基于相变材料的异或逻辑门的制作方法

基于相变材料的异或逻辑门


背景技术：

1.本发明涉及半导体，更具体地，涉及用于形成半导体结构的技术。半导体和集成电路芯片在许多产品中已经变得普遍存在，特别是当它们在成本和尺寸上持续降低时。持续需要减小结构特征的尺寸和/或针对给定芯片尺寸提供更大数量的结构特征。通常，小型化允许以较低功率水平和较低的成本来提高性能。目前的技术处于或接近某些微型器件(例如逻辑门、场效应晶体管(fet)和电容器)的原子级尺度。


技术实现要素：

2.本发明的实施例提供了利用相变材料实现xor逻辑门的技术。
3.在一个实施例中，一种设备包括：相变材料、在相变材料的第一端处的第一电极、在相变材料的第二端处的第二电极以及加热元件，加热元件耦合到相变材料的在第一端与第二端之间的至少给定部分。该装置还包括耦合到加热元件的第一输入端子、耦合到加热元件的第二输入端子和耦合到第二电极的输出端子。
4.在另一实施例中，一种方法包括：向耦合到加热元件的第一输入端子提供第一电压，加热元件耦合到相变材料的在相变材料的第一端与相变材料的第二端之间的至少给定部分，相变材料的第一端耦合到第一电极，相变材料的第二端耦合到第二电极。该方法还包括向耦合到加热元件的第二输入端子提供第二电压以及测量耦合到第二电极的输出端子处的电压的幅度。
5.在另一实施例中，一种操作逻辑门的方法包括：响应于到逻辑门的两个或更多个输入中的一个输入为排他性地为真，将相变材料的至少给定部分设置为具有第一电阻率的第一相；响应于到逻辑门的两个或更多个输入中的两个输入为真，将相变材料的给定部分设置为具有比第一电阻率高的第二电阻率的第二相；以及基于耦合到相变材料的第一端的输入电极与耦合到相变材料的第二端的输出电极之间的测量电阻来确定逻辑门的输出逻辑状态。
6.在另一实施例中，一种系统包括两个或更多个逻辑门，两个或更多个逻辑门中的每一个包括一个或多个逻辑器件。在两个或多个逻辑门中的给定一个中的一个或多个逻辑器件中的至少一个包括基于相变材料的逻辑门，基于相变材料的逻辑门包括相变材料和加热元件，它们互连以使得当耦合到加热元件的第一输入端子和第二输入端子中的一个排他地处于真逻辑状态时，输出端子处于真逻辑状态。在给定逻辑门中的基于相变材料的逻辑门包括使能输出端子，该使能输出端子将加热元件耦合到两个或更多个逻辑门中的另一个逻辑门中的逻辑器件。
7.在另一个实施例中，一种方法包括：测量两个或更多个逻辑门中的第一逻辑门中的第一逻辑器件的使能输出端子处的电流，确定在第一逻辑门中的第一逻辑器件的使能输出端子处的测量电流是否超过指定的阈值使能电流，以及响应于确定在第一逻辑门中的第一逻辑器件的使能输出端子处的测量电流超过指定的阈值使能电流，触发两个或更多个逻辑门中的第二逻辑器件的使能输入端子。第二逻辑器件包括基于相变材料的逻辑门，基于
相变材料的逻辑门包括相变材料和加热元件，它们互连使得当耦合到加热元件的第一输入端子和第二输入端子中的一个排他地处于真逻辑状态时，输出端子处于真逻辑状态。
附图说明
8.图1描绘了根据本发明实施例的xor逻辑门的电路图。
9.图2描绘了根据本发明的实施例的示出用于相变存储器件的置位脉冲和复位脉冲的曲线图。
10.图3描绘了示出根据本发明实施例的相变存储器件的编程的电阻和编程电流的曲线图。
11.图4描绘了根据本发明实施例的使用相变存储器件实现的xor逻辑门。
12.图5描绘了根据本发明实施例的使用xor逻辑门的多级逻辑系统，该xor逻辑门是使用相变存储器件实现的。
13.图6描绘了根据本发明实施例的作为多级逻辑系统的一部分的使用相变存储器件实现的xor逻辑门。
14.图7描绘了根据本发明实施例的使用xor逻辑门的多级逻辑系统的使能控制电路，该xor逻辑门是使用相变存储器件实现的。
15.图8描绘了根据本发明一实施例的图7多级逻辑系统中的图6测量的xor逻辑门的时序控制图。
16.图9描绘了根据本发明实施例的包括一个或多个逻辑门的集成电路。
17.图10描绘了根据本发明实施例的包括多级逻辑系统的集成电路。
具体实施方式
18.本发明的说明性实施例可以在使用相变材料形成逻辑门的说明性方法以及使用这样的方法形成的说明性装置、系统和器件的上下文中描述。然而，应当理解，本发明的实施例不限于说明性方法、装置、系统和设备，而是相反地可更广泛地应用于其它合适的方法、装置、系统和设备。
19.xor测量(“异或”)是当两个或更多个输入中的一个排他地为真时(例如，对于2输入xor，当其输入不同时)输出“真”的逻辑运算。xor门是一种数字逻辑门，当其输入中仅有一个为真时，其给出真输出(例如，1或高)。xor门可以使用多个其它逻辑门来构造，例如and门、or门和not门的组合。图1示出了使用非门101、或门103和与门105构造的xor门的电路图100。图1还示出了xor逻辑运算的表150，其中给定a和b的输入值，示出了输出q的值。目前没有单个设备可用于表示xor逻辑。相反，如图1的电路图100所示，使用多个器件来表示xor逻辑。
20.说明性实施例提供了用于执行仅需要单个相变存储器(pcm)器件的xor逻辑的结构。因此，实施例可以显著地提高密度，因为单个pcm器件被用于代替用于执行xor逻辑的传统晶体管。一些实施例进一步利用用于pcm装置的加热器设计和用于多级逻辑结构的使能端子的集合。
21.pcm是非易失性计算机存储器的一种类型。pcm器件使用例如硫族化物玻璃的某些材料的行为，其可以在施加热量的情况下在两种状态(例如，晶态和非晶态)之间“切换”。硫
族化物玻璃是相变材料的一个例子，其中相变材料的特征在于它以两种主要状态(例如，晶态和非晶态)存在。在非晶状态中，硫属化物玻璃或其它相变材料具有第一电阻(例如，高电阻)，而在结晶状态中，硫属化物玻璃或其它相变材料具有不同于第一电阻的第二电阻(例如，低电阻)。这样，相变材料可以用于表示两个二进制状态中的一个。
22.为了将相变材料在晶态和非晶态之间转换，可以施加电流，使得相变材料的温度被改变。例如，为了将相变材料(例如，硫族化物玻璃)从晶态“重置”到非晶态，可以施加高电流，使得相变材料的温度超过大约600摄氏度(℃)。这可能需要向相变材料施加持续几纳秒的电流脉冲。为了“设置”相变材料(例如，将相变材料从其非晶态转变到其晶态)，将相变材料(例如，硫族化物玻璃)加热到低于大约400℃和高于大约200℃的温度，并且在该温度下保持一段持续时间，然后允许根据施加到其上的电流脉冲的衰减形状来冷却。在一些情况下，设置相变材料所需的总时间高达100纳秒或更多。相变材料的“置位”时间通常比其“复位”时间长得多。然而，应注意，仅以实例方式呈现置位时间及复位时间的特定实例以及针对置位操作及复位操作所给定的特定温度范围。实施例并不仅仅限于这些特定值，这些特定值可以基于所使用的相变材料的类型而变化。
23.如上所述，相变材料可以是非晶到结晶相变材料，例如硫族化物相变材料。硫族化物相变材料的相变是热驱动的，并且在室温下是双稳态的。硫族化物相变材料包括但不限于碲化锗锑(ge
x
sb
y tez)、碲化锗(ge
x
tey)、碲化锑(sb
x
tey)、碲化银锑(ag
x
sbytez)、碲化银铟锑(agwin
x
sbytez)等。在一些实施例中，ge2sb2te5用作相变材料。在其它实施例中，ge3sb2te2、gete、sbte或aginsbte可用作相变材料。在这些硫族化物相变材料中，硫族化物可以在结晶相和非晶相之间进行热转换。举例来说，第一电流脉冲(例如，短的、强的电流脉冲)可用于将非晶相硫族化物相变材料(例如，ge
x
sbytez)焦耳加热到约300℃的温度，此致使非晶相硫族化物相变材料结晶。具有较高功率但较慢脉冲的第二电流脉冲(例如，较长、较不强烈)可用于将结晶相硫属化物相变材料焦耳加热到约600℃的温度，这导致结晶相硫属化物相变材料熔化淬火成非晶相。
24.图2描绘了曲线图200，其示出了对于pcm器件随时间的施加电压。曲线200示出了如何施加电压以及温度以用于pcm器件的读取、置位脉冲和复位脉冲。曲线图200还示出了说明pcm器件的结晶温度(t
cryst
)和熔化温度(tmelt)的线。如所说明，用低于t
cryst
的电压执行读取操作达相对短的持续时间，所述持续时间通常小于复位脉冲的长度。复位脉冲使用对应于t
melt
以上温度的电压。置位脉冲使用对应于高于t
cryst
且低于t
melt
的温度的电压。曲线200还示出置位脉冲具有比复位脉冲更长的持续时间。pcm器件的复位脉冲具有比置位脉冲更高的脉冲幅度(例如，大约两倍的幅度)。
25.图3描绘了曲线图300，其示出了pcm器件的编程的电阻和编程电流。曲线图300进一步示出了说明pcm装置的置位曲线及复位曲线。复位操作的编程电流大约是设置操作的编程电流的两倍。
26.图4描绘了使用pcm装置实施的xor门400，所述pcm装置在本文中也称为基于pcm的xor门400。pcm器件包括相变材料402，其被示为包括结晶(c-pcm)区域402-1和非晶(a-pcm)区域402-2。在操作中，非晶区域402-2可以通过使用加热器408施加热量而从a-pcm切换到c-pcm。加热器408隔着绝缘体层406耦合到相变材料402。绝缘层406包括作为电绝缘体但提供良好导热性的材料。绝缘体层406放置在pcm402和加热器408之间，因为加热器电流路径
不直接与pcm电流流动混合。pcm装置包括输入节点404-1和输出节点404-2。输入节点404-1耦合到代表高电压的vdd 401。输入节点404-1也可以称为电源节点。输出节点404-2耦合到out(y)407。电阻元件(r)418也耦合到输出节点404-2和表示低电压的接地419。
27.加热器408由输入x1 403和x2 405控制。图4示出了图示基于pcm的xor门400的逻辑的表450。输入x1 403和x2 405经由相应的二极管410、414耦合到电阻元件(r
p
)412、416。加热器408还耦合到接地或低电压411。在其它实施例中，节点411可表示多级逻辑系统中的使能输出节点。二极管410、414和电阻元件412、416的组合可以提供用于基于pcm的xor逻辑门400的控制器的至少一部分。
28.在将逻辑应用于输入x1 403和x2 405之前，将pcm器件复位为a-pcm(例如，将区域402-2复位为a-pcm)。这可以使用使能信号和附加加热器来实现，如以下进一步详细描述的。一旦复位，输入x1 403和x2 405的逻辑被应用。图4示出了基于pcm的xor门400的逻辑表450，其中输入x1 403、x2 405的值“1”表示给出电压脉冲，而输入x1 403、x2 405的值“0”表示不给出电压脉冲(例如，接地)。对于out(y)407，“0”的值意味着低电流(例如，高电阻)，“1”的值意味着高电流(例如，低电阻)。使用二极管410、414，使得当x1 403或x2 405为0时，“接通”电流去往相关联的电阻性元件412、416，且仅当x1 403或x2 405为1时，“编程”电流去往电阻性元件412、416且因此去往加热器408。如果x1 403和x2 405都是1，则电流为高，并且pcm器件的区域402-2被复位为a-pcm。如果x1 403及x2 405两者均为0，那么pcm装置的区402-2不改变。如果x1 403及x2 405中的一者为1而另一者为0，那么电流在中间范围中，使得pcm装置的区402-2被置位(例如，从a-pcm到c-pcm)。
29.图5描绘了一种多级逻辑系统，包括具有基于pcm的xor门500-1的第一级以及具有附加器件500-2的第二级，附加器件500-2可以是另一xor门(例如，其可以但不是必须使用本文所述的pcm装置来实施)、不同类型的逻辑门(例如，and、nand、or、nor、not等)，或使用来自第一级装置的至少一些信息作为输入的另一器件。使用各种使能端子来提供多级逻辑，这些端子包括用于基于pcm的xor门500-1的第一使能输入端子(en_i1)509-1、用于基于pcm的xor门500-1的第一使能输出端子(en_o1)511-1、第二使能输入端子(en_i2)509-2和第二使能输出端子(en_o
212
)511-2。如图所示，第一级的使能输出端子en_o
1 511-1向第二级的使能输入端子en_i2509-2提供输入。第一级还具有与上述x1 403和x2 405类似的输入x1 503和x2 505。基于pcm的xor门500-1和附加器件500-2都耦合到vdd 501，其类似于vdd 401表示高电压。第一级中的基于pcm的xor门500-1具有第一输出out1(y1)507-1，并且第二级中的附加器件500-2具有第二输出out2(y2)507-2。图5示出了逻辑表550，其指示了给定x1 503和x2 505的不同输入值的情况下out1(y1)507-1的值。
30.如果在第一级或第二级中存在阈值使能电流电平i
en
，则触发该级的使能输出端子。例如，如果流过基于pcm的xor门500-1的pcm器件的电流高于i
en
，则触发使能输出端子en_o
1 511-1，这又控制第二级的使能输入端子en_i
2 509-2。如果附加器件500-2也是基于pcm的xor门，则使能输入端子en_i
2 509-2可以用于向附加器件500-2的独立加热器提供预复位电流，以产生预复位条件(例如，在向pcm装置施加输入之前将pcm装置的至少一部分相变材料设置为a-pcm)。
31.在图5的多级逻辑系统中，如果x1 503和x2 505中的任一个或两者为1，则第一级中的使能输出端子en_o
1 511-1具有电流(例如i》i
th
)。如果x1 503和x2 505都为0，则out1
(y1)507-1为0，pcm装置不改变，并且不需要触发下一个级别。对于第二级，如果前一级(例如，第一级)使能输出端子en_o
1 511-1被触发，则使能输入端子en_i
2 509-2被触发。假定触发第二级的使能输入端子en_i
2 509-2提供足够的电流以将一些操作施加到第二级中的附加器件500-2。在附加器件500-2是另一个基于pcm的xor门的情况下，触发操作将向独立加热器(例如，与附加器件500-2的输入将使用的加热器不同)施加足够的编程电流，使得生成足够的热量以重置相变材料(例如，在施加附加器件500-2的输入之前预重置)。
32.尽管图5展示为使说明清楚起见仅包含两个级的多级逻辑系统，但应了解，多级逻辑系统可包含三个或三个以上级。假定每一级具有耦合到前一级的使能输出端子或由其触发的使能输入端子。假定每一级具有耦合到前一级的使能输出端或由其触发的使能输入端，并且具有耦合到下一级的使能输入端并由其触发的使能输出端。对于多级逻辑系统的最后一级，可能不需要使能输出端子。
33.图6示出了使用pcm器件实现的xor门600，也称为基于pcm的xor门600，其被配置为用作诸如图5所示的多级逻辑系统的一部分。pcm器件包括相变材料602，其被示为包括结晶(c-pcm)区域602-1和非晶(a-pcm)区域602-2。在操作中，非晶区域602-2可以通过使用加热器608施加热量而从a-pcm切换到c-pcm。加热器608隔着绝缘体层606-1耦合到相变材料602，pcm器件包括输入节点604-1和输出节点604-2。输入节点604-1耦合到代表高电压的vdd 601。输出节点604-2耦合到输出(y)607。电阻元件(r)618也耦合到输出节点604-2和表示低电压的接地619。
34.加热器608由输入x 1603和x2 605控制。图6显示一表格650，其图示了基于pcm的xor门600的逻辑。输入x1 603和x2 605经由相应的二极管610、614耦合到电阻元件(r
p
)612、616。加热器608还耦合到使能输出端子en_o 611。基于pcm的xor门600的使能输出端子en_o 611可耦合到如上文关于图5所述的多级逻辑系统中的另一器件的使能输入端子。
35.在将逻辑应用于输入x1 603和x2 605之前，将pcm器件复位为a-pcm(例如，将区域602-2复位为a-pcm)。这可以使用假定从多级逻辑系统中的较早级接收的使能输入信号en_i 609来实现。使能输入信号en_i 609被施加到预复位电阻元件(r
pre
)622，其输出到独立于加热器608的附加加热器620。类似于加热器608，加热器620可隔着电绝缘但导热的绝缘层606-2耦合到pcm602。加热器620还具有耦合到地619的端子。如果电流高于多级逻辑系统的前一级中的阈值使能电流电平，则该前一级的使能输出端子被触发，这控制向独立加热器620提供预复位电流的使能输入端子en_i 609。这产生预复位条件(例如，在施加输入x1 603和x2 605之前将pcm装置的第二区域602-2设置为a-pcm。以类似的方式，当前级的使能输出端子en_o 611将控制下一级的预复位条件。
36.一旦复位，输入x1 603和x2 605的逻辑就被应用。图6示出了基于pcm的xor门600的逻辑表650，其中输入x1、x2的值“1”表示给出电压脉冲，而输入x1 603、x2 605的值“0”表示不给出电压脉冲(例如，接地)。对于out(y)607，“0”的值意味着低电流(例如，高电阻)，且“1”的值意味着高电流(例如，低电阻)。使用二极管610、614，使得当x1 603或x2 605为0时，“接通”电流去往相关联的电阻元件612、616，且仅当x1 603或x2 605为1时，“编程”电流去往电阻元件612、616且因此去往加热器608。如果x1 603和x2 605两者均为1，那么电流为高，且pcm装置的区602-2复位到a-pcm。如果x1 603和x2 605两者均为0，则pcm器件的区域602-2不改变。如果x1 603和x2 605中的一者为1而另一者为0，那么电流在中间范围中，使
得pcm装置的区602-2经置位(例如，从a-pcm到c-pcm)。
37.图7描述了一个多级逻辑系统，包括第一级和第二级，分别具有基于pcm的xor门700-1和700-2。然而，应该理解，第一级或第二级可以使用不同类型的逻辑门(例如，and、nand、or、nor、not等)，或者使用来自多级系统中的前一级的至少一些信息作为输入和/或提供一些信息作为多级系统中的另一级中使用的输出或作为多级系统的总输出的另一器件。
38.图7的系统中的多级逻辑使用各种使能端子来提供，包括用于基于pcm的xor门700-1的第一使能输入端子(en_i1)709-1、用于基于pcm的xor门700-1的第一使能输出端子(en_o1)711-1、用于基于pcm的xor门700-2的第二使能输入端子(en_i2)709-2、以及用于基于pcm的xor门700-2的第二使能输出端子(en_o
21
)711-2。如图所示，第一级的使能输出端子en_o
1 711-1为基于pcm的xor门700-2的xor逻辑提供输入之一，而x3 713为另一输入提供(换言之，en_o1 711-1和x3 713用作基于pcm的xor门700-2的“x1”和“x2”)。第一级也具有与上述x1603和x2 605类似的输入x1 703和x2 705。基于pcm的xor门700-1和700-2都耦合到vdd 701，其类似于vdd 601表示高电压。第一级中的基于pcm的xor门700-1具有第一输出out1(y1)707-1，并且第二级中的基于pcm的xor门700-2具有第二输出out2(y2)707-2。用于评估基于pcm的xor门700-1和700-2的逻辑表类似于图4-图6中所示的其他逻辑表450、550和650。
39.如果在第一级或第二级中存在阈值使能电流电平i
en
，则该级的使能输出端子被触发。举例来说，如果流经基于pcm的xor门700-1的pcm装置的电流高于i
en
，那么触发使能输出端子en_o1 711-1。如图7所示，使能控制电路730耦合在第一级的使能输出端子711-1和第二级的使能输入端子en_i
2 709-2之间。使能控制电路730用于基于是否存在用于前一级的使能输出端子en_o1 711-1的阈值使能电流电平i
en
来触发下一级使能输入端子en_i
2 709-2。当使能控制电路730触发下一级使能输入端子en_i
2 709-2时，则使能输入端子en_i
2 709-2可以用于向基于pcm的xor门700-2的独立加热器提供预复位电流，以生成预复位条件(例如，在向其施加输入之前将基于pcm的xor门700-2的相变材料的至少一部分设置为a-pcm)。
40.在图7的多级逻辑系统中，如果x1 703和x2 705中的任一个或两个为1，则第一级中的使能输出端子en_o1 711-1具有电流(例如i》i
th
)。如果x1 703和x2 705都是0，则pcm装置不改变，并且不需要触发下一级，并且使能输出端子en_o1 711-1具有低于阈值使能电流的电流(例如i《i
en
)。对于第二级，如果前一级(例如，第一级)使能输出端子en_o1 711-1具有超过阈值使能电流的电流，则使能控制电路730触发使能输入端子en_i
2 709-2。假定触发第二级的使能输入端子en_i
2 709-2向独立加热器(例如，与基于pcm的xor门700-2的输入out1(y1)707-1和x3 713将使用的电流不同)提供足够的编程电流，使得生成足够的热量以重置相变材料(例如，在将输入out1(y1)707-1和x3 713施加到基于pcm的xor门700-2之前进行预重置)。
41.尽管图7展示为说明清楚起见仅包含两个级的多级逻辑系统，但应了解，多级逻辑系统可包含三个或三个以上级。假定每一级具有耦合到前一级的使能输出端或由其触发的使能输入端，并且具有耦合到下一级的使能输入端并由其触发的使能输出端。对于多级逻辑系统的最后一级，可能不需要使能输出端子。
42.图8为一电路时序图，其显示多级逻辑系统(例如图7所示)中的基于pcm的xor门(例如图6所示)的使能输入端子及使能输出端子的控制。图8示出了预复位条件801，其中使能输入端子en_i为高，从而触发pcm器件的复位，使得至少一部分相变材料(例如，图6中的区域602-2)被复位为a-pcm。图8还示出了不同输入条件803、805、807和809的应用。对于输入条件803，x1＝0，x2＝0，且使能输出端子en_o与y1两者为低。对于输入条件805，x1＝1，x2＝0，且使能输出端子en_o和y1两者为高。类似地，对于输入条件807，x1＝0，x2＝1，且使能输出端子en_o和y1两者为高。对于输入条件809，x1＝1，x2＝1，使能输出端子en_o为高，以及y1为低。
43.根据上述技术的半导体器件及其形成方法可以用于各种应用、硬件和/或电子系统中。用于实现本发明的实施例的合适的硬件和系统可以包括但不限于个人计算机、通信网络、电子商务系统、便携式通信设备(例如，蜂窝电话和智能电话)、固态媒体存储设备、功能电路等。结合半导体器件的系统和硬件是本发明的预期实施例。给出这里提供的教导，本领域普通技术人员将能够设想本发明的实施例的其它实现和应用。
44.在一些实施例中，上述技术与可能需要或以其它方式利用例如互补金属氧化物半导体(cmos)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)和/或鳍式场效应晶体管(finfet)的半导体器件结合使用。作为非限制性示例，半导体器件可以包括但不限于cmos、mosfet和finfet器件，和/或使用cmos、mosfet和/或finfet技术的半导体器件。
45.上述各种结构可以在集成电路中实现。制造者可以以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、作为裸芯片或以封装形式来分发所得到的集成电路芯片。在后一种情况下，芯片被安装在单个芯片封装(例如塑料载体，具有被固定到母板或其它更高级载体的引线)中或多芯片封装(例如陶瓷载体，具有表面互连或掩埋互连中的一种或两种)中。在任何情况下，芯片然后与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理器件集成作为以下任一项的一部分：(a)例如母板的中间产品或(b)最终产品。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，范围从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或其它输入设备以及中央处理器的高级计算机产品。
46.图9示出了包括一个或多个逻辑门910的示例集成电路900，其中假定至少一个逻辑门910包括基于pcm的xor门，例如上面参考图4和6所述的xor门。图10示出了包括多级逻辑系统1010的另一示例集成电路1000，该多级逻辑系统包括一组逻辑级1012-1、1012-2、...、1012-n(统称为逻辑门1012)，每个逻辑级实现一个或多个逻辑门1020-1、1020-2、...、1020-n(统称为逻辑门1020)。同样，假定至少一个逻辑门1020包括基于pcm的xor门，例如上面参考图4和6所述的xor门。假定逻辑级1012中的至少两个经由使能输入端和使能输出端连接，例如上文关于图5和图7所描述的。
47.在一些实施例中，一种设备包括：相变材料、在相变材料的第一端处的第一电极、在相变材料的第二端处的第二电极、耦合到相变材料的在第一端与第二端之间的至少给定部分的加热元件、耦合到加热元件的第一输入端子、耦合到加热元件的第二输入端子以及耦合到第二电极的输出端子。
48.第一输入端子可以包括第一二极管和第一电阻元件，第一二极管包括第一端子和第二端子。第一二极管的第二端子耦合到第一电阻元件，并且第一电阻元件耦合到加热元件。第二输入端可以包括第二二极管和第二电阻元件，第二二极管包括第一端子和第二端
子。第二二极管的第二端子耦合到第二电阻元件，并且第二电阻元件耦合到加热元件。第一二极管的第一端子可以连接到第一电压脉冲源，并且第二二极管的第一端子可以连接到第二电压脉冲源。当第一电压脉冲源不向第一二极管的第一端子提供一个或多个第一电压脉冲时，第一电流通过第一二极管被供应到第一电阻元件，第一电流小于通过第一电阻元件向加热元件供应编程电流所需的阈值电流。当第一电压脉冲源向第一二极管的第一端子提供一个或多个第一电压脉冲时，第二电流通过第一二极管被供应到第一电阻元件，第二电流等于或大于通过第一电阻元件向加热元件供应编程电流所需的阈值电流。类似地，当第二电压脉冲源不向第二二极管的第一端子提供一个或多个第二电压脉冲时，第一电流通过第二二极管供应到第二电阻元件，第一电流小于通过第二电阻元件向加热元件供应编程电流所需的阈值电流。当第二电压脉冲源向第二二极管的第一端子提供一个或多个第二电压脉冲时，第二电流通过第二二极管被供应到第二电阻元件，第二电流等于或大于通过第二电阻元件向加热元件供应编程电流所需的阈值电流。
49.该装置还可以包括设置在加热元件和相变材料的给定部分之间的电绝缘导热层。
50.该装置还可以包括附加加热元件，该附加加热元件耦合到相变材料的在第一端与第二端之间的另一部分，该附加加热元件耦合到使能输入端子。该装置还可以包括设置在附加加热元件和相变材料的其它部分之间的电绝缘导热层。
51.该装置还可以包括耦合到加热元件的使能输出端子，该使能输出端子耦合到附加器件的使能输入端子。
52.第一输入端可以包括到逻辑门(xor逻辑门)的第一输入，第二输入端可以包括到逻辑门的第二输入，并且输出端可以包括逻辑门的输出。
53.加热元件被配置为向相变存储器材料的给定部分施加热量，施加到相变存储器材料的给定部分的热量的量至少部分地基于供应到加热元件的电流的量。处于第一相的相变材料具有第一电阻率，处于第二相的相变材料具有高于第一电阻率的第二电阻率。第一输入端子被配置为响应于施加到第一输入端子的一个或多个第一电压脉冲而向加热元件供应第一电流。第二输入端子被配置为响应于施加到第二输入端子的一个或多个第二电压脉冲而向加热元件供应第二电流。响应于第一电流和第二电流两者被供应到加热元件，加热元件经配置以向相变存储器材料的给定部分施加足以将相变存储器材料的给定部分复位到第二相的第一水平的热量。响应于第一电流和第二电流中的单个电流被供应到加热元件，加热元件被配置为向相变存储器材料的给定部分施加足以将相变存储器材料的给定部分设置为第一相的第二水平的热量。
54.在一些实施例中，一种方法包括向耦合到加热元件的第一输入端子提供第一电压，加热元件耦合到相变材料的在相变材料的第一端与相变材料的第二端之间的至少给定部分，相变材料的第一端耦合到第一电极，相变材料的第二端耦合到第二电极。该方法还包括向耦合到加热元件的第二输入端子提供第二电压，并且测量耦合到第二电极的输出端子处的电压的幅度。
55.该方法还可以包括基于在耦合到第二电极的输出端子处的电压的测量幅度来确定逻辑门(xor逻辑门)的输出值，其中第一输入端子包括到逻辑门的第一输入，第二输入端子包括到逻辑门的第二输入，并且输出端子包括逻辑门的输出，当第一输入和第二输入中的一个排他地为真时，该输出生成真输出值。
56.处于第一相的相变材料具有第一电阻率，处于第二相的相变材料具有高于第一电阻率的第二电阻率，并且该方法还可以包括在向第一输入端子提供第一电压之前和在向第二输入端子提供第二电压之前，将相变材料的给定部分复位到第一相。
57.向第一输入端子提供第一电压可以包括当第一输入的值为真时向第一输入端子施加一个或多个正电压脉冲。向第二输入端子提供第二电压可以包括当第二输入的值为真时向第二输入端子施加一个或多个正电压脉冲。当向第一输入端施加一个或多个正电压脉冲时，导致第一电流被施加到加热元件。当一个或多个正电压脉冲被施加到第二输入端时，导致第一电流被施加到加热元件。响应于第一电流和第二电流两者被供应到加热元件，加热元件经配置以将向相变存储器材料的给定部分施加足以将相变存储器材料的给定部分复位到第二相的第一水平的热量。响应于第一电流和第二电流中的单个电流被供应到加热元件，加热元件被配置为向相变存储器材料的给定部分施加足以将相变存储器材料的给定部分设置为第一相的第二水平的热量。
58.在一些实施例中，一种操作逻辑门(例如，xor逻辑门)的方法包括：响应于到逻辑门的两个或更多输入中的一个为排他性地为真，将相变材料的至少给定部分设置为具有第一电阻率的第一相；响应于到逻辑门的两个或更多输入中的两个为真，将相变材料的给定部分设置为具有比第一电阻率高的第二电阻率的第二相；以及基于耦合到相变材料的第一端的输入电极与耦合到相变材料的第二端的输出电极之间的测量电阻，确定逻辑门的输出逻辑状态。
59.加热元件可以耦合到相变材料的在第一端和第二端之间的给定部分，并且将相变材料的给定部分设置为第一相可以包括向耦合到加热元件的第一输入端子和耦合到加热元件的第二输入端子之一施加一个或多个正电压脉冲。将相变材料的给定部分置位为第二相可包括向耦合到加热元件的第一输入端子及耦合到加热元件的第二输入端子两者施加一个或多个正电压脉冲。
60.在一些实施例中，系统包括两个或更多个逻辑门，两个或更多个逻辑门中的每一个包括一个或多个逻辑器件。在两个或更多个逻辑门中的给定一个中的一个或多个逻辑器件中的至少一个包括基于相变材料的逻辑门(xor逻辑门)，该基于相变材料的逻辑门包括相变材料和加热元件，该相变材料和该加热元件被互连为使得当耦合到加热元件的第一输入端子和第二输入端子中的一个排他地处于真逻辑状态时，输出端子处于真逻辑状态。在给定逻辑门中的基于相变材料的逻辑门包括使能输出端子，该使能输出端子将加热元件耦合到两个或更多个逻辑门中的另一个逻辑门中的逻辑器件。
61.在给定逻辑门中的基于相变材料的逻辑门可以包括耦合到附加加热元件的使能输入端子，该附加加热元件耦合到相变材料的至少另一部分。在给定逻辑门中的基于相变材料的逻辑门的使能输入端可以耦合到两个或更多个逻辑门中的前一个逻辑门中的逻辑器件的使能输出端。
62.在给定逻辑门中的基于相变材料的逻辑门的使能输出端子可以耦合到在两个或更多个逻辑门中的随后一个中的逻辑器件的使能输入端子。随后的逻辑门中的逻辑器件可以包括另一个基于相变材料的逻辑门。给定逻辑门中的基于相变材料的逻辑门的输出端子可以耦合到另一加热元件的输入，该另一加热元件耦合到随后逻辑门中的另一基于相变材料的逻辑门的相变材料。
63.在一些实施例中，一种方法包括测量两个或更多个逻辑门中的第一逻辑门中的第一逻辑器件的使能输出端子处的电流，确定第一逻辑门中的第一逻辑器件的使能输出端子处的测量电流是否超过指定阈值使能电流，以及响应于确定第一逻辑门中的第一逻辑器件的使能输出端子处的测量电流超过指定阈值使能电流，触发两个或更多个逻辑门中的第二逻辑器件的使能输入端子。第二逻辑器件包括基于相变材料的逻辑门，该逻辑门包括相变材料和加热元件，该相变材料和该加热元件互连使得当耦合到加热元件的第一输入端子和第二输入端子中的一个排他地处于真逻辑状态时，输出端子处于真逻辑状态。
64.触发第二逻辑器件的使能输入端子可以包括控制从耦合到相变材料的给定部分的附加加热元件向相变材料的给定部分的热量施加。
65.处于第一相位的相变材料可以具有第一电阻率，处于第二相位的相变材料具有高于第一电阻率的第二电阻率，并且触发第二逻辑器件的使能输入端可以包括将相变材料的给定部分复位到第二相位。
66.应当理解，图中所示的各层、结构和区域是未按比例绘制的示意图。另外，为了便于解释，通常用于形成半导体器件或结构的类型的一个或多个层、结构和区域可能未在给定的图中明确示出。这并不意味着从实际半导体结构中省略了未明确示出的任何层、结构和区域。此外，应理解，本文所论述的实施例不限于本文所展示和描述的特定材料、特征和处理步骤。特别地，关于半导体处理步骤，要强调的是，本文提供的描述不旨在包括形成功能性半导体集成电路器件可能需要的所有处理步骤。相反，为了描述的经济性，在形成半导体器件中通常使用的某些处理步骤，例如湿法清洁和退火步骤，在此有目的地不进行描述。
67.此外，在所有附图中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的特征、元件或结构，因此，对于每个附图，不重复相同或相似的特征、元件或结构的详细解释。应当理解，这里使用的关于厚度、宽度、百分比、范围、温度、时间和其它工艺参数等的术语“近似”或“基本上”意味着表示接近或近似，但不是精确的。例如，如本文所用，术语“大约”或“基本上”暗示存在小的误差幅度，例如
±
5％，优选小于2％或1％或小于所述量。
68.在以上描述中，提供了用于不同元件的各种材料、尺寸和处理参数。除非另有说明，否则这些材料仅以实例的方式给出，且实施例并不仅限于所给出的特定实例。类似地，除非另外指出，所有尺寸和工艺参数都是通过示例的方式给出的，并且实施例并不仅仅限于给定的具体尺寸或范围。
69.已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。

技术特征：
1.一种装置，包括：相变材料；在相变材料的第一端处的第一电极；在所述相变材料的第二端处的第二电极；加热元件，所述加热元件耦合到所述相变材料的在所述第一端与所述第二端之间的至少给定部分；耦合到所述加热元件的第一输入端子；耦合到所述加热元件的第二输入端子；以及耦合到所述第二电极的输出端子。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一输入端子包括第一二极管和第一电阻元件，所述第一二极管包括第一端子和第二端子，所述第一二极管的所述第二端子耦合到所述第一电阻元件，所述第一电阻元件耦合到所述加热元件。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第二输入端子包括第二二极管和第二电阻元件，所述第二二极管包括第一端子和第二端子，所述第二二极管的所述第二端子耦合到所述第二电阻元件，所述第二电阻元件耦合到所述加热元件。4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括布置在所述加热元件与所述相变材料的所述给定部分之间的电绝缘导热层。5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括附加加热元件，所述附加加热元件耦合到所述相变材料的在所述第一端与所述第二端之间的另一部分，所述附加加热元件耦合到使能输入端子。6.根据权利要求5所述的设备，进一步包括布置在所述附加加热元件与所述相变材料的所述另一部分之间的电绝缘且导热层。7.根据权利要求1所述的设备，还包括耦合到所述加热元件的使能输出端子，所述使能输出端子耦合到附加器件的使能输入端子。8.根据权利要求1所述的装置，其中所述相变材料和所述加热元件形成逻辑门的至少一部分，所述逻辑门被互连以使得当所述第一输入端子和所述第二输入端子中的一个排他地处于真逻辑状态时，所述输出端子处于真逻辑状态。9.一种系统，包括：两个或更多个逻辑门，所述两个或更多个逻辑门中的每一个包括一个或多个逻辑器件；在所述两个或更多个逻辑门中的给定逻辑门中的所述一个或多个逻辑器件中的至少一个逻辑器件包括基于相变材料的逻辑门，所述基于相变材料的逻辑门具有互连的如权利要求1至8中任一项所述的装置，使得当所述第一输入端子和所述第二输入端子中的一个输入端子处于真逻辑状态时，输出端子处于真逻辑状态；其中所述给定逻辑门中的所述基于相变材料的逻辑门包括将所述加热元件耦合到所述两个或更多个逻辑门中的另一个逻辑门中的逻辑器件的使能输出端子。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述给定逻辑门中的所述基于相变材料的逻辑门包括耦合到附加加热元件的使能输入端子，所述附加加热元件耦合到所述相变材料的至少另一部分。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述给定逻辑门中的所述基于相变材料的逻辑门的所述使能输入端子耦合到所述两个或两个以上逻辑门中的前一者中的逻辑装置的使
能输出端子。12.根据权利要求9所述的系统，其中所述给定逻辑门中的所述基于相变材料的逻辑门的所述使能输出端子耦合到所述两个或两个以上逻辑门中的后续逻辑门中的逻辑装置的使能输入端子。13.根据权利要求9所述的系统，其中所述后续逻辑门中的所述逻辑装置包括另一基于相变材料的逻辑门。14.根据权利要求13所述的系统，其中所述给定逻辑门中的所述基于相变材料的逻辑门的所述输出端子耦合到另一加热元件的输入，所述另一加热元件耦合到所述后续逻辑门中的所述另一基于相变材料的逻辑门的相变材料。15.一种方法，包括：向耦合到加热元件的第一输入端子提供第一电压，所述加热元件耦合到相变材料的在所述相变材料的第一端与所述相变材料的第二端之间的至少给定部分，所述相变材料的所述第一端耦合到第一电极，所述相变材料的所述第二端耦合到第二电极；向耦合到所述加热元件的第二输入端子提供第二电压；以及测量耦合到所述第二电极的输出端子处的电压的幅度。16.根据权利要求15所述的方法，还包括基于在耦合到所述第二电极的所述输出端子处的所述电压的测量幅度来确定逻辑门的输出值，其中所述第一输入端子包括到所述逻辑门的第一输入，所述第二输入端子包括到所述逻辑门的第二输入，并且所述输出端子包括所述逻辑门的输出。17.根据权利要求16所述的方法，其中向所述第一输入端子提供所述第一电压包括当所述第一输入的值为真时向所述第一输入端子施加一个或多个正电压脉冲。18.根据权利要求16所述的方法，其中向所述第二输入端子提供所述第二电压包括当所述第二输入的值为真时向所述第二输入端子施加一个或多个正电压脉冲。19.根据权利要求15所述的方法，其中处于第一相的所述相变材料具有第一电阻率，并且处于第二相的所述相变材料具有高于所述第一电阻率的第二电阻率，并且所述方法进一步包括在向所述第一输入端子提供所述第一电压之前并且在向所述第二输入端子提供所述第二电压之前，将所述相变材料的所述给定部分复位到所述第一相。20.一种操作逻辑门的方法，包括：响应于到所述逻辑门的所述两个或两个以上输入中的一者为排他性为真，将相变材料的至少给定部分置位为具有第一电阻率的第一相；响应于到所述逻辑门的所述两个或两个以上输入中的两者为真，将所述相变材料的所述给定部分置位为具有高于所述第一电阻率的第二电阻率的第二相；以及基于耦合到所述相变材料的第一端的输入电极与耦合到所述相变材料的第二端的输出电极之间的测量电阻来确定所述逻辑门的输出逻辑状态。21.根据权利要求20所述的方法，其中加热元件耦合到所述相变材料的在所述第一端与所述第二端之间的所述给定部分，并且其中将所述相变材料的所述给定部分置位到所述第一相包括向耦合到所述加热元件的第一输入端子及耦合到所述加热元件的第二输入端子中的一者施加一个或多个正电压脉冲。22.根据权利要求21所述的方法，其中将所述相变材料的所述给定部分置位为所述第
二相包括将向耦合到所述加热元件的所述第一输入端子以及耦合到所述加热元件的所述第二输入端子两者施加一个或多个正电压脉冲。23.一种方法，包括：测量两个或更多个逻辑门中的第一逻辑门中的第一逻辑器件的使能输出端处的电流；确定在所述第一逻辑门中的所述第一逻辑器件的所述使能输出端处的所述测量电流是否超过指定阈值使能电流；以及响应于确定在所述两个或更多个逻辑门中的第一逻辑门中的第一逻辑器件的使能输出端子处的测量电流超过指定阈值使能电流，触发所述第一逻辑门中的所述第一逻辑器件的使能输入端子；其中所述第二逻辑器件包括基于相变材料的逻辑门，基于相变材料的逻辑门包括相变材料和加热元件，所述相变材料和加热元件被互连为使得当耦合到所述加热元件的第一输入端子和第二输入端子中的一个排他地处于真逻辑状态时，输出端子处于真逻辑状态。24.根据权利要求23所述的方法，其中触发所述第二逻辑器件的所述使能输入端子包括控制从耦合到所述相变材料的所述给定部分的附加加热元件向所述相变材料的所述给定部分的热量施加。25.根据权利要求23所述的方法，其中处于第一相位的所述相变材料具有第一电阻率，并且处于第二相位的所述相变材料具有高于所述第一电阻率的第二电阻率，并且其中触发所述第二逻辑器件的所述使能输入端子包括将所述相变材料的所述给定部分复位到所述第二相位。

技术总结
一种装置，包括：相变材料；第一电极，位于所述相变材料的第一端；第二电极，位于所述相变材料的第二端；以及加热元件，耦合到所述相变材料的在所述第一端和所述第二端之间的至少给定部分。该装置还包括耦合到加热元件的第一输入端子、耦合到加热元件的第二输入端子和耦合到第二电极的输出端子。耦合到第二电极的输出端子。耦合到第二电极的输出端子。


技术研发人员：龚南博 G
受保护的技术使用者：国际商业机器公司
技术研发日：2021.10.27
技术公布日：2023/9/9