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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch betriebenes,
direkt überschreibbares Speicherelement
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf ein entsprechendes
Verfahren.
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HINTERGRUND
UND STAND DER TECHNIK
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Das
Ovonic-EEPROM ist eine neue, geschützte, nicht flüchtige,
elektronische Dünnschicht-Speichereinrichtung
hoher Leistung. Ihre Vorteile umfassen die nicht-flüchtige Speicherung von
Daten, das Potential für
eine hohe Bit-Dichte und folglich geringe Kosten, wegen ihres geringen
Flächenbedarfs
und der einfachen Konfiguration mit zwei Anschlüssen, ihrer langen Lebensdauer
hinsichtlich der Reprogrammierungszyklen, der geringen Programmierungsenergien
und der hohen Geschwindigkeit. Das Ovonic-EEPROM ist sowohl für die analoge
als auch die digitale Form der Informationsspeicherung befähigt. Die
digitale Speicherung kann entweder eine binäre (ein Bit pro Speicherzelle) oder
eine mit mehreren Zuständen
(mehrere Bit pro Zelle) sein. Es sind nur geringe Modifikationen
der Einrichtung nötig,
um sie zwischen den beiden digitalen Betriebsarten umzuschalten.
Für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung sollen die Begriffe „Speicherelemente" und „Steuerelemente" als Synonyme verwendet
werden.
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DIE ERSTEN ELEKTRISCHEN
PHASENÄNDERNDEN
SPEICHER
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Das
allgemeine Konzept der Verwendung elektrisch beschreibbarer und
löschbarer
phasenändernder
Materialien (d.s. Materialien, welche elektrisch zwischen einem
im wesentlichen amorphen und einem im wesentlichen kristallinen
Zustand hin- und
hergeschaltet werden können)
für elektronische Speicheranwendungen
ist in der Technik wohlbekannt und ist beispielsweise im US-Patent
Nr. 3,271,591 von Ovshinsky, ausgegeben am 6. September 1966 und
im US-Patent Nr. 3,530,441 von Ovshinsky, ausgegeben am 22. September
1970 beschrieben, welche beide an die Anmelderin der vorliegenden
Erfindung über tragen
worden sind (und in der Folge als „Ovshinsky-Patente" bezeichnet werden).
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Wie
in den Ovshinsky-Patenten geoffenbart ist, können solche phasenändernden
Materialien zwischen den Strukturzuständen einer im wesentlichen amorphen
und einer im wesentlichen kristallinen lokalen Ordnung oder zwischen
verschiedenen feststellbaren Zuständen der lokalen Ordnung über das gesamte
Spektrum zwischen vollständig
amorphem Zustand und vollständig
kristallinem Zustand geschaltet werden. Das bedeutet, dass die Ovshinsky-Patente
beschreiben, das elektrische Umschalten solcher Materialien sei
nicht derart nötig,
um einen Zustand zwischen dem vollständig amorphen Zustand und dem
vollständig
kristallinen Zustand einzunehmen, sondern dies könne in inkrementalen Schritten
erfolgen, die die Veränderungen
der lokalen Ordnung reflektieren, um eine „Grau-Skala" zu schaffen, welche
von einer Vielfalt an Zuständen
der lokalen Ordnung repräsentiert
werden, die das gesamte Spektrum zwischen vollständig amorphem Zustand und vollständig kristallinem
Zustand umfassen. Die von den Ovshinsky-Patenten beschriebenen ersten Materialien
können
erforderlichenfalls auch gerade zwischen den beiden Strukturzuständen einer
im wesentlichen amorphen und einer im wesentlichen kristallinen
lokalen Ordnung geschaltet werden, um sie der Abspeicherung und
dem Auslesen einzelner Bit einer codierten binären Information anzupassen.
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Die
in den Ovshinsky-Patenten beschriebenen elektrisch löschbaren
phasenändernden
Materialien sowie die daraus folgenden elektrischen Festkörper-Speicher
hatten eine Anzahl von Beschränkungen,
welche ihre ausgedehnte Verwendung als unmittelbarer und universaler
Ersatz für
die gegenwärtigen
Anwendungen als Computerspeicher, wie Bänder, Floppy-Disks, Antriebe
für magnetische
oder optische Festplatten, Festkörper-Disk-Flash,
DRAM, SRAM und Socket-Flash-Speicher, verhinderte. Im besonderen
stellen die folgenden die bedeutendsten dieser Beschränkungen
dar: (i) eine relativ langsame (verglichen mit dem heutigen Standard)
elektrische Schaltgeschwindigkeit, insbesondere wenn in Richtung
auf eine höhere
lokale Ordnung (in Richtung auf eine erhöhte Kristallisation) geschaltet
wird; (ii) die Notwendigkeit einer relativ hohen Eingangsenergie, welche
notwendig war, um eine feststellbare Veränderung der lokalen Ordnung
zu initiieren; und (iii) relativ hohe Kosten pro Megabyte gespeicherter
Information (besonders im Vergleich mit den gegenwärtigen Festplatten-Antriebsmedien).
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Die
bedeutendste dieser Beschränkungen
ist die relativ hohe Eingangsenergie, welche erforderlich ist, um
feststellbare Veränderungen
der chemischen und/oder elektronischen Bindungskonfigurationen des
Chalcogenid-Materials zu erhalten und so eine feststellbare Veränderung
der lokalen Ordnung zu initiieren. Ebenfalls bedeutend waren die
Schaltzeiten der in den Ovshinsky-Patenten beschriebenen elektrischen
Speichermaterialien. Typischer Weise benötigten diese Materialien Zeiten
im Bereiche von ein paar Millisekunden für die Einstellzeit (die benötigte Zeit,
um das Material vom amorphen Zustand in den kristallinen Zustand
zu schalten); und etwa eine Mikrosekunde für die Rückschaltzeit (die benötigte Zeit, um
das Material vom kristallinen Zustand in den amorphen Zustand zurückzuschalten).
Die benötigte elektrische
Energie zum Umschalten dieser Materialien lag typischer Weise im
Bereiche von etwa einem Mikrojoule.
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Es
sei bemerkt, dass diese Energiemenge jedem der Speicherelemente
in der Festkörpermatrix aus
Reihen und Spalten von Speicherzellen zugeführt werden muss. Ein so hohes
Energieniveau führt zu
hohen Anforderungen bezüglich
der Stromübertragung
für die
Adressenleitungen und für
die Zelleneinrichtungen für
Isolation und Adressierung, welche jedem einzelnen Speicherelement
zugeordnet sind. Wenn man diese Energieanforderungen bedenkt, so ist
die Wahl der Isolationselemente für die Speicherzellen für den Fachmann
auf sehr grosse Einkristalldioden- oder -transistorisolationseinrichtungen
beschränkt,
was die Anwendung einer Lithographie im Mikron-Massstab unmöglich macht und somit eine hohe
Packungsdichte der Speicherelemente ausschliessen würde. Daher
würden
die niedrigen Bit-Dichten von aus diesem Material hergestellten Matrixarrays
zu hohen Kosten pro Megabyte an gespeicherter Information führen.
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Indem
sie den Preis- und Leistungsunterschied zwischen einem nicht-flüchtigen
Archivmassenspeicher und einem raschen flüchtigen Systemspeicher einengen,
besitzen Speicherelemente nach der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit,
die Schaffung eines neuen, nicht-hierarchischen „Universal-Speichersystems" zuzulassen. Im wesentlichen kann
der gesamte Speicher in dem System kostengünstig, archivarisch und rasch
sein. Im Vergleich zu den ursprünglichen
phasenändernden
elektrischen Speichern vom Ovshinsky-Typ, ermöglichen die hierin beschriebenen
Speichermaterialien eine um über sechs
Grössenordnungen
raschere Programmierzeit (weniger als 30 Nanosekunden) und brauchen
eine äusserst
geringe Programmierenergie (weniger als 0,1 bis 2 Nanojoules) bei
einer nachweislich langen Zeit an Stabilität und Zyklierbarkeit (über 10 Trillionen Zyklen).
Versuchsergebnisse zeigen auch, dass weitere Verringerungen der
Elementgrösse
die Schaltgeschwindigkeiten und die Zyklus-Lebensdauer erhöhen können.
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Im
allgemeinen ist die Entwicklung und Optimierung der Klasse der Chalcogenid-Speichermaterialien
nicht im selben Masse fortgeschritten wie die von anderen Arten
elektrischer Festkörper-Speicher, welche
nun wesentlich raschere Schaltzeiten und wesentlich geringere Einstell-
und Rückstellenergien haben.
Diese anderen Speicherformen verwenden bei manchen Speicheranwendungen
typischer Weise für
jedes Speicher-Bit
ein oder zwei mikroelektronische Festkörper-Schaltungselemente (so
viele wie drei oder vier Transistoren pro Bit). Die primären „nicht-flüchtigen" Speicherelemente
in solchen Festkörperspeichern,
wie einem EEPROM, sind typischer Weise Feldeffekt-Transistoreinrichtungen
mit schwebendem Gate, die nur eine begrenzte Reprogrammierbarkeit
aufweisen, und die am Gate eines Feldeffekt-Transistors eine Ladung
halten, um das jeweilige Speicher-Bit zu abzuspeichern. Da aber
diese Ladung im Verlaufe der Zeit entweichen kann, ist die Informationsspeicherung
nicht wirklich nicht-flüchtig, wie
das bei phasenändernden
Medien des Standes der Technik der Fall ist, bei denen die Information durch
Veränderungen
der aktuellen Atomkonfiguration oder der elektronischen Struktur
des Chalcogenid-Materiales gespeichert wird, aus dem diese Elemente
hergestellt wurden. Diese anderen Formen von Speichern erfreuen
sich nun einer Akzeptanz am Markte.
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Im
Gegensatz zu einem DRAM, SRAM, EPROM, EEPROM und „Flash"-Speichereinrichtungen,
wie Strukturen mit schwebendem Gate, sind bei elektrischen Speichereinrichtungen
nach der vorliegenden Erfindung keine Einrichtungen mit Feldeffekttransistoren
erforderlich. In der Tat stellen die elektrisch löschbaren
und direkt überschreibbaren
Speicherelemente nach der vorliegenden Erfindung die am einfachsten
herstellbaren elektrischen Speichereinrichtungen dar, welche nur
zwei elektrische Kontakte auf einem monolithischen Körper aus
Dünnschicht-Chalcogenid-Material
und eine Halbleiterdiode für
die Isolation aufweisen. Im Ergebnis wird nur sehr wenig Fläche am Chip
benötigt,
um ein Bit einer Information zu speichern, womit Speicherchips mit inhärent hoher
Dichte geschaffen werden. Ferner kann eine weitere Steigerung der
Informationsdichte durch die Anwendung einer Multibit-Speicherung
in jeder einzelnen Speicherzelle erreicht werden.
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Um
sich an den Flash-EEPROM-Markt wenden zu können und als Universalspeicher
betrachtet zu werden, müssen
die Speicherelemente wirklich nicht-flüchtig sein. Dies ist umso bedeutsamer,
wenn für
das Speicherelement beansprucht wird, es besitze die Fähigkeit
zu einer Multibit-Speicherung. Wenn ein eingestellter Widerstandswert
verloren geht oder man sogar findet, dass er über die Zeit deutlich driftet,
so wird die darin gespeicherte Information zerstört, und die Benützer verlieren
das Vertrauen in die archivarischen Fähigkeiten des Speichers.
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Zusätzlich zur
Stabilität
des eingestellten Widerstandes liegt ein anderer höchst wichtiger
Faktor, der für
einen Universalspeicher gefordert wird, in einem niedrigen Schaltstrom.
Dies ist äusserst
wichtig, wenn die EEPROMs für
die archivarische Abspeicherung in grossem Massstab benutzt werden.
Auf diese Weise benutzt, würden
die EEPROMs die mechani schen Festantriebe (wie magnetische oder
optische Festantriebe) heutiger Computersysteme ersetzen. Einer
der Hauptgründe
für diese
Ersetzung der herkömmlichen
mechanischen Festantriebe durch EEPROM-„Festantriebe" wäre es, den
vergleichsweise hohen Energieverbrauch der mechanischen Systeme
zu reduzieren. Im Falle von Laptop-Computern wäre dies von besonderem Interesse,
da der mechanische Festplatten-Antrieb einer der grössten Energieverbraucher
darin ist. Daher wäre
es besonders vorteilhaft, diese Energielast zu verringern, womit
die Betriebszeit des Computers pro Aufladung der Energiezellen wesentlich
vergrössert
würde.
Wenn jedoch der Ersatz der mechanischen Festantriebe durch ein EEPROM
eine hohe Schaltenergie erfordert (und damit auch hohe Energieanforderungen
stellt), hätten die
Energieersparnisse keinerlei oder bestenfalls einen unwesentlichen
Effekt. Daher hat jedes EEPROM, welches als Universalspeicher anzusehen ist,
einen geringen Bedarf an Schaltenergie.
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Noch
eine weitere Anforderung für
einen EEPROM-Universalspeicher liegt in der hohen thermischen Stabilität der darin
gespeicherten Information. Heutige Computer, insbesondere PC's, sind üblicherweise
hohen Temperaturen ausgesetzt. Diese hohen Temperaturen können durch
intern erzeugte Wärme verursacht
sein, wie von den Energiequellen oder von anderen wärmeerzeugenden
internen Komponenten. Diese hohen Temperaturen können aber auch durch Umgebungsfaktoren
verursacht sein, wie bei der Verwendung des Computers in heissem
Klima oder die Unterbringung des Computers in einer Umgebung, die
direkt oder indirekt auf höhere
Temperaturen als die Normaltemperatur aufgeheizt wird. Was immer
der Grund für
erhöhte
Temperaturen sein mag, müssen
heutige Computerspeicherarrays, besonders ein „fester" bzw. ein Archivspeicher, selbst bei
relativ hohen Temperaturen thermisch stabil sein. Ohne diese thermische
Stabilität
kann ein Datenverlust vorkommen, der zu dem bereits erwähnten Verlust
an Glaubwürdigkeit
führt.
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Noch
eine weitere Anforderung für
einen universellen EEPROM-Speicher ist eine lange Lebensdauer betreffs
der Schreib/Lösch-Zyklen.
Für EEPROMs,
wie dies bei allen Archiv speichern der Fall ist, spielt die Zyklus-Lebensdauer
eine wichtige Rolle für
das Vertrauen und die Akzeptanz des Verbrauchers. Wenn die Zykluslebensdauer
einer Speichereinrichtung zu kurz ist, wird sich der Verbraucher
gegen die Verwendung dieser Einrichtung aus Furcht, wertvolle Daten
zu verlieren, wehren. Wenn das EEPROM als Ersatz für den Hauptspeicher
oder den Anzeigespeicher eines Computers verwendet werden soll,
d.h. als Ersatz für
ein DRAM, SRAM oder VRAM, so ist die Forderung nach einer langen
Zykluslebensdauer noch kritischer. Denn der Hauptspeicher und der
Anzeigespeicher ist derjenige Datenspeicherbereich eines Computers,
der am meisten beschrieben bzw. gelöscht wird. Jedes Mal, wenn ein
neues Computerprogramm geladen wird, wird ein Teil des Hauptspeichers
des Computers gelöscht
und neu beschrieben. Während
der Ausführung
eines Computerprogrammes wird ein Teil des Hauptspeichers des Computers
immer wieder einem Zyklus unterworfen. Jedes Mal, wenn eine Information
am Monitor des Computers verändert
wird, werden Teile des Anzeigespeichers einem Zyklus unterworfen.
Wenn nun die EEPROMs, welche benutzt werden, um den Hauptspeicher
und den Anzeigespeicher eines Computers zu ersetzen, kein relativ
langes Schreib-/Lösch-Zyklusleben haben,
müssten
diese Speicher in exzessivem Ausmass immer wieder ersetzt werden.
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Die
US-A-4,795,657 beschreibt ein Speicherelement, wie es im Oberbegriff
des Anspruches 1 umrissen ist, bei dem eine externe Energiesteuereinrichtung
in Form eines Lasers die energetische Umgebung des Speichermateriales
steuert.
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KURZFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Festkörper-Speicherelement zu schaffen, das verringerte
Anforderungen an den Programmierstrom stellt. Auch ist es ein Ziel
der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Steuern der Verteilung
der elektrischen und der Wärmeenergie
innerhalb wenigstens eines Teils des Volumens an Speichermaterial des
Speicherelementes zu schaffen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Steuerung der Übertragung an
Wärmeenergie
in und aus wenigstens einem Teil des Volumens an Speichermaterial
zu schaffen.
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Diese
Ziele werden bei einem Speicherelement, wie es oben definiert wurde,
erreicht, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, dass
die Energiesteuermittel ein integraler Teil des Speicherelementes
sind.
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Die
Energiesteuermittel können
elektrische Steuermittel zum Steuern der Stromverteilung innerhalb
mindestens eines Teils des Volumens an Speichermaterial aufweisen.
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Weitere
Ziele werden auch durch ein elektrisch betriebenes Speicherarray
erreicht, welches folgendes aufweist: Eine Vielzahl von elektrisch
aktivierten, direkt überschreibbaren
Speicherelementen, wovon ein jedes dieser Vielzahl von Speicherelementen
folgendes umfasst: ein Volumen an Speichermaterial, welches zwei
oder mehrere elektrische Widerstandswerte besitzt. Das Volumen an
Speichermaterial kann auf Grund eines ausgewählten elektrischen Eingangssignales,
ohne die Notwendigkeit der Einstellung eines besonderen Start- oder
gelöschten
Widerstandswertes, auf einen der elektrischen Widerstandswerte eingestellt
werden; es ist ein Paar von voneinander beabstandet angeordneten
elektrischen Kontakten für
die Zufuhr des elektrischen Eingangssignales vorgesehen; und Energiesteuermittel
zum Steuern der energetischen Umgebung mindestens eines Teils des
Volumens an Speichermaterial. Die Energiesteuerung kann eine Wärmesteuereinrichtung
zum Steuern der Wärmeumgebung
mindestens eines Teils des Volumens an Speichermaterial umfassen.
Die Wärmesteuereinrichtung
kann aber auch Wärmeisolationsmittel
zum thermischen Isolieren jedes der Vielzahl von Speicherelementen
von allen anderen dieser Vielzahl von Speicherelementen aufweisen.
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Jedes
der Vielzahl von Speicherelementen mag ferner eine elektrische Isolationseinrichtung
umfassen, welche jedes der Vielzahl von Speicherelementen von allen
anderen dieser Vielzahl von Speicherelementen elektrisch isoliert.
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Diese
und andere Ziele der Erfindung werden auch durch ein Verfahren zum
Programmieren eines elektrisch betriebenen Speicherelements erreicht,
welches Verfahren folgendes auf weist: Vorsehen eines Speicherelementes,
welches Speicherelement folgendes umfasst: ein Volumen an Speichermaterial
mit zwei oder mehrere elektrische Widerstandswerte, welches Volumen
von Speichermaterial auf Grund eines ausgewählten elektrischen Eingangssignales
auf einen der elektrischen Widerstandswerte einstellbar ist; und
ein Paar von voneinander beabstandet angeordneten elektrischen Kontakten
für die
Zufuhr des elektrischen Eingangssignales; Anlegen eines elektrischen
Eingangssignales an die Kontakte; und Steuern des elektrischen Eingangssignales
sowie der energetischen Umgebung des Volumens an Speichermaterial
auf solche Weise, dass die Viskosität des Materiales auf unterhalb
etwa 1014 Poise reduziert wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1a ist eine schematische Querschnittsansicht
eines einzelnen Speicherelementes, die im besonderen die Heizschichten
und die Wärmeisolierschichten
veranschaulicht;
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1b ist eine schematische Querschnittsansicht
eines einzelnen Speicherelementes, die im besonderen einen „Wärmestöpsel" zeigt;
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2a ist eine schematische Draufsicht auf ein
Array aus einer Vielzahl von Speicherelementen, welche darstellt,
wie diese Elemente mit einem Satz von Adressierleitungen in X- und
Y-Richtung zu verbinden wären;
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2b ist eine schematische Seitenansicht eines
Arrays aus einer Vielzahl von Speicherelementen, welches einen Wärmekanal
zur thermischen Isolierung eines Speicherelementes von allen anderen Speicherelementen
aufweist;
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3 ist ein schematisches Schaltbild eines Arrays
von Speicherelementen, welches zusätzlich die Art veranschaulicht,
in der Isolationselemente, wie Dioden, in Serie mit den Speicherelementen
geschaltet sind, um jedes Speicherelement von den anderen elektrisch
zu isolieren; und
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4 ist eine schematische Darstellung eines
Einkristall-Halbleiter-Substrats mit einer Speichermatrix (d.i.
ein Array von Speicherelementen) nach der vorliegenden Erfindung, welche
mit einem integrierten Schaltkreis-Chip elektrisch verbunden ist,
auf dem die Adressier-/Treiber-Decoder betrieblich fixiert sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Löschbare
elektrische Speicher, welche aus der breiten Klasse von Chalcogenid-Materialien
hergestellt sind, machten sich strukturelle Veränderungen zu Nutze, die sich
durch eine Bewegung gewisser Atomarten in grossem Massstab innerhalb
des Materials ergeben, um eine Phasenveränderung zu gestatten, wenn
das Material aus einem amorphen Zustand in einen kristallinen Zustand
geschaltet wird. Beispielsweise war der geordnetere bzw, kristalline Zustand
im Falle von elektrisch programmierbaren Chalcogenid-Legierungen
aus Tellur und Germanium – wie
jenen, welche etwa 80 bis 85% Tellur und ca. 15% Germanium zusammen
mit gewissen anderen Elementen in geringen Mengen von jeweils etwa
ein bis zwei Prozent, wie Schwefel und Arsen, aufweisen – typischerweise
durch die Bildung von elektrisch hoch-leitungsfähigen, kristallinen Te-Fasern
innerhalb der programmierbaren Blase bzw. Pore des Speichermaterials
gekennzeichnet. Eine typische Zusammensetzung solchen Materials
nach dem Stande der Technik wäre
beispielsweise Te81Ge19S2As2 oder Te81Ge19S2Sb2. Da Te in seinem kristallinen Zustand so
hoch leitend ist, wurde ein Zustand sehr geringen Widerstandes auf
Grund der Te-Fasern in geordneteren bzw. kristallinen Zustand erreicht;
dieser Widerstand ist um eine Grössenordnung
geringer als der Widerstand der Blase im weniger geordneten bzw.
amorphen Zustand.
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Die
Bildung von kristallinen Te-Fasern erforderte jedoch in grossem
Massstab eine Wanderung der Te-Atome aus ihrer Atomkonfiguration
im amorphen Zustand zur neuen, örtlich
konzentrierten Atomkonfiguration im kristallinen Zustand der Te-Fasern. Ähnlich geschah
es, wenn das faserige Chalcogenid-Material zurück in den amorphen Zustand
programmiert wurde, wobei das Te, welches in die kristallinen Fasern
ausgefällt
worden war, zurück
in das Material wandern musste, nämlich von seiner örtlich konzentrierten
Form in den Fasern zurück in
die Atomkonfiguration des amorphen Zustandes. Diese Atomwanderung,
ihre Diffusion bzw. ihre Neuordnung zwischen dem amorphen und dem
kristallinen Zustand erforderte in jedem Falle eine relativ lange Halte-
bzw. Verweilzeit, die ausreichte, um die Migration darin unterzubringen,
wodurch die erforderliche Programmierzeit und die Energie relativ
hoch waren.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart eine Art von Chalcogenid-Halbleitermaterialien,
welche eine geringere Energiezufuhr erfordern. Diese Chalcogenid-Materialien
sorgen für
eine Programmierung innerhalb eines Bereiches stabiler Zustände bei
geringer Energie und bei grossen Geschwindigkeiten.
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Im
einzelnen weist das elektrisch betriebene, direkt überschreibbare
Speicherelement nach der vorliegenden Erfindung ein Volumen an Speichermaterial
auf, welches zumindest zwei elektrische Widerstandswerte besitzt.
Dieses Speichermaterial kann auf Grund eines ausgewählten elektrischen
Eingangssignals ohne die Notwendigkeit der Einstellung eines besonderen
Start- oder gelöschten
Widerstandswertes, auf einen der elektrischen Widerstandswerte eingestellt
werden. Die Widerstandswerte des Speichermateriales sind elektrisch
feststellbar.
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Das
Speichermaterial ist nicht-flüchtig
und bewahrt die Integrität
der durch die Speicherzelle gespeicherten Information (innerhalb
eines ausgewählten
Fehler-Randbereiches) ohne, dass die Signale periodisch aufgefrischt
werden müssten.
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Das
Speichermaterial kann aus einer Vielzahl von konstituierenden Atomelementen
gebildet werden, von denen ein jedes im gesamten Volumen des Speichermateriales
vorhanden ist. Vorzugsweise weist das Speichermaterial eines oder
mehrere derjenigen Elemente auf, welche aus der aus Te, Se, Ge, Sb,
Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O und Gemischen und Legierungen derselben
bestehenden Gruppe ausgewählt
sind. Bevorzugter weist das Speichermaterial ein oder mehrere Chalcogen-Element(e) auf. Das Speichermaterial
kann ferner ein oder mehrere Übergangsmetallelement(e)
umfassen. Der Begriff „Übergangsmetall", wie er hier verwendet
wird, umfasst die Elemente 21 bis 30, 39 bis 48, 57,
und 72 bis 80.
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Vorzugsweise
werden das/die eine bzw. mehrere Chalcogen-Element(e) aus der aus Te, Se und Gemischen
oder Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt. Noch
bevorzugter umfassen das/die eine bzw. mehrere Chalcogen-Element(e)
ein Gemisch von Te und Se.
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Vorzugsweise
werden das/die eine bzw. mehrere Übergangsmetall-Element(e) aus
der aus Cr, Fe, Ni, Nb, Pd, Pt und Gemischen oder Legierungen derselben
bestehenden Gruppe ausgewählt.
Bevorzugter umfasst das Übergangsmetall
Ni. Spezifische Beispiele solcher Systeme aus mehreren Elementen
werden später
mit Bezug auf ein Te:Ge:Sb-System mit oder ohne Ni und/oder Se erläutert.
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Die
besonderen Halbleiterlegierungen, welche bei der Herstellung der
Speichereinrichtungen verwendet werden, umfassen Chalcogenid-Elemente,
die durch die Gegenwart von „freien
Paaren" von Valenzelektronen
gekennzeichnet sind. Deshalb ist es notwendig, die Wirkungsweise
dieser freien Elektronenpaare in verfügbaren chemischen Bindungskonfigurationen
zu erläutern.
Ein freies Paar ist ein Elektronenpaar in der Valenzschale eines
Atoms, welches typischer Weise an der Bindung nicht beteiligt ist.
Solche freien Elektronenpaare sind sowohl strukturell als auch chemisch
von Bedeutung. Sie beeinflussen die Form der Moleküle und der
Kristallgitterstrukturen, indem sie starke abstossende Kräfte sowohl
auf die benachbarten Elektronenpaare ausüben, die an der Bindungskonfiguration
beteiligt sind, als auch auf andere freie Paare. Da freie Elektronenpaare
in einem Bindebereich eines zweiten Kernes nicht verankert sind,
sind sie dazu im Stande, zu elektronischen Übergängen geringer Energie beizutragen
und sie zu beeinflussen. Wie von Ovshinsky als erstem hervorgehoben
wurde, können
die freien Paare eine zentrale 1- und 3-Bindung besitzen; und wie von Kastner,
Adler und Fritsche gezeigt wurde, können sie den Anlass zur Bildung
von Paaren alternierender Valenz geben.
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Im
besonderen haben die hier beschriebenen Tellur-Legierungen ein aus Zuständen freier Paare
gebildetes Valenz-Band.
Da in Te vier (4) p-Schalenelektronen vorkommen, und das Te-Atom durch
zwei dieser Bindeelektronen in der p-Schale chemisch gebunden wird,
werden die anderen beiden äussern
Elektronen (das freie Paar) nicht für die Zwecke der Bindung genutzt
und verändern
daher die Atomenergie des Systems nicht wesentlich. In dieser Hinsicht
ist zu bemerken, dass die höchste
gefüllte
molekulare Umlaufbahn jene Umlaufbahn ist, welche das freie Elektronenpaar
enthält.
Dies ist deshalb von Bedeutung, weil in einem vollkommen stöchiometrischen
Kristall aus Tellur- und Germaniumatomen bei Aufbringung einer internen
Beanspruchung im Gitter, aus welchem der Kristallit gebildet ist,
das Valenz-Band sich verbreitern und sich aufwärts gegen die Position des
dann existierenden Fermi-Niveaus bewegen kann. TeGe-Kristalle sind
jedoch auf natürliche
Weise „selbstkompensiert", d.h. der Kristall
tendiert dazu, vorzugsweise eine Te-reiche Zusammensetzung anzunehmen
(annähernd
52 Prozent Te und 48 Prozent Ge). Der stöchiometrische Kristall ist
ein flächenzentrierter
Würfel;
bei Anlegung eines minimalen Energiebetrages jedoch, kann der Kristall
eine rhomboedrische Gitterstruktur annehmen, indem die Anzahl seiner
Ge- und/oder Sb-Leerstellen erhöht
wird. Es ist gerade diese Schaffung von Leerstellen in der Struktur
des Kristallgitters, welche die Gitterspannungen in TeGe-Legierungen
zu reduzieren vermag, die für
die Absenkung des Energiezustandes des Materiales verantwortlich
ist, und welche das Fermi-Niveau
gegen das Valenz-Band bewegt.
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Es
ist annehmbar, wenn nicht sogar wesentlich, ein amorphes Modell
lokaler Ordnung einem Modell lokaler Ordnung eines kurzen Bereiches
zu überlagern,
um eine beschreibende, wenn schon nicht vollkommen voraussagende
Erklärung
für das
Atomverhalten zu bekommen. Wenn man die amorphe Natur des Materiales
betrachtet, so ist zu beachten, dass die Dichte der Defektzustände in dem
Bandnachlauf in Nachbarschaft der Bandkanten am grössten ist,
wogegen die Tiefe der Rekombinationszentren für eingefangene Ladungsträger weiter
weg, von den Bandkanten tiefer ist. Das Vorhandensein dieser tiefen
Sperr- und Endzustände würde eine
mögliche Erklärung für die stabilen
Widerstandswerte dazwischen, nämlich
zwischen der Position des Fermi-Niveaus und der Bandkante, schaffen.
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Es
wird ferner angenommen, dass die Grösse der Kristallite, welche
in der Masse des Halbleiter- und Speichermaterials existieren, relativ
gering ist, vorzugsweise geringer als etwa 2000 Å, noch bevorzugter zwischen
etwa 50 Å und
500 Å,
und am meisten bevorzugt in der Grössenordnung von etwa 200 Å bis ungefähr 400 Å. Ferner
wird von diesen Kristalliten angenommen, dass sie von einer amorphen Haut
umgeben sind, welche zur raschen Bildung der vielen Fermi-Niveau-Positionen
des Materials beitragen mag, die als unterschiedliche Widerstände (Leitfähigkeiten)
feststellbar sind, ebenso wie zu den geringeren Energieanforderungen
für die Übergänge zwischen
diesen feststellbaren Widerstandswerten, auf die das Material in
verlässlicher
und wiederholbarer Weise eingestellt werden kann.
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Es
wurde auch gefunden, dass eine Modulation der Programmiereigenschaften
zweier oder dreier aus den mikrokristallinen Materialien nach der
vorliegenden Erfindung hergestellter Terminal-Halbleitereinrichtungen
so gesteuert werden kann, dass wiederholbare und feststellbare Widerstandswerte bewirkt
werden können.
Es hat sich herausgestellt, dass es zum raschen Einstellen der Materialien
nach der vorliegenden Erfindung auf eine gewünschte Leitfähigkeit
(die durch die Fermi-Niveauposition
bestimmt wird) durch Eingangssignale niedriger Energie lediglich
erforderlich ist, dass diese Materialien dazu im Stande sind, innerhalb
wenigstens zweier unterschiedlicher Fermi-Niveaupositionen stabil (oder
langlebig metastabil) existieren zu können, wobei die Fermi-Niveaupositionen
durch im wesentlichen konstante Bandzwischenräume, aber unterschiedliche
elektrische Leitfähigkeiten
charakterisiert sind. Wie oben bemerkt wurde, wird auch angenommen,
dass die relativ geringe Kristallitgrösse zum raschen Übergang
zwischen den feststellbaren Widerstandswerten beitragen mag.
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Ein
Merkmal der Halbleitermaterialien nach der vorliegenden Erfindung
ist ihre Tendenz zur Bildung von mehr und kleineren Kristalliten
pro Volumeneinheit. Es wurde gefunden, dass Kristallitgrössen des
breitesten bevorzugten Bereiches von repräsentativen Materialien, welche
die vorliegende Erfindung bilden, weit kleiner sind als etwa 2000 Å und im allgemeinen
kleiner als der Bereich von etwa 2000 Å bis 5000 Å, was eine Charakteristik
der Materialien nach dem Stande der Technik war. Eine Kristallitgrösse wird
hier als der Durchmesser der Kristalliten definiert oder als ihre „charakteristische
Dimension", die dann
dem Durchmesser äquivalent
ist, wenn die Kristalliten nicht kugelartig geformt sind.
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Es
wurde festgestellt, dass Zusammensetzungen im Zustand des grössten Widerstandes
innerhalb der Klasse der TeGeSb-Materialien,
welche die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen, im allgemeinen
durch wesentlich verringerte Konzentrationen an Te relativ dazu,
wie viel davon in elektrisch löschbaren
Speichermaterialien nach dem Stande der Technik vorhanden war, gekennzeichnet
sind. In einer Zusammensetzung, welche zu wesentlich verbesserten
elektrischen Schaltleistungscharakteristiken führte, war die durchschnittliche
Konzentration an Te in den eben abgelagerten Materialien deutlich unterhalb
70%, typischer Weise unterhalb etwa 60%, und sie lag in einem Bereiche,
der im allgemeinen von einem so geringen Wert wie 23% aufwärts bis
zu etwa 58% Te reichte, und am bevorzugten von etwa 40% bis 58%
Te. Die Konzentrationen an Ge lagen oberhalb etwa 5% und reichten
von einem geringen Wert von etwa 8% bis ca. 30% im Durchschnitt
innerhalb des Materials, wobei sie im allgemeinen unterhalb von
50% blieben. Der Rest der Hauptbestandteilselemente in dieser Zusammensetzung
war Sb. Die angegebenen Prozentsätze
sind Atomprozente, die insgesamt 100% der Atome der konstituierenden Elemente
ausmachen. Daher kann diese Zusammensetzung als TeaGebSb100–(a+b) charakterisiert
werden. Diese ternären
Te-Ge-Sb-Legierungen
sind nützliche
Ausgangsmaterialien für
die Ent wicklung zusätzlicher
Speichermaterialien, welche sogar noch bessere elektrische Merkmale
besitzen.
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Es
wurden Schmelzen von verschiedenen Gemischen von Te, Ge und Sb hergestellt,
wobei die Schmelzen bei raschem Verfestigen in viele Phasen segregierten.
Eine Analyse dieser rasch verfestigten Schmelzen zeigte das Vorhandensein
von zehn verschiedenen Phasen an (von denen nicht alle in einer einzigen
rasch verfestigten Schmelze vorhanden waren). Diese Phasen sind:
elementares Ge, Te und Sb, die binären Verbindungen GeTe und Sb2Te3 und fünf verschiedene
ternäre
Phasen. Die elementaren Zusammensetzungen aller dieser ternären Phasen
liegen auf der pseudobinären
Linie von GeTe-Sb2Te3.
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Die
neuen Speicherelemente nach der vorliegenden Erfindung umfassen
ein Volumen an Speichermaterial, welches Speichermaterial vorzugsweise
wenigstens ein Chalcogen aufweist und ein oder mehrere Übergangsmetalle
umfassen kann. Diejenigen Speichermaterialien, welche Übergangsmetalle umfassen,
sind elementar modifizierte Formen unserer Speichermaterialien im
ternären
Te-Ge-Sb-System. Das bedeutet, die elementar modifizierten Speichermaterialien
stellen modifizierte Formen der Te-Ge-Sb-Speicherlegierungen dar.
Diese elementare Modifikation wird durch Beimengen von Übergangsmetallen
in das ternäre
Grundsystem von Te-Ge-Sb, mit oder ohne einem zusätzlichen
Chalcogen-Element, wie Se, erreicht. Im allgemeinen fallen die elementar
modifizierten Speichermaterialien in zwei Kategorien.
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Die
erste Kategorie ist ein phasenänderndes Speichermaterial,
welches Te, Ge, Sb und ein Übergangsmetall
(TM) im Verhältnis
von (TeaGebSb100–(a+b))cTM100–c aufweist, wobei die
Indizes Atomprozente bedeuten, die insgesamt 100% der konstituierenden
Elemente ausmachen, worin TM ein oder mehrere Übergangsmetalle bedeutet, a
und b so sind, wie dies oben für
das ternäre
Grundsystem von Te--Ge--Sb angegeben wurde, und c zwischen etwa
90% und ca. 99,99% liegt. Die Übergangsmetalle
umfassen vorzugsweise Cr, Fe, Ni, Nb, Pd, Pt sowie Gemische und
Legierungen davon.
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Spezifische
Beispiele von in diesem System enthaltenen phasenändernden
Speichermaterialien umfassen:
(Te56Ge22Sb22)95Ni5, (Te56Ge22Sb22)90Ni10, (Te56Ge22Sb22)95Cr5, (Te56Ge22Sb22)90Cr10, (Te56Ge22Sb22)95Fe5, (Te56Ge22Sb22)90Fe10, (Te56Ge22Sb22)95Pd5, (Te56Ge22Sb22)90Pd10, (Te56Ge22Sb22)95Pt5, (Te56Ge22Sb22)95Pt10, (Te56Ge22Sb22)95Nb5, (Te56Ge22Sb22)90Nb10, (Te56Ge22Sb22)90Ni5Cr5, (Te56Ge22Sb22)90Ni5Fe5, (Te56Ge22Sb22)90Cr5Fe5,
(Te56Ge22Sb22)90Pd5Cr5, (Te56Ge22Sb22)90Ni5Pd5, (Te56Ge22Sb22)90Pd5Pt5,
etc.
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Die
zweite Kategorie ist ein phasenänderndes
Speichermaterial, welches Te, Ge, Sb, Se und ein Übergangsmetall
(TM) im Verhältnis
von (TeaGebSb100–(a+b))cTMdSe100–(c+d) aufweist,
wobei die Indizes Atomprozente bedeuten, die insgesamt 100% der
konstituierenden Elemente ausmachen, TM ein oder mehrere Übergangsmetall(e)
bedeutet, a und b so sind, wie dies oben für das ternäre Grundsystem von Te-Ge-Sb
angegeben wurde, c zwischen etwa 90% und 99,99% liegt, und d zwischen
etwa 0,01% und 10% ausmacht. Das Übergangsmetall umfasst vorzugsweise
Cr, Fe, Ni, Pd, Pt, Nb sowie Gemische und Legierungen davon. Spezifische
Beispiele von in diesem System enthaltenen Speichermaterialien umfassen:
(Te56Ge22Sb22)90Ni5Se5,
(Te56Ge22Sb22)80Ni10Se10, (Te56Ge22Sb22)90Cr5Se5, (Te56Ge22Sb22)80Cr10Se10, (Te56Ge22Sb22)90Fe5Se5,
(Te56Ge22Sb22)80Fe10Se10, (Te56Ge22Sb22)90Pd5Se5, (Te56Ge22Sb22)80Pd10Se10, (Te56Ge22Sb22)90Pt5Se5,
(Te56Ge22Sb22)80Pt10Se10, (Te56Ge22Sb22)90Nb5Se5, (Te56Ge22Sb22)80Nb10Se10, (Te56Ge22Sb22)85Ni5Cr5Se5, (Te56Ge22Sb22)80Ni5Fe5Se10, (Te56Ge22Sb22)85Cr5Fe5Se5, (Te56Ge22Sb22)85Ni5Pd5Se5, (Te56Ge22Sb22)80Ni5Pt5Se10, (Te56Ge22Sb22)85Ni5Nb5Se5, (Te56Ge22Sb22)85Pd5Cr5Se5, (Te56Ge22Sb22)80Pd5Pt5Se10, (Te56Ge22Sb22)85Pd5Nb5Se5, (Te56Ge22Sb22)85Pt5Nb5Se5,
etc.
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Die
Speicherelemente nach der vorliegenden Patentanmeldung weisen eingestellte,
im wesentlichen nicht-flüchtige
Wi derstandswerte auf. Wenn jedoch der Widerstandswert der vorliegenden Speicherelemente
unter gewissen Umständen
von seinem ursprünglich
eingestellten Wert abdriftet, so kann eine „Zusammensetzungsmodifikation", wie sie nachstehend
beschrieben wird, angewandt werden, um diese Drift zu eliminieren.
Wie er hier verwendet wird, soll sich der Begriff „nichtflüchtig" auf diejenige Bedingung
beziehen, in der der eingestellte Widerstandswert für Zeitperioden
der Archivierung im wesentlichen konstant bleibt. Selbstverständlich kann eine
Software (welche das später
diskutierte Rückführ-System
aufweist) angewandt werden, um zu sichern, dass ausserhalb einer
gewählten
Fehlergrenze absolut keine „Drift" auftritt. Da eine
Drift des Widerstandswertes der Speicherelemente, sofern sie ungehindert
gelassen wird, eine Grauskalen-Informationsspeicherung behindern
könnte,
ist es wünschenswert,
die Drift zu minimieren.
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Als „Zusammensetzungsmodifikation" wird hier definiert,
dass sie jedwedes Mittel zum Modifizieren der Zusammensetzung des
Volumens an Speichermaterial umfasst, um im wesentlichen stabile
Widerstandswerte zu erhalten, einschliesslich der Zugabe von Elementen
zur Bandverbreiterung, um den inhärenten Widerstand des Materials
zu erhöhen.
Ein Beispiel der Zusammensetzungsmodifikation besteht darin, abgestufte
Inhomogenitäten
der Zusammensetzung bezüglich
der Dicke einzuschliessen. Beispielsweise mag das Volumen an Speichermaterial von
einer ersten Te-Ge-Sb-Legierung zu einer zweiten Te-Ge-Sb-Legierung unterschiedlicher
Zusammensetzung abgestuft werden. Das Abstufen der Zusammensetzung
kann jegliche Form annehmen, die die Drift des eingestellten Widerstandswertes
vermindert. Beispielsweise braucht das Abstufen der Zusammensetzung
nicht auf eine erste und eine zweite Legierung desselben Legierungssystems
beschränkt
werden. Auch kann das Abstufen mit mehr als zwei Legierungen durchgeführt werden.
Die Abstufung kann gleichförmig
und kontinuierlich oder auch ungleichförmig oder nicht-kontinuierlich
sein. Ein besonderes Beispiel einer Abstufung der Zusammensetzung,
die zu einer verminderten Drift des Widerstandswertes führt, umfasst
eine gleichförmige und
kontinuierliche Abstufung von Ge14Sb29Te57 an einer Oberfläche bis
zu Ge22Sb22Te56 an der gegenüberliegenden Oberfläche.
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Eine
weitere Art der Anwendung einer Zusammensetzungsmodifikation zum
Verringern der Widerstandsdrift liegt darin, das Volumen an Speichermaterial
in Schichten anzuordnen. Das bedeutet, dass das Volumen an Speichermaterial
aus einer Mehrzahl diskreter, relativ dünner Schichten unterschiedlicher
Zusammensetzung aufgebaut wird. Beispielsweise kann das Volumen
an Speichermaterial ein oder mehrere Paare von Schichten aufweisen, von
denen eine jede aus einer unterschiedlichen Te-Ge-Sb-Legierung gebildet
ist. Wie es auch der Fall mit den abgestuften Zusammensetzungen
war, kann wiederum jede Kombination von Schichten gebraucht werden,
die zu einer wesentlich verringerten Drift des Widerstandswertes
führt.
Die Schichten können
eine einander ähnliche
Dicke haben oder eine unterschiedliche Dicke. Es kann jede beliebige Anzahl
von Schichten angewandt werden, und es können mehrfache Schichten derselben
Legierung in dem Volumen an Speichermaterial vorhanden sein, und
zwar entweder einander benachbart oder voneinander entfernt. Es
können
aber auch Schichten jeglicher Anzahl einer unterschiedlichen Legierungszusammensetzung
verwendet werden. Ein spezifisches Beispiel für die zusammensetzungsmässige Schichtbildung
ist ein Volumen an Speichermaterial, welches alternierende Schichtpaare
aus Ge14Sb29Te57 und Ge22Sb22Te56 aufweist.
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Noch
eine weitere Form einer Inhomogenität der Zusammensetzung zum Vermindern
der Widerstandsdrift wird dadurch bewerkstelligt, dass das Graduieren
bzw. Abstufen der Zusammensetzung mit einer zusammensetzungsmässigen Schichtbildung
kombiniert wird. Insbesondere kann das oben erwähnte Graduieren bzw. Abstufen
der Zusammensetzung mit jedweder der oben beschriebenen zusammensetzungsmässigen Schichtbildung
kombiniert werden, um ein stabiles Volumen an Speichermaterial zu
bilden. Beispielhafte Volumen an Speichermaterial, welche solche
Kombinationen anwenden, sind: (1) Ein Volumen an Spei chermaterial,
welches eine diskrete Schicht von Ge22Sb22Te56, gefolgt von
einer abgestuften Zusammensetzung von Ge14Sb29Te57 und Ge22Sb22Te56 aufweist,
und (2) ein Volumen an Speichermaterial, welches eine diskrete Schicht
von Ge14Sb29Te57 und eine abgestufte Zusammensetzung von
Ge14Sb29Te57 und Ge22Sb22Te56 aufweist.
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Bezugnehmend
auf 1a, ist dort eine Querschnittsansicht
einer Ausführungsform
des Speicherelements nach der vorliegenden Erfindung, welche aus
einem Einkristall-Silizium-Halbleiter-Wafer 10 gebildet
ist. Das Speicherelement 30 weist jenes Speichermaterial 36 auf,
welches oben beschrieben worden ist.
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Das
Speicherelement umfasst ferner ein Paar von voneinander in einem
Abstand angeordneten elektrischen Kontakten für die Zufuhr des elektrischen
Eingangssignales zum Speichermaterial auf.
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Vorzugsweise
ist wenigstens einer der in einem Abstand angeordneten elektrischen
Kontakte eine elektrische Dünnfilm-Kontaktschicht. Die
elektrischen Kontaktschichten sind in dem in 1a gezeigten
Ausführungsbeispiel
Dünnfilm-Schichten 32 und 40.
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Im
allgemeinen wird jede der elektrischen Dünnfilm-Kontaktschichten genügend dünn abgelagert,
so dass die Wärmeleiteigenschaften
der Schichten die wärmeenergetische
Umgebung des Speichermaterials nicht dominieren. Vorzugsweise wird
wenigstens eine der elektrischen Kontaktschichten mit einer Dicke
zwischen etwa 50 Å bis
ungefähr 2000 Å abgelegt.
Noch bevorzugter wird wenigstens eine der elektrischen Kontaktschichten
mit einer Dicke zwischen etwa 100 Å bis ungefähr 1000 Å abgelegt. Am bevorzugtesten
wird wenigstens eine der elektrischen Kontaktschichten mit einer
Dicke zwischen etwa 150 Å bis
ungefähr
750 Å abgelegt.
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Für gewöhnlich wird
jede der elektrischen Kontaktschichten aus einem elektrisch leitenden
Material gebildet. Vorzugsweise wird wenigstens eine der elektrischen
Kontaktschichten eines oder mehrere Elementen aus der aus Ti, W,
Mo und Gemischen oder Legierungen derselben aufweisen. Noch bevorzugter
umfasst wenigstens eine der elektrischen Kontaktschichten Ti und
W. Am bevorzugtesten weist wenigstens eine der elektrischen Kontaktschichten eine
Zusammensetzung auf, die – in
Atomprozent – 5%
bis 30% Titan und 70% bis 95% Wolfram enthält.
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Bei
dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel
ist jede der elektrischen Kontaktschichten 32 und 40 eine
Ti-W-Schicht, welche
vorzugsweise unter Verwendung eines Gleichstrom-Zerstäubungsablagerungsverfahrens
abgelagert wurden. Die elektrischen Kontaktschichten 32 und 40 aus
Ti-W besitzen ausgezeichnete Ohm'sche
Kontakteigenschaften. Ferner besitzen sie diejenigen Barriereeigenschaften,
die notwendig sind, um sowohl eine Elektromigration als auch die
Diffusion fremden Elektrodenmaterials in das Speichermaterial zu
verhindern.
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Beim
Programmieren der Speichereinrichtungen nach der vorliegenden Erfindung
wird elektrische Energie in Form eines Stromimpulses angelegt. Wie
im einzelnen der elektrische Energieimpuls die Veränderung
der Atomstruktur des Chalcogenid-Speichermaterials hervorbringt,
ist viele Jahre lang Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen
gewesen, und es sind mehrere Modelle vorgeschlagen worden. Einige
haben argumentiert, dass die Wirkung eine thermische ist, wogegen
andere davon sprachen, das Phänomen
sei ein elektronisches. Versuchsdaten zeigten, dass unter gewissen
Umständen
sowohl thermische als auch elektrisch induzierte Strukturänderungen
in diesen Materialien vorliegen. Es ist tatsächlich wahrscheinlich, dass
bei der Programmierung eines Speicherelements sowohl thermische
als auch elektrische Phänomene
involviert sind.
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Abgesehen
vom Mechanismus, ist es klar, dass ein gewisser Energiebetrag dem
Speichermaterial zugeführt
werden muss, um ein Programmier-Ereignis zu verursachen. Die Erfinder
der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass eine wesentliche
Anforderung für
das Programmier-Ereignis darin liegt, genügend Energie in das Speichermaterial einzuführen, um
seine Viskosität
während
eines Programmierintervals auf unterhalb etwa 1 × 1014 Poise herabzusetzen.
Diese verringerte Viskosität
gestattet eine Neuordnung der Atome, die zur Programmierung des
Speichers führt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auch herausgefunden, dass
bei einem Verlust an Energie an die umgebende Umwelt, das Programmier-Ereignis,
eben wegen des Verlustes, sogar noch mehr Energie benötigt. Somit
ist ersichtlich, dass jeder Energieverlust an die Umwelt, diejenige Energie
reduziert, welche zur Verfügung
steht, um die Viskosität
des Speichermaterials zu verringern.
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In
einem Versuch, einen wirksamen Einsatz der für die Programmierung des Speichermateriales zur
Verfügung
stehenden Energie zu erreichen, haben sich die Erfinder der vorliegenden
Erfindung auf eine Energiesteuereinrichtung konzentriert, um die „energetische
Umgebung" wenigstens
eines Teiles des Speichermaterials zu steuern. Im besonderen ist eine
Energiesteuereinrichtung jegliche Einrichtung oder jeglicher Mechanismus,
welche(r) (1) die Verteilung entweder der elektrischen Energie oder
der Wärmeenergie
innerhalb wenigstens eines Teiles des Volumens an Speichermaterial
steuert oder (2) jegliche Einrichtung oder jeglicher Mechanismus, welche(r)
die Übertragung
von Wärmeenergie
entweder in oder aus wenigstens einen/einem Teil des Volumens an
Speichermaterial steuert.
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Zumindest
ein Teil der in das Volumen an Speichermaterial eintretenden Energie
liegt in der Form von Wärmeenergie
vor. Einiges an dieser Wärmeenergie
wird beim Programmieren des Materials wirksam genutzt. Der Rest „geht verloren" indem er sich in
der umgebenden Umwelt verliert. Daher haben sich die Erfinder der
vorliegenden Erfindung in einem Versuch, einen wirksamen Einsatz
der in das Speichermaterial eingehenden Wärmeenergie zu erreichen, sich
auf Arten des Steuerns der thermischen Umgebung des Materials konzentriert.
Dieses, obwohl nicht darauf beschränkt, umfasst Wege der Erhöhung der
Menge an Wärmeenergie,
welche in wenigstens einen Teil des Volumens an Speichermaterial
eintritt, Wege zur Verringerung des Betrages an Wärmeverlust
aus wenigstens einem Teil des Volumens an Speichermaterial, und
Wege zur Steuerung der Verteilung der Wärmeenergie innerhalb wenigstens
eines Teils des Volumens an Speichermaterial.
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Die
Mittel zur Energiesteuerung umfassen eine Wärmesteuereinrichtung zum Steuern
der Wärmeumgebung
mindestens eines Teils des Volumens an Speichermaterial. Die Wärmesteuereinrichtung mag
jegliche Einrichtung oder jeglicher Mechanismus sein, welche die Übertragung
von Wärmeenergie
in wenigstens einen Teil des Volumens an Speichermaterial steuert,
welche die Übertragung
von Wärmeenergie
aus wenigstens einem Teil des Volumens an Speichermaterial steuert
oder die Verteilung von Wärmeenergie
innerhalb wenigstens einem Teil des Volumens an Speichermaterial
steuert.
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Die
Mittel zur Energiesteuerung umfassen eine Heizeinrichtung zur Übertragung
von Wärmeenergie
an mindestens einen Teil des Volumens des Speichermaterials. Die
Heizeinrichtung kann durch eine oder mehrere Heizlage(n) verwirklicht
werden. Die Heizlagen sind vorzugsweise Dünnschicht-Strukturen. Vorzugsweise
ist wenigstens eine der Heizlagen dem Volumen an Speichermaterial
benachbart abgelagert. Bei dem Ausführungsbeispiel eines Speicherelementes,
welches in 1a gezeigt ist, weist die
Heizeinrichtung zwei Heizlagen auf, die dem Volumen an Speichermaterial
benachbart abgelagert sind, nämlich
eine erste Heizlage 34, die in Nachbarschaft und unterhalb
des Speichermaterials 36 abgelagert ist, und eine zweite
Heizlage 38, welche in Nachbarschaft und oberhalb des Speichermaterials 36 abgelagert
ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sorgen
die Heizlagen 34, 38 auch für die elektrische Verbindung
zwischen den elektrischen Kontaktschichten 32, 40 und
dem Speichermaterial 36.
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Sobald
sich eine elektrische Ladung durch die Heizlagen 34 und 38 bewegt,
wird das elektrische Energiepotential der Ladung als Wärmeenergie
auf das Heizlagenmaterial übertragen.
Gesehen im mikroskopischen Massstab, kann dies als Kollisionen zwischen
Elektronen und dem Materialgitter verstanden werden, was die Amplitude
der thermischen Vibrationen des Gitters vergrössert. Dieser Effekt wird als „Joule-Heizung" bezeichnet. Die Übertragungsgeschwindigkeit
von elektrischer Energie auf Wärmeenergie
ist direkt proportional dem elektrischen Widerstand des Materials.
Eine Vergrösserung
des elektrischen Widerstandes des Materiales erhöht die Geschwindigkeit, mit
welcher Wärmeenergie
aus der elektrischen Energie gebildet wird. Im allgemeinen wird
der elektrische Widerstand der Heizlagen so gewählt, dass er eine adäquate Joule-Heizung
bewirkt. Vorzugsweise besitzt wenigstens eine der Heizlagen einen
grösseren
elektrischen Widerstand als etwa 1 × 10–5 Ohm-cm.
Noch bevorzugter besitzt wenigstens eine der Heizlagen einen grösseren elektrischen
Widerstand als etwa 1 × 10–3 Ohm-cm.
Am bevorzugtesten ist es, wenn wenigstens eine der Heizlagen einen grösseren elektrischen
Widerstand als etwa 1 × 10–1 Ohm-cm
hat.
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Die
Geschwindigkeit, mit der die Energie als Joule-Heizung auftritt, ist direkt proportional
dem Quadrat der Stromdichte an einer besonderen Stelle des Materials.
Wenigstens ein Teil der innerhalb der Heizlagen auf Grund der Joule-Heizung
geschaffenen Wärmeenergie
fliesst in mindestens einen Teil des Volumens an Speichermaterial,
wodurch das Speichermaterial aufgeheizt wird.
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Die
Heizlagen sind so positioniert und dimensioniert, dass sie für eine optimale Übertragung
an Wärmeenergie
in das Speichermaterial sorgen. Vorzugsweise ist wenigstens eine
der Heizlagen dem Volumen an Speichermaterial benachbart abgelagert. Überdies
werden die Heizlagen vorzugsweise derart ausreichend dünn abgelagert,
dass die Wärmeleiteigenschaften
der Schichten die wärmeenergetische
Umgebung des Speichermaterials nicht dominieren. Vorzugsweise wird
wenigstens eine der elektrischen Heizschichten mit einer Dicke zwischen etwa
50 Å bis
ungefähr
2000 Å abgelegt.
Noch bevorzugter wird wenigstens eine der elektrischen Heizschichten
mit einer Dicke zwischen etwa 100 Å bis ungefähr 1000 Å abgelegt. Am bevorzugtesten
wird wenigstens eine der elektrischen Heizschichten mit einer Dicke
zwischen etwa 150 Å bis
ungefähr
500 Å. abgelegt.
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Die
relative Positionierung der Heizlagen und der elektrischen Kontaktschichten
beeinflusst ebenfalls die Übertragung
von Wärmeenergie
in das Speichermaterial. In dem in 1a gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind die elektrische Kontaktschicht 32 und die Heizlage 34 seitlich
positioniert, um innerhalb der dem Kontaktbereich zwischen dem Speichermaterial 36 und
der Heizlage 34 zunächst
gelegenen Heizlage 34 für
eine erhöhte
Stromdichte zu sorgen, wodurch die Wärmeübertragung in wenigstens einen
Teil des Volumens an Speichermaterial erhöht wird. Die seitliche Positionierung
vergrössert auch
den Abstand zwischen der elektrischen Kontaktschicht 32 und
dem Speichermaterial 36, wodurch die Auswirkung der elektrischen
Kontaktschicht 32 of die thermische Umgebung des Speichermaterials
reduziert wird (d.h. es wird die weg kanalisierte Wärmeenergiemenge
auf Grund der Wärmeleitfähigkeit
des Materials der elektrischen Kontaktschicht vom Speichermaterial
reduziert).
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Andere
Konfigurationen für
die Heizlagen sind aber ebenfalls möglich. Das Speicherelement mag
bloss eine einzige Heizlage aufweisen, die benachbart oder entfernt
dem Speichermaterial abgelagert ist, und entweder oberhalb oder
unterhalb des Speichermaterials. Ebenso gut können aber die Heizlagen auch
seitlich zumindest eines Teiles des Volumens an Speichermaterial
positioniert werden.
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Mindestens
eine der Heizlagen kann eines oder mehrere derjenigen Elemente aufweisen,
welche aus der aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, und Gemischen
oder Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt sind,
und zwei oder mehrere derjenigen Elemente, welche aus der aus B,
C, N, O, Al, Si, P, S, und Gemischen oder Legierungen derselben
bestehenden Gruppe ausgewählt
sind. Vorzugsweise weist wenigstens eine der Heizlagen Ti, Al und N
auf. Noch bevorzugter ist es, wenn mindestens eine der Heizlagen
eine Verbindung aufweist, welche eine Zusammensetzung, angegeben
in Atomprozent, von zwischen etwa 10% und 60% Titan, 5% bis 50% Aluminium
und 10% bis 60% Stickstoff besitzt. In dem in 1a gezeigten
Aus führungsbeispiel
kann jede der Heizlagen 34 und 38 Titan-Aluminium-Nitrid aufweisen.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
weist wenigstens eine der Heizlagen Titan-Carbonitrid auf. Vorzugsweise
weist mindestens eine der Heizlagen eine Verbindung auf, welche
eine Zusammensetzung, angegeben in Atomprozent, von zwischen etwa
10% und 60% Titan, 5% bis 50% Kohlenstoff und 10% bis 60% Stickstoff
besitzt. Überdies
kann das Titan-Carbonitrid auch bis zu 40% Wasserstoff aufweisen.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel mag
wenigstens eine der Heizlagen Titan-Silizium-Nitrid aufweisen. Vorzugsweise
weist mindestens eine der Heizlagen eine Verbindung auf, welche
eine Zusammensetzung, angegeben in Atomprozent, von zwischen etwa
10% und 60% Titan, 5% bis 50% Silizium und 10% bis 60% Stickstoff
besitzt. Titan-Aluminium-Nitrid, Titan-Carbonitrid, und Titan-Siliconitrid haben
ausgezeichnete Barriereeigenschaften, welche sowohl die Diffusion
als auch die Elektromigration von Fremdmaterial in das Speichermaterial
aus Chalcogenid verhindern.
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Alternativ
kann nach einem anderen Ausführungsbeispiel
mindestens eine der Heizlagen amorphen Kohlenstoff, amorphes Silizium
oder eine duale Struktur aus amorphem Kohlenstoff und amorphem Silizium
aufweisen.
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Die
Heizlagen können
mittels solcher Verfahren abgelagert werden, wie die physikalische
Dampfablagerung einschliesslich einer Evaporation, das Ionenplattieren
sowie die Sputter-Ablagerung
mittels Gleichstrom oder Radiofrequenz, die chemische Dampfablagerung
und die plasmaunterstützte
chemische Dampfablagerung. Welche genaue Methode verwendet wird,
hängt von
vielen Faktoren ab, von denen einer die temperaturbedingten Zwänge der Ablagerung
ist, die durch die Zusammensetzung des Zielmaterials aus einem Chalcogenid
auferlegt werden.
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Die
Wärmesteuereinrichtung
kann ferner Wärmeisolationsmittel
zur Steuerung der Wärmeübertragung
aus mindestens einem Teil des Volumens des Speichermaterials 36 umfassen.
Die Wärmeisolationsmittel
können
eine oder mehrere Wärmeisolationsschicht(en)
aufweisen, welche das Volumen an Speichermate rial 36 teilweise
einkapseln, und welche die Wärmeübertragung
aus mindestens einem Teil des Volumens des Speichermaterials reduzieren. 1a zeigt eine Ausführungsform des Speicherelements 30 mit
zwei Wärmeisolationsschichten,
nämlich
einer ersten Wärmeisolationsschicht 31,
die vom Speichermaterial 36 entfernt und unterhalb von
diesem abgelagert ist, und einer zweiten Wärmeisolationsschicht 41,
die vom Speichermaterial 36 entfernt und oberhalb von diesem
abgelagert ist. Wie aus 1a ersichtlich
ist, ist die Wärmeisolationsschicht 41 entsprechend
geätzt
worden, um einen elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode 42 und
der elektrischen Kontaktschicht 40 zuzulassen. In dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel wurde die Wärmeisolationsschicht 41 derart
geätzt,
dass die Elektrode 42 vom Volumen an Speichermaterial nahe des
Kontaktbereiches zwischen der Wärmeisolationsschicht 34 und
dem Speichermaterial 36 seitlich versetzt ist. Eine solche
seitliche Versetzung verringert die Übertragung von Wärme aus
mindestens einem Teil des Volumens an Speichermaterial, indem die
Wirkung der Wärmeleiteigenschaften
der Schicht 42 reduziert wird.
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Andere
Konfigurationen für
die Positionierung der Wärmeisolationsschichten
sind aber ebenfalls möglich.
Im allgemeinen können
die Wärmeisolationsschichten
entweder dem Speichermaterial benachbart oder davon entfernt verwendet
werden (und entweder oberhalb oder unterhalb des Speichermaterials
und entweder dem Speichermaterial benachbart oder davon entfernt
abgelagert sein). Ebenso mag das Wärmeisolationsmaterial so abgelagert werden,
dass es wenigstens einen Teil der seitlichen Peripherie des Speichermaterials
umgibt.
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Im
allgemeinen kapseln die Wärmeisolationsschichten
das Speichermaterial mit einer Decke von Wärmeisolationsmaterial ein.
Diese Isolationsdecke erhöht
die Menge an innerhalb wenigstens eines Teils des Volumens an Speichermaterial 36 zurückgehaltener
Wärmeenergie.
Sie verringert auch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung aus dem Speichermaterial,
wodurch die Abkühlungsgeschwindigkeit
für das
Speichermaterial verringert wird.
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Die
Wärmeisolationsschichten
sind so gewählt,
dass sie gute Wärmeisolationseigenschaften haben.
Die Isolationseigenschaften der Wärmeisolationsschichten hängen von
der spezifischen Wärme bzw.
der Wärmeleitfähigkeit
des Materials der Wärmeisolationsschichten
ab. Eine abnehmende spezifische Wärme und/oder eine abnehmende
Wärmeleitfähigkeit
erhöht
die Isolationseigenschaften der Schichten, wodurch die Geschwindigkeit
des Wärmeverlustes
aus dem Volumen an Speichermaterial verlangsamt wird. Daher kann
die gezielte Veränderung
dieser Materialeigenschaften als Mittel zur Steuerung und Optimierung
der Abkühlungsgeschwindigkeit
des Speichermaterials herangezogen werden.
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Vorzugsweise
besitzt wenigstens eine Wärmeisolationsschicht
eine geringere Wärmeleitfähigkeit
als etwa 0,2 Joule-cm
pro cm2-Kelvin-sec. Noch bevorzugter ist
es, wenn wenigstens eine Wärmeisolationsschicht
eine geringere Wärmeleitfähigkeit
als etwa 0,01 Joule-cm pro cm2-Kelvin-sec.
besitzt. Am bevorzugtesten weist wenigstens eine Wärmeisolationsschicht
eine geringere Wärmeleitfähigkeit
als etwa 0,001 Joule-cm pro cm2-Kelvin-sec.
auf.
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Vorzugsweise
besitzt wenigstens eine Wärmeisolationsschicht
eine geringere spezifische Wärmekapazität als etwa
3 Joule pro cm3-Kelvin. Bevorzugter weist
wenigstens eine Wärmeisolationsschicht
eine geringere spezifische Wärmekapazität als etwa
1 Joule pro cm3-Kelvin auf. Am bevorzugten ist
es, wenn wenigstens eine Wärmeisolationsschicht eine
geringere spezifische Wärmekapazität als etwa 0,1
Joule pro cm3-Kelvin hat.
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Wenigstens
eine Wärmeisolationsschicht mag
Oxyde, Nitride, Oxynitride, Anthrazite, Carbonitride, Fluoride,
Sulfide, Chloride, Carbide, Boride, Phosphide sowie Gemische oder
Legierungen derselben umfassen. Alternativ kann wenigstens eine Wärmeisolationsschicht
ein organisches dielektrisches Material aufweisen.
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Weitere
Beispiele von Schichtmaterialien zur Wärmeisolation umfassen aufgesponnenes
Glas und aufgesponnenes Polymer.
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Noch
weitere Beispiele von Schichtmaterialien zur Wärmeisolation umfassen Siliziumoxyd
und Diamant.
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Die
Dicke jeder der Wärmeisolationsschichten
beeinflusst die Isolationseigenschaften der Schichten (und damit
die Abkühlungsgeschwindigkeit
des Speichermaterials). Im allgemeinen steigert eine Vergrösserung
der Dicke des Isolationsschichten die Isolationseigenschaften und
verlangsamen das Abkühlen
des Speichermaterials weiter. Vorzugsweise hat wenigstens eine der
Wärmeisolationsschichten
eine Dicke zwischen etwa 100 Å bis
ungefähr
10.000 Å.
Noch bevorzugter besitzt wenigstens eine der Wärmeisolationsschichten eine
Dicke zwischen etwa 500 Å bis
ungefähr
7500 Å.
Am bevorzugtesten hat wenigstens eine der Wärmeisolationsschichten eine
Dicke zwischen etwa 1000 Å bis
ungefähr
5000 Å.
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Um
eine zusätzliche
Steuerung der thermischen Umgebung des Volumens an Speichermaterial zu
schaffen, kann die Wärmesteuereinrichtung
ein Volumen an Wärmeisolationsmaterial
aufweisen, das zumindest teilweise innerhalb des Volumens an Speichermaterial
eingekapselt ist. Dieses Volumen an Wärmeisolationsmaterial wird
hierin als „Wärmestöpsel" bezeichnet. Der
Wärmestöpsel schafft
ein Mittel zur Steuerung der Verteilung der Wärmeenergie innerhalb des Volumens
an Speichermaterial. Der Wärmestöpsel kann
aus denselben Materialien gebildet werden, welche für die oben
beschriebenen Wärmeisolationsschichten
ausgesucht wurden. 1b zeigt eine Ausführungsform
eines Speicherelements, welches einen Wärmestöpsel 45 benutzt, der
innerhalb des Volumens an Speichermaterial 36 eingekapselt
ist.
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Die
Schicht des Speichermaterials 36 kann aus einem Halbleitermaterial
mit mehreren Elementen, wie den hierin geoffenbarten Chalcogenid-Materialien,
gebildet werden. Die Schicht 36 kann durch solche Verfahren,
wie Sputtern, Verdampfen oder durch chemische Dampfablagerung (CVD)
abgelagert werden, die noch durch Plasma-Techniken, wie eine RF-Glühentladung,
verbessert werden können. Die
Speichermaterialien aus Chalcogenid nach der vorliegenden Erfindung
werden am bevorzugtesten durch RF-Sputtern und Verdampfung hergestellt.
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Die
Schicht von Speichermaterial 36 wird vorzugsweise bis zu
einer Dicke zwischen etwa 200 Å bis
5000 Å abgelegt,
noch bevorzugter mit etwa 250 Å bis
2500 Å und
am bevorzugtesten von etwa 400 Å bis
1250 Å.
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Im
allgemeinen bedeutet der Ausdruck „Porendurchmesser", wie er hier verwendet
wird, bedeutet den durchschnittlichen Querschnitt des kleinsten Kontaktbereiches
zwischen dem Speichermaterial 36 und den dem Speichermaterial 36 benachbarten Schichten
des Speicherelements. In dem in 1a gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist der Porendurchmesser der durchschnittliche Querschnitt des kleinsten
Kontaktbereiches zwischen dem Speichermaterial 36 und den
Heizlagen 34, 38. Der Porendurchmesser des Speichermaterials 36 ist
kleiner als etwa ein bis zwei Mikrometer od.dgl., obwohl es für die seitliche
Dimension keine praktische Grenze gibt. Es wurde festgestellt, dass
der Durchmesser des tatsächlichen
Leitpfades an hoch leitendem Material signifikant kleiner als ein
Mikrometer ist. Der Porendurchmesser kann daher so klein sein, wie
es die Grenzen der lithographischen Auflösung erlauben, und tatsächlich sind
die energetischen Anforderungen für die Programmierung um so
geringer, je kleiner die Pore oder Blase ist.
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Es
ist bevorzugt, wenn der Porendurchmesser derart gewählt wird,
dass er im wesentlichen dem Querschnitt des Speichermateriales entspricht,
dessen Widerstand in der Tat verändert
wird, wenn das Material auf einen unterschiedlichen Widerstand programmiert
wird. Der Porendurchmesser des Speichermaterials 36 ist
daher vorzugsweise geringer als etwa ein Mikrometer, so dass das
Volumen an Speichermaterial 36 auf das aktuell programmierte
Volumen an Material 36 beschränkt ist, nämlich in dem Ausmass, welches
lithographisch möglich
ist.
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Wir
beobachten einen Leistungstrend der Speicherelemente, der im allgemeinen
zum Porendurchmesser in Beziehung steht. Wenn die Einrichtung in
einer binären
Betriebsart gebraucht wird, so sehen wir einen allgemeinen Anstieg
im Verhältnis des
ein-zu-aus-Widerstandes, wenn wir Einrichtungen über ein Wafer testen, in welchem
die Porendurchmesser systematisch von gerade einem Mikron bis zu überhaupt
keiner Öffnung
reichen. Wenn der Porendurchmesser innerhalb eines Bereiches von beispielsweise
einem Mikron bis ungefähr
einem Sechstel eines Mikron gesteuert wird, ergibt sich eine Gelegenheit,
die Leistung unserer Einrichtungen zu verbessern. Da Faktoren, wie
die Stromdichte und die Energiedichte beim Programmieren dieser
Einrichtungen wichtig sind, sollte eine Verringerung des Volumens
der Einrichtung als Ergebnis der Verringerung des Porendurchmessers
zu einer gesteigerten Empfindlichkeit und Geschwindigkeit führen. Um
eingestellte Energie/Strom/Spannung zu minimieren, können so
kleine Porendurchmesser wie 1500 Å oder sogar so klein wie 100 Å verwendet
werden.
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Die
oben erläuterten
Energiesteuermittel können
elektrische Steuermittel zum Steuern der Verteilung elektrischen
Stromes innerhalb mindestens eines Teils des Volumens an Speichermaterial aufweisen.
Insbesondere können
die elektrischen Steuermittel durch eine oder mehrere Widerstandsschicht(en)
realisiert werden. Vorzugsweise ist wenigstens eine der Widerstandsschichten
dem Volumen an Speichermaterial benachbart abgelagert. Jede Widerstandsschicht
ist aus einem Material gebildet, das einen ausreichenden elektrischen
Widerstand besitzt, um den Verteilungsstrom innerhalb mindestens
eines Teils des Volumens an Speichermaterial zu streuen, wodurch
die Elektromigration innerhalb des Materials verringert wird. Vorzugsweise besitzt
wenigstens eine der Widerstandschichten einen grösseren elektrischen Widerstand
als etwa 1 × 10–5 Ohm-cm
hat. Noch bevorzugter ist es, wenn wenigstens eine der Widerstandschichten
einen grösseren
elektrischen Widerstand als etwa 1 × 10–3 Ohm-cm.
Am bevorzugtesten aber ist es, wenn wenigstens eine der Widerstandschichten
einen grösseren
elektrischen Widerstand als etwa 1 × 10–1 Ohm-cm
besitzt.
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Vorzugsweise
weist wenigstens eine Widerstandschicht eines oder mehrere derjenigen
Elemente auf, welche aus der aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta,
W, und Gemischen oder Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt sind;
und zwei oder mehrere derjenigen Elemente, welche aus der aus B, C,
N, O, Al, Si, P, S, und Gemischen oder Legierungen derselben bestehenden
Gruppe ausgewählt sind.
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Materialien,
aus welchen wenigstens eine der Widerstandsschichten gebildet werden
können, umfassen
Titan-Aluminium-Nitrid,
Titan-Carbonitrid und Titan-Silizium-Nitrid, sind aber darauf nicht
beschränkt.
Andere Materialien umfassen amorphen Kohlenstoff, amorphes Silizium
oder eine duale Struktur aus amorphem Kohlenstoff und amorphem Silizium.
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Vorzugsweise
wird mindestens eine Widerstandsschicht bis auf eine Dicke zwischen
etwa 50 Å und
ungefähr
2000 Å abgelagert.
Noch bevorzugter besitzt wenigstens eine Widerstandsschicht eine
Dicke zwischen etwa 100 Å bis
ungefähr
1000 Å.
Am bevorzugtesten hat wenigstens eine Widerstandsschicht eine Dicke
zwischen etwa 150 Å bis
ungefähr 500 Å.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
eines Speicherelements wird die Funktion der Widerstandsschichten
durch die Heizlagen 34, 38 realisiert, welche
den erforderlichen elektrischen Widerstand besitzen.
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Das
in 1a dargestellte Speicherelement kann
in einem mehrstufigen Verfahren gebildet werden. Die Schichten 31, 32, 34 und 46 werden
zuerst abgelegt, und die Schicht 46 wird geätzt, um
die Blase (Pore) zu bilden. Die Schichten 36, 38, 40 und
die Wärmeisolationsschicht 41 werden
sodann abgelagert. Das ganze Paket von Schichten wird dann auf die
gewählten
Dimensionen geätzt.
Oben auf der gesamten Struktur wird elektrisches Dielektrik-Material 39,
wie SiO2 oder Si3N4 abgelagert. Das elektrische Dielektrik-Material 39 und
die Wärmeisolationsschicht 41 können sodann
selektiv derart geätzt
werden, dass eine Elektrode 42 relativ zur Pore entsprechend
positioniert wird.
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Die
Struktur des Elektrodengitters 42 erstreckt sich senkrecht
in Richtung der Leiter 12 und vervollständigt die X-Y-Gitterverbindung
mit den einzelnen Speicherelementen. Die vollständige integrierte Struktur
wird von einer oberen Einkapselungsschicht eines geeigneten Kapselungsmittels,
wie Si3N4 oder ein
Kunststoffmaterial, wie Polyimid, überlagert, welche die Struktur
gegen Feuchtigkeit und andere externe Elemente abdichtet, welche
eine Zerstörung
oder Verschlechterung der Leistung verursachen könnten. Das Einkapselungsmittel
Si3N4 kann beispielsweise
unter Anwendung eines Plasma-Ablagerungsverfahrens
bei geringer Temperatur abgelagert werden. Das Polyimidmaterial
kann Spin-abgelagert und nach der Ablagerung gebacken werden, entsprechend
den bekannten Techniken, um eine Einkapselungsschicht zu bilden.
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Hier
wird auch ein elektrisch betriebenes Speicher-Array geoffenbart,
welches eine Vielzahl der oben beschriebenen Speicherelemente aufweist. Eine
Ausführungsform
eines Speicher-Arrays ist ein zweidimensionales Speicher-Array aus
Speicherelementen. Eine Draufsicht auf diese Ausführungsform ist
in 2a dargestellt. Wie ersichtlich,
bilden die Einrichtungen eine X-Y-Matrix von Speicherelementen.
Das Speicher-Array umfasst ein X-Y Elektrodengitter von Adressierleitungen
zum wahlweisen Einstellen und Ablesen der einzelnen Speicherelemente.
Die horizontalen Streifen 12 stellen die X-Gruppe eines X-Y-Elektrodengitters
dar, und die vertikalen Streifen 42 veranschaulichen die
Y-Gruppe von Adressierleitungen.
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Jedem
Speicherelement im Speicher-Array ist eine elektrische Isolationseinrichtung
zugeordnet, die jedes Speicherelement von allen anderen Speicherelementen
im Speicher-Array isoliert. 3 zeigt
ein schematisches Schaltbild des zweidimensionalen Speicher-Arrays
aus 2a. Dabei veranschaulicht die 3, wie eine elektrische Isolierung unter
Verwendung von Dioden bewerkstelligt werden kann. Der Schaltkreis
umfasst ein X-Y-Gitter, bei dem die Speicherelemente 30 elektrisch
in Serie mit den Isolationsdioden 26 untereinander verbunden
sind. Die Adressierleitungen 12 und 42 sind mit
einem externen Adressierkreis verbunden, wie es dem Fachmanne wohl
bekannt ist. Der Zweck der elektrischen Isolationseinrichtungen
ist es, jedes diskrete Speicherelement dazu zu befähigen, gelesen
und beschrieben zu werden, ohne dass es eine Information stört, die
in irgend einem anderen Speicherelement der Matrix gespeichert ist.
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Das
Speicher-Array kann ferner Wärmeisolationsmittel
zum thermischen Isolieren jedes der Speicherelemente von allen anderen
Speicherelementen aufweisen. Eine Ausführungsform eines Wärmeisolationsmittels
ist in 2b gezeigt, die einen thermischen
Kanal 60 mit Wärmeleitmaterial
darstellt, welches zwischen jedem der einzelnen Speicherelemente
abgelagert worden ist. Der thermische Kanal 60 kann aus
einem Metall oder jedem anderen Material hergestellt werden, welches
eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit
besitzt, um Wärme
aus einem der Speicherelemente von allen anderen Speicherelementen
wegzukanalisieren. Vorzugsweise weist der thermische Kanal 60 ein
Material mit einer grösseren
Wärmeleitfähigkeit
als etwa 0,5 Joule-cm pro cm2-Kelvin-sec.
auf. In dem in 2b ersichtlichen Ausführungsbeispiel
ist das wärmeleitende
Material so abgelagert, dass es das Substrat 10 berührt, wodurch
die Wärme
auf das Substrat abgeleitet wird.
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Es
sind aber auch andere Konfigurationen für den Speicher-Array möglich. Eine
Konfiguration wäre
ein dreidimensionaler Array mit mehreren Niveaus, welcher eine Mehrzahl
von ein Paket bildenden Ebenen von Speicherelementen und ihrer jeweiligen
elektrischen Isolationseinrichtungen aufweist. Jede Ebene von Speicherelementen
ist in Reihen und Spalten von Speicherelementen angeordnet, was
eine X-Y-Adressierung erlaubt. Diese Paketierung von Ebenen schafft
eine zusätzliche
Z-Dimension an gegenseitigen Verbindungen zusätzlich zur Steigerung der Speicherdichte
des Speichers. Eine solche Anordnung ist besonders zweckmässig, um ein
neuronales Netz für
einen wirklich intelligenten Computer zu simulieren.
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4 zeigt einen Teil eines Einkristall-Halbleiter-Substrats 50 mit
einer darauf ausgebildeten Speichermatrix 51 nach der vorliegenden
Erfindung. Auf demselben Substrat 50 ist auch eine Adressiermatrix 52 ausgebildet,
die durch Ver bindungen 53 eines integrierten Schaltkreises
mit dem Speichermaterial 51 entsprechend verbunden ist.
Die Adressiermatrix 52 weist eine Signalerzeugungseinrichtung auf,
die die Einstellung und das Ablesen von an die Speichermatrix 51 angelegten
Impulsen definiert und steuert. Natürlich kann die Adressiermatrix
mitintegriert werden und gleichzeitig mit der Festkörper-Speichermatrix 51 gebildet
werden.
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Versuche
haben gezeigt, dass Faktoren, wie die Chalcogenid-Zusammensetzung,
die Wärmebehandlung
(Vergüten
nach der Ablagerung), die Signalimpulsdauer, Verunreinigungen, wie
in der Zusammensetzung vorhandener Sauerstoff, die Kristallitgrösse und
die Wellenform der Signalimpulse eine Auswirkung auf die Grösse des
Dynamikbereiches der Widerstände,
auf die absoluten Widerstände
an einem Endpunkt des Dynamikbereiches und auf die für das Einstellen
der Einrichtung auf diese Widerstände erforderlichen Spannungen
haben. Beispielsweise führen
relativ dicke Chalcogenid-Schichten (d.h. etwa 4000 Å) zu höheren Anforderungen
an die Einstellspannung (und daher höhere Stromdichten innerhalb
des Volumens an Speichermaterial), wogegen relativ dünne Chalcogenid-Schichten
(d.h. etwa 250 Å)
zu niedrigeren Anforderungen an die Einstellspannung (und der Stromdichte)
führen.
Selbstverständlich
ist die mögliche
Bedeutung der Kristallitgrösse
und damit des Verhältnisses
der Zahl an Oberflächenatomen
relativ zur Zahl der Bulk-Atome vorher schon beschrieben worden.
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Der
Dynamikbereich der Widerstände
gestattet auch eine breite Grauskala und eine Analogabspeicherung
mit mehreren Ebenen innerhalb des Speichers. Eine Speicherung mit
mehreren Ebenen innerhalb des Speichers wird zustande gebracht,
indem der breite Dynamikbereich in eine Mehrzahl von Unterbereichen
und -niveaus unterteilt wird. Die kontinuierliche Programmierbarkeit
der Widerstände
erlaubt es, mehrere Bits einer binären Information in einer einzigen
Speicherzelle zu speichern. Diese Speicherung mit mehreren Ebenen
wird bewerkstelligt, indem mehrere Bits einer binären Information
in eine pseudo-analoge Form gebracht und diese Analog-Information
in einer einzigen Speicherzelle abgelagert wird. Indem man also den
Dynamikbereich der Widerstände
in 2n Analogniveaus unterteilt, wird somit jede
Speicherzelle mit der Fähigkeit
ausgestattet, n Bits einer binären
Information zu speichern.
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Durch
die Verwendung der geschützten
Materialien und der Konfigurationen der Einrichtungen, wie sie hier
geoffenbart sind, wurde ein elektrisch löschbares, direkt überschreibbares
Speicherelement entwickelt, welches hohe Geschwindigkeiten beim
Lesen und Schreiben haben, die sich jenen annähern, die SRAM-Einrichtungen
haben; ferner Nicht-Flüchtigkeit
und die Fähigkeiten
einer Reprogrammierung mit Zufallszugriff wie bei einem EEPROM;
und einen Preis pro Megabyte an Speicherung, der deutlich unter
dem jedweden anderen Halbleiterspeichers liegt.
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Es
ist auch ein Verfahren zur Programmierung eines elektrisch betriebenen
Speicherelementes hierin geoffenbart, welches Verfahren den Verfahrensschritt
des Vorsehens eines Speicherelementes umfasst, wobei das Speicherelement
folgendes aufweist: Ein Volumen an Speichermaterial mit zwei oder
mehreren elektrischen Widerstandswerten, wobei das Volumen auf einen
der elektrischen Widerstandswerte auf Grund auf ein ausgewähltes elektrische
Eingangsignal einstellbar ist; und ein Paar von voneinander beabstandet
angeordneten elektrischen Kontakten für die Zufuhr des elektrischen
Signales.
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Das
Verfahren umfasst ferner den Verfahrensschritt des Anlegens eines
elektrischen Eingangssignales an die Kontakte. Und des weiteren umfasst
das Verfahren den Verfahrensschritt des Steuerns des elektrischen
Eingangssignales sowie der energetischen Umgebung des Volumens an Speichermaterial
auf solche Weise, dass die Viskosität des Materiales auf unterhalb
etwa 1014 Poise reduziert wird.
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Es
ist verständlich,
dass die hier erläuterte Offenbarung
in der Form detaillierter Ausführungsbeispiele
präsentiert
wurde, welche zu dem Zwecke beschrieben wurden, die vorliegende
Erfindung voll und komplett zu offenbaren, und dass derartige Details
nicht so zu verstehen sind, als ob sie den Rahmen dieser Erfindung,
wie sie beschrieben wurde und in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist,
beschränken
würden.