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特表2024-546241相変化メモリ用広域ヒータ

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-12-19

(54)【発明の名称】相変化メモリ用広域ヒータ

(51)【国際特許分類】

H10B 63/00 20230101AFI20241212BHJP

H10B 63/10 20230101ALI20241212BHJP

H10N 70/00 20230101ALI20241212BHJP

H10N 70/20 20230101ALI20241212BHJP

H10N 99/00 20230101ALI20241212BHJP

G11C 13/00 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

H10B63/00

H10B63/10

H10N70/00 A

H10N70/00 Z

H10N70/20

H10N99/00

G11C13/00 210

G11C13/00 480E

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024533034

(86)(22)【出願日】2022-11-25

(85)【翻訳文提出日】2024-06-03

(86)【国際出願番号】 EP2022083342

(87)【国際公開番号】W WO2023104550

(87)【国際公開日】2023-06-15

(31)【優先権主張番号】17/545,195

(32)【優先日】2021-12-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬＢＵＳＩＮＥＳＳＭＡＣＨＩＮＥＳＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】ＮｅｗＯｒｃｈａｒｄＲｏａｄ，Ａｒｍｏｎｋ，ＮｅｗＹｏｒｋ１０５０４，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓｏｆＡｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐種一

(74)【代理人】

【識別番号】100120710

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡忠彦

(74)【復代理人】

【識別番号】110000420

【氏名又は名称】弁理士法人ＭＩＰ

(72)【発明者】

【氏名】ゴン、ナンボ

(72)【発明者】

【氏名】安藤崇志

(72)【発明者】

【氏名】レズニチェク、アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】ヘクマットショアータバリ、バーマン

【テーマコード（参考）】

5F083

【Ｆターム（参考）】

5F083FZ10

5F083JA60

5F083ZA30

(57)【要約】

本発明の実施形態は、相変化メモリ（PCM）アレイを含む。PCMアレイは複数のPCMセルを含んでもよい。複数のPCMセルの各PCMセルは、上部電極、抵抗素子、および下部電極を含んでもよい。PCMアレイはまた、複数のPCMセルの各々に接触する熱伝導材料を有する、複数のPCMセルを取り囲む広域ヒータを含むことができる。広域ヒータは、電気信号を受信して複数のPCMセルを同時に加熱するように構成されてもよい。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

相変化メモリ（ＰＣＭ）アレイであって、
複数のＰＣＭセルであって、前記複数のＰＣＭセルの各ＰＣＭセルが、上部電極、抵抗素子、および下部電極を備える、前記複数のＰＣＭセルと、
前記複数のＰＣＭセルの各々と接触する熱伝導材料を含む、前記複数のＰＣＭセルを取り囲む広域ヒータであって、電気信号を受信して前記複数のＰＣＭセルを同時に加熱するように構成されている、前記広域ヒータと
を備える、相変化メモリ（ＰＣＭ）アレイ。

【請求項2】

前記下部電極が、窒化チタン、窒化タンタル、およびそれらの組合せから成る群から選択される高抵抗金属を含む、請求項１に記載のＰＣＭアレイ。

【請求項3】

前記熱伝導材料が、窒化チタン、窒化タンタル、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載のＰＣＭアレイ。

【請求項4】

前記複数のＰＣＭセルの各ＰＣＭセルが、前記ＰＣＭセルと前記広域ヒータとの間にスペーサを備える、請求項１に記載のＰＣＭアレイ。

【請求項5】

前記広域ヒータの上面が、前記スペーサの上面より下に陥凹している、請求項４に記載のＰＣＭアレイ。

【請求項6】

前記広域ヒータに電流を供給するように構成されたビアをさらに備える、請求項１に記載のＰＣＭアレイ。

【請求項7】

前記下部電極が窒化物層に突出し、前記広域ヒータが前記窒化物層の上面に形成される、請求項１に記載のＰＣＭアレイ。

【請求項8】

前記ＰＣＭセルが、前記下部電極を加熱する信号に応じて、第１の相から第２の相に変化する、請求項１に記載のＰＣＭアレイ。

【請求項9】

複数の相変化メモリ(ＰＣＭ)セルを形成することであって、前記複数のＰＣＭセルの各ＰＣＭセルが、上部電極、抵抗素子、および下部電極を備える、前記形成することと、
前記複数のＰＣＭセルを取り囲む熱伝導材料を含む広域ヒータを形成することであって、前記広域ヒータが、電気信号を受信して前記複数のＰＣＭセルを同時に加熱するように構成されている、前記形成することと
を含む、方法。

【請求項10】

前記下部電極を形成することが、窒化物層に穴をエッチングし、前記穴を高抵抗金属で充填することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記高抵抗金属が、窒化チタン、窒化タンタル、およびそれらの組合せから成る群からの選択を含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記広域ヒータを前記形成することが、前記窒化物層の上面に高抵抗金属の層を形成することを含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項13】

高抵抗金属の前記層の少なくとも一部をパターニングし、エッチング除去することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記ＰＣＭセルと前記広域ヒータとの間にスペーサを形成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。

【請求項15】

前記広域ヒータの上面が、前記スペーサの上面より下に陥凹している、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

広域ヒータに信号を送って相変化メモリ（ＰＣＭ）アレイを加熱させることであって、前記広域ヒータが、前記複数のＰＣＭセルの各々に接触する熱伝導材料を含む、前記加熱させることと、
前記ＰＣＭアレイのＰＣＭセルを通して信号を伝搬させ、前記ＰＣＭセルの抵抗を変化させることによって、機械学習値を前記ＰＣＭアレイに記憶することと、
前記広域ヒータに信号を送って前記ＰＣＭアレイの加熱を停止させることと、
前記ＰＣＭアレイを推論することと
を含む、方法。

【請求項17】

前記広域ヒータが、前記ＰＣＭアレイの前記ＰＣＭセルを取り囲む高抵抗金属を含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記ＰＣＭアレイを訓練することが、前記ＰＣＭアレイの前記ＰＣＭセルの各々に対して局所ヒータを加熱することを含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項19】

前記ＰＣＭアレイを訓練することが、前記ＰＣＭセルのうちの少なくとも１つを第１の相から第２の相に変化させることを含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項20】

前記第１の相がアモルファス相であり、前記第２の相が結晶相である、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、集積回路（すなわちコンピュータ・チップ、または単にチップ）の分野に関し、より詳細には、相変化メモリのしきい値電圧を低減するための広域ヒータを提供することに関する。

【背景技術】

【0002】

相変化メモリ（PCM：phase-change memory）は、不揮発性ランダム・アクセス・メモリの一種である。PCMセルは、カルコゲン化物ガラスを電極間の抵抗素子として利用する。動作にあたって、各PCMセルの発熱体に電流が流され、ガラスが加熱される。その後、ガラスは急冷されるか、または一定時間ある温度範囲に保持される。ガラスを急冷すると抵抗素子はある抵抗を有するアモルファス状態になり、一方、ガラスをある温度範囲内で保持することにより、抵抗素子は、異なる抵抗を有する結晶状態となる。PCMセルはまた、異なる中間状態を達成するために加熱・冷却され、それによって複数のビットを単一のセルに保持することが可能であるが、このようにセルをプログラムすることは困難であるため、同じ能力を持つ他の技術にこのような能力が実装されることはなかった。

【発明の概要】

【0003】

本発明の一態様によれば、相変化メモリ（PCM）アレイが提供される。PCMアレイは複数のPCMセルを含んでもよい。複数のPCMセルの各PCMセルは、上部電極、抵抗素子、および下部電極を含んでもよい。PCMアレイはまた、複数のPCMセルの各々に接触する熱伝導材料を有する、複数のPCMセルを取り囲む広域ヒータを含むことができる。広域ヒータは、電気信号を受信して複数のPCMセルを同時に加熱するように構成されてもよい。

【0004】

本発明の別の態様によれば、相変化メモリ・アレイを形成する方法が提供される。本方法は、複数の相変化メモリ（PCM）セルを形成することを含んでもよい。複数のPCMセルの各PCMセルは、上部電極、抵抗素子、および下部電極を含んでもよい。本方法はまた、複数のPCMセルを取り囲む熱伝導材料を有する広域ヒータを形成することを含んでもよい。広域ヒータは、電気信号を受信して複数のPCMセルを同時に加熱するように構成されてもよい。

【0005】

本発明の実施形態はまた、方法を含んでもよい。本方法は、広域ヒータに信号を送って相変化メモリ（PCM）アレイを加熱させることと、PCMアレイのPCMセルを通して信号を伝搬させてPCMセルの抵抗を変化させることによって機械学習値をPCMアレイに記憶することと、広域ヒータに信号を送ってPCMアレイの加熱を停止させることと、PCMアレイを推論することとを含んでもよい。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の一実施形態による、半導体構造100の側面断面図である。

【図2】機械学習（ML：machine learning）アルゴリズムを訓練する際にPCMアレイを使用するためのワークフローのフローチャートである。

【図3】本発明の一実施形態による、半導体構造の側面断面図である。

【図4】本発明の一実施形態による、その後の作製段階における図３の半導体構造の側面断面図である。

【図5】本発明の一実施形態による、その後の作製段階における図３の半導体構造の側面断面図である。

【図6】本発明の一実施形態による、その後の作製段階における図３の半導体構造の側面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本明細書では、本開示の様々な実施形態について関連図面を参照しながら説明する。本開示の範囲から逸脱することなく、代替的な実施形態が考案され得る。以下の説明および図面において、要素間に様々な接続や位置関係（例えば、～の上に(over)、～より下に、隣接する等）が記載されていることに留意されたい。これらの接続もしくは位置関係またはその両方は、別段の記載がない限り、直接的または間接的なものとすることができ、本開示は、この観点において限定的であることを意図するものではない。したがって、エンティティの結合は、直接的または間接的な結合のいずれかを指す可能性があり、エンティティ間の位置関係は、直接的または間接的な位置関係であり得る。間接的な位置関係の一例として、本説明において層「B」の上に層「A」を形成することへの言及は、層「A」および層「B」の関連性のある特性および機能が中間層によって実質的に変化しない限り、１つまたは複数の中間層（例えば、層「C」および「D」）が層「A」と層「B」との間にある状況を含む。

【0008】

以下の定義および略語は、特許請求の範囲および明細書の解釈のために使用されるものである。本明細書で使用する場合、「備える（comprises）」、「備える（comprising）」、「含む（includes」、「含む（including」、「有する（has)」、「有する（having）」、「含む（contains）」、「含む（containing）」またはそれらの任意の他の変形例は、非排他的包含をカバーすることを意図している。例えば、要素のリストを含む、組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもこれらの要素に限定されず、明示的に挙げられていないか、またはそのような組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置に固有でない他の要素を含む場合がある。また、本明細書に含まれるいずれの数値範囲も、明示的に別段の記載がない限り、それらの境界を含む。

【0009】

本明細書の以下の説明の目的のために、「上側」、「下側」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「上部」、「下部」という用語およびそれらの派生語は、図面に示されている通り、説明する構造および方法に関するものとする。「～の上に重なる（overlying）」、「～の上に(atop)」、「～の上に（on top)」、「～の上に位置決めされた(positioned on)」または「～の上に位置決めされた「positioned atop」という用語は、第１の構造などの第１の要素が第２の構造などの第２の要素の上に存在し、界面構造などの介在要素が、第１の要素と第２の要素との間に存在し得るということを意味する。「直接接触」という用語は、第１の構造などの第１の要素と、第２の構造などの第２の要素とが、２つの要素の界面における何らかの中間的な導電層、絶縁層、または半導体層なしに接続されることを意味する。例えば、「第２の要素に対して選択的な第１の要素」などの「～に対して選択的な」という用語は、第１の要素がエッチング可能であり、第２の要素が、エッチ・ストップとして機能し得ることを意味することに留意されたい。

【0010】

簡略化のため、半導体デバイスおよび集積回路（IC：integrated circuit）の作製に関する従来技法は、本明細書で詳細に説明する場合もしない場合もある。さらに、本明細書で説明する様々なタスクおよびプロセス・ステップは、本明細書で詳細に説明しない追加のステップまたは機能を有するより包括的な手順またはプロセスに組み込まれ得る。特に、半導体デバイスおよび半導体ベースのICの製造における各種ステップは、良く知られていることから、簡略化のために、本明細書では、良く知られたプロセスの詳細を提供することなく、多くの従来ステップが、短く言及されるのみであるかまたは完全に省略される。

【0011】

一般に、ICにパッケージ化されるマイクロチップを形成するために使用される各種ステップは、４つの一般的なカテゴリ、すなわち、成膜（膜堆積）、除去／エッチング、半導体ドーピングおよびパターニング／リソグラフィの中に収まる。

【0012】

成膜とは、ウェハに材料を成長させる、被覆する、または別法で転写する任意のプロセスであり得る。利用可能な技術としては、とりわけ、物理気相成長（PVD：physical vapor deposition）、化学気相成長（CVD：chemical vapor deposition）、電解メッキ（ECD：electrochemical deposition）、分子線エピタキシ（MBE：molecular beam epitaxy）が挙げられ、より最近では、原子層堆積（ALD：atomic layer deposition）がある。別の成膜技術としては、プラズマ支援化学気相成長（PECVD：plasma enhanced chemical vapor deposition）があり、これは、プラズマ内のエネルギーを使用して、通常ならば、従来のCVDに関連するより高い温度が必要となるウェハ表面の反応を誘起するプロセスである。また、PECVD成膜中に高エネルギー・イオン照射を行うことで、膜の電気的および機械的特性を改善することができる。

【0013】

除去／エッチングは、ウェハから材料を除去する任意のプロセスとすることができる。例としては、エッチング・プロセス（ウェットまたはドライのいずれか）、化学機械研磨（CMP：chemical mechanical planarization）等が挙げられる。除去プロセスの一例としては、イオン・ビーム・エッチング（IBE：ion beam etching）がある。一般に、IBE（またはミリング）とは、遠隔のブロード・ビーム・イオン／プラズマ源を利用して、物理的不活性ガス手段もしくは化学的反応ガス手段またはその両方によって基板材料を除去するドライ・プラズマ・エッチング法を指す。IBEは、他のドライ・プラズマ・エッチング技法と同様に、エッチング速度、異方性、選択性、均一性、アスペクト比、および基板損傷の最小化などの利点を有する。ドライ除去プロセスの別の例としては、反応性イオン・エッチング（RIE：reactive ion etching）がある。一般に、RIEは、化学反応性プラズマを使用して、ウェハに成膜した材料を除去する。RIEを用いると、プラズマは、電磁場によって低圧（真空）下で生成される。RIEプラズマからの高エネルギー・イオンは、ウェハ表面に衝撃を与え、それと反応して材料を除去する。

【0014】

半導体ドーピングは、例えば、一般的には、拡散もしくはイオン注入またはその両方によってトランジスタ・ソースおよびドレインをドープすることによる電気的特性の改変とすることができる。これらのドーピング・プロセスの後、ファーネス・アニーリングまたは急速熱アニーリング（「RTA：rapid thermal annealing」）が行われる。アニーリングは、注入されたドーパントを活性化させる役割を果たす。トランジスタおよびそれらのコンポーネントを接続・絶縁するために、導電体（例えば、ポリシリコン、アルミニウム、銅等）と絶縁体（例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素等の様々な形態）の両方の膜が使用される。半導体基板の各種領域を選択的にドープすることで、電圧の印加により基板の導電性を変化させることが可能となる。これらの各種コンポーネントの構造を作り出すことにより、数百万ものトランジスタを構築し、それらを互いに結線して最新のマイクロ電子デバイスの複雑な回路構成を形成することができる。

【0015】

ここで、本発明について図を参照して詳細に説明する。

【0016】

図１は、本発明の一実施形態による、半導体構造100の断面図である。図１は、単に一実装形態の例示を提供し、実装され得る異なる実施形態に関する何らかの限定を示唆するものではない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、図示の実施形態に多くの変更を加えることができる。半導体構造100は、複数の相変化メモリ（PCM）セル104を有するPCMアレイ102を含んでもよい。図示の実施形態では、２つのPCMセル104のみ（すなわち、第１のPCMセル104aおよび第２のPCMセル104b）が示されているが、PCMアレイ102は、例えば、機械学習に使用するための数千または数百万のPCMセル104を含んでもよい。図示の実施形態では、PCMセル104は、下部ワイヤ106、下部電極108a、108b、基板110、絶縁体112、PCM材料114a、114b、スペーサ116a、116b、広域ヒータ118、層間絶縁膜（ILD：interlayer dielectric）120、上部電極122a、122b、上部ワイヤ124a、124b、およびヒータ・ワイヤ126を含む。

【0017】

図示の実施形態では、下部電極108の下部は、下部ワイヤ106の上部に直接接触し、それと電気的に接続され、この下部ワイヤ106は、集積回路の他のコンポーネント（図示せず）から電気信号を受信することができる。PCM材料114a、114bの下部は、下部電極108a、108bの上部に直接接触し、それと電気的かつ熱的に接続される。上部電極122a、122bの下部は、PCM材料114a、114bの上部に直接接触し、それと電気的かつ熱的に接続される。上部ワイヤ124a、124bの下部は、上部電極122a、122bの上部に直接接触し、それに電気接続され、この上部ワイヤ124a、124bは、PCMセル104a、104bから半導体構造100の他のコンポーネント（図示せず）に電気信号を送出することができる。

【0018】

図示の実施形態では、スペーサ116a、116bは、PCM材料114a、114bおよび上部電極122a、122bの少なくとも一部分の外側面と直接接触し、それらを横方向に取り囲む。そのため、スペーサ116は、少なくとも一方向のすべての平行な側面（例えば、図１に示すように、垂直に延びる側面）においてPCM材料114a、114bを囲んでいる。いくつかの実施形態では、スペーサ116a、116bは、上部電極122の側面すべてを横方向に取り囲んでいるが、他の実施形態では、スペーサ116a、116bは、PCM材料114の上部と隣接する。

【0019】

図示の実施形態では、基板110、絶縁体112、およびILD120は、PCMセル104の他のコンポーネントを選択的に構造支持および電気絶縁し、適宜その間の空間を埋めている。したがって、下部電極108a、108bの外側面は、絶縁体112と直接接触し、それによって横方向に取り囲まれており、下部ワイヤ106の外側面は、基板110と直接接触し、それによって横方向に取り囲まれている。図示の実施形態では、PCMセル104a、104bの断面（すなわち、PCMセル104a、104bを上から見下ろしている）は、円形であり得るが、他の実施形態では、矩形、正方形、楕円形、または任意の他の好適な形状であってもよい。

【0020】

図示の実施形態では、基板110、絶縁体112、およびILD120は、例えば、窒化ケイ素（SiN）、酸化ケイ素（SiO₂）、窒化物結合炭化ケイ素（SiNC）、またはオルトケイ酸テトラエチル（TEOS）などの誘電体（電気絶縁）材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、基板110、絶縁体112、およびILD120のすべてが、同一の材料を含んでもよく、他の実施形態では、基板110、絶縁体112、およびILD120の一部またはすべてに対して異なる材料が使用される。また、スペーサ116a、116bは、例えば、窒化アルミニウム（AlN）、酸化アルミニウム（Al₂O₃）、または酸窒化アルミニウム（AlO_xN_y）などの反応性イオン・エッチング耐性（RIER）材料を使用して作製することができる。

【0021】

図示の実施形態では、PCM材料114a、114bは、ゲルマニウム-アンチモン-テルル（GST）、ガリウム-アンチモン-テルル（GaST）、または銀-イリジウム-アンチモン-テルル（AIST：silver-iridium-antimony-telluride）材料などの相変化材料で本質的に構成されているが、他の材料も適宜使用することができる。他のPCM材料の例としては、限定されないが、ゲルマニウム‐テルル複合材料（GeTe：germanium-tellurium）、シリコン-アンチモン-テルル（Si-Sb-Te）合金、ガリウム-アンチモン-テルル（Ga-Sb-Te）合金、ゲルマニウム-ビスマス-テルル（Ge-Bi-Te）合金、インジウム‐テルル（In-Se：indium-tellurium）合金、ヒ素-アンチモン-テルル（As-Sb-Te）合金、銀-インジウム-アンチモン-テルル(Ag-In-Sb-Te）合金、Ge-In-Sb-Te合金、Ge-Sb合金、Sb-Te合金、Si-Sb合金、Ge-Te合金、およびそれらの組合せが挙げられる。PCM材料114a、114bは、ドープされていなくてもドープされていてもよい（例えば、酸素（O）、窒素（N）、ケイ素（Si）、炭素（C）、またはチタン（Ti）のうちの1つまたは複数でドープされてもよい）。異なる層の材料に関して本明細書で使用される「本質的に構成される」および「本質的に成る」という用語は、他の材料が存在する場合でも、記載された材料の基本的特性を実質的に変化させないことを示す。例えば、PCM材料114a、114bは、GST材料から本質的に成る場合、PCM材料114a、114bは、GST材料の基本的特性を著しく変化させる他の材料を含まない。

【0022】

図示の実施形態では、下部電極108a、108b、広域ヒータ118、および上部電極122は、金属または金属化合物などの導電性材料を含んでもよい。具体例としては、窒化チタン（TiN）やタングステン（W）が挙げられ得る。下部電極108および広域ヒータ118は、例えば、チタン・タングステン（TiW）、窒化タンタル（TaN）、またはチタン・アルミナイド（TiAI）などのより高抵抗の金属の化合物を含んでもよい。また、下部電極108a、108bは、PCMセル100を流れる電流を集中させる比較的狭い断面積128を持つように作製してもよい。これにより、下部電極108a、108bは、電気のパルス中に抵抗加熱を通して熱を発生させることが可能となり、この熱を使用して、PCM材料114a、114bの温度を、例えば、PCM材料114a、114bの結晶化温度および融解温度を超える温度に選択的に変化させることができる。また、下部電極108a、108bは、複数の層に配置することができる、複数の異なる導電性材料を含んでもよい。

【0023】

広域ヒータ118は、PCMアレイ102を広域的に加熱することによってPCM材料114a、114bの温度を変化させるという下部電極108a、108bの能力を向上させる熱伝導材料を含んでもよい。広域ヒータ118は、広域ヒータ・ワイヤ126を流れる電流を受け取り、金属化合物の抵抗により、絶縁体112およびスペーサ116a、116bを加熱する。加熱は、PCM材料114a、114bの融点に近いがなおもそれを下回る温度までPCM材料114a、114bが加熱されるように、注意深く制御され得る。したがって、下部電極108a、108bは、PCM材料114a、114bを室温から融点まで加熱するのではなく、数度だけ温度を上昇させればよく、これは、より低い電流を有する信号を用いて達成することができる。より低い電流要件は、PCMセル104a、104bが、より速い処理速度で、より低い電力消費で実行できることを意味する。

【0024】

融解信号がPCMセル104a、104bを通過した後、PCM材料114a、114bは冷却され、信号強度、およびPCM材料114a、114bの材料特性に依存する抵抗値で固化する。半導体構造100は、これらの抵抗値を利用し、例えば、下部電極108a、108bから上部電極122a、122bに電流パルスを流して、PCMセル104a、104bをプログラムすることによって、PCMセル104a、104bをメモリ・セルとして動作させてもよい。PCMセル104a、104bに対する値の読み取りまたは書き込みのために、様々な電圧で、もしくは様々な持続時間で、またはその両方でこれを行うことができる。例えば、書き込みのために、短い持続時間の間、高電圧（例えば、１ボルト（V)～４V）を使用することができ、これにより、下部電極108a、108bは、PCM材料114a、114bをその融点を超える温度まで局所的に加熱する。電流の流れが止まると、PCM材料114は、急速冷却することができ、これは、「リセット動作」と呼ばれるプロセスにおいてアモルファス領域を形成する。アモルファス領域の作出により、PCMセル104a、104b間の電気抵抗を、多結晶のみの構成と比較して増大させることができる。例えば、下部電極108a、108bから上部電極122a、122bまで低電圧（例えば、0.2V）で電流パルスを送ることによって、PCM材料114a、114bの状態またはPCMセル104a、104bの抵抗値を変化させることなくPCMセル104a、104bのこれらの抵抗値を読み取ることができる。

【0025】

また、PCM材料114a、114bは、PCMセル104a、104bを「セット」することによって、書き換えを行い、多結晶のみの構成に戻すことができる。PCM材料114a、114bを書き換える1つの方法は、短い時間の間（例えば、10ナノ秒（ns））高電圧電気パルス（例えば、１V～４V）を使用し、これにより、PCM材料114a、114bを、その結晶化点を超えるが、その融点を超えない温度まで加熱させることができる。結晶化温度は、融解温度よりも低いため、電流の流れが止まると、PCM材料114a、114bは、アニーリングを行って結晶を形成することができる。PCM材料114a、114bを書き換える別の方法は、PCM材料114a、114bをその融点を超える温度まで加熱するのに十分に強い、（ナノ秒程度の比較的短い立ち下がりを有する方形パルスとは異なる）比較的長い立ち下がり（例えば、1マイクロ秒）を有する電気パルスを使用し、加熱後、PCM材料114a、114bはゆっくりと冷却され、これにより結晶を形成することが可能となる。これらのプロセスのいずれかにより、PCMセル104a、104b間の電気抵抗を、アモルファス領域を有するものと比較して低下させる。次いで、この新たな抵抗値は、PCM材料114a、114bの状態またはPCMセル104a、104bの抵抗値を変化させることなく、低電圧（例えば、0.2V）の電流を使用して読み取ることができる。

【0026】

いくつかの実施形態では、PCM材料114a、114bの融解温度は、約600℃である。いくつかの実施形態では、PCM材料114a、114bの結晶化温度は、約180℃である。また、PCMセル104a、104bをセットおよびリセットするプロセスは、反復的に発生してもよく、いくつかの実施形態では、（例えば、アモルファス領域のサイズもしくはアモルファス領域における結晶化核の量またはその両方が異なることにより）PCM材料114a、114bに異なる抵抗を有する異なる領域を作り出すことができる。これにより、PCMセル104a、104bは、リセット・パラメータを変動させることにより作り出され得る、種々の別個の抵抗を有することが可能となる。そのため、PCMセル104a、104bが、情報数字を表すものとして見なされる場合、これらの数字は、（従来のビットとは異なり）非バイナリとすることができる。ただし、いくつかの実施形態では、PCMセル104a、104bは、PCM材料114a、114bに均一な領域を有するかまたは有していないかのいずれかによってビットとして使用することができる。そのような実施形態では、PCMセル104a、104bは、高い抵抗（低電圧出力もしくは「0」とも知られる）または低い抵抗（高電圧出力もしくは「1」としても知られる）を有することができる。

【0027】

図２は、機械学習(ML)アルゴリズムを訓練する際にPCMアレイを使用する方法を示すワークフローのフローチャートである。MLのライフサイクルは、２つの主要な別個の部分に分けることができる。１つ目は、データの指定されたサブセットをモデルに実行することによって、MLモデルが作成または「訓練」される、訓練段階である。ML推論は、モデルが、実データに対して実行に移されて実行可能な出力を生成する、第２段階である。MLモデルによるデータ処理は、しばしば、「スコアリング」と呼ばれるため、MLモデルは、データをスコアリングし、出力がスコアであると言うことができる。

【0028】

ワークフローの方法は、図１に示す半導体構造100のような広域ヒータを有する半導体構造上で実行される。一実施形態では、半導体構造のワイヤ（例えば、図１の下部ワイヤ106、上部ワイヤ124a、124b、および広域ヒータ・ワイヤ126）への信号を制御する訓練プログラムによってワークフローが実行される。訓練プログラムは、広域ヒータに信号を送って相変化メモリ（PCM）アレイを加熱させる（ブロック202）。上述したように、訓練プログラムは、PCM材料が、PCM材料の融解温度に近いがそれを超えない温度を有するように、PCMアレイの加熱を制御し得る。PCMアレイは、175℃、160℃の訓練温度、またはPCM材料の結晶化温度に近い他の温度まで加熱されてもよい。特定の実施形態では、訓練温度は、590℃、575℃、またはPCM材料の融解温度（600℃）に近い他の温度であってもよい。

【0029】

訓練プログラムはまた、ML値をPCMアレイに記憶してもよい（ブロック204)。記憶されるML値は、MLアルゴリズムを訓練することから導出され、PCMアレイの各セルを通して信号を伝搬させ、PCM材料を融解させてセルの抵抗を変化させることによって記憶される。訓練とは、MLアルゴリズムにデータを供給することによって、所望の人工知能タスク（例えば、画像分類、音声文字変換）を実行させるようにMLアルゴリズムを教示して、訓練された深層学習モデルを得るプロセスである。訓練プロセス中、既知のデータがアルゴリズムに供給され、アルゴリズムは、データが何を表しているのかについての予測を行う。予測における誤差は、PCMアレイの抵抗値によって記憶された人工ニューロン間の結合強度を更新するために使用される。訓練プロセスが継続するにつれて、MLアルゴリズムが十分な精度で予測を行うようになるまで、抵抗値がさらに調整される。PCMアレイの各PCMセルの抵抗値は、広域ヒータが、PCMアレイを訓練温度まで加熱しなかった場合に必要とされる電流／電圧よりも低い電流／電圧で調整され得る。

【0030】

訓練が完了すると、訓練プログラムは、広域ヒータに信号を送ってPCMアレイの加熱を停止させる（ブロック206）。加熱は、広域ヒータ・ワイヤへの信号によって制御され、訓練プログラムが、加熱信号を送るのを止めると、半導体構造の広域温度が、加熱された訓練温度から再び低下する。広域温度が低下すると、PCM材料の相状態を変化させるのに必要とするエネルギーが大きくなるため、PCMアレイに記憶された抵抗値は、ノイズに対してより耐性を持つ。温度が下がると、訓練プログラムは、PCMアレイを推論する（ブロック208）。ML推論は、実データ点を機械学習アルゴリズムに実行して出力を算出するプロセスである。MLが実動しているとき、人間の思考や分析と同様の機能を実行しているため、しばしば人工知能（AI：artificial intelligence）と形容される。MLモデルは、通常、単に数学的アルゴリズムを実施するソフトウェア・コードであるため、機械学習の推論は、基本的に、ソフトウェア・アプリケーションを実働環境に展開することを伴う。

【0031】

図３～図６は、本発明の一実施形態による、半導体デバイス300を作製するプロセスの側面断面図を示す。図３は、複数のPCMセル304の形成後など、製造途中の半導体構造300の一実施形態の断面図である。複数のPCMセルの各PCMセルは、上部電極322、抵抗素子314、および下部電極308を含んでもよい。PCMセル304は、基板310および下部ワイヤ306上に形成されている。下部電極308は、絶縁体312に穴をエッチングし、この穴を高抵抗金属で充填することにより形成され得る。高抵抗金属は、例えば、窒化チタン、窒化タンタル、またはそれらの組合せを含んでもよい。抵抗素子314および上部電極322は、ブランケット層として形成され、その後パターニングやエッチングが行われてもよい。

【0032】

図4は、PCMセル304を取り囲むスペーサ316の形成後など、製造途中の半導体構造300の断面図である。スペーサ316は、半導体構造300の作製のその後のステップ中にPCMセル304を絶縁し、保護する。スペーサ316は、成膜およびエッチ・バック技法を使用して形成され、これにより、スペーサ材料（例えば、窒化ケイ素）のブランケットが、半導体構造300の上にブランケット層として成膜された後、半導体構造300のより垂直な部分が残るようにより水平な部分からエッチングされる。

【0033】

図５は、広域ヒータ318の形成後など、製造途中における半導体構造300の断面図である。広域ヒータ318は、電流が印加され、広域ヒータ318を流れると温かくなる高抵抗金属で形成されてもよい。高抵抗金属は、例えば、窒化チタン、窒化タンタル、またはそれらの組合せを含んでもよい。広域ヒータ318は、絶縁体312上にブランケット層を塗布することによって形成されてもよい。ブランケット層の塗布後、広域ヒータ318の上面は、スペーサ316の上面より下に陥凹させてもよい。

【0034】

図6は、広域ヒータ318の高抵抗金属の層の少なくとも一部をパターニングし、エッチング除去した後など、製造途中における半導体構造300の断面図である。半導体リソグラフィは、その後の基板へのパターン転写のための半導体基板上の３次元レリーフ像またはパターンの形成とすることができる。半導体リソグラフィでは、パターンは、フォトレジストと呼ばれる感光性ポリマーによって形成される。トランジスタを構成する複雑な構造および回路の数百万ものトランジスタを接続する多数のワイヤを構築するために、リソグラフィおよびエッチング・パターン転写ステップが、複数回繰り返される。ウェハ上に印刷される各パターンは、それより前に形成されたパターンと位置合わせされ、導電体、絶縁体、および選択的にドープされた領域が、徐々に、最終的なデバイスを形成するように構築される。

【0035】

本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示したが、網羅的であること、または開示される実施形態に限定することを意図するものではない。説明した実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの修正例および変形例が当業者には明らかであろう。本明細書で使用する技術用語は、実施形態の原理、実際の応用、もしくは市場で見出される技術に対する技術的改善を最良に説明するため、または他の当業者が本明細書で開示される実施形態を理解できるように選定した。

【図1】