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Dokumentenidentifikation DE69015177T2 04.05.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0471737
Titel SPEICHERANORDNUNG, GEBILDET MIT AMORPHEM SILIZIUM.
Anmelder British Telecommunications p.l.c., London, GB
Erfinder OWEN, Alan, Ernest, Edinburgh EH10 5ER, GB;
SNELL, Anthony, James, Penicuik EH6 8PA, GB;
HAJTO, Janos, Edinburgh EH16 6TS, GB;
LECOMBER, Peter, George 35 Morlich Gardens, Dundee DD5 3Ja, GB;
ROSE, Mervyn, John Kingsbridge, Angus DD8 3TP, GB
Vertreter Beetz, R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Timpe, W., Dr.-Ing.; Siegfried, J., Dipl.-Ing.; Schmitt-Fumian, W., Prof. Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Mayr, C., Dipl.-Phys.Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69015177
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 04.05.1990
EP-Aktenzeichen 909073207
WO-Anmeldetag 04.05.1990
PCT-Aktenzeichen GB9000692
WO-Veröffentlichungsnummer 9013921
WO-Veröffentlichungsdatum 15.11.1990
EP-Offenlegungsdatum 26.02.1992
EP date of grant 14.12.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.05.1995
IPC-Hauptklasse H01L 45/00

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine neue analoge Speichervorrichtung, die auf mehrere verschiedene Leitzustände gesetzt oder zurückgesetzt werden kann.

Die meisten Halbleitervorrichtungen werden in binären Digitalsystemen verwendet, bei denen die Vorrichtung in einem von zwei Zuständen (z.B. hoher und niedriger Zustand) ist, die zur Darstellung einer binären O oder binären 1 verwendet werden können. In zunehmendem Maße werden aber auch Vorrichtungen gewünscht, die mehr als zwei Zustände einnehmen können. Vorrichtungen, die mehr als zwei Leitzustände einnehmen können (im Gegensatz zu den zwei Zuständen digitaler Vorrichtungen), können möglicherweise gut gebraucht werden in Strukturen, die als neuronale Netzwerke bekannt sind, in denen versucht wird, gewisse Strukturen des menschlichen Gehirns nachzubilden.

Erfindungsgemäß ist eine analoge Speichervorrichtung angegeben, die auf einen Widerstand gesetzt oder zurückgesetzt werden kann, der ein Maß für die an sie angelegte Spannung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aufweist:

(a) eine erste leitende Schicht;

(b) über der ersten leitenden Schicht eine dünne Schicht dotierten amorphen Siliziums;

(c) einen oberen Metallkontakt, der auf der Schicht amorphen Siliziums abgelagert ist, wobei das Metall V, Co, Ni, Pd, Fe oder Mn ist; und

(d) wobei die dünne Schicht einer Spannung ausgesetzt wurde, die ausreichend hoch war, um sie in eine analoge Speichervorrichtung umzuwandeln.

Die Art der ersten leitenden Schicht ist weniger wichtig1 solange es möglich ist, auf ihr die notwendige Schicht amorphen Siliziums (a-Si) aufwachsen zu lassen. Beispiele geeigneter Materialien sind Cr oder V. Beispiele nicht geeigneter Materialien sind Gold (das in die a-Si-Schicht diffundiert) oder Quecksilber (flüssig). Die erste leitende Schicht muß sich nicht über die gesamte Fläche des sich über ihr erstreckenden amorphen Siliziums ausbreiten. Indem die Schicht amorphen Siliziums als über der ersten leitenden Schicht liegend beschrieben wird, soll keine Aussage über die Orientierung der Vorrichtung beim Gebrauch gegeben werden, es soll lediglich ausgedrückt werden, daß das Silizium nach der ersten leitenden Schicht aufgebracht wird.

Das amorphe Silizium muß dotierbar sein, d.h. es muß möglich sein, durch Einlagern von Elementen einer höheren oder niedrigeren Wertigkeit als Silizium seine Leitfähigkeit zu erhöhen. Einige Techniken des Ablagerns amorphen Siliziums kann zu Silizium mit einer hohen Anzahl von Defekten führen, das nicht dotiert werden kann, beispielsweise das Argon-Sputtern eines Si-Targets in Abwesenheit von Wasserstoff. Den Fachleuten sind jedoch Verfahren zur Herstellung dotierbaren amorphen Siliziums bekannt. Beispielsweise kann die Niederdruckplasmazersetzung von Silanen (wahlweise bei Anwesenheit von Wasserstoff oder Fluor) auf ein erwärmtes Substrat verwendet werden.

Das Ablagern amorphen Siliziums wird bei W.E. Spear und P.G. LeComber, "Topics in Applied Physics", Bd. 55, ("The Physics of Hydrogenated Amorphous silicon I"), 1984, Seiten 65 - 71, beschrieben.

Das amorphe Silizium ist dotiert. Das Silizium kann dotiert werden, um Leitfähigkeit vom n-Typ hervorzurufen, indem ein Element mit höherer Valenz eingelagert wird, beispielsweise P, oder es kann dotiert werden, um zu Leitfähigkeit vom p-Typ zu führen, indem Elemente niedrigerer Wertigkeit, beispielsweise B, eingelagert werden.

Vorzugsweise wird das amorphe Silizium so dotiert, daß es bezogen auf das Volumen eine Leitfähigkeit von zumindest 10&supmin;&sup6; (Ohm cm)&supmin;¹ hat. Noch wünschenswerter ist ein Dotierungsgrad, der p&spplus; oder n&spplus;-Silizium entspricht, also einer Leitfähigkeit größer als 10&supmin;&sup4; (Ohm cm)&supmin;¹.

Verfahren zur Herstellung dotierten amorphen Siliziums sind den Fachleuten wohlbekannt. Das Silizium ist vorzugsweise p&spplus;-Silizium.

Die Dicke des dotierten amorphen Siliziums liegt vorzugsweise im Bereich 200 Angström bis 0,35 Mikrometer (20 bis 350 nm). Die Schicht amorphen Siliziums kann reines amorphes Silizium mit eingelagertem Wasserstoff sein (abgesehen von Dotierungsstoffen) oder kann eine Siliziumlegierung, beispielsweise eine Silizium-Germanium-Legierung, mit eingelagertem Wasserstoff sein.

Das dotierbare Silizium bzw. die Siliziumlegierung kann Fluor enthalten.

Die Ausgestaltung des oberen Kontakts ist wichtig, wenn man Eigenschaften eines analogen Speichers erhalten will. Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen werden Halbleiterschichten oft auf einem leitenden Substrat abgelagert, und in einem letzten Schritt wird eine Metallschicht abgelagert, nachdem die Halbleiterschichten abgelagert worden sind. Diese Metallschicht ist der obere Kontakt der Vorrichtung. Die Metallschicht kann natürlich durch einschließende Schichten bedeckt sein oder durch eine zusätzliche Metallschicht, die verwendet wird, um einen besseren Kontakt mit der in direktem Kontakt mit dem Silizium befindlichen Metallschicht zu erhalten. In der Halbleiterindustrie ist es üblich, Vorrichtungen übereinander als integrierte Schaltungen vorzusehen. Es ist möglich, über der erfindungsgemäßen Vorrichtung andere Halbleiter- oder Leiterschichten vorzusehen, um innerhalb einer einzigen integrierten Schaltung andere Vorrichtungen auszubilden.

Der obere Kontakt ist vorzugsweise V, Co, Ni oder Pd.

Beispielsweise kann das Metall abgelagert werden durch thermisches Verdampfen oder durch Sputtern.

Die Dicke des Metalls dürfte unerheblich sein. Fachleuten ist es bekannt, daß die üblichen Anforderungen bei der Herstellung von Metallkontakten zu bestimmten Randbedingungen führen. Wenn die Schicht zu dünn wird, können sich Probleme hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit bzw. Gleichmäßigkeit ergeben, wenn die Schicht zu dick ist, können Probleme aufgrund von mechanischen Spannungen entstehen. Die Schichtdicke kann beispielsweise zwischen 50 Angström (5 nm) und 50 Mikrometern liegen, vorzugsweise zwischen 100 Angström (10 nm) und 1 Mikrometer, insbesondere zwischen 20 nm und 50 nm.

Die Vorrichtung ist eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen. Vorzugsweise liegt sie in Form einer Schicht amorphen Siliziums mit einem einzigen Leitfähigkeitstypen, die auf einem leitfähigen Substrat als Bodenkontakt abgelagert ist, vor. Die Ausgestaltung des Bodenkontakts dürfte unerheblich sein. Somit kann der Bodenkontakt beispielsweise Cr sein, obwohl Cr nicht zu nutzbaren Analogspeichereigenschaften führt, wenn es als oberer Kontakt verwendet wird.

Der obere Kontakt kontaktiert für jede Vorrichtung vorzugsweise nur einen relativ kleinen Bereich der Schicht amorphen Siliziums, da somit eine große Anzahl von Vorrichtungen auf einer kleinen Fläche hergestellt werden können, so daß kompakte integrierte Schaltungen entstehen. Ein typischer Kontakt hat eine Fläche von 10&supmin;&sup6; cm². Erreichen kann man dies durch das gut bekannte Verfahren der Photolitographie.

Um die elektrischen Kennlinien zu ändern, ist es notwendig, an die Vorrichtung eine Spannung anzulegen. Eine solche dauerhafte elektrische Veränderung von Halbleitervorrichtungen ist Fachleuten oft als "Bildung" bekannt. Die anfänglich hergestellte Vorrichtung, hat bevor sie den "Bildungs"-Schritt durchläuft, einen vergleichsweise hohen Widerstand. Der Widerstand kann in der Größenordnung von 10&sup9; Ohm liegen.

Für die bevorzugte Vorrichtung, die lediglich Silizium eines einzigen Leitfähigkeitstyps aufweist, haben Bezeichnungen wie "Vorwärts-Vorspannung" oder "Rückwärts-Vorspannung" nichts zu sagen. Prinzipiell ist es gleichgültig, ob der obere Kontakt positiv oder negativ bezüglich des unteren Kontakts während des Bildungsprozesses ist.

Vorzugsweise ist der obere Kontakt während des Bildungsprozesses jedoch positiv gegenüber dem unteren Kontakt.

Der Bildungsschritt ist vorzugsweise in zwei Stufen unterteilt, einen "sanften" Bildungsschritt und einen "kräftigen" Bildungsschritt. Der "kräftige" Bildungsschritt ist ein Schritt, der die a-Si-Struktur in eine Vorrichtung mit den gewünschten Analogspeichereigenschaften umwandelt. Es ist möglich, die Vorrichtung in einem einzigen Schritt "kräftig" zu bilden, indem eine Spannung angelegt wird, die ausreichend groß ist, um die Struktur in eine Speichervorrichtung umzuwandeln, die einen Widerstand hat, der niedriger als der vollständige AUS-Zustand ist. Wie jedoch weiter oben angedeutet, ist es vorzuziehen, anfänglich einen "sanften" Bildungsschritt durchzuführen. Dieser umfaßt das Anlegen einer Spannung, die ausreichend hoch ist (beispielsweise 13 - 14 Volt) , um die Kennlinien der Vorrichtung dauerhaft zu ändern und ihren Widerstand zu verringern (beispielsweise um zwei Größenordnungen), ohne sie in eine Vorrichtung mit Analogspeichereigenschaften umzuwandeln. Der abschließende "kräftige" Bildungsschritt kann durch Anlegen einer weiteren, etwas höheren Spannung (beispielsweise etwa 1 bis 2 Volt über der Spannung bei der weichen Bildung) durchgeführt werden. Das Verhalten bei der anfänglichen "weichen" Bildung kann damit zur Festlegung der Spannung bei der kräftigen Bildung verwendet werden, was zu einem besser gesteuerten Vorgang führt. Nach der "kräftigen" Bildung ist der Widerstand der analogen Speichervorrichtung niedriger als der der Struktur nach der "weichen" Bildung (beispielsweise um eine Größenordnung oder mehr niedriger) . Er ist dann niedriger als der Maximalwiderstand (der Zustand vollständig AUS), auf den er bei der Verwendung zurückgesetzt werden kann.

Die Größe der Bildungsspannung hängt von der Dicke der amorphen Siliziumschicht ab. Vorzugsweise liegt sie im Bereich zwischen 6 und 16 Volt.

Es ist notwendig, die auf die Struktur einwirkende Energie zu steuern, da zuviel Energie Beschädigungen hervorrufen kann, die die Herstellung einer zufriedenstellenden Vorrichtung verhindern. Die Energie kann gesteuert werden, indem in die Schaltung ein Widerstand eingebaut wird und indem kurze Spannungsimpulse verwendet werden. Beispiele für verwendete Impulslängen sind 50 ns bis 1 Mikrosekunde.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf einen Widerstand gesetzt oder zurückgesetzt werden, der ein Maß für die angelegte Spannung ist. Durch das Wort "Setzen" soll zum Ausdruck gebracht werden, daß die Vorrichtung ihren Widerstand beibehält, selbst dann, wenn die Spannung, die bewirkte, daß die Vorrichtung eben diesen Widerstand einnimmt, wieder abgeklemmt wurde. Das Wort "Zurücksetzen" soll zum Ausdruck bringen, daß der Widerstand auf einen neuen gesetzten Wert geändert werden kann und nicht auf den ursprünglichen gesetzten Wert dauerhaft festgelegt ist. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen unterscheiden sich somit von Schwellenwertvorrichtungen dadurch, daß letztere einen gegebenen Zustand lediglich solange beibehalten, wie eine Haltespannung an sie angelegt ist. Sie unterscheiden sich weiterhin von den bekannten binären Speichervorrichtungen dadurch, daß bei letzteren zwar der Widerstand von der angelegten Spannung abnehmen kann, daß jedoch alle Spannung unterhalb eines bestimmten Werts einem Widerstand entsprechen und alle Spannungen über einem anderen Wert einem anderen Widerstand entsprechen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zeigen Analogspeichereigenschaften nicht im gesamten Bereich von Spannungen, die an sie angelegt werden können. Es sei angemerkt, daß eine Vorrichtung, die Analogspeichereigenschaften in einem Bereich von 10 Millivolt zeigt, praktisch keine sinnvolle Vorrichtung ist. Vorzugsweise sollen somit Metallkontakte ausgewählt werden, die über einem Spannungsbereich von zumindest 0,5 V, vorzugsweise zumindest über 1 V oder insbesondere 2 V zu Analogspeichereigenschaften führen.

Nach der "Bildung" wird die Vorrichtung normalerweise in einem Widerstandszustand zwischen dem AN- und dem AUS-Zustand sein. Durch Anlegen eines positiven Spannungsimpulses einer ausreichenden Spannung an den oberen Kontakt kann die Vorrichtung in den höchsten (den AUS-) Widerstandszustand gesetzt werden. Danach kann sie in einen Zustand niedrigeren Widerstands gebracht werden, indem der unteren Kontakt positiv in Bezug auf den oberen Kontakt gemacht wird. Ist die Spannung ausreichend hoch, wird die Vorrichtung auf ihren minimalen Widerstand (der Zustand vollständig AN) geschaltet. Niedrigere Spannungen schalten, sofern sie innerhalb des geeigneten Spannungsbereichs liegen, die Vorrichtung auf einen mittleren Widerstand, der mit der angelegten Spannung in Beziehung steht.

Ein anderes Verfahren zum Setzen der Vorrichtung ist es, eine Spannung anzulegen, die ausreicht, die gebildete Vorrichtung zurück in den vollständigen AN-Zustand zu schalten. Durch Anlegen einer positiven Spannung an dem oberen Kontakt kann sie dann auf einem zwischen dem vollständigen AUS-Zustand und dem vollständigen AN-Zustand liegende niedrigere Spannung geschaltet werden.

Das Umschalten der "gebildeten" analogen Speichervorrichtung wird vorzugsweise mit kurzen Spannungsimpulsen ausgeführt, beispielsweise Impulse einer Länge im Bereich 10 ns bis 500 ns.

Bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung nun beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine (nicht maßstabliche) Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Speicherelement;

Fig. 2 eine diagrammartige Darstellung einer Schaltung, die beim Testen von erfindungsgemäßen Speicherelementen verwendet wird;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung während des Bildungsvorgangs;

Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen der Widerstandsänderung einer gebildeten Vorrichtung mit sich ändernder LÖSCH-Spannung:

Fig. 6 und 7 graphische Darstellungen der Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Anzahl von LÖSCH- und SCHREIB-Impulsen konstanter Spannung, die an eine erfindungsgemäße Vorrichtung angelegt werden, wobei die LÖSCH-Impulse in Fig. 7 einen größeren Wert als in Fig. 6 haben.

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn SCHREIB-Impulse zunehmender Größe angelegt werden;

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die abwechselnd LÖSCH-Impulsen konstanter Größe und SCHREIB-Impulsen zunehmender Größe ausgesetzt wird;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die anfänglich im AN-Zustand war und mit LÖSCH-Impulsen zunehmender Größe beaufschlagt wird;

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die anfänglich im AN-Zustand war und die abwechselnd mit LÖSCH-Impulsen veränderlicher Größe und SCHREIB-Impulsen konstanter Größe beaufschlagt wird;

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die anfänglich im AUS-Zustand war und die mit SCHREIB-Impulsen mit zunehmender Größe beaufschlagt wird;

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die abwechselnd mit SCHREIB- und LÖSCH-Impulsen beaufschlagt wird, wobei die LÖSCH-Impulse konstant gehalten werden und die SCHREIB-Impulse in ihrer Größe zunehmen;

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die anfänglich in einem Zustand hohen Widerstands war, und die Spannungsimpulsen zunehmender Größe ausgesetzt ist, die den plötzlichen Übergang von einem Zustand sehr hohen Widerstands auf einen Zustand hohen Widerstands zeigt, wenn eine kritische Spannungsschwelle überschritten wird;

Fig. 15 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die anfänglich im AN-Zustand ist und die mit LÖSCH-Spannungsimpulsen zunehmender Größe beaufschlagt wird; und

Fig. 16 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die anfänglich im AUS-Zustand war und die mit SCHREIB-Impulsen zunehmender Größe beaufschlagt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß in digitalen Vorrichtungen ein SCHREIB-Impuls als ein Impuls angesehen werden kann, der die Vorrichtung auf einen Zustand entsprechend entweder binär 0 oder 1 setzt, während ein LÖSCH-Impuls als ein Impuls angesehen werden kann, der die Vorrichtung immer in einen Zustand entsprechend entweder binär 0 oder 1 zurücksetzt, während ein LÖSCH-Impuls als ein Impuls angesehen werden kann, der die Vorrichtung immer in einen entgegengesetzten Zustand (binär 1 oder 0) zurücksetzt. In der vorliegenden Beschreibung ist ein SCHREIB-Impuls ein Impuls, der dazu führt, daß der Widerstand der Vorrichtung abnimmt, und ein LÖSCH-Impuls ist ein Impuls, der dazu führt, daß er zunimmt. Ein SPEICHER-Impuls, der über die Größe der an die Vorrichtung angelegten Spannung analoge Information in ihr speichert, kann ein SCHREIB- oder ein LÖSCH-Impuls sein. Ein RÜCKSETZ-Impuls, der die Vorrichtung entweder vollständig AN- oder AUS-schaltet, kann somit ein SCHREIB- oder ein LÖSCH-Impuls sein, vorausgesetzt er ist ausreichend groß, um die Vorrichtung auf den Zustand vollständig AN oder AUS zu setzen.

Beispiel 1

Eine Struktur mit einem Glassubstrat, einer ersten leitenden Schicht aus Chrom, einer Schicht amorphen Siliziums mit eingelagertem Wasserstoff und dotiert mit Diboran (B&sub2;H&sub6;) und einer oberen Kontaktschicht wurde wie folgt hergestellt:

Die Glasstruktur war "Corning 7059"-Glas ("Corning" ist ein Warenzeichen) von etwa 0,75 mm Dicke und einer Lange von 45 mm und Breite von 20 mm. Auf diesem Substrat wurde mittels herkömmlicher thermischer Verdampfung von Chromkörnern von einem elektrisch erwärmten Wolframdraht im Vakuum eine Chromschicht einer Dicke von etwa 150 nm aufgebracht und nachfolgend durch herkömmliche Photolitographie in Form gebracht.

Auf diesem Substrat wurde das amorphe Silizium als einzelne Schicht mittels Radiofrequenz-Glühentladungszersetzung eines Gemischs von SiH&sub4; und etwa 10&sup4; vppm von B&sub2;H&sub6;, das man erhält, indem man Silangas und ein Gasgemisch 5Δ Diboran in Wasserstoff mittels Flußsteuerer in ein Vakuumsystem einläßt, abgelagert. Das Glassubstrat wurde an einem Substrathalter befestigt, der sich in einer evakuierten Glasrohrumhüllung befand, und wurde (mittels eine im Substrathalter enthaltenen Heizelements) auf 310 ºC bei einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; torr erwärmt. Dann wird Stickstoff in das System eingelassen, um das Vakuum auf 0,1 torr anzuheben, und (wie nachfolgend beschrieben) für eine Dauer von 4 Minuten (Eingangsleistung 8 W) eine Gasplasmaentladung induziert. Die Entladung wurde dann unterbrochen, der N&sub2;-Fluß angehalten und das System wieder auf unter 10&supmin;&sup6; torr gepumpt. Die Silan/Diboran/Wasserstoff-Gase wurden dann in die Kammer gelassen, wobei die Flußmengen so gesetzt werden, daß sie sowohl ein bestimmtes Silan/Diboran-Verhältnis als auch einen konstanten Gasdruck von 0,1 torr, der sich aus einem Gleichgewichtszustand zwischen ankommendem Gasfluß und ausgepumptem Gas einstellt, ergibt. Mittels eines Radiofrequenzgenerators, der bei 40 MHz arbeitete und der über den Substrathalter und zwei externe, 6 cm vom Substrat entfernte Sekundäreleketroden kapazitiv mit dem Gas gekoppelt war, wurde dann eine Gasplasmaentladung induziert. Entsprechend einer Leistungsdichte von 20 mW/cm² auf dem Substrat war die Eingangsleistung des Generators 8 W. Die RF-Entladung wurde 5,5 Minunten beibehalten und dann unterbrochen. Die sich ergebende Probe wurde im Vakuum gekühlt und dann aus dem Ablagerungssystem entfernt. Die Messung der a-Si-Schicht, die sich somit ergab, ergab eine Dicke von 900 Angström bis ±50 Angström (90 nm ±5 nm) . Der Wert der Leitfähigkeit aufgrund der B&sub2;H&sub6;-Dotierung wurde als zwischen 10&supmin;³ und 10&supmin;² (Ohm cm)&supmin;¹ in separaten Experimenten gemessen, die entsprechend p&spplus;a-Si:H die gleichen Ablagerungsbedingungen verwendeten.

Mittels herkömmlicher Lithographie wurde dann die Schicht amorphen Siliziums in eine Anzahl getrennter Elemente der Abmessung 900 x 500 Mikrometer geformt, die auf der ersten leietenden Schicht aus Chrom liegende Regionen bildeten. Mit Ausnahme von sehr kleinen Bereichen des amorphen Siliziums wurde dann eine isolierende Schicht über alles gelegt (wobei das amorphe Silizium selbst auf der ersten leitenden Schicht liegt), um den durch das abschließende Metall zu kontaktierenden Bereich zu definieren. Man macht dies mittels eines 1,2 Mikrometer dicken Isolators aus Photowiderstand (Shipley Microposit S1818), der in Form gebracht, gebacken und bei 200º gehärtet wurde, um die Vorrichtungsfläche von 10&supmin;&sup6; cm² zu begrenzen.

Indem im Vakuum eine Vanadiumfolie von einem elektrisch erwärmten Wolframdraht thermisch verdampft wurde, wurde ein oberer Kontakt aus Vanadium über der Vorrichtung angebracht, er hatte eine Dicke von 60 nm. Mittels herkömmlicher Lithographietechniken wurde er in Form gebracht, um individuelle Kontakte für jedes der vorher definierten a-Si-Elemente zu erzeugen; diese Ausformung umfaßt auch Sondenanschlüsse des Vanadiums auf einer Seite der Vorrichtung, die sowohl von der ersten Chromschicht als auch der a-Si-Schicht abgesehen in der vorher definierten Kontaktfläche isoliert waren. Fig. 1 zeigt eine Draufsicht der mittels dieser Technik hergestellten Vorrichtung.

Das endgültige Muster wurde als 779/1 bezeichnet. Die elektrischen Kennlinien eines individuellen Elements auf diesem Muster wurden wie folgt gemessen.

Das Element wurde kontaktiert, indem zwei Elektrosondennadeln verwendet wurden, die die obere und die untere Metallisierung kontaktierten. Die Sonden wurden mit einem Schaltnetzwerk derart verbunden, daß bei der einen Schalterstellung eine Sonde mit dem Impulsgenerator und die andere Sonde mit einer Seite eines Widerstands (RS) sowie dem Eingang eines Oszilloskops verbunden war, wobei die andere Seite des Widerstands geerdet war. In der anderen Schalterstellung waren diese Verbindungen vertauscht. Die Schaltung ist in Fig. 2 zu sehen. Das Anlegen eines Spannungsimpulses an die Vorrichtung unter Verwendung des Impulsgenerators verursachte somit einen Strom sowohl in der Vorrichtung als auch im Widerstand RS, so daß sich am Eingang des Oszilloskops eine Spannung proportional zu diesem Strom ergab. Die Messung dieses Stroms erlaubte die Berechnung des Widerstands der Vorrichtung. Es sei darauf hingewiesen, daß der Wert von RS ausreichend niedrig sein muß, daß alle angelegten Spannungen längs der Vorrichtung auftreten können, er muß jedoch groß genug sein, um ein meßbares Signal am Cszilloskop zu ergeben. Typischerweise lag der Wert von RS in einem Bereich zwischen 1 M Ohm (zur Erstellung einer anfänglichen Messung) und 100 Ohm (für Schaltmessungen)

Um den Widerstand der Vorrichtung zu messen, wurde vom Impulsgenerator ein kontinuierliches Gleichspannungsniveau von 0,5 V ausgegeben. Impulse zum Bilden und Umschalten wurden dem überlagert. Der anfängliche Widerstand des wie oben hergestellten Elements wurde zu größer als 10&sup8; Ohm gemessen. Das Element durchlief dann ein Verfahren, bei dem die elektrischen Eigenschaften durch die Anlegung von Spannungsimpulsen verändert wurden. An die a-Si-Schicht wurde eine Abfolge von 250-ns-Spannungsimpulsen mit allmählich zunehmender Spannung angelegt, wobei der obere Kontakt (V) auf einem positiven Potential gegenüber dem ersten Kontakt (Cr) lag. Nach jedem Impuls wurde der Widerstand des Elements wie oben beschrieben bestimmt. Kurve 1 aus Fig. 3 zeigt den Vorrichtungswiderstand über früheren Spannungsimpulsen, wenn aufeinanderfolgende Impulse angelegt werden. (Es sei darauf hingewiesen, daß der Vorrichtungswiderstand stabil ist, bis ein weiterer Spannungsimpuls angelegt wird, und nie auf seinen ursprünglichen Widerstand zurückkehrt, wenn er erst einmal modifiziert ist). Bei einer Spannung zwischen 13,5 und 14 Volt fällt der Widerstand plötzlich auf einen Wert von 7 x 10&sup5; Ohm, dies liegt innerhalb des erwarteten Schaltbereichs des Elements. Es war dann möglich, einen noch niedrigeren Widerstand der Vorrichtung zu erhalten, indem wesentlich kleinere negative Spannungsimpulse (3,4 V, 100 ns) verwendet wurden, es wurden dann Überprüfungen und Tests der dauernden und dramatischen Veränderungen der Vorrichtungseigenschaften des gebildeten Elements untersucht.

Beispiel 1(a)

An den ersten Kontakt (Cr) des Elements wurde zuerst ein Positivimpuls (100 ns, 3,4 V) angelegt, was zu einem AN- Zustand von 2 x 10³ Ohm führte (dies ist als SCHREIB-Impuls definiert) . Ein Puls entgegengesetzter Polarität, der am oberen Kontakt (V) positiv ist (als LÖSCH-Impuls definiert), wurde dann mit zunehmend höherer Spannung angelegt und nach jedem der Widerstand des Elements bestimmt. Die Ergebnisse dieses Tests sind in Fig. 4 gezeigt. Man sieht, daß bei einer Schwellenspannung von etwa 1,6 V der Elementwiderstand mit jedem fortlaufend größeren Spannungsimpuls allmählich zunimmt, bis bei etwa 3,0 V ein Endwiderstandszustand von etwa 4 x 10&sup5; Ohm erreicht wird. Es sei darauf hingewiesen, daß alle eingenommenen Zustände nichtflüchtig, sondern stabil sind, d.h. daß bei Abwesenheit von Versuchen, das Element umzuschalten (beispielsweise bei 0 V Vorspannung oder wenn abgeklemmt), es den Leitfähigkeitszustand beibehält, auf den es zuletzt gesetzt wurde.

Beispiel 1(b)

Um die Spannungsprogrammierbarkeit der Vorrichtung genau darzustellen, wurde ein anderes Verfahren der Verwendung überprüft. Hierbei wurde zunächst an den ersten bzw. Bodenkontakt (Cr) des Elements ein SCHREIB-Impuls von 3,4 V und 100 ns angelegt, um das Element in seinen Zustand niedrigen Widerstands zu bringen, es wurde der Widerstand gemessen (2 x 10³ Ohm); dann wurde an den oberen Kontakt (V) des Elements ein positiver, 100 ns langer LÖSCH-Impuls von anfänglich 1,2 V angelegt und der Widerstand der Vorrichtung abermals gemessen. Dieses Verfahren wurde wiederholt, wobei jeder LÖSCH-Impuls im Vergleich zum vorhergehenden um 0,05 V erhöht wurde. Die Ergebnisse dieses Tests sind in Fig. 5 gezeigt; wie erwartet, führte das Anlegen der SCHREIB-Impulse zu konstanten Widerstandswerten, während die zunehmende LÖSCH-Impulsamplitude zu einem Bereich von Widerstandswerten zwischen 2 x 10³ Ohm und 4 x 10&sup5; Ohm führte. Dies zeigt, daß zwischen der oberen und der unteren Schaltschwelle der Widerstand des Elements hauptsächlich eine Funktion des angelegten Spannungsimpulses ist, nicht jedoch der Anzahl der angelegten Impulse, wie dies aus Fig. 4 gefolgert werden könnte. Somit kann das Element kontrolliert auf einen Zwischenwert zwischen der oberen und der unteren Grenze gesetzt werden. Die Reproduzierbarkeit des Schaltens auf diese Zwischenwiderstandszustände wurde überprüft, indem wiederholt feste LÖSCH- und SCHREIB-Impulse von 100 ns, 3,4 V angelegt wurden, die Fig. 6 und 7 zeigen jeweils LÖSCH-Impulse von 100 ns, 2,1 V und 100 ns, 2,4 V. Über die Dauer der Versuche hinweg führte das Anlegen der festen Impulse zu konstanten Widerstandswerten. (Die Wertestreuungen nach LÖSCHEN ist auf die kleinen Fluktuationen der Werte der von der Ausrüstung angelegten Spannungen zurückzuführen; hieraus folgt, daß ein weiter Spannungsschwellenbereich wünschenswert ist, um so viele wie möglich nutzbare Zwischenzustände zu erhalten)

Beispiel 1(c)

Es wurde ein weiteres Verfahren zur Verwendung des Elements überprüft. Das Element wurde zuerst in seinen Zustand hohen Widerstands gesetzt (8 x 10&sup5; Ohm), indem LÖSCH-Impulse von +3,4 V, 100 ns (angelegt an den oberen Kontakt(V)) verwendet wurden. Dann wurde an das Element eine Abfolge von SCHREIB-Impulsen von 100 ns Dauer angelegt, die mit 1,2 V begannen und sich mit jedem Impuls um 0,05 V bis 3,3 V erhöhten. Nach jedem Impuls wurde der Widerstand des Elements gemessen, die Ergebnisse sind in Fig. 8 gezeigt. Wie vorher erhält man für SCHREIB-Impulse zwischen einer unteren Schwellenspannung und einer oberen Schwellenspannung (jeweils etwa 1,6 V bzw. 2,7 V) Zwischenwiderstandszustände, obwohl in dieser Kurve die Streuungen wesentlich größer sind als im Falle zunehmenden LÖSCHENS (Fig. 4).

Beispiel 1(d)

Es wurde ein weiterer Test vorgenommen, bei dem ein konstanter LÖSCH-Impuls von 3,4 V, 100 ns an das Element angelegt wurde, um es auf den höchsten Widerstandszustand zurückzusetzen, es folgte dann ein SCHREIB-Impuls von 100 ns, dessen Spannungs ausgehend von 1,2 V um 0,05 V bis auf 3,4 V bei wiederholten Versuchen erhöht wurde. Nach jedem Impuls wurde der Widerstand gemessen, die Ergebnisse sind in Fig. 9 gezeigt; wie im Fall konstanten SCHREIBENS und zunehmenden LÖSCHENS (Fig. 5) erkennt man, daß die Zwischenwiderstandswerte hauptsächlich eine Funktion der vorher angelegten Spannungsimpulse sind.

Beispiel 2

Es wurde ein Muster wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch eine erste Metallschicht von 50 nm Vanadium hergestellt wurde, die durch thermisches Verdampfen wie in Beispiel 1 beschrieben abgelagert wurde. Die Ablagerung von a-Si erfolgt wie in Beispiel 1, das fertige Muster (V-p&spplus;-V) wurde als 779/2 bezeichnet.

Ein Element dieses Musters wurde wie im Beispiel 1 getestet. Anfänglich wurden an den oberen Kontakt eine Abfolge von positiven Spannungsimpulsen von 250 ns angelegt, wobei jeder folgende Impuls eine höhere Spannung hatte als der vorherige; nach jedem Impuls wurde der Elementwiderstand gemessen. Der Test wurde unterbrochen, sobald man bemerkte, daß das Ereignis der "Bildung" eintrat (also ein plötzlicher Wechsel im Widerstand auf 6 x 10&sup5; Ohm). Die Ergebnisse dieses Tests sind in Kurve 2 in Fig. 3 gezeigt.

Zur Bestimmung der Abhängigkeit des Elementwiderstands von vorher angelegten Spannungsimpulsen wurden weitere 4 Experimente ((a) bis (d), wie im Beispiel 1 definiert) an den Elementen vorgenommen.

Fig. 10 zeigt die Ergebnisse von Experiment (a) (bei dem nach einem anfänglichen SCHREIB-Impuls (100 ns, 3,4 V am unteren Kontakt) eine Abfolge von 100 ns LÖSCH-Impulsen beginnend mit 1,2 V in Schritten von 0,05 V bis 3,2 V angelegt wurden).

Fig. 11 zeigt die Ergebnisse von Experiment (b) (eine Abfolge von abwechselnd 3,4 V, 100 ns SCHREIB-Impulsen, die jeweils gefolgt wurden durch einen zunehmend höheren 100 ns LÖSCH-Impuls des Experiments.

Fig. 12 zeigt die Ergebnisse des Experiments (c)

(anfänglicher LÖSCH-Impuls von 3,4 V, 100 ns, gefolgt durch schrittweise zunehmende SCHREIB-Impulse von 100 ns, 1,2 V bis 3,4 V, in Schritten von 0,05 V)

Fig. 13 zeigt die Ergebnisse aus Experiment (d) (abwechselnd 3,4 V, 100 ns LÖSCH-Impulse, gefolgt von 100 ns SCHREIB-Impulsen, die in Schritten von 0,05 V von 1,2 V auf 3,4 V erhöht wurden).

Diese Tests zeigen, daß sich das V-p&spplus;-V-Muster ähnlich wie das V-p&spplus;-Cr-Muster aus Beispiel 1 verhält; insbesondere ergibt sich kein Hinweis, daß das Ersetzen der ersten Cr-Metallschicht durch V ein weiteres Schalten (entgegengesetzter Polarität) in der Struktur verursacht.

Vergleichstest A

Es wurde ein Muster wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit einer abschließenden (oberen) Metallschicht von 50 nm Cr, die als die erste untere Metallschicht abgelagert wurde. Das Ablagern von a-Si wurde genauso wie in Fig. 1 vorgenommen und das endgültige Muster (Cr-p&spplus;-Cr) mit 779/3 bezeichnet.

Ein Element dieses Musters wurde wie in Beispiel 1 getestet. Anfänglich wurde eine Abfolge von positiven Spannungsimpulsen von 250 ns an den oberen Kontakt angelegt, wobei jeder folgende Impuls größer war als der vorherige, bis das "Bildungs"-Ereignis stattfand. Die Ergebnisse dieses Tests sind in Fig. 14 gezeigt; es sei darauf hingewiesen, daß die Widerstandsänderungen in einem wesentlich kleineren Spannungsbereich als im entsprechenden Test in den Beispielen 1 und 2 (Fig. 3) stattfanden.

Nach dem "Bilden" wurde das Element mittels der Verfahren (a) und (c) wie vorher beschrieben getestet, um das Vorliegen von Zwischenwiderstandszuständen zu bestimmen.

Fig. 15 zeigt die Ergebnisse des Verfahrens (1).

Fig. 16 zeigt die Ergebnisse des Verfahrens (c) . Es sei darauf hingewiesen, daß, obwohl in diesem Element ähnliche Widerstandsgrenzen zu sehen sind wie in den Beispielen 1 und 2 (also zwischen 2 x 10³ Ohm und 3,5 x 10&sup5; Ohm), und obwohl einige Zwischenzustände existieren, der Spannungsbereich, in dem diese Zwischenzustände erhalten werden können, wesentlich enger ist als der Bereich der Beispiele 1 und 2 (etwa 0,15 - 0,2 V verglichen mit etwa 2,2 V). Dies macht es außerordentlich schwierig, die Zwischenzustände zuverlässig zu programmieren, so daß das Element nur für digitalen Gebrauch geeignet ist (also vom Zustand 2 x 10³ Ohm zum Zustand 3,5 x 10&sup5; Ohm), so daß es als digitale Vorrichtung zu klassifizieren ist.

Beispiele 3 bis 8 und Vergleichstests

Es wurden mehrere Muster im wesentlichen wie Beispiel 1 hergestellt (also Glas, erste leitende Schicht Cr, eine 900 Angström dicke a-Si:H-Schicht, dotiert mit B&sub2;H&sub6;), es wurden jedoch anstelle der V-Schicht aus Beispiel 1 mehrere verschiedene obere Kontaktmetallschichten abgelagert. Jedes Muster wurde dann wie in Beispiel 1 getestet, und es wurde der Bereich von Schaltspannungen bestimmt, indem Zwischenzustände erhalten werden konnten. Dementsprechend wurden die Vorrichtungen klassifiziert als digital (Schaltbereich < 0,5 V) oder analog (Schaltbereich > 0,5 V); bevorzugte analoge Vorrichtungen wurden als solche definiert, die einen Schaltbereich von 2,0 V oder mehr zeigten. Tabelle 1 führt die Ergebnisse dieser Tests an.

TABELLE 1
Meßprotokoll vom p&spplus;-Schalten mit unterschiedlichen oberen Metallen, alle unteren Kontakte sind Chrom. T.E. = thermisches Verdampfen des oberen Metalls. S = aufgesputtertes oberes Metall. Beispiel oder Test Oberer Metallkontakt Verfahren Schalttyp Schaltbereich Bemerkung digital analog kein Schalten unstabil Zwischenzustand existiert bevorzugt keine Zwischenzustände ermittelt


Anspruch[de]

1. Analoge Speichervorrichtung, die auf einen Widerstand gesetzt oder zurückgesetzt werden kann, der ein Maß für die an sie angelegte Spannung ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aufweist:

(a) eine erste leitende Schicht;

(b) über der ersten leitenden Schicht eine dünne Schicht dotierten amorphen Siliziums;

(c) einen oberen Metallkontakt, der auf der Schicht amorphen Siliziums abgelagert ist, wobei das Metall V, Co, Ni, Pd, Fe oder Mn ist; und

(d) wobei die dünne Schicht einer Spannung ausgesetzt wurde, die ausreichend hoch war, um sie in eine analoge Speichervorrichtung umzuwandeln.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Metall des oberen Kontakts V, Co, Ni oder Pd ist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, das aufweist:

(i) Ablagern einer dünnen Schicht dotierten amorphen Siliziums auf der ersten leitenden Schicht;

(ii) Ablagern einer Kontaktschicht aus V, Co, Ni, Pd, Fe oder Mn auf dem amorphen Silizium;

(iii) Anlegen einer sanften Bildungsspannung an die Vorrichtung, wobei die Spannung ausreichend ist, den Widerstand der Vorrichtung dauernd zu verringern; und

(iv) Anlegen einer kräftigen Bildungsspannung, um den Widerstand des Elements weiter zu reduzieren.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei der die sanfte Bildungsspannung 13 - 14 V ist und die kräftige Bildungsspannung 1 - 2 V höher als die sanfte Bildungsspannung liegt.







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