DE69827598T2 - Speicherelement mit energiesteuerungsmechanismus - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch betriebenes, direkt überschreibbares Speicherelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf ein entsprechendes Verfahren.
  • HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
  • 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.
  • DIE ERSTEN ELEKTRISCHEN PHASENÄNDERNDEN SPEICHER
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • Die Energiesteuermittel können elektrische Steuermittel zum Steuern der Stromverteilung innerhalb mindestens eines Teils des Volumens an Speichermaterial aufweisen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1a ist eine schematische Querschnittsansicht eines einzelnen Speicherelementes, die im besonderen die Heizschichten und die Wärmeisolierschichten veranschaulicht;
  • 1b ist eine schematische Querschnittsansicht eines einzelnen Speicherelementes, die im besonderen einen „Wärmestöpsel" zeigt;
  • 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;
  • 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;
  • 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
  • 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.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Speicherelement umfasst ferner ein Paar von voneinander in einem Abstand angeordneten elektrischen Kontakten für die Zufuhr des elektrischen Eingangssignales zum Speichermaterial auf.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Beispiele von Schichtmaterialien zur Wärmeisolation umfassen aufgesponnenes Glas und aufgesponnenes Polymer.
  • Noch weitere Beispiele von Schichtmaterialien zur Wärmeisolation umfassen Siliziumoxyd und Diamant.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (24)

  1. Elektrisch betriebenes, direkt überschreibbares Speicherelement, welches folgendes aufweist: ein Volumen an Speichermaterial (36) mit zwei oder mehr elektrischen Widerstandswerten, welches Volumen an Speichermaterial (36) auf Grund eines ausgewählten elektrischen Eingangssignals, ohne die Notwendigkeit der Einstellung eines besonderen Start- oder gelöschten Widerstandswertes, auf einen der elektrischen Widerstandswerte einstellbar ist; ein Paar von voneinander beabstandet angeordneten elektrischen Kontakten (32, 40) für die Zufuhr des elektrischen Eingangssignales; und Energiesteuermittel zum Steuern der energetischen Umgebung mindestens eines Teils des Volumens an Speichermaterial (36), dadurch gekennzeichnet, dass die Energiesteuermittel (34, 38, 41, 45) ein integraler Teil des Speicherelementes sind.
  2. Speicherelement nach Anspruch 1, bei dem die Energiesteuermittel (34, 38; 41) eine Wärmesteuereinrichtung zum Steuern der Steuern der Wärmeumgebung mindestens eines Teils des Volumens an Speichermaterial (36) umfasst.
  3. Speicherelement nach Anspruch 2, bei dem die Wärmesteuereinrichtung eine Heizeinrichtung (34, 38) zur Übertragung von Wärmeenergie an mindestens einen Teil des Volumens des Speichermaterials (36) umfasst.
  4. Speicherelement nach Anspruch 2, bei dem die Wärmesteuereinrichtung Wärmeisolationsmittel (41) zur Steuerung der Wär meübertragung aus mindestens einem Teil des Volumens des Speichermaterials (36) umfasst.
  5. Speicherelement nach Anspruch 3, bei dem die Heizeinrichtung eine oder mehrere Heizlage(n) (34, 38) aufweist, welche Wärmeenergie in mindestens einen Teil des Volumens des Speichermaterials (36) überträgt/übertragen.
  6. Speicherelement nach Anspruch 5, bei dem wenigstens eine der Heizlagen (34, 38) dem Volumen an Speichermaterial (36) benachbart abgelagert ist.
  7. Speicherelement nach Anspruch 5, bei dem wenigstens eine der Heizlagen (34, 38) einen grösseren elektrischen Widerstand als etwa 1 × 10–5 Ohm-cm besitzt.
  8. Speicherelement nach Anspruch 5, bei dem wenigstens eine der Heizlagen (34, 38) folgendes aufweist: eines oder mehrere derjenigen Elemente, welche aus der aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Gemischen und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt sind; und zwei oder mehrere derjenigen Elemente, welche aus der aus B, C, N, O, Al, Si, P, S, Gemischen und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
  9. Speicherelement nach Anspruch 8, bei dem wenigstens eine der Heizlagen (34, 38) Ti, Al und N aufweist.
  10. Speicherelement nach Anspruch 5, bei dem wenigstens eine der Heizlagen (34, 38) eine Dicke zwischen etwa 50 Å und 2000 Å aufweist.
  11. Speicherelement nach Anspruch 4, bei dem die Wärmeisolationsmittel (41) eine oder mehrere Wärmeisolationsschicht(en) aufweisen, welche das Volumen an Speichermaterial (36) wenigstens teilweise einkapseln, wobei die eine oder mehrere Wärmeisolationsschicht(en) die Wärmeübertragung aus mindestens einem Teil des Volumens des Speichermaterials (36) reduzieren.
  12. Speicherelement nach Anspruch 11, bei dem wenigstens eine der Wärmeisolationsschichten (41) eine geringere spezifische Wärme als etwa 3 Joule pro cm3-Kelvin besitzt.
  13. Speicherelement nach Anspruch 11, bei dem wenigstens eine der Wärmeisolationsschichten (41) eine geringere Wärmeleitfähigkeit als etwa 0,2 Joule-cm pro cm2-Kelvin-sec besitzt.
  14. Speicherelement nach Anspruch 11, bei dem wenigstens eine der Wärmeisolationsschichten (41) ein oder mehrere derjenigen Materialien enthält, welche aus der aus Oxyden, Nitriden, Oxynitriden, Carbonitriden, Fluoriden, Sulfiden, Chloriden, Carbiden, Boriden, Phosphiden sowie Gemischen und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
  15. Speicherelement nach Anspruch 11, bei dem wenigstens eine der Wärmeisolationsschichten (41) ein organisches dielektrisches Material aufweist.
  16. Speicherelement nach Anspruch 2, bei dem die Wärmesteuereinrichtung ein Volumen an Wärmeisolationsmaterial (45) aufweist, das zumindest teilweise innerhalb des Volumens an Speichermaterial eingekapselt ist.
  17. Speicherelement nach Anspruch 1, bei dem die Energiesteuermittel (34, 38; 41, 45) elektrische Steuermittel zum Steuern der Stromverteilung innerhalb mindestens eines Teils des Volumens an Speichermaterial aufweist.
  18. Speicherelement nach Anspruch 17, bei dem die elektrischen Steuermittel eine oder mehrere Widerstandsschicht(en) aufweisen, die die Stromverteilung innerhalb mindestens eines Teils des Volumens an Speichermaterial streuen.
  19. Speicherelement nach Anspruch 18, bei dem wenigstens eine der Widerstandschichten einen grösseren elektrischen Widerstand als etwa 1 × 10–5 Ohm-cm besitzt.
  20. Speicherelement nach Anspruch 18, bei dem wenigstens eine der Widerstandschichten folgendes aufweist: eines oder mehrere derjenigen Elemente, welche aus der aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Gemischen und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt sind; und zwei oder mehrere derjenigen Elemente, welche aus der aus B, C, N, O, Al, Si, P, S, Gemischen und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
  21. Speicherelement nach Anspruch 25, bei dem das Volumen an Speichermaterial (36) ein oder mehrere Chalcogen-Element(e) aufweist.
  22. Verfahren zum Programmieren eines elektrisch betriebenen Speicherelements, welches Verfahren folgendes aufweist: Vorsehen eines Speicherelementes, welches Speicherelement folgendes umfasst: ein Volumen an phasenänderndem Speichermaterial; und ein Paar von voneinander beabstandet angeordneten elektrischen Kontakten für die Zufuhr eines elektrischen Signales zu dem Volumen an Speichermaterial; 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.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Verfahrensschritt des Steuerns der energetischen Umgebung des Volumens an Speichermaterial umfasst, dass das Volumen an Speichermaterial mit Mitteln versehen wird, welche den Wärmeverlust von wenigstens einem Teil desselben steuern, wodurch ein Verlust an elektrischem Eingangssignal durch Verlust an Wärmeenergie an die umgebende Umwelt verhindert wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Steuermittel für den Wärmeverlust wenigstens eine Wärmeisolationsschicht aufweisen, die das Volumen an Speichermaterial zumindest teilweise einkapseln.
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