用于连接电路元件的多维垂直开关连接

摘要

一种半导体器件包括具有多个晶体管器件的第一层级、以及定位在第一层级上的第一布线层级。第一布线层级包括平行于第一层级延伸的多条导电线、垂直于第一层级延伸的多个导电垂直互连、以及垂直于第一层级延伸并且包括具有可变电阻率的可编程材料的一个或多个可编程垂直互连，具有可变电阻率是在于一个或多个可编程垂直互连根据电流模式在导电与非导电之间改变。

权利要求

1.一种半导体器件，包括：

第一层级，该第一层级具有多个晶体管器件；以及

定位在该第一层级上的第一布线层级，该第一布线层级包括平行于该第一层级延伸的多条导电线、垂直于该第一层级延伸的多个导电垂直互连、以及垂直于该第一层级延伸并且包括具有可变电阻率的可编程材料的一个或多个可编程垂直互连，具有可变电阻率是在于该一个或多个可编程垂直互连在导电与非导电之间改变，其中：该多个导电垂直互连包括第一导电垂直互连并且该一个或多个可编程垂直互连包括第一可编程垂直互连，该第一导电垂直互连与该多条导电线中的第一导电线接触，并且

该第一可编程垂直互连与该第一导电垂直互连间隔开而与该多条导电线中的第二导电线接触。

2.如权利要求1所述的半导体器件，其中，该多个导电垂直互连中的每一个导电垂直互连连接到该第一布线层级中的相应导电线，并且该一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连连接到该第一布线层级中的相应导电线。

3.如权利要求1所述的半导体器件，其中，该一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连进一步连接到第二布线层级中的导电线、晶体管、电容器、电阻器或电感器中的至少一个。

4.如权利要求1所述的半导体器件，其中，该可编程材料是相变材料，该相变材料根据输送到该一个或多个可编程垂直互连的电流模式在导电与非导电之间改变。

5.如权利要求4所述的半导体器件，其中，该电流模式包括使该相变材料变为非晶态的第一电流模式、以及使该相变材料变为结晶态的第二电流模式。

6.如权利要求1所述的半导体器件，其中，该可编程材料定位在该一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连的底部部分，并且导电材料定位在该可编程材料上以填充该一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连。

7.如权利要求1所述的半导体器件，其中，该可编程材料填满该一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连。

8.如权利要求1所述的半导体器件，其中，导电材料定位在该一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连的底部部分，并且该可编程材料定位在该导电材料上以填充该一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连。

9.如权利要求1所述的半导体器件，其中，该一个或多个可编程垂直互连进一步包括第二可编程垂直互连，该第一可编程垂直互连是基于响应于第三电流模式改变电阻率的第一材料形成的，并且该第二可编程垂直互连是基于响应于第四电流模式改变电阻率的第二材料形成的。

10.如权利要求1所述的半导体器件，其中，该一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连定位在相应的位置以切换对应集成电路的预定功能。

11.一种用于形成半导体器件的方法，包括：

形成多条导电线作为该半导体器件的第一布线层级的一部分，该第一布线层定位在具有多个晶体管器件的第一层级上，该多条导电线平行于该第一层级延伸；

形成可编程垂直桥，该可编程垂直桥定位在该多条导电线下方并且垂直于该第一层级延伸，该可编程垂直桥物理地连接该第一布线层中的多条导电线中的第一导电线，基于第一材料形成该可编程垂直桥，该第一材料根据输送到该可编程垂直桥的电流模式在导电状态与非导电状态之间变相；以及形成第一导电垂直桥，该第一导电垂直桥定位在该多条导电线下方并且垂直于该第一层级延伸，该第一导电垂直桥与该可编程垂直桥间隔开并且物理地连接该多条导电线中的第二导电线。

12.如权利要求11所述的方法，其中，形成该可编程垂直桥包括：在定位在衬底上的介电材料中形成第一浮雕图案，该第一浮雕图案具有多个竖直开口；

沉积该第一材料以填充该第一浮雕图案的这些竖直开口；

用第一掩模覆盖填充该多个竖直开口中的一个竖直开口的该第一材料的一部分以形成该可编程垂直桥；

去除填充该多个竖直开口中的其他竖直开口的该第一材料的未覆盖部分；

去除该第一掩模；以及

用导电材料填充该多个竖直开口中的这些其他竖直开口以形成包括该第一导电垂直桥的多个导电垂直桥。

13.如权利要求12所述的方法，其中，以结晶状态沉积该第一材料。

14.如权利要求12所述的方法，其中，以非晶状态沉积该第一材料。

15.如权利要求11所述的方法，其中，形成该可编程垂直桥包括：在衬底上的介电材料中形成的第一浮雕图案中，使多个竖直开口中的一个竖直开口不被覆盖而覆盖其他竖直开口；

在该未覆盖的竖直开口中沉积该第一材料；

去除在该未覆盖的竖直开口中的第一材料的一部分，使得该第一材料部分地填充在该未覆盖的竖直开口中；

使该多个竖直开口中的这些其他竖直开口不被覆盖；以及

在这些其他竖直开口中沉积导电材料以形成包括该第一导电垂直桥的多个导电垂直桥和在该未覆盖的竖直开口中沉积导电材料，使得该未覆盖的开口部分地填充有该第一材料并且部分地填充有该导电材料以形成该可编程垂直桥。

16.如权利要求11所述的方法，其中，该可编程垂直桥进一步连接到第二布线层级中的导电线、晶体管、电容器、电阻器、或电感器中的至少一个。

17.一种用于操作半导体器件的方法，该方法包括：

访问具有第一层级以及定位在该第一层级上的布线结构的该半导体器件，该第一层级包括多个晶体管器件，该布线结构包括具有多条导电线和一个或多个导电垂直互连的多个布线层级，该多条导电线平行于该第一层级延伸并且该一个或多个导电垂直互连垂直于该第一层级延伸，该一个或多个导电垂直互连中的每一个导电垂直互连连接到相应的导电线，该布线结构进一步包括垂直于该第一层级延伸可编程垂直桥，该可编程垂直桥基于具有可变电阻率的可编程材料形成，具有可变电阻率是在于该可编程垂直桥在导电与非导电之间改变；以及识别特定电路功能以通过向该可编程垂直桥传输电流模式来相应地操作该可编程垂直桥，其中：该一个或多个导电垂直互连包括第一导电垂直互连，

该第一导电垂直互连与该多条导电线中的第一导电线接触，并且

该可编程垂直桥与该第一导电垂直互连间隔开而与该多条导电线中的第二导电线接触。

18.如权利要求17所述的方法，其中，该可编程垂直桥进一步连接到该多条导电线中的第三导电线、晶体管、电容器、电阻器、或电感器中的至少一个。

19.如权利要求17所述的方法，其中，该识别表明以下中的一项：识别第一特定电路功能以通过向该可编程垂直桥传输第一电流模式使该可编程垂直桥从导电变为非导电来停用该可编程垂直桥，使得停用该特定电路功能；

识别第二特定电路功能以通过向该可编程垂直桥传输第二电流模式使该可编程垂直桥从导电变为非导电来启动该可编程垂直桥，使得启动该特定电路功能；

识别第三特定电路功能以通过向该可编程垂直桥传输第三电流模式使该可编程垂直桥从非导电变为导电来停用该可编程垂直桥，使得停用该特定电路功能；以及识别第四特定电路功能以通过向该可编程垂直桥传输第四电流模式使该可编程垂直桥从非导电变为导电来启动该可编程垂直桥，使得启动该特定电路功能。

20.如权利要求17所述的方法，其中，该可编程材料定位在该可编程垂直桥的底部部分，并且导电材料定位在该可编程材料上以填充该可编程垂直桥。

说明书

用于连接电路元件的多维垂直开关连接

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2019年5月15日提交的美国临时申请号62/848,289和于2019年8月8日提交的美国申请号16/535,174的权益，这些美国申请的全部内容通过援引并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及包括半导体器件、晶体管、和集成电路的微电子器件，包括微细加工的方法。

背景技术

[0004] 微电子器件通常具有器件层或平面，比如晶体管，这些晶体管可以是场效应晶体管(FET)。这些晶体管通过使用形成在这些器件上方的几个布线层级来连线或连接在一起。布线层级中的层或平面通常具有水平延伸的线(又称为导电线)。在水平导电线的层之间存在垂直互连(例如，通孔)，这些垂直互连本质上是较短的导电线，用于将一个平面中的给定导电线连接到另一平面中的对应导电线或器件。通孔和导电线的特定几何形状和安置基于逻辑应用或存储器应用的电路设计。

发明内容

[0005] 在常规电路中，在微细加工之后对电路元件的功能进行修改具有局限性。目前，为了启用新的电路元件，设计需要导通或关断晶体管以启用特定的数据路径。这意味着始终需要电力来使添加的电路元件保持(例如)导通或关断。当部件通电时，导通或关断电路区块的数据必须以硬代码或通过使用非易失性存储器短接。如果设计人员想要从一条金属线(或一条导电线)将单条路径连接到另一条金属线(或一条不同的导电线)，则需要新的光掩模形成这种连接。此外，如果设计人员想要去除电路，则需要新的金属掩模(金属层的光掩模)来切割特定的金属线以形成短接(或连接)。向微细加工流程中添加新的掩模和定制掩模是昂贵的并且会降低产量。

[0006] 本文中的本披露内容增强了与逻辑电路、存储器元件、晶体管和(具有编程或可编程特征的)所有电路元件的2D连接和3D连接，而无需对光掩模不断进行修改。本文中的本披露内容包括在水平导电线之间形成垂直互连(例如，通孔)，这些水平导电线在微细加工之后可以导通或关断。使某些连接(例如，金属布线)导电(低电阻)或较不导电/非导电(高电阻)使得能够在不同的导电平面(或金属层)与电路元件之间制成本文中的3D开关矩阵。常规器件具有仅包括导电/金属连接的布线结构。

[0007] 某些材料具有独特的特性，这些特性允许材料从低电阻变为高电阻，或者从高电阻变为低电阻。本文中的本披露内容提供了一种制造金属连接(或导电连接)的方法，这些金属连接将这些独特的材料一体化以形成连接在两个或更多个3D布线平面与各种电路元件的连接之间的电编程金属线(或导电线)。因此，这种配置和设计使电路元件能够在对应的集成电路通过制造完成之后被可选地编程。

[0008] 一个实施例包括具有第一层级的微电子器件，该第一层级具有多个晶体管器件。在相对于第一层级的不同平面中形成多个布线层级。多个布线层级包括平行于第一层级延伸的导电材料线(又称为导电线)。布线层级包括将给定布线层级彼此连接的导电材料的垂直互连(又称为导电垂直互连)。该器件包括特定布线层级的可编程垂直互连(或可编程通孔)。可编程垂直互连基于具有可变电阻率的第一材料形成，具有可变电阻率是在于可编程垂直互连可以在导电与非导电之间改变。因此，各种电路元件可以无限地导通或关断。

[0009] 当然，本文所披露的制造步骤的顺序是为了清楚起见而呈现的。通常，这些制造步骤可以以任何合适的顺序执行。另外地，尽管可能在本披露的不同地方讨论了本文中的不同特征、技术、配置等中的每一个，但是应当注意，可以彼此独立地或彼此组合地执行每个构思。因此，可以以许多不同的方式来实施和查看本披露内容。

[0010] 应当注意，本发明内容部分未指定本披露内容或所要求保护的发明的每个实施例和/或递增的新颖方面。相反，本发明内容仅提供了对不同实施例以及与常规技术相比的新颖性对应点的初步讨论。对于本发明和实施例的附加细节和/或可能的观点而言，读者应查阅如以下进一步讨论的本披露内容的具体实施方式部分和相应附图。

[0011] 根据本披露内容的一方面，提供了一种半导体器件。该半导体器件包括具有多个晶体管器件的第一层级、以及定位在第一层级上的第一布线层级。第一布线层级包括平行于第一层级延伸的多条导电线、垂直于第一层级延伸的多个导电垂直互连、以及垂直于第一层级延伸并且包括具有可变电阻率的可编程材料的一个或多个可编程垂直互连，具有可变电阻率是在于一个或多个可编程垂直互连在导电与非导电之间改变。

[0012] 在所披露的半导体器件中，多个导电垂直互连中的每一个导电垂直互连连接到第一布线层级中的相应导电线，并且一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连连接到第一布线层级中的相应导电线。另外，一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连进一步连接到第二布线层级中的导电线、晶体管、电容器、电阻器或电感器中的至少一个。

[0013] 在一些实施例中，可编程材料是相变材料，该相变材料根据输送到一个或多个可编程垂直互连的电流模式在导电与非导电之间改变。例如，电流模式包括使相变材料变为非晶态的第一电流模式、以及使相变材料变为结晶态的第二电流模式。

[0014] 在一个实施例中，可编程材料定位在一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连的底部部分，并且导电材料定位在可编程材料上以填充一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连。在另一个实施例中，可编程材料填满一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连。

[0015] 在一些实施例中，可编程材料包括响应于第三电流模式改变电阻率的第一材料、以及响应于第四电流模式改变电阻率的第二材料。因此，一个或多个可编程垂直互连包括基于第一材料形成的第一可编程垂直互连、以及基于第二材料形成的第二可编程垂直互连。

[0016] 在所披露的半导体器件中，一个或多个可编程垂直互连中的每一个可编程垂直互连定位在相应的位置以切换对应集成电路的预定功能。

[0017] 根据本披露内容的另一方面，提供了一种用于形成半导体器件的方法。在所披露的方法中，形成多条导电线作为半导体器件的第一布线层级的一部分。第一布线层级定位在具有多个晶体管器件的第一层级上。多条导电线平行于第一层级延伸。进一步，形成定位在多条导电线下方并且垂直于第一层级延伸的可编程垂直桥(又称为可编程垂直互连)。可编程垂直桥物理地连接第一布线层级中的多条导电线中的第一导电线，并且基于第一材料形成，该第一材料根据输送到可编程垂直桥的电流模式而在导电状态与非导电状态之间变相。可编程垂直桥进一步连接到第二布线层级中的第二导电线、晶体管、电容器、电阻器、或电感器中的至少一个。

[0018] 在一个实施例中，在定位在衬底上的介电材料中形成第一浮雕图案，其中第一浮雕图案具有多个竖直开口。随后沉积第一材料以填充第一浮雕图案的竖直开口。可以用第一掩模覆盖填充多个竖直开口中的一个竖直开口的第一材料的一部分。可以去除第一材料的未覆盖部分，其中第一材料的未覆盖部分填充多个竖直开口中的其他竖直开口。然后去除第一掩模，并且用导电材料填充多个竖直开口中的其他竖直开口。

[0019] 在另一个实施例中，一个竖直开口不被覆盖并且多个竖直开口中的其他竖直开口被覆盖。在未覆盖的竖直开口中沉积第一材料。进一步，去除在未覆盖的竖直开口中的第一材料的一部分，使得第一材料部分地填充在未覆盖的竖直开口中。然后使多个竖直开口中的其他竖直开口不被覆盖。随后在其他竖直开口和未覆盖的竖直开口中沉积导电材料，使得未覆盖的开口部分地填充有第一材料并且部分地填充有导电材料。

[0020] 在一些实施例中，以结晶状态沉积第一材料。在一些实施例中，以非晶状态沉积第一材料。

[0021] 根据本披露内容的又一方面，提供了一种用于操作半导体器件的方法。在所披露的方法中，访问半导体器件。半导体具有包括多个晶体管器件的第一层级、以及定位在第一层级上的布线结构。布线结构包括具有一条或多条导电线的多个布线层级、以及一个或多个导电垂直互连。一条或多条导电线平行于第一层级延伸，并且一个或多个导电垂直互连垂直于第一层级延伸。一个或多个导电垂直互连中的每一个导电垂直互连连接到相应的导电线。

[0022] 布线结构进一步包括垂直于第一层级延伸并且连接一条或多条导电线中的一条导电线的至少一个可编程垂直桥(又称为可编程垂直互连)。可编程垂直桥基于具有可变电阻率的可编程材料形成，具有可变电阻率是在于可编程垂直桥在导电与非导电之间改变。

[0023] 进一步，在所披露的方法中，识别特定电路功能以通过向可编程垂直桥传输电流模式来相应地操作可编程垂直桥。

[0024] 在一些实施例中，识别第一特定电路功能以通过向可编程垂直桥传输第一电流模式来停用可编程垂直桥。第一电流模式使可编程垂直桥从导电变为非导电，使得停用特定电路功能。

[0025] 在一些实施例中，识别第二特定电路功能以通过向可编程垂直桥传输第二电流模式来启动可编程垂直桥。第二电流模式使可编程垂直桥从导电变为非导电，使得启动特定电路功能。

[0026] 在一些实施例中，识别第三特定电路功能以通过向可编程垂直桥传输第三电流模式来停用可编程垂直桥。第三电流模式使可编程垂直桥从非导电变为导电，使得停用特定电路功能。

[0027] 在一些实施例中，识别第四特定电路功能以通过向可编程垂直桥传输第四电流模式来启动可编程垂直桥。第四电流模式使可编程垂直桥从非导电变为导电，使得启动特定电路功能。

附图说明

[0028] 当与附图一起阅读时，从以下详细描述中最好地理解本披露内容的方面。注意，根据行业中的标准做法，各种特征未按比例绘制。事实上，为了讨论的清楚起见，各种特征的尺寸可以被任意增大或减小。

[0029] 图1是根据一些实施例的包括可编程垂直互连的示例性衬底的截面视图。

[0030] 图2至图5是根据一些实施例的制造包括可编程垂直互连的半导体器件的各种中间步骤的截面视图。

[0031] 图6至图10是根据一些实施例的制造包括可编程垂直互连的另一个半导体器件的各种中间步骤的截面视图。

具体实施方式

[0032] 以下披露内容提供了用于实施所提供的主题的不同特征的许多不同的实施例或示例。以下描述了部件和布置的特定示例以简化本披露内容。当然，这些仅是示例，并且不旨在进行限制。另外，本披露内容可能会在各个示例中重复使用附图标记和/或字母。该重复是出于简单和清楚的目的，并且其本身并不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

[0033] 进一步地，为了便于描述，在本文中可以使用诸如“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等空间相关的术语来描述如附图中所展示的一个元素或特征与一个或多个其他元素或特征的关系。除了在附图中所描绘的取向之外，空间相关的术语还旨在涵盖装置在使用或操作中的不同取向。可以以其他方式定向该装置(旋转90度或处于其他取向)，并且相应地可以以同样的方式解释本文使用的空间相关的描述符。

[0034] 在整个本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着与实施例相结合描述的特定特征、结构、材料、或特性包括在至少一个实施例中，但是不表示它们存在于每个实施例中。因此，在整个本说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定指代同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式来组合特定特征、结构、材料或特性。

[0035] 本文中的技术包括在水平导电线或导线之间形成在微细加工之后可以导通或关断的可编程连接(桥)。水平导电线通常在平行于电路的晶体管器件层或平面的平面中延伸。例如，微电子电路通常包括多层级或多平面的导电线，这些导电线互连并且包括垂直互连(通孔)以将给定平面中的导电线连接到另一个平面中的导电线。这些通孔是竖直的，因为它们通常垂直于导电线平面(或金属层)以及晶体管器件层级延伸。在一个实施例中，可编程连接包括一个或多个使用相变材料制成的连接。通过使用输送到可编程连接(相变材料)的电流模式，相变材料可以在微细加工之后从导电材料变为非导电材料。因此，任何数量的电路元件都可以在微细加工之后短接或电连接。

[0036] 这样，本文中的技术消除了制造新的光掩模的常规需要，并且将复杂的数据代码存储在管芯中以使电路区块通电或断电。在将对应的管芯放置在包装物或系统中之后，能够对金属线(或导电线)之间的垂直互连进行编程。这种能力能够通过无限期地导通电路区块或无限期地关断电路区块来快速改变电路设计功能。无论给定器件被供电还是未被供电，都会保持这种功能变化。如可以理解的，可以使用这种技术实现许多好处。例如，可以降低用于运行功率，因为每次启动和使用管芯时都不需要有源电路元件来使新电路块保持有效。

[0037] 在导电线之间形成可编程垂直桥(又称为可编程垂直互连)的方法可以集成到常规的金属化工艺流程中。例如，在一个工艺流程中，形成金属层(或布线层级)。可以通过单镶嵌或双镶嵌的方式形成此金属层。可以沉积、掩蔽和蚀刻金属(或导电材料)。可以可选地添加导电衬垫。相变材料可以沉积在所有孔中(通孔开口)，然后被选择性地掩蔽以覆盖相变材料的需要保留的部分，同时去除相变材料的未覆盖部分。然后可以在未覆盖的开口中沉积导电材料。替代性地，首先形成导电垂直互连和金属线(或导电线)，然后将相变材料沉积在通孔开口中，这些通孔开口用可替换/牺牲材料来形成或被选择性掩蔽或填充。

[0038] 相变材料(可编程材料)是可以将其物理性质改变为导电或非导电(电阻或绝缘)的材料。示例材料包括InSe、SbSe、SbTe、InSbSe、InSbTe、GeSbSe、GeSbTeSe和AgIn InSe、SbSe、SbTe、InSbSe、InSbTe、GeSbSe、GeSbTeSe、AgIn、Ag2Se、Ge2Se3、GeSb、Ge2Sb2、GeSbTeN和Ge2Sb2Te5。这些材料是可相变的，因为分子结构可以响应于输送到此材料的特定电流模式而在非晶态与结晶态之间改变。衬垫材料可以可选地用于保持或帮助容纳相变材料。示例衬垫材料包括TiN、TaN、Ta、TiW、Ti、Ru、Au、W、Cu、Pt、CoSi2、NiSi2、TiSi2、Mo、Al、CuAl和CuMn。

[0039] 图1是包括可编程垂直互连的示例衬底部段100的截面。注意，示出了简化的布线结构。如图1中所示，衬底部段100可以包括衬底102。衬底102可以包括硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底、硅锗(SiGe)衬底和/或绝缘体上硅(SOI)衬底。在衬底102上，可以形成绝缘层104。可以由SiO、SiN或其他合适的介电材料制成绝缘层。可以在绝缘层104上形成第一介电层108。进一步，可以在第一介电层108中形成多条导电线106a‑106e。导电线106可以由钨、铜、钌、钴或其他合适的导电材料制成。在导电线106上，可以在介电堆中形成多个导电垂直互连(或导电通孔)120a‑120c。介电堆包括形成在导电线106上的第一蚀刻停止层110、形成在第一蚀刻停止层110上的第二介电层114、形成在第二介电层114上的第二蚀刻停止层112、以及形成在第二介电层114上的第三介电层116。第一蚀刻停止层和第二蚀刻停止层可以包括SiN、SiC、SiCN或其他合适的材料。

[0040] 如图1中所示，导电垂直互连120穿过第一蚀刻停止层110并且与导电线106电连接。例如，导电垂直互连120a与导电线106a电连接。在一些实施例中，导电垂直互连件120由导电材料126制成。导电材料126可以是钨、铜、钌、钴或其他合适的材料。在一些实施例中，在导电材料126与介电堆之间，或者在导电材料126与导电线106之间形成衬垫118。衬垫118可以是Ti、TiN、Ta、TaN或其他合适的材料。衬垫118可以防止导电材料126分层或迁移。

[0041] 衬底部段100还包括一个或多个可编程垂直互连。例如，在衬底部段100中包括两个可编程垂直互连122a和122b。可编程垂直互连122由可编程材料128和导电材料126形成。可编程材料128定位在可编程垂直互连的底部部分，并且导电材料126定位在可编程材料
128方。衬底部段100可以进一步包括一条或多条导电线。例如，形成导电线124并且与可编程垂直互连中的一个可编程垂直互连(比如可编程垂直互连122a)连接。

[0042] 可编程材料128被指定在布线结构内，该布线结构包括导电线106、导电垂直互连120、可编程垂直互连122和导电线124。可编程材料128可以是相变材料并且被示为电路内的可编程垂直互连(可编程通孔)的一部分。可编程材料128可以从导电变为非导电，或者从非导电变为导电。可编程材料128可以在没有电的情况下保持导电或非导电特性。因此，在特定电流模式启动或改变可编程材料128之后，然后可编程材料128可以保持为导电的或电阻的，而不管对应的芯片是否被供电。换言之，可编程材料128的材料特性改变不是易变的。

[0043] 通孔区域通常是连接(在不同平面中的)两个金属导电层、或晶体管、或电路元件区域的竖直金属区域(在竖直方向上延伸的金属)。本文中的这种技术可以用于电路的任何部分处的通孔区域。例如，图1中所示的可编程垂直互连可以用作将金属1层连接到硅衬底的可编程通孔。可编程通孔还可以连接两个纳米层硅堆、或多个N维纳米层堆。可编程通孔可以进一步将金属2层连接到金属1层，或者将金属3层连接到金属4层或金属n层等。因此，这种可编程通孔可以连接在金属线的任何平面或电路元件的平面之间。

[0044] 如可以理解的，本文中启用了多种配置和工艺流程。在一个流程中，形成可编程垂直互连以用作源极/漏极触点。图2至图5图示了形成可编程垂直互连作为源极/漏极触点的示例性流程。如图2中所示，在衬底202中形成STI(浅沟槽隔离)204。另外，通过离子注入工艺在衬底202中形成多个源极/漏极(S/D)结构206a‑206d。进一步，可以在衬底202上方形成多个栅极堆208a‑208b。在衬底与栅极堆208之间形成多个栅极阻挡层212a‑212b。基于S/D结构206、栅极堆208和栅极阻挡层212，可以形成多个晶体管。晶体管可以是平面FET、FinFET、纳米片等。例如，可以在图2中形成由STI 204分隔开的两个晶体管。另外，然后在栅极堆上形成绝缘层210，并且形成多个接触开口214a‑214f从而不覆盖S/D结构和栅极堆。

[0045] 现在参考3，衬垫216可选地沉积在接触开口214中。衬底202可以被掩蔽(例如，用光刻胶掩蔽)，使得第一掩模仅仅未覆盖特定的接触开口。例如，在图3中，接触开口214a不被覆盖。然后比如相变材料128等可编程材料可以沉积在未覆盖的接触开口中以形成一个或多个可编程垂直互连。例如，在图3中包括可编程垂直互连218。然后去除第一掩模。可以通过CMP工艺或回蚀工艺进一步从绝缘层210的顶表面210a去除任何过多相变材料(或过量相变材料)。随后可以形成第二光刻胶掩模220以覆盖需要保留的可编程垂直互连(例如，218)并且使其他接触开口不被覆盖，如图3中所示。注意，上述掩蔽流程只是示例，并且可以可选地使用多个掩蔽流程。

[0046] 如图4A中所示，可以去除第二光刻胶掩模220，并且可以用导电材料126填充其余接触开口(例如，214b‑214f)。可以应用随后的表面平坦化工艺(例如，CMP)以去除任何过多导电材料。在表面平坦化工艺之后，形成可编程垂直互连218和多个导电垂直互连222b‑222f。

[0047] 图3中沉积的相变材料128可以包括InSe、SbSe、SbTe、InSbSe、InSbTe、GeSbSe、GeSbTeSe和AgIn InSe、SbSe、SbTe、InSbSe、InSbTe、GeSbSe、GeSbTeSe、AgIn、Ag2Se、Ge2Se3、GeSb、Ge2Sb2、GeSbTeN和Ge2Sb2Te5。相变材料128可以成结晶状态或非晶状态沉积在接触开口中。可以应用许多合适的工艺来形成相变材料，比如CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、扩散、溅射和ALD。例如，可以通过单元素源在1×10‑8毫巴的基础压力下热蒸发来制备Ge2Sb2Te5。

[0048] 在一些实施例中，填充有相变材料的给定接触开口(例如，214a)还可以比如通过部分回蚀而凹陷在接触开口内。例如，如图4B中所示，接触开口214a中的相变材料被部分地去除。

[0049] 在用新材料部分地填充一个或多个接触开口的情况下，可以去除所有掩蔽层(例如，第二光刻胶掩模)。然后可以用导电材料126填充其余接触开口(例如，214b‑214f)。这可以包括填充给定接触开口(比如214a)的上部部分，使相变材料定位在底部部分。如图4B中所示，在形成导电材料之后，可以形成多个导电垂直互连(又称为导电通孔)222b‑222f和可编程垂直互连(又称为可编程通孔)222a。可编程垂直互连222a可以部分地填充有相变材料128并且部分地填充有导电材料126。

[0050] 应该注意，可以用相变材料填充整个接触开口，或者用相变材料仅填充接触开口的一部分。这可以取决于材料和改变材料的电路能力。在一些实施例中，相变材料的更长的桥(或更长的尺寸)可能需要更多的电流脉冲来切换。

[0051] 然后可以继续常规的金属化制造工艺。例如，如图5中所示，可以形成多条导电线224a‑224e。导电线224形成于介电层226中，并且连接到导电垂直互连222b‑222f和可编程垂直互连222a。图5图示了布线层级，比如第一布线层级，该布线层级定位在晶体管器件上，并且包括导电线224、导电垂直互连222b‑222f和可编程垂直互连222a。

[0052] 图6至图10图示了在CMOS(互补金属氧化物半导体)器件上形成可编程垂直互连的另一示例性流程。如图6中所示，在衬底302中形成多个S/D结构306a‑306d。在衬底302上形成多个栅极堆308a‑308b。多个栅极阻挡层312a‑312b布置在栅极堆与衬底之间。S/D结构、栅极堆和栅极阻挡层形成多个CMOS晶体管。例如，可以在图6中形成两个CMOS晶体管，并且两个CMOS晶体管由STI 304分隔开。在衬底302上，在绝缘层310中形成多个导电垂直互连318a‑318f。导电垂直互连318电连接到S/D结构和栅极堆。可以用导电材料126填充导电垂直互连。在一些实施例中，导电垂直互连还可以包括衬垫316。可以在引入导电材料之前形成衬垫316。如图6中所示，衬垫316定位在导电材料与相邻部件(例如，绝缘层、S/D结构、栅极堆)之间。在绝缘层310上，形成第一介电层320，并且在第一介电层320中形成多条导电线
322a‑322e。导电线322可以是金属1层并且电耦合到导电垂直互连318。可以通过常规的金属化工艺(例如，单镶嵌、双镶嵌)形成金属1层。

[0053] 在图7中，然后可以执行双镶嵌流程以形成通孔1(或垂直互连)和金属2。当然，还可以执行单镶嵌。如图7中所示，可以在导电线322上形成第一蚀刻停止层324。可以在第一蚀刻停止层324上形成第二介电层326。可以在第二介电层326上形成第二蚀刻停止层328，并且可以在第二蚀刻停止层328上定位有第三介电层330。当引入蚀刻工艺以形成多个通孔开口(或垂直互连开口)时，第一蚀刻停止层324可以用作蚀刻停止层。当引入蚀刻工艺以形成多个沟槽时，第二蚀刻停止层328可以用作蚀刻停止层。仍然参考图7，根据双镶嵌流程，可以形成浮雕图案(或第一浮雕图案)。浮雕图案可以包括多个通孔开口332a‑332e和多个沟槽。例如，在图7中包括沟槽334。当形成浮雕图案时，可以沉积衬垫层336以覆盖通孔开口和沟槽。

[0054] 如图8中所示，可以向衬底302沉积相变材料以填充通孔开口332a‑332e和沟槽334。可以通过CMP(化学机械抛光)工艺或回蚀工艺去除任何过多(过量)相变材料。然后可以在需要保留的相变材料上形成保护掩模338。例如，在填充通孔开口332c和332e以及沟槽
334的相变材料上沉积保护掩模338。然后可以蚀刻掉其他通孔开口(比如通孔开口332a、
332b和332d中的)或沟槽中未覆盖的相变材料。

[0055] 在图9中，可以从衬底去除保护掩模338。例如，可以通过等离子体灰化工艺去除保护掩模338。在去除保护掩模338之后，填充通孔开口332c和332e以及沟槽334的相变材料不被覆盖。另外，其他通孔开口332a、332b和332d仍然不被覆盖。

[0056] 可选地，相变材料可以被部分地回蚀或者可以被凹陷以去除填充在通孔开口332c和332e以及沟槽334中的一部分相变材料。如图10中所示，可以完全去除沟槽334中的相变材料，并且可以使通孔开口332c和332e中的相变材料凹陷，使得相变材料保留在通孔开口332c和332e的底部部分。金属晶种层、金属填充和金属CMP可以应用随后的金属化。可以通过电镀工艺用导电材料填充通孔来操作金属填充。当完成金属CMP时，可以形成多个导电垂直互连(导电通孔)340a‑340c、一个或多个可编程垂直互连(可编程通孔)342a‑342b和一条或多条导电线(例如，344)。然后制造过程可以继续常规形成附加布线层级。

[0057] 应该注意，代替先沉积相变材料、再掩蔽相变材料的需要保留的部分，可以先通过掩模层掩蔽通孔开口的要用相变材料填充的部分，金属或导电材料沉积在未掩蔽区域(例如，未覆盖的通孔开口)中。去除掩模层，然后在未覆盖的通孔开口中沉积相变材料。替代性地，可以在对应平面上沉积金属之后，通过蚀刻工艺在介电层(例如，图7中的第二介电层326、第三介电层330)中形成用于接纳相变材料的通孔开口。如可以理解的，存在几种可用于在布线结构内形成一个或多个可编程通孔(可编程垂直互连)的不同工艺流程。对于如使用钌自下而上的填充，可以将相变材料添加到特定通孔的顶部部分。使用铜的情况下，相变材料通常形成在通孔开口的底部部分中。

[0058] 关于对相变材料(还称为新材料)进行编程，一旦已经通过所有制造步骤完成了给定的电路，就可以对一个或多个3D垂直开关进行编程。本披露内容中描述的新材料现在位于两个电极之间。通过使电流流入新材料，新材料的物质状态可以改变。因此，新材料的状态可以是非晶状态、结晶状态或非晶态和结晶态的混合态。特定的物质状态产生截然不同的电阻值。在未来纳米技术应用的情况下，触点截面积将减小，并且这能够使得编程功率更小，从而使开关能够在断开状态与导通状态之间切换。可以以非晶态、结晶态或非晶状态/结晶状态的混合态沉积新材料。

[0059] 使用高、短电流脉冲和快速斜降产生高电阻状态(非晶态)。虽然适度长的电流脉冲通过缓慢斜降新材料来降低电阻，但导致引起晶体生长的逐渐冷却会产生低电阻状态。这可以与时间和温度相关。在完全非晶状态与完全结晶状态之间可能出现其他混合状态。
注入电流脉冲的幅值和交流脉冲宽度决定编程状态(即，导电与非导电)。不同的材料类型需要不同的功率脉冲(I‑V)进行编程。功率要求还是通孔尺寸的函数。在完成新材料的编程后，可编程通孔将保持该物质状态以实现最佳电路连接。例如，常规信号处理不会改变物质的状态。

[0060] 如可以理解的，本文中这种可编程通孔(可编程垂直互连)实现了许多好处和操作模式。例如，如果存在区块故障，则可以重新布设信令路径。可以启用或禁用特定的数据路径。一些电路具有数据路径阵列或多个冗余。一些晶体管由主晶体管控制。较少量的相变材料用于桥接导体时，在导电状态/电阻状态之间切换所需的功率较小。在一些实施例中，取决于材料的类型和量，可能需要多个数量级的功率来改变状态(在非晶态与结晶态之间切换)。可以以不同的状态沉积新材料。例如，可以以非晶态或结晶态或混合态沉积新材料。结晶态可以更容易地沉积在较小的孔/尺寸中，而沉积非晶材料可以更快或更容易。

[0061] 如可以理解的，本文中设想了若干实施例，包括可编程垂直互连(又称为可编程垂直桥)、制造方法和使用方法。一个实施例是微电子器件，该微电子器件包括具有多个晶体管器件或比如电容器等其他半导体器件的第一层级。在相对于第一层级的不同平面中形成多个布线层级。多个布线层级可以包括定位在第一层级上的第一布线层、以及定位在第一层级上的第二布线层。布线层级包括平行于第一层级延伸的导电材料线(或导电线)。布线层级包括将给定布线层级彼此连接的垂直互连(通孔)。布线层级可以形成在晶体管器件的平面上方和/或下方。

[0062] 可编程垂直互连形成在特定布线层级处。可编程垂直互连(可编程通孔)包括具有可变电阻率的可编程材料，具有可变电阻率是在于可编程垂直互连可以在导电与非导电之间改变。当可编程垂直互连被编程时，形成可编程通孔的可编程材料本身可以被改变、切换或“编程”以用作导体或用作非导体(电阻器)或用作部分导体。注意，本文中非导体意味着可编程材料相对于导电状态对传导对应微电子器件的电信号具有电阻性，在导电状态中，可编程垂直互连在两条导电线或结构之间导电。因此，可编程垂直互连是两个导体或导电实体之间的电阻率可变桥。在另一个实施例中，微电子器件内的至少一个垂直互连由相变材料形成，相变材料具有能够通过输送到相变材料的电流模式改变的电阻值。

[0063] 可编程垂直互连可以根据输送到可编程垂直互连的电流模式在导电与非导电之间改变。可以基于相变材料形成可编程垂直互连。向可编程垂直互连输送第一电流模式使相变材料变为非晶态，而向可编程垂直互连输送第二电流模式使相变材料变为结晶态。例如，给定的脉冲模式可以具有短脉冲或长脉冲，因此影响分子结构。

[0064] 可编程垂直互连可以填充对应通孔开口的整个截面部段。换言之，线或导电实体的金属或导电材料不形成垂直互连的实现信号传输的部分，比如在部段的外侧部分周围。取而代之，去除整个通孔并且用可编程材料替换，或者可编程材料填充两条导电线之间的开口或延长一条导电线，其中可编程垂直互连可以连接两条直径小于500微米或截面宽度小于500纳米的导电线。

[0065] 可编程垂直互连可以形成在给定的金属层(或布线层级)内，或者可以形成在两个或更多个金属层上。可编程垂直互连可以连接定位在两个不同布线层级中的两条平行导电线，或者可以替换一段特定的导电通孔(导电垂直互连)。可编程垂直互连可以包括与第一相变材料不同的第二相变材料，不同之处在于电阻率变换由不同的电流模式触发。第一可编程垂直互连由响应于第一电流模式改变电阻率的第一材料形成，并且第二可编程垂直互连由响应于第二电流模式改变电阻率的第二材料形成。换言之，例如，形成了双层可编程垂直桥。如果第一相变材料和第二相变材料中的任一相变材料被编程为导体，则可以跨双层可编程垂直桥传输信号。

[0066] 可编程垂直互连定位在一个位置以触发对应集成电路的预定功能。例如，该功能可以是单独晶体管、标准单元、晶体管集合、冗余电路、存储器阵列、或集成电路上的更大功能。如可以理解的，可以相应地切换任意数量的芯片功能。

[0067] 另一个实施例包括形成微电子器件的方法。该方法包括形成作为半导体器件的布线层级的一部分的导电线。形成将第一导电线物理地连接到第二导电线或第二导电元件(例如，源极/漏极)的可编程垂直桥。可以通过使用能够在导体与绝缘体之间发生相变的第一材料形成可编程垂直桥。

[0068] 可以以结晶状态或非晶状态沉积第一材料。这是有益的，因为(取决于特定的相变材料)以结晶状态沉积可以用于填充较小的空间，而沉积非晶态的材料可能更高效。

[0069] 形成可编程垂直桥包括在介电材料中形成第一浮雕图案，如镶嵌图案，其中第一浮雕图案包括多个竖直开口(或通孔开口)。沉积第一材料以填充第一浮雕图案的竖直开口。通过使用第一掩模来掩蔽第一材料的选定部分。从衬底去除第一材料的未覆盖部分。去除第一掩模，然后用导电材料填充竖直开口。对于双镶嵌，通孔开口和沟槽都被填充。

[0070] 形成可编程垂直桥包括掩蔽定位在衬底上的介电材料中的第一浮雕图案的竖直开口。在一个或多个未覆盖的竖直开口中沉积第一材料。第一材料凹陷到小于竖直开口的高度，从而使竖直开口被部分地填充。然后使掩蔽的竖直开口不被覆盖。导电材料沉积在竖直开口中以形成导电垂直互连，包括在部分地填充有第一材料的竖直开口中沉积导电材料。

[0071] 形成可编程垂直桥可以包括在竖直开口中沉积导电材料以形成导电垂直互连、以及在至少一个竖直开口中沉积第一材料以物理地连接两条导电线。形成可编程垂直桥可以包括在竖直开口中沉积导电材料以形成导电垂直互连、以及在至少一个竖直开口中沉积第一材料以将晶体管源极/漏极触点与导电线物理连接。

[0072] 实施例可以包括使用微电子器件的方法。这些方法可以包括访问具有晶体管器件阵列和布线结构的微电子器件，该布线结构包括具有导电材料线和将给定导电材料线连接在一起的导电材料垂直互连的多个布线层级。布线结构包括连接两条导电线的至少一个可编程垂直桥。此可编程垂直桥可以作为通孔或通孔的一部分在竖直方向上延伸。可编程垂直桥包括具有可变电阻率的第一材料，因为可编程垂直桥可以在导电与非导电之间改变。识别特定电路功能以对应于可编程垂直桥来停用。然后向可编程垂直桥传输第一电流模式，使可编程垂直桥从导电变为非导电，使得停用特定电路功能。替代性地，识别特定电路功能以对应于可编程垂直桥来启动。然后向可编程垂直桥传输第二电流模式，使可编程垂直桥从导电变为非导电，使得启动特定电路功能。在其他实施例中，向可编程垂直桥输送第三电流模式，使可编程垂直桥从非导电变为导电，使得停用特定电路功能。可以向可编程垂直桥输送第四电流模式，使可编程垂直桥从非导电变为导电，使得启动特定电路功能。

[0073] 因此，通过能够基于可编程垂直桥是导体还是非导体无限期地导通或关断特定器件功能，在特定导电线之间添加可编程垂直桥提供了增强的器件功能。

[0074] 如使用本文的技术可以理解的，可以通过3D可编程特征改变现有布局中的电路连接。可以使用现有布局形成/修改新电路。新材料的ALD(原子层沉积)沉积可以用最小特征尺寸的纳米晶体建立记录小特征尺寸。这种精确的沉积使本文的技术能够提供低功率、可扩展的纳米3D连接。本文中通孔可以用作导电连接或高电阻连接，并且此功能实现了更高3D密度的连接。此外，金属平面之间的新连接现在可以具有本文描述的这种开关能力。

[0075] 在前面的描述中，已经阐明了具体细节，诸如处理系统的特定几何形状以及其中使用的各种部件和工艺的描述。然而，应当理解，本文的技术可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实践，并且这些细节是出于解释而非限制的目的。已经参考附图描述了本文披露的实施例。类似地，出于解释的目的，已经提出了具体的数字、材料和配置以便提供透彻的理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。具有基本相同的功能结构的部件由相似的附图标记表示，并且因此可以省略任何多余的描述。

[0076] 已经将各种技术描述为多个独立的操作以帮助理解各种实施例。描述的顺序不应当解释为意味着这些操作一定是依赖于顺序的。实际上，这些操作无需按照呈现的顺序进行。可以以与所描述的实施例不同的顺序来进行所描述的操作。在附加实施例中，可以进行各种附加操作和/或可以省略所描述的操作。

[0077] 如本文所使用的，“衬底”或“目标衬底”通常是指根据本发明被加工的对象。衬底可以包括器件(特别是半导体或其他电子器件)的任何材料部分或结构，并且可以例如是基础衬底结构(比如半导体晶圆、掩模版)、或基础衬底结构上或上覆的层(比如薄膜)。因此，衬底不限于图案化或未图案化的任何特定基础结构、下层或上覆层，而是设想为包括任何这种层或基础结构、以及层和/或基础结构的任何组合。该描述可以参考特定类型的衬底，但这仅出于说明性目的。

[0078] 本领域技术人员还将理解，在仍然实现本发明的相同目的的同时，可以对上述技术的操作做出许多改变。本披露内容的范围旨在包含这些改变。因此，本发明的实施例的前述描述不旨在是限制性的。相反，在所附权利要求中呈现了对本发明实施例的任何限制。