电压脉冲。代表性的脉冲具有量级为纳秒至微秒的持续时间以及毫安培范围的电流幅度。控制系统140能够提供设定脉冲、复位脉冲和增量脉冲以及改变灰度范围内电阻所需要的脉冲。控制系统140还可包括读取相变材料电阻所需要的仪表。控制系统可用于在上述的累积或灰度范围内工作的相变材料。
控制系统130可用来使安全元件在导通状态和截止状态之间可逆地切换。在导通状态下，安全元件工作并通过引导供给并联组合105的电流来保护相变元件免于电查询，从而将至少部分施加于并联组合105的电流移离相变器件120。电流之移离相变器件，阻止、禁止或扰乱相变器件电阻的读取，从而为相变器件电阻提供一定程度的保护。比如在处于导通状态的安全元件110的电阻小于相变元件的电阻时，电流移离相变元件可发生。电流的转移可以是部分的或是全部的。因为通常需要了解相变器件的电阻以询问来自相变器件的信息，在安全元件处于导通状态时相变器件被保护。在安全元件处于导通状态时，可认为可靠器件处于保护模式。
在截止状态下，安全元件不工作并且允许相变器件的电查询以使其电阻或电状态被探测并被清楚地确定。在不工作时，在没有实质上将电流移离此处且没有实质上影响其电阻的情况下，安全元件使得施加于并联组合105的电流能够直接影响相变器件120。在安全元件的截止状态具有比如比相变元件更高的电阻时，电流优先流过相变元件。在截止状态电阻相对于相变元件而增加时，并联电阻更接近相变元件的电阻。下面提供了安全元件和相变元件的相对电阻之影响的进一步讨论。在安全元件处于截止状态时，可认为可靠器件处于读取状态。
通过对并联组合105的电阻的分析，可理解本发明的可靠器件运行的基本原理。正如并联电路领域已知的，两个电路元件的并联组合的电阻由下式给出 其中R1和R2为并联的两个元件各自的电阻。由这个关系式，很显然，并联组合的电阻主要由具有更低电阻的组合的元件来确定。这遵循电流优先流过低电阻通道的事实。在单独的电阻中的差异增加时，施加于组合的电流的较大部分流过具有更低电阻的元件。
在本发明的并联组合中，安全元件和相变元件或器件是并联的。如果设S为安全元件的电阻并设RPC为相变元件或器件的电阻，则可以将组合的电阻表述为 并联组合的电阻取决于安全元件的状态和相变材料的结构状态。如上所述，安全元件的电阻在导通和截止状态下是不同的，在截止状态下具有比在导通状态下更低的电阻。在这个讨论中，使S1和S2分别为安全元件的导通和截止状态的电阻。相变器件的电阻实质上是器件的活性相变材料的电阻。如上所述，相变材料的电阻实质上在复位状态下被最大化而在变定状态下被最小化。在这个讨论中，使RReset和RSet分别对应于复位状态和变定状态的电阻。
在读取模式下，安全元件处于截止状态，并且并联组合的电阻由下式给出 为了在读取模式下最佳运行，对于组合的电阻来说，最好近似为相变器件的电阻。如此，所测得的组合的电阻精确地反映了相变材料的结构状态，并且可以很容易地从相变器件中获取信息。这个优选的条件要求安全元件的截止状态电阻大于相变材料的电阻以使并联组合的电阻接近相变器件的电阻。在数学上，此条件可以表述为S1＞RPC。在读取模式下组合的电阻因此可以目前所示的方式被更适当地表述。首先 并且重新整理以获得 因为RPC/S1＜1，可以通过使用泰勒展开近似括号内的表达式以此获得 在优选实施例中，RPC＜＜S1，并且近似为 以使安全元件的存在实质上对并联组合的电阻没有影响。
如上所讨论的，相变元件的电阻主要由相变材料的电阻来确定，并且相变材料的电阻在变定状态的电阻RSet和复位状态的电阻RReset之间变化。为了有效地读取累积和/或灰度范围内的所有状态，最好是使S1＞＞RReset。
保护模式下安全元件的导通状态电阻的优选条件可以同样地方式导出。在保护模式下，安全元件在并联组合中的作用是干扰相变器件电阻的确定。因此，要求安全元件的导通状态电阻低于截止状态电阻。在安全元件处于导通状态时，本发明的并联组合的电阻由下式给出 在测得的并联组合的电阻不是主要由相变器件的电阻来确定时，安全元件对相变元件或器件的干扰发生。在一个实施例中，导通状态电阻S2可以和相变电阻RPC相比拟以使两个电阻可以有目的地影响并联组合的电阻。在这个条件下，S2≈RPC并且独立的电阻S2和RPC被强烈地混合进并联电阻，从而扰乱RPC的清楚确定并对相变元件或器件的状态或信息内容提供安全措施。这个条件构成了本发明的一个实施例。
关于累积范围内的状态，导通状态电阻与沿图2所示的高电阻平坦区30的电阻相比拟是适当的。复位状态通常是累积范围内的最高电阻。因为如上所述高电阻平坦区30可以是倾斜的，因此电阻可在变定状态40的方向上减少，最小的电阻发生在紧临变定状态之前的累积状态45时。紧临变定状态之前的累积状态的电阻在这里被表示为RL。在本发明的一个实施例中，S2≈RReset，而在另一个实施例中，S2≈RL。因为电阻RL大于变定状态的电阻RSet，条件S2≈RL不能适当地保护相变器件的变定状态。结果，在本发明的另一个实施例中，导通状态电阻符合S2≈RSet。因为灰度范围内的电阻值通常也分布在RReset和RSt之间，关于导通状态电阻的类似考虑将用于本发明的器件以保护灰度范围内的状态。
在导通状态电阻S2逐渐小于相变电阻RPC时，随着施加于并联组合的电流逐渐流过它，安全元件逐渐控制并联组合的性能。并联组合的电阻越来越接近安全元件的电阻。通过重写以前的公式并将其简化为下式，可以从数学上看到这一点 其中最后的近似是确认S2＜RPC并基于泰勒展开的实施例。关于累积范围内相变材料的状态，S2＜RL是足够的，其中RL是紧临变定状态之前的累积状态的电阻。在另一实施例中，S2＜RSet。
作为又一实施例，导通状态电阻可满足条件S2＜＜RPC，在这种情形中，并联电阻变为 前述的实施例还可用来保护灰度状态。
前述的电阻分析表明本发明的可靠器件的并联组合的安全和相变元件的相对电阻在建立本发明的工作模式和功能性中是重要的。本发明的安全元件因此至少包括导通状态和截止状态，其中导通状态电阻小于截止状态电阻。本发明的安全元件包括传统的晶体管和三端相变器件并且可被配置或控制成用来提供相对于相变元件电阻的电阻，从而提供在前面的电阻分析中描述的功能性。
在其中安全元件是晶体管的实施例中，例如，最好将源极和漏极端用来形成并联至相变元件，且栅极端被用来调节源极和漏极端之间的电阻。正如本领域所公知，施加于栅极端的信号的出现、不出现、极性或幅度影响了电流在源极和漏极端之间流动的能力。适用于本发明的晶体管包括双极型、FET、JFET、MOSFET等。
在导通状态下，栅极信号被施加以使晶体管易于允许电流在源极和漏极之间流动。另外，也可从修改源极和漏极端之间电阻的能力的角度来看栅极信号。栅极信号通过减小源极和漏极端之间的半导体材料(如掺杂硅的材料)的电阻来允许电流在源极和漏极之间流动的。在导通状态下，源极和漏极端之间的电阻低，在典型的晶体管中该电阻比相变材料的电阻低得多。
在截止状态下，被施加栅极信号，通过增加源极和漏极端之间的半导体材料的电阻来使晶体管禁止电流在源极和漏极之间流动。在典型的晶体管中，栅极信号调制位于晶体管活性区的一个或多个p-n结附近的耗尽区的宽度。由于载流子的低浓度，耗尽区是高电阻区。通过改变栅极信号，耗尽区的宽度以及因此源极和漏极端之间的电阻可被调制或从高电阻到低电阻连续地改变。在导通状态下，耗尽区是狭窄的并且电流易于流过邻近耗尽区的晶体管的活性半导体材料部分。在截止状态下，耗尽区是宽的并且有效地占据了存在于源极和漏极端之间的半导体材料的全部，从而导致高电阻状态。适当大小的栅极信号可部分地或全部地夹断源极和漏极端之间的电流并因此使得施加于本发明的并联组合的电流部分或全部地流过相变元件，这是本发明的器件的读取模式所期望的状况。
类似的考虑与作为本发明的安全元件的三端相变器件有关。正如在‘994和‘321申请中所描述的，三端相变器件利用其控制端来调节在器件的两个其它(非控制)端子之间流动的电流。非控制端被用来建立与本发明的相变材料的并联连接。加于控制端的信号可增大或减小在非控制端之间流动的电流，并且可通过电流注入机制或场效应机制来实现这一点。电流的增加对应于电流所通过的端子之间相变材料的电阻的减小，反之亦然。在本发明的环境中，三端相变器件的导通状态是控制信号通过具有降低电阻作用的场效应机制的电流注入来促使电流在一对端子之间流动的状态。同样地，三端相变器件的截止状态是控制信号禁止或阻止电流在一对端子之间流动的状态。因为控制信号的范围是连续可变的，两个非控制端之间的电阻的连续范围是有效的并且可在本发明的环境中使用。可获得大于、相当于或小于本发明的相变元件电阻的电阻。
多端相变器件的非控制端之间的电阻也可通过器件的设计来加以控制，以取得符合在上述电阻分析中描述的各种相对电阻的导通或截止状态下的电阻。多端相变器件中的相变材料的成分可以不同于比如在相变元件中使用的相变材料的成分。据知，不同相变材料成分的电阻在非晶相或晶相时或在这两种晶相共存时可变化一个或多个量级或量值。多端相变器件中相变材料的分级结晶度可不同于相变元件中相变材料的分级结晶度，以提供区分电阻的另一种机制。器件的几何形状进一步提供了在控制相变安全元件相对于相变寄存器或加权器件的电阻方面的灵活性。电阻随相变材料的厚度和横截面面积以及接触层之间的接触面积及分离程度而变化。较厚的相变材料层(或电流所通过的端子之间更大的分离)导致较大的电阻。因此，在期望三端相变安全元件的截止状态的电阻高于相变元件的电阻的场合，对于三端安全元件，可执行下面一个或组合的步骤选择具有较高电阻的相变材料成分；构建具有较厚相变材料层的器件；构建具有比相变元件的端子之间的分离大的非控制端之间分离的器件；选择具有比最低的相变元件的分级结晶度更低的分级结晶度的截止状态等，反过来，在期望较低电阻的场合也一样。三端相变器件的导通状态涉及导电细丝的形成，它对应于甚至比相变元件内相变材料的结晶状态本质上更导电的低电阻电流通道。
本发明还涉及保护信息或数据的方法。该方法包括提供本发明的可靠器件、将数据或信息存进器件的相变元件以及使安全元件变换到其导通状态等步骤。
这里所公开的内容和讨论是说明性的，并不限制本发明的实施。虽然已经对被认为是本发明的优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员将会意识到，在不背离本发明范围的情况下，可以有其它或另外的变更和修改，并且申请人对属于本发明全部范围的所有这样的变更和修改要求其权利。本发明的范围由后附的权利要求以及其所有等效物(连同前面的公开内容和本领域技术人员的常识)规定。
权利要求
1.一种可靠器件，包含安全元件，所述安全元件具有导通状态和截止状态，所述导通状态的电阻低于所述截止状态的电阻；以及相变元件，所述相变元件包含相变材料，所述相变材料可以在两种或多种结构状态之间可逆地变换，其中所述安全元件和所述相变器件并联连接。
2.如权利要求1所述的器件，其中所述安全元件是晶体管。
3.如权利要求1所述的器件，其中所述安全元件是多端相变器件，所述多端相变器件包括第一端子、第二端子和第三端子，所述第二和第三端子与所述相变元件形成并联组合，所述多端相变器件包含相变材料，所述相变材料可以在两种或多种结构状态之间可逆地变换。
4.如权利要求3所述的器件，其中所述第一端子调制在所述第二端子和所述第三端子之间流动的电流。
5.如权利要求4所述的器件，其中所述第一端子通过载流子的注入来调制所述电流。
6.如权利要求4所述的器件，其中所述第一端子通过场效应来调制所述电流。
7.如权利要求1所述的器件，其中所述相变元件是寄存器。
8.如权利要求7所述的器件，其中所述寄存器以非二进制的方式处理或存储数据或信息。
9.如权利要求7所述的器件，其中所述寄存器加密数据或信息。
10.如权利要求1所述的器件，其中所述相变元件是加权器件，所述加权器件具有两种或多种电阻状态，所述加权器件电阻性地修改通过它的电信号。
11.如权利要求1所述的器件，其中所述相变材料包含S、Se或Te。
12.如权利要求11所述的器件，其中所述相变材料还包含Ge和Sb。
13.如权利要求11所述的器件，其中所述相变材料还包含As或Si。
14.如权利要求11所述的器件，其中所述相变材料还包含一种选自由Al、In、Bi、Pb、Sn、P和O组成的组中的元素。
15.如权利要求1所述的器件，其中所述结构状态包括非晶态、晶态或部分晶态。
16.如权利要求1所述的器件，其中所述结构状态在分级结晶度上不同。
17.如权利要求1所述的器件，其中所述相变材料的所述结构状态包括一种或多种累积状态。
18.如权利要求1所述的器件，其中所述相变材料的所述结构状态包括两种或多种累积状态。
19.如权利要求1所述的器件，其中所述相变材料的所述结构状态包括三种或多种累积状态。
20.如权利要求1所述的器件，其中所述相变材料的所述结构状态包括灰度状态。
21.如权利要求1所述的器件，其中所述器件的电阻近似等于所述相变元件的电阻。
22.如权利要求1所述的器件，其中所述器件的电阻近似等于所述安全元件的电阻。
23.如权利要求1所述的器件，其中所述结构状态包括复位状态和变定状态。
24.如权利要求23所述的器件，其中所述截止状态的电阻大于所述复位状态的电阻。
25.如权利要求23所述的器件，其中所述截止状态的电阻大于所述变定状态的电阻。
26.如权利要求23所述的器件，其中所述导通状态的电阻小于所述复位状态的电阻。
27.如权利要求26所述的器件，其中所述导通状态的电阻大于所述变定状态的电阻。
28.如权利要求23所述的器件，其中所述导通状态的电阻小于所述变定状态的电阻。
29.一种保护信息或数据的方法，包含下列步骤提供权利要求1所述的可靠器件；将所述信息或数据存进所述可靠器件的所述相变元件；以及将所述安全元件变换至所述导通状态。
全文摘要
公开了用于防护数据存储和处理元件之内容的电子器件。该器件包括并联的安全元件和相变元件。安全元件是三端器件(如传统的晶体管或三端相变器件)，它具有导通和截止状态，这两种状态具有不同的电阻，且通过控制施加于该并联组合的电流来调节对相变元件的电子存取。在导通状态下，安全元件的电阻小于相变元件的电阻，从而阻止、禁止或扰乱相变元件电阻之确定。在这种保护模式下，相变元件的内容得到防护。在截止状态下，安全元件的电阻大于相变材料的电阻，以使该并联组合的电阻接近相变元件的电阻。在这种读取模式下，相变元件的电阻与信息内容可被确定。相变元件包含相变材料且优选采用基于硫属化物的元件。相变元件可实施存储或处理功能，其中优选实施例包括寄存器和加权器件。
文档编号G11C16/02GK1918661SQ200580004210
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月8日 优先权日2004年2月10日
发明者S·R·奥夫辛斯基, M·H·科亨 申请人:能源变换设备有限公司