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Dokumentenidentifikation DE69431053T2 20.03.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0694214
Titel ELEKTRISCH LÖSCHBARER, UNMITTELBAR ÜBERSCHREIBBARER, AUS MULTIBIT-EINZELZELLEN BESTEHENDER SPEICHER UND DARAUS HERGESTELLTE SPEICHERMATRIX
Anmelder Energy Conversion Devices, Inc., Troy, Mich., US
Erfinder OVSHINSKY, R., Stanford, Bloomfield Hills, US;
YE, Qiuyi, Bloomfield Hills, US;
STAND, A., David, Bloomfield Hills, US;
CZUBATYJ, Wolodymyr, Warren, US
Vertreter HOFFMANN · EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69431053
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.04.1994
EP-Aktenzeichen 949124028
WO-Anmeldetag 11.04.1994
PCT-Aktenzeichen PCT/US94/03953
WO-Veröffentlichungsnummer 0009424707
WO-Veröffentlichungsdatum 27.10.1994
EP-Offenlegungsdatum 31.01.1996
EP date of grant 24.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.03.2003
IPC-Hauptklasse H01L 45/00
IPC-Nebenklasse H01L 27/24   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine einzigartige neue Klasse von Halbleitermaterialien, die durch eine hohe Konzentration modulierbarer freier Ladungsträger gekennzeichnet sind. Die Arbeitsweise von Bauelementen, die aus dieser neuen Klasse von Halbleitermaterialien gefertigt werden, unterscheidet sich von der früherer Halbleiterbauteile und kann so zugeschnitten werden, dass neue Bauelementekonfigurationen geschaffen werden, die ungewöhnliche neue Eigenschaften aufweisen. Sie bezieht sich genauer auf eine neue Klasse von mikrokristallinen Halbleitermaterialien mit schmaler Bandlücke als solche; auf diese Materialien, soweit sie spezifisch für elektrisch und optisch betriebene, direkt überschreibbare, sehr schnell schaltende nichtflüchtige analoge und mehrstufige Einzelzellen-Festkörperspeicherelemente niedriger Energie ausgelegt sind; sowie auf aus diesen Materialien gefertigte elektrische Speicheranordnungen hoher Dichte.

HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Der Ovonic-EEPROM ist eine neuartige geschützte, nichtflüchtige elektronische Dünnschicht-Speichervorrichtung hoher Leistung. In dieser Vorrichtung können Daten entweder analog oder in binärer Form (ein Bit pro Zelle) oder in multistabiler Form (mehrere Bits pro Speicherzelle) gespeichert werden. Die Vorteile des Ovonic-EEPROM sind unter anderem nichtflüchtige Datenspeicherung, ein Potential für hohe Bitdichte und daher wegen seiner kleinen Grundfläche und einfachen zweipoligen Bauteilkonfiguration ein niedriger Preis, eine lange Umprogrammierungs-Zyklenlebensdauer, niedrige Programmierenergien und hohe Geschwindigkeit. Der Ovonic-EEPROM ist zu binärem und multistabilem Betrieb befähigt. Kleine Unterschiede in der Struktur und in den verwendeten Materialien existieren, um entweder seine binären oder seine multistabilen Leistungsmerkmale zu verstärken. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe "Speicherelemente" und "Steuerelemente" synonym verwendet werden.

Der Betrieb der meisten Halbleiterbauelemente wird durch die Steuerung der Konzentrationen beweglicher Ladungsträger beherrscht, die sich von den bei thermischem Gleichgewicht erzeugten Konzentrationen unterscheiden. Vor der vorliegenden Erfindung waren rtur vier allgemeine Verfahren bekannt, um die Konzentration von freien oder Überschuss- (diese beiden Begriffe werden in der gesamten Diskussion austauschbar verwendet) ladungsträgern in Festkörper-Halbleiterbauelementen zu steuern und zu modulieren. Diese vier bekannten Verfahren werden hierunter beschrieben werden, nachdem jene grundlegenden Mechanismen des Betriebs von Halbleiterbauelementen allgemein diskutiert worden sind, die erforderlich sind, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung würdigen zu können.

Zur Erklärung sind in einem idealen Halbleitergitter ohne Verunreinigungen oder Gitterdefekte - einem Eigenhalbleiter - bei 0 K keine Ladungsträger vorhanden, da das Valenzband mit Elektronen gefüllt und das Leitungsband leer ist. Bei höheren Temperaturen jedoch werden Elektron-Loch-Paare erzeugt, indem Valenzbandelektronen thermisch über die Bandlücke zum Übertritt ins Leitungsband angeregt werden. Diese thermisch erzeugten Elektron-Loch-Paare sind die einzigen in einem Eigenhalbleitermaterial vorhandenen Ladungsträger. Da die Elektronen und Löcher paarweise erzeugt werden, ist natürlich die Konzentration der Leitungsbandelektronen (Elektronen pro Kubikcentimeter) gleich der Konzentration der Löcher im Valenzband (Löcher pro Kubikcentimeter). Es ist bekannt, aber Wert betont zu werden, dass eine Rekombination der Ladungsträger mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgen muss, mit der sie erzeugt werden, wenn eine stationäre Ladungsträgerkonzentration aufrechterhalten werden soll. Rekombination erfolgt, wenn ein Elektron im Leitungsband einen Übergang zu einem leeren Zustand (Loch) im Valenzband ausführt, und zwar entweder direkt oder indirekt durch Vermittlung eines Rekombinationszentrums in der Mitte der Bandlücke, und somit das Paar annihiliert wird.

Zusätzlich zu den thermisch erzeugten Ladungsträgern können in Halbleitermaterialien Träger erzeugt werden, indem vorsätzlich bestimmte Verunreinigungen in das Kristallgitter eingeführt werden. Dieser Prozess wird Dotierung genannt und stellt ein übliches Verfahren dar, die Leitfähigkeit von Halbleitern zu variieren. Durch Dotierung kann ein Halbleitermaterial so verändert werden, dass es ein Übergewicht entweder von Elektronen oder von Löchern hat, d. h., entweder n-leitend oder p-leitend ist. Wenn ein Kristallgitter so dotiert wurde, dass sich die Gleichgewichts-Ladungsträgerkonzentrationen von den intrinsischen Ladungsträgerkonzentrationen unterscheiden, wird das Halbleitermaterial als "extrinsisch" (fremdleitend) bezeichnet. Wenn Verunreinigungen oder Gitterstörstellen in ein ansonsten ideales Kristallgitter eingeführt werden, werden in der Energiebandstruktur zusätzliche Niveaus erzeugt, gewöhnlich innerhalb der Bandlücke. Zum Beispiel wird durch die Einführung von Phosphor in Silicium oder Germanium ein Energieniveau sehr nahe beim Leitungsband erzeugt. Dieses neue Energieniveau ist bei 0 K mit Elektronen gefüllt, und sehr wenig thermische Energie ist erforderlich, um diese Elektronen zum Übergang ins Leitungsband anzuregen. So sind bei etwa 50 bis 100 K praktisch alle Elektronen des Verunreinigungsniveaus zum Leitungsband abgegeben worden. Ein mit Donatorenverunreinigungen dotiertes Halbleitermaterial kann eine beträchtliche Konzentration von Elektronen im Leitungsband haben, selbst wenn die Temperatur zu niedrig ist, als dass die intrinsische Ladungsträgerkonzentration erheblich sein könnte.

Nachdem nun der Leser die Bedeutung der Gegenwart von überschüssigen Ladungsträgern für die elektrische Leitfähigkeit würdigen kann, muss bemerkt werden, dass diese Ladungsträger auch durch optische Anregung erzeugt oder über einen in Vorwärtsrichtung gepolten pn-Übergang oder eine Schottkysche Sperrschicht hinweg injiziert werden können. Einfach ausgedrückt und ohne Rücksicht auf die Art und Weise, in der die überschüssigen Ladungsträger erzeugt werden, können sie die elektrischen Leitungsprozesse in einem Halbleitermaterial beherrschen. Es ist vorher festgestellt worden, dass es vier bekannte Verfahren der Modulierung der Konzentration freier Ladungsträger gibt. Diese vier Verfahren werden hierunter beschrieben.

(1) Im Jahre 1948 läuteten Bardeen, Brattain und Shockley das moderne Zeitalter der Halbleiterelektronik ein, als sie den Betrieb eines Festkörperverstärkers demonstrierten, indem sie den Fluss von injizierten Minoritätsträgern in Transistoren mit bipolaren Übergängen erfolgreich modulierten. Der Transistor mit bipolaren Übergängen ist ein dreipoliges Bauelement, in dem der Stromfluss durch zwei Pole durch kleine Änderungen des Stromes am dritten Pol gesteuert werden kann. Dieses Steuermerkmal erlaubt die Verstärkung schwacher Signale bzw. die Schaltung des Bauelements von einem "Ein"-Zustand in einen "Aus"-Zustand. In anderen Worten wird der bipolare Transistor dazu verwendet, die Injektion und Sammlung von Minoritäts-Ladungsträgern über einen Halbleiterübergang hinweg zu modulieren. Genauer gesagt und für den Augenblick eine bipolare pnp-Struktur betrachtend (der Betrieb einer bipolaren npn-Struktur ist einfach die Umkehrung des Betriebes der pnp-Sttuktur), ist die negative Seite des in Vorwärtsrichtung gepolten Übergangs die gleiche wie die negative Seite des in der Sperrrichtung gepolten Übergangs. In dieser Konfiguration liefert die Injektion von Löchern vom pn-Übergang in die zentrale n-Region die Minoritätsträger, d. h., Löcher, die am umgekehrten Stromfluss durch den np-Übergang beteiligt sind. Wie nunmehr offensichtlich sein sollte, bezieht sich die Bezeichnung dieses Bauelements als "bipolar" auf die kritische Bedeutung der Wirkung sowohl der Elektronen als auch der Löcher.

Im Betrieb hängt der Sättigungsstrom durch den pn-Übergang in Sperrrichtung des Bauelements von der Geschwindigkeit ab, mit der in der Nachbarschaft des Übergangs Minoritätsträger erzeugt werden. Es ist möglich, den Sperrstrom durch den Übergang zu erhöhen, indem die Geschwindigkeit der Elektron-Loch-Paarerzeugung erhöht wird. Dies kann mit Licht zustande gebracht werden (wie unten mit Bezug auf Photodetektoren diskutiert wird). Eine bequeme Vorrichtung, elektrisch Löcher zu injizieren, ist ein in Vorwärtsrichtung gepolter pn-Übergang, in dem der Strom primär auf Löcher zurückgeht, die von der p-Region her in das n-Material injiziert werden. Wenn die n-Seite des in Vorwärtsrichtung gepolten Übergangs die gleiche ist wie die n-Seite des in umgekehrter Richtung gepolten Übergangs, arbeitet die sich ergebenden pnp-Struktur, wenn Lochinjektion vom pn-Übergang in die zentrale n-Region Minoritätsträger, d. h., Löcher, liefert, die am umgekehrten Stromfluss durch den np-Übergang des Transistors teilnehmen. Natürlich ist die n-Region schmal gemacht, so dass die injizierten Löcher nicht in der n-Region (der Basis dieser pnp-Struktur) rekombinieren, ehe sie zur Verarmungsschicht des in Rückwärtsrichtung gepolten Übergangs diffundieren können.

Wenn dieser Transistortyp schliesslich als ein Schalter verwendet wird, wird er gewöhnlich in zwei Leitungszustände gesteuert, die als "Ein"-Zustand und "Aus"-Zustand bezeichnet werden. Obwohl Transistoren weder als ein Kurzschluss wirken, wenn sie eingeschaltet werden, noch als ein offener Stromkreis, wenn sie ausgeschaltet werden, sind sie doch in der Lage, diese Funktionen näherungsweise zu erfüllen. Beim Transistorenschalten wird der Emitterübergang in Vorwärtsrichtung, der Kollektorübergang in Sperrrichtung gepolt, wobei ein angemessener Stromfluss von der Basis her stattfindet. Wenn der Basisstrom null gemacht wird, ist der Kollektorstrom vernachlässigbar. Dies ist der "Aus"-Zustand. Wenn aber der Basisstrom positiv und genügend gross ist, wird die Vorrichtung in den Sättigungszustand getrieben, und der Transistor befindet sich in seinem "Ein"-Zustand. Deshalb pendelt dei Basisstrom in der typischen Schaltoperation von positiv zu negativ, wodurch die Vorrichtung von einer Sättigung zu einem Abschalten und umgekehrt getrieben wird.

(2) Das zweite herkömmliche Verfahren zur Steuerung der Konzentration freier Ladungsträger wird mit Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor- (metal-oxide-seimconductor field effect transistor, MOSFET-) Bauelementen implementiert. Als Hintergrundinformation sei gesagt, dass eines der am breitesten eingesetzten elektronischen Bauelemente insbesondere in digitalen integrierten Schaltungen der Metall-Isolator- Halbleiter- (metal-insulator-semiconductor, MIS-) Transistor ist. In einem MIS- Transistor wird die Konzentration von Ladungsträgern im Leitungskanal durch eine Spannung gesteuert, die an eine vom Kanal durch einen Isolator getrennte Steuer- oder Gate-Elektrode angelegt wird. Die so erhaltene Vorrichtung kann generisch als in Isolierschicht-Feldeffekttransistor (insulated-gate field effect transistor, IGFET) bezeichnet werden. Da die meisten IGFETs aber unter Verwendung eines Metalls (typischerweise Aluminium) als Steuerelektrode, Siliciumdioxid als Isolator und Silicium als Halbleitermaterial hergestellt werden, wird gewöhnlich der Ausdruck MOS-Feldeffekttransistor oder MOSFET verwendet.

Für den Betrieb eines MOSFET betrachte man einen n-leitenden Kanal, der in einem p-leitenden Siliciumsubstrat gebildet wurde. Die n-leitenden Regionen von Quelle (Source) und Senke (Drain) werden gebildet, indem dotierende Atome in ein leicht p-dotiertes Substrat eindiffundiert oder implantiert werden. Eine dünne Oxidschicht trennt die metallische Steuerelektrode von der Siliciumoberfläche. Kein Strom fliesst von Senke zu Quelle, wenn kein leitender n-Kanal dazwischen existiert, da die Senke-Substrat- Quelle-Kombination in Reihe angeordnete, gegensätzlich ausgerichtete pn-Ubergänge enthält. Wenn eine positive Spannung an die Steuerelektrode relativ zum Substrat (in diesem Beispiel die Quelle) angelegt wird, werden positive Ladungsträger auf dem Steuerelektrodenmetall angelagert. Im Ergebnis dieser Anlagerung werden negative Ladungsträger durch Bildung einer Verarmungsregion in dem darunterliegenden Silicium induziert. Zusätzlich wird eine bewegliche Elektronen enthaltende dünne Oberflächenregion gebildet. Die induzierten Elektronen bilden den Kanal des FET und erlauben Stromfluss von der Senke zur Quelle. Die Wirkung der Spannung an der Steuerelektrode besteht darin, die Leitfähigkeit des induzierten Kanals für niedrige Senke-Quelle-Spannung zu variieren. Der MOS-Feldeffekttransistor ist in digitalen Schaltkreisen besonders nützlich, in denen er vom "Aus"-Zustand (kein leitender Kanal) in den "Ein"-Zustand geschaltet wird. Sowohl n-Kanal- als auch p-Kanal-MOS-Transistoren sind sehr allgemein gebräuchlich.

Man kann sich die MOS-Struktur als einen Kondensator vorstellen, in dem die eine Belegung ein Halbleiter ist. Wenn eine negative Spannung zwischen dem Metall und dem Halbleiter angelegt wird, wird effektiv eine negative Ladung auf dem Metall angelagert. Als Reaktion darauf wird eine gleiche positive Nettoladung auf der Oberfläche des Halbleiters angesammelt. Im Falle eines p-leitenden Substrats geschieht dies durch Lochansammlung an der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche. Da die angelegte negative Spannung das elektrostatische Potential des Metalls relativ zum Halbleiter herabsetzt, werden die Elektronenenergien im Metall relativ zum Halbleiter heraufgesetzt. Die Energiebänder des Halbleiters verbiegen sich nahe der Grenzfläche, um die Ansammlung von Löchern aufzunehmen. Weil kein Strom durch die MOS-Struktur fliesst, gibt es keine Veränderung der Lage des Fermi-Niveaus innerhalb der Hauptmasse des Halbleiters. Das Ergebnis besteht in einer Verbiegung der Halbleiterbänder nahe der Grenzfläche, so dass in Nachbarschaft zur Grenzfläche das Fermi-Niveau näher am Valenzband liegt, wodurch eine höhere Lochkonzentration angezeigt wird als die, die sich aus der Dotierung des p-leitenden Halbleitermaterials ergibt.

Wenn eine positive Spannung vom Metall zum Halbleiter angelegt wird, erhöht sich das Potential des Metalls, wodurch das Fermi-Niveau des Metalls relativ zu seiner Gleichgewichtslage erniedrigt wird. Im Ergebnis wird das Leitungsband des Oxids wiederum verbogen. Die positive Spannung lagert positive Ladung auf dem Metall ab und ruft effektiv eine entsprechende negative Nettoladung an der Oberfläche des Halbleiters hervor. Eine solche negative Ladung entsteht in p-leitendem Material durch eine Verarmung der Löcher in der oberflächennahen Region, wodurch nicht kompensierte ionisierte Akzeptoren zurückbleiben. In der verarmten Region nimmt die Lochkonzentration ab, wodurch die Bänder nahe der Halbleiteroberfläche niedergebogen werden. Wenn die positive Ladung weiter steigt, biegen sich die Bänder an der Halbleiteroberfläche noch weiter herunter. Eine genügend hohe Spannung kann tatsächlich eine hohe Elektronenkonzentration im Leitungsband hervorrufen. In diesem Falle hat die Region nahe dem Halbleiter Leitungseigenschaften, die für ein n-leitendes Material typisch sind. Diese n-leitende Oberflächenschicht wird nicht durch Dotierung gebildet, sondern durch "Inversion" des ursprünglich p-leitenden Halbleitermaterials durch die angelegte Spannung. Diese vom darunterliegenden p-leitenden Material durch eine Verarmungsregion getrennte Umkehrschicht ist der Schlüssel für die Funktion von MOS-Transistoren.

(3) Das dritte bekannte Verfahren zur Steuerung der Konzentration freier Ladungsträger besteht in der durch Lichteinfall hervorgerufenen Erzeugung freier Ladungsträger beider Polaritäten. Diese durch Lichteinfall hervorgerufene Erzeugung freier Ladungsträger findet in solchen Bauelementen des Standes der Technik wie photovoltaischen Zellen, Photowiderständen, Photodetektoren und elektrophotographischen Trommeln statt.

Wenn überschüssige Elektronen oder Löcher in einem Halbleitermaterial erzeugt werden, findet man im allgemeinen einen entsprechenden Anstieg in der elektrischen Leitfähigkeit des Materials. Sofern die überschüssigen Ladungsträger durch optische Anregung erzeugt werden, wird der sich ergebende Anstieg der Leitfähigkeit als "Photoleitfähigkeit" bezeichnet. Wenn Photonen auf ein Halbleitermaterial auftreffen, werden diejenigen Photonen, die höhere Energien als die Energie der Bandlücke haben, absorbiert, und Elektron-Loch-Paare werden erzeugt. Die durch diesen Absorptionsprozess erzeugten Elektronen und Löcher sind Überschuss-Ladungsträger; da sie sich im Ungleichgewicht mit ihrer Umgebung befinden und in ihren betreffenden Bändern existieren, tragen sie zur elektrischen Leitfähigkeit des Materials bei.

(4) Das vierte bekannte Verfahren, die Konzentration der freien Ladungsträger in Halbleitermaterialien zu modulieren, besteht darin, die physikalische Struktur von Chalkogenid-Phasenumwandlungsmaterialien zu steuern, während sie reversible Phasenumwandlungen von amorph zu kristallin erfahren. Eine eingehende Erklärung dieser Erscheinung wurde in frühen Arbeiten über optische und elektrische Ovonic-Phasenumwandlungsmaterialien berichtet, für die von S. R. Ovshinsky bei Energy Conversion Devices, Inc., der Weg gebahnt wurde. Diese Materialien und Technologie werden eingehend hierunter diskutiert.

Da die vorliegende Erfindung eine bedeutsame wissenschaftliche Anwendbarkeit für und unmittelbare kommerzielle Auswirkungen auf viele verschiedene Segmente der elektronischen und Halbleiterindustrien hat, wird die besagte Erfindung hierunter in drei verschiedenen, aber miteinander verwandten Unterabschnitten diskutiert. Genauer wird die Bedeutung der vorliegenden Erfindung erörtert in Bezug auf (A) Halbleiterbauelemente per se; (B) optisch betreibbare schnelle, nichtflüchtige Phasenumwandlungsspeicher; und (C) elektrisch löschbare, unmittelbar überschreibbare Mehrstufen-Einzelzellenspeicher.

FRÜHER ELEKTRISCHER PHASENUMWANDLUNGSSPEICHER

Das allgemeine Konzept, elektrisch schreib- und löschbare Phasenumwandlungsmaterialien (d. h., Materialien, die elektrisch zwischen allgemein amorphen und allgemein kristallinen Zuständen geschaltet werden können) für elektronische Speicheranwendungen einzusetzen, ist fachlich wohlbekannt und als solches zum Beispiel offenbart in dem am 6. September 1966 an Ovshinsky erteilten US-Patent Nr. 3 271 591 und in dem am 22. September 1970 an Ovshinsky erteilten US-Patent Nr. 3 530 441, die beide dem gleichen Eigentümer wie die vorliegende Erfindung zugewiesen wurden (hierunter die "Ovshinsky- Patente").

Wie in den Ovshinsky-Patenten offenbart, können solche Phasenumwandlungsmaterialien elektrisch zwischen Strukturzuständen von allgemein amorpher und allgemein kristalliner lokaler Ordnung oder zwischen verschiedenen, erkennbaren Zuständen lokaler Ordnung geschaltet werden, und zwar über das ganze Spektrum zwischen völlig amorphen und völlig kristallinen Zuständen hinweg. Das heisst, dass die Ovshinsky-Patente beschreiben, dass das elektrische Schalten solcher Materialien nicht zwischen völlig amorphen und völlig kristallinen Zuständen zu erfolgen braucht, sondern in inkrementellen Schritten erfolgen kann, die Veränderungen von lokaler Ordnung widerspiegeln, um "Graustufen" zu schaffen, die durch eine Vielfalt von Bedingungen lokaler Ordnung dargestellt werden, die das Spektrum zwischen dem völlig amorphen und dem völlig kristallinen Zustand überspannen. Die in den Ovshinsky-Patenten beschriebenen frühen Materialien konnten auch zwischen nur zwei Strukturzuständen von allgemein amorpher und allgemein kristalliner lokaler Ordnung geschaltet werden, um die Speicherung und Wiedergewinnung einzelner Bits von kodierten binären Daten zu ermöglichen.

Die in den Ovshinsky-Patenten beschriebenen, elektrisch löschbaren Phasenumwandlungsspeicher sind in einer Reihe von kommerziell bedeutsamen Anwendungen eingesetzt worden. Jedoch ist diese frühe Technologie der elektrisch löschbaren Phasenumwandlung in Ermangelung von für eine Kommerzialisierung erforderlichen finanziellen Mitteln durch nachfolgende Entwicklungen auf anderen Gebieten elektronischer Festkörperspeicher schliesslich vom Markt verdrängt worden, und es wurde verhindert, dass diese Speicher in elektrischen Vorrichtungen wie zum Beispiel Personalcomputern verwendet wurden.

Im typischen Personalcomputer gibt es oft vier Speicherniveaus. Archivdaten werden in billigen, langsamen nichtflüchtigen Vorrichtungen hoher Speicherdichte wie Magnetband und Disketten gespeichert. Diese Daten werden, wenn sie gebraucht werden, zu schnelleren und teureren, aber immer noch nichtflüchtigen Festplattenspeichern überführt. Daten von den Festplatten werden ihrerseits zu dem noch teureren, schnelleren flüchtigen Systemspeicher überführt, der dynamische RAM- (DRAM-) Halbleitervorrichtungen verwendet. Sehr schnelle Rechner überführen sogar kleine Anteile der in DRAM gespeicherten Daten zu noch schnelleren, noch teureren flüchtigen statischen RAM- (SRAM-) Vorrichtungen hin und her, damit der Mikroprozessor nicht durch die Zeit gebremst wird, die erforderlich ist, Daten vom verhältnismässig langsameren DRAM zu holen. Die Datenübertragung zwischen den Niveaus der Speicherhierarchie beansprucht einiges von der Leistung des Rechners, und diese erforderlichen "Gemeinkosten" vermindern die Leistung und führen zu zusätzlicher Komplexität in der Rechnerarchitektur. Die derzeitige Verwendung der hierarchischen Struktur wird aber durch Preis und Leistung verfügbarer Speichervorrichtungen und die Notwendigkeit, die Rechnerleistung zu optimieren und gleichzeitig die Kosten auf ein Minimum zu senken, diktiert.

Die in den Ovshinsky-Patenten beschriebenen, elektrisch löschbaren Phasenumwandlungsspeicher hatten genau wie nachfolgende elektrische Festkörperspeicher eine Anzahl von Beschränkungen, die ihre weite Verbreitung als ein direkter und universeller Ersatz für heutige Rechnerspeicheranwendungen wie Band, Disketten, magnetische und optische Festplatten-Laufwerke, Festkörper-Plattenflash, DRAM, SRAM und Socketflash- Speicher verhinderten. Konkret stellen die folgenden Punkte die bedeutsamsten dieser Beschränkungen dar: (1) eine verhältnismässig niedrige (nach heutigen Massstäben) elektrische Schaltgeschwindigkeit, insbesondere beim Schalten in der Richtung grösserer lokaler Ordnung (in der Richtung erhöhter Kristallisation); (2) eine verhältnismässig hohe erforderliche Eingangsenergie, um eine nachweisbare Änderung in der lokalen Ordnung einzuleiten; und (3) ein relativ hoher Preis pro Megabyte gespeicherter Daten (insbesondere im Vergleich zu heutigen Festplattenlaufwerk-Medien).

Die bedeutsamste dieser Beschränkungen ist die verhältnismässig hohe erforderliche Eingangsenergie, um nachweisbare Veränderungen in den chemischen und/oder elektronischen Bindungskonfigurationen der Chalcogenidmaterialien zu erhalten, so dass eine nachweisbare Veränderung in der lokalen Ordnung eingeleitet werden kann. Die Schaltzeiten der in den Ovshinsky-Patenten beschriebenen elektrischen Speichermaterialien waren ebenfalls bedeutsam. Diese Materialien brauchten typischerweise Zeiten in Bereich einiger Millisekunden für die Einstellzeit (die Zeit, die erforderlich ist, um das Material vom amorphen in den kristallinen Zustand zu schalten); und ungefähr eine Mikrosekunde für die Rückstellzeit (die Zeit, die erforderlich ist, um das Material vom kristallinen zurück zum amorphen Zustand zu schalten). Die elektrische Energie, die erforderlich war, um diese Materialien zu schalten, wurde typischerweise im Bereich von etwa einem Mikrojoule gemessen.

Es sollte vermerkt werden, dass diese Energiemenge zu jedem der Speicherelemente in der Festkörpermatrix von Reihen und Spalten von Speicherzellen geliefert werden muss. Solche hohe Energieniveaus drücken sich in hohen Stromaufnahmeerfordernissen für die Adressleitungen und für die zu jedem diskreten Speicherelement gehörige Zellenisolier- und Adressiervorrichtung aus. Unter Berücksichtigung dieser Energieerfordernisse wäre für einen Fachmann die Auswahl von Speicherzellen-Isolationselementen begrenzt auf sehr grosse Einkristall-Dioden- oder Transistoren-Isoliervorrichtungen, die Lithographie im Mikrometermassstab verwenden müssten und somit eine hohe Packdichte von Speicherelementen verunmöglichen. Somit würden die niedrigen Bitdichten von aus diesem Material hergestellten Matrixanordnungen zu einem hohen Preis pro Megabyte an gespeicherten Daten führen.

Durch wirksame Verminderung des Preis- und Leistungsunterschieds zwischen nichtflüchtigen Archiv-Massenspeichern und schnellen, flüchtigen Systemspeichern sind die Speicherelemente der vorliegenden Erfindung in der Lage, die Schaffung eines neuen, nicht hierarchischen "universellen Speichersystems" zu ermöglichen. Im Wesentlichen können sämtliche Speicher des Systems billig, archivierend und schnell sein. Im Vergleich zu den ursprünglichen elektrischen Phasenumwandlungsspeichern vom Ovshinsky-Typ liefern die hier beschriebenen Speichermaterialien eine über sechs Grössenordnungen schnellere Programmierzeit (weniger als 30 Nanosekunden) und verwenden extrem niedrige Programmierenergie (weniger als 0,1 bis 2 Nanojoules) bei erwiesener Langzeitstabilität und Zyklisierbarkeit (mehr als eine Milliarde Zyklen). Ferner deuten experimentelle Ergebnisse darauf hin, dass zusätzliche Verminderungen der Grösse der Elemente die Schaltgeschwindigkeiten und die Zyklenlebensdauer erhöhen können.

Allgemein ist die Entwicklung und Optimierung der Klasse von Chalcogenid- Speichermaterialien nicht mit der gleichen Geschwindigkeit vorangekommen wie die anderer Typen von elektrischen Festkörperspeichern, die jetzt wesentlich schnellere Schaltzeiten und wesentlich geringere Einstell- und Rückstellenergien haben. Diese anderen Speicherformen verwenden typischerweise mehrere mikroelektronische Festkörper-Schaltkreiselemente für jedes Speicherbit (bis zu drei oder vier Transistoren pro Bit) in einigen Speicheranwendungen. Die primären "nichtflüchtigen" Speicherelementen in Festkörperspeichern wie EEPROM sind typischerweise Feldeffekt-Transistorvorrichtungen mit schwebender Steuerelektrode, die eine begrenzte Umprogrammierbarkeit haben und eine Ladung an der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors halten, um jedes Speicherbit zu speichern. Da diese Ladung mit der Zeit abfliessen kann, ist die Datenspeicherung nicht wirklich nichtflüchtig, wie es bei den Phasenumwandlungsmedien des früheren Standes der Technik der Fall war, wo Daten durch Veränderungen in der tatsächlichen Atomkonfiguration oder elektronischen Struktur des Chalkogenidmaterials gespeichert werden, aus dem die Elemente hergestellt werden. Diese anderen Speicherformen erfreuen sich jetzt einer gewissen begrenzten Akzeptanz auf dem Markt.

Im Gegensatz zu flüchtigen DRAM- und SRAM-Speichervorrichungen und im Unterschied zu anderen "Flash"-Vorrichtungen wie Strukturen mit schwebender Steuerelektrode sind in den elektrischen Speichervorrichtungen der vorliegenden Erfindung keine Feldeffekttransistorvorrichtungen erforderlich. Tatsächlich stellen die elektrisch löschbaren, unmittelbar überschreibbaren Speicherelemente der vorliegenden Erfindung die am einfachsten herzustellende elektrische Speichervorrichtung dar, da sie nur zwei elektrische Kontakte zu einem monolithischen Körper des Chalcogenid-Dünnfilmmaterials sowie eine Halbleiterdiode zur Isolierung benötigen. Im Ergebnis wird sehr wenig Chip-"Land" gebraucht, um ein Datenbit zu speichern, wodurch Speicherchips von innewohnend hoher Dichte zur Verfügung gestellt werden. Des weiteren können, wie unten beschrieben, weitere Steigerungen der Datendichte durch die Verwendung von Mehrbitspeicherung in jeder diskreten Speicherzelle erreicht werden.

Die elektronischen Festkörperspeicher, die heute verwendet werden, sind verhältnismässig teuer in der Herstellung, wobei der Preis pro Bit der Speicherkapazität typischerweise etwa zwanzigmal höher als bei Magnetplattenspeicherung liegt. Andererseits haben diese elektronischen Festkörperspeicher bestimmte Vorteile gegenüber Magnetplattenspeichern, indem sie keine bewegten Teile besitzen, zu ihrem Betrieb weniger elektrische Energie benötigen, leicht zu transportieren und aufzubewahren sind und bei der Verwendung mit tragbaren Rechnern und anderen tragbaren elektronischen Geräten vielseitiger und besser anpassungsfähig sind. Tatsächlich sagen die Hersteller von Festplattenlaufwerken ein rasches Wachstum in der Verwendung von immer kleineren Festplattenlaufwerken und schlussendlich den Einsatz von Festkörperspeicherung bei tragbaren Rechnern voraus. Des weiteren sind diese Festkörperspeicher gewöhnlich wirkliche Direktzugriffssysteme, im Gegensatz zu Plattentypen, die eine physische Bewegung des Plattenkopfes zur richtigen Datenspur erfordern, um auf den gewünschten Speicherplatz zuzugreifen. Jedoch hat trotz solcher Vorteile der höhere Preis von elektrisch löschbaren Festkörperspeichern diese daran gehindert, einen wesentlichen Anteil des Marktes zu gewinnen, der jetzt von Magnetspeichersystemen beherrscht wird. Obwohl elektrisch löschbare Festkörperspeicher potentiell zu geringeren Kosten gefertigt werden könnten, sind die Leistungsparameter dieser Materialien insgesamt nicht zulänglich dafür, dass sie Magnetplattensysteme voll ersetzen könnten.

Wir haben weiter oben erwähnt, dass es nur vier bekannte Typen von Halbleitervorrichtungen gab, die eingesetzt werden könnten, um die Konzentration von freier Ladung zu modulieren. Jede dieser Vorrichtungen ist dann in gewissen Einzelheiten diskutiert worden. Eine fünfte Halbleitervorrichtung, die durch Pulse von verhältnismässig geringer Energie auf mehrere verschiedene Widerstandswerte eingestellt werden kann und die zu verhältnismässig schnellen Schalteigenschaften befähigt ist, wird jetzt eingehend diskutiert werden. Nach sorgfältigem Lesen der folgenden Abschnitte, die die Leistungsmerkmale und die hinter dem Betrieb der Vorrichtung stehende Physik beschreiben, wird der Leser verstehen, warum sie nicht als ein fünfter Typ einer Halbleitervorrichtung, die die Ladungskonzentration moduliert, eingestuft worden ist.

Eine unlängst entwickelte Speichervorrichtung ist der elektrische Metall-amorphes Silicium-Metall- (MSM-) Speicherschalter. Siehe Rose und Mitautoren, "Amorphous Silicon Analogue Memory Devices" (Analogspeichervorrichtungen aus amorphem Silicium), Journal of Non-Crystalline Solids, 115 (1989), Seiten 168-170, und Hajto und Mitautoren, "Quantized Electron Transport in Amorphous-Silicon Memory Structures" (Quantisierter Elektronentransport in Speicherstrukturen aus amorphem Silicium), Physical Review Letters, Band 66, Nr. 14, 8. April 1991, Seiten 1918-1921. Dieser MSM-Schalter wird durch Abscheidung speziell ausgewählter metallischer Kontakte auf beiden Seiten eines p-leitenden Dünnfilms aus amorphem Silicium (a-Si) gefertigt. Die Bedeutung der Auswahl des metallischen Kontaktmaterials wird später diskutiert werden. Es wurde offenbar, dass die MSM-Speicherschalter ein verhältnismässig schnelles (10 bis 100 ns) Analog-Schaltverhalten bei Spannungspulsen von 1 bis 5 V aufweisen, wobei sie einen Bereich von Widerstandswerten von etwa 10³ bis etwa 10&sup6; Ohm ergeben, auf die sie in einer nichtflüchtigen Art und Weise eingestellt werden können. Es sollte dem geübten Fachmann sogleich offensichtlich sein, dass die MSM-Speicherschalter von Rose und Mitautoren und von Hajto und Mitautoren zwar elektrische Schalteigenschaften (d. h., Zeiten, Energien und den sich ergebenden Widerstandswert der Vorrichtung) haben, die den elektrischen Schalteigenschaften der Speicherelemente der vorliegenden Erfindung ähnlich sind, dass aber tatsächlich bedeutsame betriebliche Unterschiede dazwischen bestehen.

Der bedeutendste Unterschied bezüglich des elektrischen Schaltens liegt in der Unfähigkeit der MSM-Speicherschalter, unmittelbar überschrieben zu werden. Das heisst, dass die MSM-Schalter nicht unmittelbar in beiden Richtungen von einem beliebigen Widerstandswert im Analogbereich der Widerstandswerte zu einem beliebigen anderen Widerstandswert in diesem Bereich moduliert werden, ohne zuerst gelöscht (zu einem konkreten Anfangswiderstandswert oder "Anfangszustand" gesetzt) zu werden. Genauer muss der MSM-Schalter zuerst zum Zustand hohen Widerstands gesetzt (gelöscht) werden, ehe der benannte Schalter zu einem anderen Widerstandswert innerhalb des Analogbereichs gesetzt werden kann. Im Gegensatz dazu erfordern die Speicherelemente der vorliegenden Erfindung kein Löschen, ehe sie zu einem anderen Widerstandswert im Bereich gesetzt werden; d. h. sie sind unmittelbar überschreibbar.

Ein weiterer bedeutsamer Unterschied in den elektrischen Schalteigenschaften, der zwischen den MSM-Speicherschaltern von Rose und Mitautoren und von Hajto und Mitautoren einerseits und den elektrischen Speicherelementen der vorliegenden Erfindung andererseits besteht, ist das bipolare Verhalten besagter Schalter. Wie von Rose und Mitautoren offenbart, müssen die MSM-Schalter unter Verwendung elektrischer Pulse gelöscht werden, die die umgekehrte Polarität der Pulse haben, die zum Schreiben verwendet werden. Bedeutsamerweise ist diese Umkehr der Polarität des angelegten Pulses bei den Speicherelementen der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, gleich ob die vorliegenden Speicherelemente für digitales oder analoges Schalten verwendet werden.

Diese Unterschiede in den elektrischen Schalteigenschaften zwischen den MSM- Schaltern und den Speicherelementen der vorliegenden Erfindung gehen auf mehr als nur einen Unterschied in dem Material, aus dem die Elemente aufgebaut sind, zurück. Diese Unterschiede weisen auf die grundsätzlichen Unterschiede in den Schaltmechanismen hin, die die Physik des Betriebes der beiden Vorrichtungen kennzeichnen. Wie oben angedeutet und wie in den vorerwähnten Artikeln offenbart, hängen die elektrischen Schalteigenschaften der MSM-Speicherschalter kritisch von dem konkreten Metall (Metallen) ab, aus denen die Kontakte gefertigt sind. Das kommt daher, dass diese MSM-Schalter einen sehr hochenergetischen "Formierungs"prozess erfordern, in dem Metall von zumindest einem der Kontakte in den Schalterkörper transportiert und zu einem integrierenden Bestandteil dieses Körpers gemacht wird. In diesem Prozess wird eine Mehrzahl (zumindest 15, nach Fig. 1 der Arbeit von Rose und Mitautoren) von fortschreitend stärkeren Pulsen von 300 Nanosekunnden und 5 bis 15 V eingesetzt, um den Schalter zu formieren. Rose und Mitarbeiter führen aus: "... röntgen-mikroanalytische Untersuchungen sind an den Vorrichtungen ausgeführt worden, und es wurde gefunden, dass das Material der oberen Elektrode in eine fadenförmige Region des a-Si eingebettet worden ist. Dies legt nahe, dass sich das obere Metall im Filament verteilt und eine Rolle im Schaltmechanismus spielen kann. ..." Konkret finden Rose und Mitautoren auch, dass der dynamische Bereich verfügbarer Widerstandswerte durch das Metall bestimmt wird, aus dem der obere Elektrodenkontakt gefertigt wurde. Wie von Rose und Mitautoren ausgeführt, "... wird gefunden, dass sein Wert gänzlich vom oberen Kontakt abhängt, aber völlig unabhängig von der unterseitigen Metallisierung ist, d. h., Vorrichtungen mit einer oberen Elektrode aus Cr sind immer digital, und Vorrichtungen mit einer oberen Elektrode aus V sind immer analog, unabhängig von der unteren Elektrode. ..."

Das elektrische Schalten findet in dieser fadenförmigen metallischen Region statt; und ohne diese Wanderung von Metallmasse in das a-Si gäbe es kein Schalten, siehe die Arbeit von Hajto und Mitautoren. In völligem Unterschied dazu erfordern die Speicherelemente der vorliegenden Erfindung keine Wanderung des Kontaktmetalls in das Dünnschicht-Speicherelement, um analoges Speicherschalten mit hohen Geschwindigkeiten, niedriger Energie und unmittelbarem Überschreiben zu erreichen. Tatsächlich wird bei der Fertigung der Speicherelemente der vorliegenden Erfindung grosse Sorge getragen, die Diffusion von Metall von jeder der Elektroden in das aktive Chalkogenidmaterial zu verhindern. In einer Ausführungsform der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Vorrichtung werden beide Elektroden als eine Doppelschichtstruktur gefertigt, in der zum Beispiel Kohlenstoff eine Dünnschichtbarriere bildet, um eine Wanderung oder Diffusion zum Beispiel von Molybdän in das Chalcogenid-Schaltmaterial zu verhindern.

Aus der vorangehenden Analyse von Rose und Mitautoren und von Hajto und Mitautoren sollte es klar sein, dass MSM-Speicherschalter beim besten Willen nicht die Befähigung besitzen, Modulatoren der freien Ladungskonzentration zu sein. Vielmehr beruhen die MSM-Speicherschalter einfach auf der Schaffung eines fadenförmigen metallischen Pfades durch das amorphe Siliciummaterial, um einen Bereich von Widerstandswerten zu erhalten, weitgehend in der gleichen Art und Weise, in der ein modulierter Schalter verwendet wird, um den elektrischen Stromfluss zu steuern. Ein Perkolationspfad wird aufgebaut, dessen Durchmesser erhöht oder vermindert werden kann, um seinen Widerstandswert zu verändern. Der Schaltvorgang beinhaltet keine Bewegung des Lage des Fermi-Niveaus. Keine Änderung in der Aktivierung des Halbleitermaterials braucht herangezogen zu werden, um den Betrieb zu erklären. Keine Bewegung von einsamen Paaren nichtbindender Elektronen im atomaren Massstab liegt vor. Die Kristallitengrösse und deren Oberflächen-Volumen-Verhältnis ist unwichtig. Am wichtigsten ist aber, dass es für Rose und Mitautoren und für Hajto und Mitautoren unmöglich ist, Daten, die in den Zellen ihres Speichermaterials gespeichert sind, unmittelbar zu überschreiben. Der MSM- Schalter verlangt, dass gespeicherte Daten gelöscht werden, ehe neue Daten geschrieben werden können. Es überrascht nicht, dass Rose und Mitautoren behauptet haben, ihre MSM-Schalter seien auf eine Million Zyklen beschränkt, während die Speicherelemente der vorliegenden Erfindung ohne Versagen vor dem Ende der Versuche über mehr als eine Milliarde Zyklen zyklisiert wurden.

Einfach ausgedrückt, ist kein vor der vorliegenden Erfindung entwickeltes Festkörper-Speichersystem, gleich aus welchem Material es gefertigt wurde, billig; leicht zu fertigen; nichtflüchtig; elektrisch schreibbar und unmittelbar löschbar (überschreibbar) unter Verwendung niedriger Energiezufuhr; fähig zu Mehrbitspeicherung in einer einzelnen Zelle (Graustufen besitzend); und zu sehr hoher Packungsdichte fähig gewesen. Das hierunter beschriebene Speichersystem wird, weil es alle Mängel bekannter Speichersysteme anspricht, unmittelbare und breite Anwendung als ein universeller Ersatz für praktisch alle Typen von gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Rechnerspeichern finden. Weil die Speicher der vorliegenden Erfindung ganz im Dünnschichtformat gefertigt werden können, sind des weiteren dreidimensionale Arrays für ein neuronales Netzwerk hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte und für künstliche Intelligenzanwendungen möglich. Das Speichersystem der vorliegenden Erfindung ist daher einzigartig anwendbar auf neuronale Netzwerke und künstliche Intelligenzsysteme, weil seine mehrschichtigen, dreidimensionalen Anordnungen massive Mengen an Datenspeicherung zur Verfügung stellen, die schnell adressierbar ist und daher ein Lernen aus gespeicherten Daten zulässt.

Es ist aus der obigen Diskussion klar, dass die quantitativen Veränderungen in Schaltgeschwindigkeit und Energieerfordernissen der Speicher der vorliegenden Erfindung gegenüber den Phasenumwandlungsspeichern des Standes der Technik zeigen, dass erstere eine völlig neue Klasse von modulierbarem Halbleitermaterial definieren. Zusätzlich kennt der Stand der Technik keine Entsprechung zu den Fähigkeiten der Elemente der vorliegenden Erfindung bezüglich des unmittelbaren Überschreibens, des breiten dynamischen Bereichs und der Mehrbit-Speicherung.

Es sollte gewöhnlichen Fachleuten zur Genüge klar sein, dass es wesentlich ist, dass Speicherelemente wirklich nichtflüchtig sind, um den Flash-EEPROM-Markt anzusprechen und ernsthaft als ein universeller Speicher angesehen zu werden. Dies ist umso bedeutsamer, wenn Mehrbit-Speicherfähigkeiten für das Speicherelement beansprucht werden. Wenn ein eingestellter Widerstandswert verloren geht oder auch nur mit der Zeit bedeutsam driftet, werden die darin gespeicherten Daten zerstört, Benutzer verlieren das Vertrauen in die archivalischen Fähigkeiten des Speichers, und die Technologie verliert sämtliche Glaubwürdigkeit. Zusätzlich zur Stabilität eines eingestellten Widerstandswertes ist ein weiterer hochwichtiger Faktor, der für einen universellen Speicher erforderlich wäre, ein niedriger Schaltstrom. Dies ist äusserst bedeutsam, wenn die EEPROMs für archivalische Speicherung im grossen Massstab verwendet werden. In dieser Weise verwendet, würden die EEPROMs die mechanischen Festplattenlaufwerke (wie Magnet- und optische Plattenlaufwerke) der derzeitigen Rechnersysteme ersetzen. Einer der Hauptgründe für diesen Ersatz herkömmlicher mechanischer Festplattenlaufwerke durch EEPROM-"Festplattenlaufwerke" wäre es, den verhältnismässig hohen Energieverbrauch der mechanischen Systeme zu vermindern. Im Fall von Laptop-Rechnern ist dies von besonderem Interesse, da das mechanische Festplattenlaufwerk einer der grössten Leistungsverbraucher darin ist. Daher wäre es besonders vorteilhaft, diese Stromlast zu vermindern und so die Nutzzeit des Rechners pro Ladung der Stromquellen wesentlich zu verlängern. Wenn aber der EEPROM-Ersatz für mechanische Festplattenlaufwerke hohe Schaltstromerfordernisse (und daher hohe Leistungsaufnahme) hat, können die Energieersparnisse folgewidrig oder bestenfalls unwesentlich sein. Ein EEPROM, der als ein universeller Speicher betrachtet werden soll, verlangt daher niedrige Schaltströme.

Noch ein weiteres Erfordernis eines universellen EEPROM-Speichers ist eine hohe thermische Stabilität der darin gespeicherten Daten. Heutige Rechner und insbesondere Personalcomputer werden routinemässig hohen Temperaturen ausgesetzt. Diese hohen Temperaturen können durch die intern erzeugte Wärme hervorgerufen sein, wie von Stromquellen oder anderen wärmeerzeugenden inneren Komponenten. Diese hohen Temperaturen können auch durch Umweltfaktoren wie die Benutzung des Rechners in einem heissen Klima oder die Aufbewahrung des Rechners in einer Umgebung, die sich direkt oder indirekt auf höhere als normale Temperaturen erwärmt, verursacht werden. Was auch immer die Ursache von erhöhten Temperaturen, müssen heutige Rechnerspeichersysteme, speziell die "festen" oder archivalischen Speicher, selbst bei verhältnismässig hohen Temperaturen stabil sein. Ohne diese thermische Stabilität kann Datenverlust auftreten, was zu dem vorerwähnten Verlust der Glaubwürdigkeit führt.

Noch ein weiteres Erfordernis eines universellen EEPROM-Speichers ist eine lange Schreib-Lösch-Zyklenlebensdauer. Wie bei allen archivalischen Speichern spielt für EEPROMs die Zyklenlebensdauer beim Vertrauen und der Akzeptanz durch die Verbraucher eine wichtige Rolle. Wenn die Zyklenlebensdauer einer Speichervorrichtung zu kurz ist, wird der Verbraucher aus Angst vor dem Verlust wertvoller Daten abgeneigt sein, diese Vorrichtung zu verwenden. Wenn der EEPROM als ein Ersatz für Arbeitsspeicher oder Anzeigenspeicher für Rechner eingesetzt werden soll, also als ein Ersatz für DRAM oder SRAM, ist das Erfordernis einer langen Zyklenlebensdauer sogar noch kritischer. Der Arbeitsspeicher und der Anzeigenspeicher sind die Datenspeicherbereiche eines Rechners, die am häufigsten beschrieben und gelöscht werden. Jedesmal, wenn ein neues Rechnerprogramm geladen wird, wird ein Anteil des Arbeitsspeichers des Rechners gelöscht und neu geschrieben. Während des Ablaufs eines Rechnerprogramms wird ein Teil des Arbeitsspeichers des Rechners ständig durchlaufen. Jedesmal, wenn die Anzeige des Rechnermonitors verändert wird, werden Teile des Anzeigenspeichers durchlaufen. Wenn die EEPROMs, die dazu verwendet werden, den Arbeits- und Anzeigenspeicher des Rechners zu ersetzen, keine verhältnismässig lange Schreib-Lösch-Zyklenlebensdauer haben, müssten sie übermässig oft ersetzt werden. Dies würde zu übermässigen Kosten für den Verbraucher und daher zu einem Verlust an Verbrauchervertrauen führen.

Die internationale Anmeldung Nr. 93/04506, die von den gegenwärtigen Anmeldern eingereicht worden ist, offenbart ein elektrisch löschbares, unmittelbar überschreibbares Mehrbit-Einzelzellen-Speicherelement, das durch Hinzufügen eines Paares von beabstandet angebrachten Kontakten zur Lieferung eines elektrischen Eingangssignals verbessert worden ist, das dazu dient, das Speichermaterial auf einen ausgewählten Widerstandswert innerhalb eines weiten dynamischen Bereichs von elektrischen Widerstandswerten einzustellen und so die Zyklenlebensdauer des Speicherelements zu erhöhen. Dieser Typ eines Speicherelements sollte aber weiter verbessert werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt ein elektrisch betriebenes, unmittelbar überschreibbares Speicherelement zur Verfügung, umfassend:

ein Volumen von Speichermaterial mit einem grossen dynamischen Bereich von elektrischen Widerstandswerten und der Fähigkeit, in Beantwortung eines ausgewählten elektrischen Eingangssignals auf einen von mehreren verschiedenen Widerstandswerten innerhalb des benannten dynamischen Bereichs eingestellt zu werden, so dass das Element mit zumindestens zwei stabilen Widerstandswert-Einstellungen versehen werden kann;

ein Paar beabstandet angeordneter Kontakte zur Zuführung der benannten elektrischen Eingangssignale;

wobei zumindest ein fadenförmiger Teil des Volumens von Speichermaterial durch die benannten ausgewählten elektrischen Signale auf einen beliebigen der benannten, verschiedenen Widerstandswerte in dem benannten dynamischen Bereich eingestellt werden kann, und zwar ohne Rücksicht auf den vorherigen Widerstandswert des benannten Materials;

gekennzeichnet durch

ein einen fadenförmigen Teil steuerndes Element, eine Dünnfilmschicht umfassend, die zwischen dem benannten Volumen von Speichermaterial und zumindest einem der benannten, beabstandet angeordneten Kontakte angeordnet ist und aus einem hochohmigen Material besteht, das zumindest einen hindurchführenden niederohmigen Pfad enthält, durch den die elektrischen Eingangssignale zwischen den benannten, beabstandet angeordneten Kontakten und dem benannten Volumen von Speichermaterial hindurchgehen, wobei das benannte, den fadenförmigen Teil steuernde Element die Grösse und Lage des benannten fadenförmigen Teils während einer elektrischen Formierung des Speicherelements definiert und beim Gebrauch des Speicherelements die Grösse des benannten fadenförmigen Teils begrenzt sowie dessen Lage eingrenzt.

Mit der Erfindung definieren die steuernden Mittel die Grösse und Lage des fadenförmigen Teils während einer elektrischen Formierung des Speicherelements und begrenzen die Grösse und grenzen die Lage des fadenförmigen Teils während des Gebrauchs des Speicherelements ein, wodurch sie nach Anlegen eines elektrischen Signals von sehr niedrigem Gesamtstrom an die beabstandet angeordneten Kontakte eine hohe Stromdichte innerhalb des fadenförmigen Teils des Einzelzellen-Speicherelements schaffen.

Dadurch kann die Erfindung befähigen, ein unmittelbar überschreibbares elektronisches, nichtflüchtiges und leicht fertigbares Einzelzellen-Festkörperspeicherelement hoher Dichte und geringen Preises zur Verfügung zu stellen, das verminderte Schaltstromanforderungen und höhere thermische Stabität der darin gespeicherten Daten hat.

Diese Speicherelemente können eine einzigartige Klasse von Chalcogenid- Speichermaterialien verwenden, die Grössenordnungen höhere Schaltgeschwindigkeiten bei bemerkenswert verminderten Energieniveaus aufweisen. Solche Speichermaterialien haben stabile und wirklich nichtflüchtige, nachweisbare Konfigurationen lokaler atomarer und/oder elektronischer Ordnung, die selektiv und wiederholbar durch elektrische Eingangssignale mit variabler Spannung, Stromstärke und Dauer der Pulse begründet werden können. Die Elemente der Speichervorrichtung sind daher so zwischen atomaren und/oder elektronischen Konfigurationen unterschiedlicher lokaler Ordnung schaltbar, dass zumindest zwei stabile Einstellungen zur Verfügung gestellt werden. Die Grössenordnungen umfassende Verbesserung bei den Schaltgeschwindigkeiten und Schaltenergien, die durch die hierin offenbarten Speicherelemente möglich gemacht wird, ist nicht einfach inkrementell in ihrer Natur, sondern stellt eine grundsätzliche Verbesserung gegenüber dem früher für möglich Gehaltenen dar.

Während Theorien über solche Speichermaterialien derzeit untersucht werden, erklärt keine bislang vorgeschlagene Theorie das ganze aussergewöhnliche elektrische Schaltverhalten, das beobachtet wird. Konkret können die den Gegenstand darstellenden Halbleitermaterialien durch die Zuführung von Picojoules von Energie innerhalb von Nanosekunden zwischen zahlreichen elektrisch nachweisbaren Zuständen geschaltet werden. Die den Gegenstand darstellenden Speichermaterialien sind wirklich nichtflüchtig und können fast unbegrenzt zyklisiert (geschrieben und umgeschrieben) werden, während die Unversehrtheit der durch die Speicherzelle gespeicherten Daten ohne den Bedarf nach periodischen Auffrischsignalen aufrechterhalten wird. Das den Gegenstand darstellende Speichermaterial ist unmittelbar überschreibbar, so dass in anderen Speicherelementen gespeicherte Daten nicht gelöscht werden müssen (wie es bei ferroelektrischen und anderen Flashspeichersystemen der Fall ist), um die in einer gegebenen Gruppe von Speicherelementen gespeicherten Daten zu verändern.

Das den fadenförmigen Teil steuernde Mittel umfasst bevorzugtermassen eine zwischen 10 und 100 Ångström dicke Dünnfilmschicht, die zwischen einem der beabstandet angeordneten Kontakte und dem Volumen von Speichermaterial angeordnet ist.

Stärker bevorzugt umfasst das den fadenförmigen Teil steuernde Mittel eine Dünnfilmschicht aus hochohmigem Material, die zumindest einen hindurchführenden niederohmigen Pfad enthält, durch den elektrische Eingangssignale zwischen dem beabstandet angeordneten Kontakt und dem Volumen des Speichermaterials hindurchgehen. In einer Ausführungsform wird das hochohmige Material bevorzugt aus C, F, O, Si und H gebildet und wird meistbevorzugt aus einem Material gebildet, das eine Zusammensetzung in Atomprozent zwischen etwa 60-70% Kohlenstoff, 20-30% Fluor sowie 3-10% Sauerstoff, 0,5-2% Si und im übrigen H und andere Verunreinigungen hat.

Andere Ausführungsformen und Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie weitere Vorteile werden dargelegt und aus der eingehenden Beschreibung der Erfindung offenkundig werden, die hiernach folgt, insbesondere wenn in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen aufgenommen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine bruchstückhafte Querschnittsansicht, die einen Abschnitt einer integrierten Schaltung veranschaulicht, wobei die benannte Schaltung eine elektrisch löschbare und unmittelbar überschreibbare mehrstufige Speicherkonfiguration einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schildert;

Fig. 2 ist eine bruchstückhafte Querschnittsansicht, die einen Abschnitt einer integrierten Schaltung veranschaulicht, wobei die benannte Schaltung eine elektrisch löschbare und unmittelbar überschreibbare mehrstufige Speicherkonfiguration einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schildert;

Fig. 3 ist eine Aufsicht, die schematisch einen Abschnitt der integrierten Schaltungskonfigurationen der Fig. 1 und 2 veranschaulicht;

Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild, das einen Abschnitt der X-Y-Matrixanordnung der Isolationselemente in Verbindung mit den Speicherelementen der integrierten Schaltungskonfigurationen der Fig. 1 und 2 veranschaulicht;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die ein Einkristall-Halbleitersubstrat mit der integrierten Speichermatrix der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wie in Fig. 1 und 2 geschildert und in elektrische Verbindung mit einem integrierten Schaltungschip gebracht, auf dem die Adressiertreiber/Dekodierer funktionell angebracht sind;

Fig. 6 ist ein ternäres Phasendiagramm des Ge : Sb : Te-Legierungssystems, aus dem die Speicherelemente der vorliegenden Erfindung gefertigt werden, wobei das benannte Phasendiagramm die vielfachen Phasen zeigt, in die verschiedene Mischungen dieser Elemente bei rascher Erstarrung segregieren;

Fig. 7 schildert die atomare strukturelle Schichtung von drei ternären Legierungen des Ge-Sb-Te-Systems der Fig. 6 sowie die atomare Struktur von binärem Ge-Te, um die anisotrope Struktur der Systeme zu veranschaulichen;

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die Zyklisierungseigenschaften eines ersten Speicherelements ohne die fadeneingrenzende Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die mehrstufigen Fähigkeiten (d. h., die Fähigkeit des Speicherelements, zu vielfachen Widerstandsniveaus innerhalb des dynamischen Widerstandsbereichs gesetzt zu werden) eines ersten Speicherelements ohne die fadeneingrenzende Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Fig. 10 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die Zyklisierungseigenschaften eines zweiten Speicherelements ohne die fadeneingrenzende Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die mehrstufigen Fähigkeiten (d. h., die Fähigkeit des Speicherelements, zu vielfachen Widerstandsniveaus innerhalb des dynamischen Widerstandsbereichs gesetzt zu werden) eines zweiten Speicherelements ohne die fadeneingrenzende Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die Zyklisierungseigenschaften eines Speicherelements mit der fadeneingrenzenden Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Fig. 13 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die mehrstufigen Fähigkeiten (d. h., die Fähigkeit des Speicherelements, zu vielfachen Widerstandsniveaus innerhalb des dynamischen Widerstandsbereichs gesetzt zu werden) eines Speicherelements mit der fadeneingrenzenden Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Fig. 14 ist eine graphische Darstellung der differentiellen Auger-elektronenspektroskopischen Analyse der Kohlenstoffschicht, wie sie in den Elektroden der Speicherelemente der vorliegenden Erfindung abgeschieden wurde;

Fig. 15 ist eine graphische Darstellung der differentiellen Auger-elektronenspektroskopischen Analyse einer trocken geätzten Kohlenstoffschicht in den Elektroden der Speicherelemente der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 16 ist eine graphische Darstellung der differentiellen Auger-elektronenspektroskopischen Analyse einer nass geätzten Kohlenstoffschicht in den Elektroden der Speicherelemente der vorliegenden Erfindung.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Aus der breiten Klasse von Chalcogenidmaterialien gefertige löschbare elektrische Speicher haben strukturelle Veränderungen verwendet, die durch die Bewegung bestimmter atomarer Spezies innerhalb des Materials ermöglicht wurden, um eine Phasenumwandlung zu gestatten, während das Material vom amorphen Zustand zum kristallinen Zustand schaltete. Im Falle von elektrisch schaltbaren Chalcogenidlegierungen aus Tellur und Germanium zum Beispiel, wie den aus etwa 80 bis 85% Tellur und etwa 15% Germanium zusammen mit bestimmten anderen Elementen in kleinen Mengen von etwa je 1 bis 2% wie Schwefel und Arsen bestehenden war der mehr geordnete oder kristalline Zustand typischerweise durch die Bildung eines elektrisch hoch leitfähigen kristallinen Te-Fadens innerhalb der schaltbaren Pore des Speichermaterials gekennzeichnet. Eine typische Zusammensetzung eines solchen Materials des Standes der Technik wäre zum Beispiel Te&sub8;&sub1;Ge&sub1;&sub5;S&sub2;As&sub2; oder Te&sub8;&sub1;Ge&sub1;&sub5;S&sub2;Sb&sub2;. Weil Te in seinem kristallinen Zustand so hochleitend ist, wurde eine sehr niederohmige Bedingung durch den Te-Faden in dem mehr geordneten oder kristallinen Zustand geschaffen; wobei dieser Widerstand eine Anzahl von Grössenordnungen kleiner als der Widerstand der Pore im weniger geordneten oder amorphen Zustand ist.

Die Bildung des leitenden Te-Fadens im kristallinen Zustand erforderte jedoch die Wanderung der Te-Atome von ihrer Atomkonfiguration im amorphen Zustand zu der neuen, lokal konzentrierten Atomkonfiguration im Zustand des kristallinen Te-Fadens. Wenn das fadenartige Chalcogenidmaterial zum amorphen Zustand zurückgeschaltet wurde, war es in ähnlicher Weise erforderlich, dass das Te, das in den kristallinen Faden ausgefällt worden war, innerhalb des Materials aus seiner lokal konzentrierten Form im Faden zu seiner Atomkonfiguration im amorphen Zustand zurückwandert. Diese Atomwanderung, -diffusion und -umordnung zwischen dem amorphen und kristallinen Zustand verlangte in jedem Falle eine genügend lange Halte- oder Verweilzeit, um die Wanderung zu ermöglichen, wodurch die erforderliche Schaltzeit und -energie verhältnismässig hoch wurde.

Die gegenwärtigen Erfinder haben auf der Grundlage einer neuen Klasse von Chalcogenid-Halbleitermaterialien eine bemerkenswerte Verminderung sowohl der erforderlichen Schaltzeit als auch der Energiezufuhr für einen grundsätzlich anderen Typ eines elektrisch löschbaren, unmittelbar überschreibbaren Speichers entdeckt. Des weiteren gründen sich die Chalcogenidmaterialien auf grundlegend neuer Physik, deren Wirkungsweise, obwohl nicht voll verstanden, ein Schalten entweder innerhalb eines breiten Bereichs von stabilen Zuständen mit bemerkenswert niedriger Energiezufuhr bei bemerkenswert hohen Geschwindigkeiten liefert, so dass diese neu entdeckte Klasse von Materialien benutzt werden kann, um verbesserte elektrische Speicherelemente zu fertigen.

Konkret kann das Speichermaterial durch Zuführung von Picojoules an Energie innerhalb von Nanosekunden zwischen elektrisch nachweisbaren Zuständen unterschiedlichen Widerstandes geschaltet werden (die Mindestschaltgeschwindigkeit und die Mindestenergieerfordernisse sind noch nicht ermittelt worden, jedoch haben experimentelle Daten zur Zeit der Einreichung dieser Anmeldung gezeigt, dass der elektrische Speicher (ohne bereits optimiert zu sein) mit Programmierpulsen von nur 1 Nanosekunde moduliert werden kann). Dieses Speichermaterial ist nichtflüchtig und hält die Unversehrtheit der in der Speicherzelle gespeicherten Daten (innerhalb von ausgewählten Fehlergrenzen) aufrecht, ohne periodische Auffrischsignale zu verlangen. Im Gegensatz zu vielen anderen Halbleitermaterialien und -systemen, die bislang für Speicheranwendungen beschrieben worden sind, sind das Halbleiterspeichermaterial und die entsprechenden Systeme der vorliegenden Erfindung unmittelbar überschreibbar, so dass die diskreten Speicherelemente nicht gelöscht (auf einen bestimmten Anfangspunkt eingestellt) werden müssen, um die darin gespeicherten Daten zu verändern. Das bemerkenswert schnelle und wenig Energie erfordernde Schalten zu einem beliebigen von verschiedenen Widerstandswerten kann auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass besagtes Schalten ohne den Bedarf für massive Atomumordnungen des schaltenden Materials erfolgt.

Das Speichermaterial setzt sich aus einer Mehrzahl von atomaren Elementen als den Bestandteilen zusammen, deren jedes im gesamten Volumen des Speichermetalls verteilt vorhanden ist. Die Mehrzahl von atomaren Elementarbestandteilen beinhaltet bevorzugt mindestens ein Chalcogenelement und kann zumindest ein Übergangsmetallelement beinhalten. Der Begriff des Übergangsmetalls", wie er hierin verwendet wird, umfasst die Elemente 21 bis 30, 39 bis 48, 57 und 72 bis 80. Stärker bevorzugt schliesst die Mehrzahl von atomaren Elementarbestandteilen, die das Volumen des Speichermaterials bilden, Elemente ein, die aus der aus Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O und deren Mischungen oder Legierungen gebildeten Gruppe ausgewählt werden. Stärker bevorzugt schliesst das Übergangsmetall Cr, Fe, Ni und deren Mischungen von Legierungen ein, während das Chalcogenelement Te und Se einschliesst. Am meisten bevorzugt ist Ni als Übergangsmetall. Konkrete Beispiele solcher Mehrelementsysteme werden hiernach bezüglich des Te : Ge : Sb-Systems mit oder ohne Ni und/oder Se vorgestellt.

Wie Fachleuten wohlbekannt ist, zeichnen sich Chalcogenid-Halbleitermaterialien wie auch andere Halbleiter durch eine verbotene Energiezone oder Bandlücke aus, die ihr Valenz- und Leitungsband voneinander trennt (siehe das "Cohen, Fritzsche, Ovshinsky- Modell", das die Beweglichkeitslücke von Chalcogenid-Halbleitermaterialien beschreibt). Die Lage des Fermi-Niveaus, d. h., die Energie, bei der die Wahrscheinlichkeit der Besetzung eines Energieniveaus 50% ist, bestimmt teilweise die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials, und während es zu wesentlich anderen Lagen in der Bandlücke verschoben wird, wird ein grosser dynamischer Bereich von elektrischen Leitfähigkeiten möglich. Früher angenommene Theorien können aber weder die sehr niedrigen Energieerfordernisse erklären, die nötig sind, um die Lage des Fermi-Niveaus zu verändern und dadurch die Speicherelemente zu einem gegebenen Widerstandswert zu setzen, noch können sie die Arten von Ergebnissen erklären, die unten graphisch vorgestellt werden, insbesondere die bemerkenswerte Fähigkeit, sich zu Zwischenwerten des Widerstands in beiden Richtungen (sowohl von geringeren Werten des Widerstands zu grösseren Werten des Widerstands durch Eingabe eines gegebenen elektrischen Signals als auch umgekehrt) zu bewegen, ohne zu dem zuvor erwähnten anfänglichen "Startzustand" zurückzukehren, der einen Betrieb in nur einer einzigen Bewegungsrichtung (von höheren Widerstandswerten zu geringeren Widerstandswerten) verlangt. Es ist aus diesem Grunde, dass wir feststellen, dass das Halbleitermaterial der vorliegenden Erfindung wirklich unmittelbar überschreibbar ist. Ohne Rücksicht auf die Erklärung der Art und Weise, in der dies erreicht wird, liefert die vorliegende Erfindung eine Kombination wertvoller elektrischer Schalteigenschaften, die nie zuvor in einem einzelnen Speicherelement verfügbar gewesen sind.

Eine grundsätzliche Regel zur Unterscheidung nichtkristalliner Festkörper von ihren kristallinen Gegenstücken ist die, dass die die nichtkristallinen Phasen aufbauenden Atome Bindungswahlmöglichkeiten haben. Dies ist die conditio sine qua non von nichtkristallinen Festkörpern. Sie ergibt sich aus der Tatsache, dass kristalline Symmetrie das Gitter vorschreibt, was umgekehrt die Auswahl von chemische Bindungen beschränkt. Alle Eigenschaften, die ein amorpher Festkörper besitzt: seine Kohäsionsenergie, sein Widerstand gegen Kristallisation, seine optische Bandlücke, seine Beweglichkeitslücke, seine elektronischen Zustandsdichten usw. hängen von drei Faktoren ab; seinen Nahbindungsbeziehungen, seinen mannigfachen topologischen Konfigurationen und seiner gesamten interaktiven Umgebung. Ein amorphes Material kann aber eine nichtstöchiometrische Legierung in einer Nichtgleichgewichtskonfiguration sein, die aus vielen verschiedenen Arten von Atomen besteht, die eine Vielfalt von lokaler Ordnung und Umgebungen liefern. Die Kristallite, aus denen sich ein grosser Volumenteil des Halbleitermaterials der vorliegenden Erfindung zusammensetzt, sind sehr klein, in der Grössenordnung von (beispielsweise) 500 Ångström in der Hauptabmessung. Diese Kristallite sind umgeben von einer Haut oder Oberflächenregion von strukturell ungeordnetem Material, das viel Leicht nur wenige atomare Monolagen dick ist. Daher kann ein amorphes Modell oder zumindest ein Modell, das nur durch lokale Nahordnung gekennzeichnet ist, am besten verwendet werden, um eine Vorhersage der molekularen und atomaren Wechselwirkungen in der Oberflächenregion zu versuchen. Ohne den Wunsch, daran gebunden zu sein, wird ein solches darstellendes Modell in den folgenden Abschnitten beschrieben werden.

Die konkreten Halbleiterlegierungen, die dazu verwendet werden, die Speichervorrichtungen zu fertigen, enthalten Chalcogenidelemente, die insbesondere für das Vorliegen von "einsamen Paaren" von Elektronen bekannt sind. Es ist deshalb notwendig, die Auswirkung dieser einsamen Elektronenpaare in verfügbaren chemischen Bindungskonfigurationen zu diskutieren. Einfach gesagt, ist ein einsames Paar ein Elektronenpaar in der Valenzhülle eines Atoms, das typischerweise nicht an Bindungen beteiligt ist. Solche einsame Elektronenpaare sind sowohl strukturell als auch chemisch wichtig. Sie beeinflussen die Gestalt von Molekülen und Gitterstrukturen, indem sie starke Abstossungskräfte auf benachbarte Elektronenpaare, die an Bindungskonfigurationen beteiligt sind, wie auch auf andere einsame Paare ausüben. Da einsame Elektronenpaare nicht durch einen zweiten Kern in eine Bindungsregion eingebunden sind, sind sie in der Lage, Elektronenübergänge niedriger Energie zu beeinflussen und zu ihnen beizutragen. Die einsamen Paare können, worauf zuerst Ovshinsky hingewiesen hat, Bindungen mit einem und mit drei Zentren haben; und wie von Kastner, Adler und Fritsche gezeigt wurde, haben sie alternierende Valenzpaare.

Konkret haben die hierin beschriebenen Tellurlegierungen ein Valenzband, das sich aus Zuständen einsamer Paare zusämmensetzt. Da vier (4) p-Schalen-Elektronen in Te vorliegen und das Te-Atom durch zwei dieser bindenden Elektronen in der p-Schale chemisch gebunden wird, werden die anderen beiden Aussenelektronen (das einsame Paar) nicht für Bindungszwecke verwendet und ändern daher die atomare Energie des Systems nicht wesentlich. Man bemerke in dieser Beziehung, dass das höchste besetzte Molekülorbital das Orbital ist, das die Elektronen des einsamen Paares enthält. Dies ist bedeutsam, da in einem idealen stöchiometrischen Kristall aus Tellur- und Germaniumatomen das Valenzband sich verbreitern und aufwärts in Richtung auf die Lage des dann existierenden Fermi-Niveaus verschieben kann, wenn eine gewisse inner Spannung in dem Gitter, aus dem der Kristallit gebildet ist, angelegt wird. Jedoch sind TeGe-Kristalle natürlich "selbstkompensiert", das heisst, der Kristall hat den Wunsch, bevorzugt eine Te-reiche Zusammensetzung (52% Te und 48% Ge) anzunehmen. Der stöchiometrische Kristall ist kubisch flächenzentriert (fcc); durch die Zufuhr einer minimalen Energiemenge kann der Kristall aber eine rhomboedrische Kristallstruktur annehmen, indem er die Anzahl seiner Ge- und/oder Sb-Leerstellen erhöht. Es ist diese Erzeugung von Leerstellen in der kristallinen Gitterstruktur, die Gitterspannung in TeGe-Legierungen vermindern kann, die für ein Absinken des Energiezustands des Materials verantwortlich ist und das Fermi- Niveau in Richtung auf das Valenzband verschiebt.

Es ist annehmbar, wo nicht wesentlich, um eine darstellende, wenn auch nicht vollkommen vorhersagefähige Erklärung des atomaren Verhaltens zu gewinnen, einem lokalen Nahordnungsmodell ein amorphes Modell von lokaler Ordnung zu überlagern. Man bemerke bei Betrachtung der amorphen Natur des Materials, dass die Dichte von Störstellenzuständen in den Bandausläufern in Nachbarschaft zu den Bandkanten am grössten ist, während die Tiefe der Rekombinationszentren für eingefangene Ladungsträger weiter entfernt von den Bandkanten grösser ist. Das Vorliegen dieser tiefen Haftstellen und Bandausläuferzustände könnte eine mögliche Erklärung für stabile Widerstands-Zwischenwerte zwischen der Lage des Fermi-Niveaus und der Bandkante liefern. Ungeachtet der Theorie ist das Halbleitermaterial der vorliegenden Erfindung, wenn es völlig kristallin ist, ein entarteter Halbleiter, der metallartige Leitung aufweist.

Es wird weiter angenommen, dass die Grösse der Kristallite, die in der Masse des Halbleiter- und Speichermaterials existieren, verhältnismässig gering ist, vorzugsweise kleiner als etwa 200 um (2000 Å), stärker bevorzugt zwischen etwa 5 und 50 um (50 bis 500 Å) und am meisten bevorzugt in der Grössenordnung von etwa 20 bis 40 um (200 bis etwa 400 Å). Weiter wird angenommen, dass diese Kristallite von einer amorphen Haut umgeben sind, die vielleicht zur raschen Ausbildung der vielen Lagen des Fermi-Niveaus des Materials beiträgt, die als verschiedene Widerstandswerte (Leitfähigkeitswerte) nachweisbar sind, sowie auch zu den niedrigeren Energieerfordernissen für die Übergänge zwischen diesen nachweisbaren Widerstandswerten, auf die das Material zuverlässig und wiederholbar eingestellt werden kann.

In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist gefunden worden, dass die Modulation der Schalteigenschaften von zwei- oder dreipoligen Halbleiterbauelementen, die aus den mikrokristallinen Materialien der vorliegenden Erfindung gefertigt werden, so gesteuert werden kann, dass wiederholbare und nachweisbare Widerstandswerte hervorgebracht werden können. Es ist gefunden worden, dass es, um die Materialien der vorliegenden Erfindung durch Eingangssignale niedriger Energie schnell auf einen gewünschten Leitfähigkeitswert einzustellen (der durch die Lage des Fermi-Niveaus bestimmt wird), lediglich erforderlich ist, dass besagte Materialien zu einer stabilen (oder langlebigen metastabilen) Existenz mit zumindest zwei verschiedenen Lagen des Fermi-Niveaus befähigt sind, die ihrerseits gekennzeichnet sind durch im Wesentlichen konstante Bandlücken, aber verschiedene elektrische Leitfähigkeitswerte. Wie oben bemerkt, wird auch angenommen, dass die verhältnismässig geringe Kristallitgrösse vielleicht zum schnellen Übergang zwischen nachweisbaren Widerstandswerten beiträgt.

Ein Merkmal der Halbleitermaterialien der vorliegenden Erfindung ist ihre Tendenz, mehr und kleinere Kristallite pro Volumeneinheit zu bilden. Es wurde gefunden, dass Kristallitgrössen des breitesten bevorzugten Bereichs von typischen, die vorliegende Erfindung verkörpernden Materialien weit unterhalb von etwa 200 um (2000 Å) und allgemein unterhalb des Bereichs von etwa 200 bis 500 um (2000 bis 5000 Å) liegen, was für Materialien des Standes der Technik kennzeichnend war. Kristallitgrösse wird hierin als der Durchmesser der Kristallite oder als ihre "kennzeichnende Dimension" definiert, die dem Durchmesser gleichwertig ist, wenn die Kristallite nicht kugelförmig sind.

Es wurde ermittelt, dass Zusammensetzungen im hochohmigen Zustand bei der Klasse von TeGeSb-Materialien, die den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprechen, sich allgemein durch Konzentrationen an Te auszeichnen, die gegenüber denen, die in elektrisch löschbaren Speichermaterialien des Standes der Technik vorliegen, wesentlich geringer sind. In einer Zusammensetzung, die wesentlich verbesserte elektrische Schaltleistungseigenschaften liefert, war die durchschnittliche Te-Konzentration in den Materialien, so wie sie abgeschieden worden waren, beträchtlich kleiner als 70%, typisch unter etwa 60%, und reichte im allgemeinen von nur etwa 23% bis zu etwa 58% Te, am meisten bevorzugt von etwa 48% bis 58%. Die Ge-Konzentrationen lagen oberhalb von etwa 5% und reichten von einem niedrigen Wert bei etwa 8% bis zu einem Durchschnitt von etwa 40% im Material, blieben aber allgemein unter 50%. Der verbleibende unter den hauptsächlichen Elementarbestandteilen dieser Zusammensetzung war Sb. Die angegebenen Prozentsätze sind Atomprozent, die sich zu 100% der Atome der Elementarbestandteile summieren. So kann diese Zusammensetzung als TeaGebSb100-(a+b) gekennzeichnet werden. Diese ternären Te-Ge-Sb-Legierungen sind nützliche Ausgangsmaterialien für die Entwicklung zusätzlicher Speichermaterialien mit noch besseren elektrischen Eigenschaften.

Ein ternäres Diagramm des Te : Ge : Sb-Systems wird in Fig. 6 gezeigt. Schmelzen wurden aus verschiedenen Mischungen von Te, Ge und Sb bereitet, bei rascher Erstarrung segregierten die Schmelzen in vielfache Phasen. Eine Analyse dieser rasch erstarrten Schmelzen deutete auf die Gegenwart von zehn verschiedenen Phasen hin (die nicht alle in jeder gegebenen, rasch erstarrten Schmelze vorliegen). Diese Phasen sind: elementares Ge, Te und Sb, die binären Verbindungen GeTe und Sb&sub2;Te&sub3; sowie fünf verschiedene ternäre Phasen. Die Elementarzusammensetzungen aller ternären Phasen liegen auf der pseudobinären Linie von GeTe-Sb&sub2;Te&sub3; und werden in dem in Fig. 6 gezeigten ternären Diagramm durch die Bezugsbuchstaben A, B, C, D und E angedeutet. Die Atomverhältnisse der Elemente in diesen fünf ternären Phasen werden in Tabelle 1 vorgestellt. Eine eingehendere Beschreibung von Fig. 6 wird hierunter gegeben.

Tabelle 1 Beobachtete ternäre kristalline Phasen des TeGeSb-Systems

Die neuartigen Speicherelemente der vorliegenden Erfindung enthalten ein Volumen von Speichermaterial, wobei besagtes Speichermaterial bevorzugt zumindest ein Chalcogen einschliesst und ein oder mehrere Übergangsmetalle einschliessen kann. Die Speichermaterialien, die Übergangsmetalle einschliessen, sind elementar abgewandelte Formen unserer Speichermaterialien im ternären Te-Ge-Sb-System. Das heisst, dass die elementar abgewandelten Speichermaterialien abgewandelte Formen der Te-Ge-Sb- Speicherlegierungen darstellen. Diese elementare Abwandlung wird durch Aufnahme von Übergangsmetallen in das grundlegende ternäre Te-Ge-Sb-System erreicht, und zwar mit oder ohne ein zusätzliches Chalcogenelement wie Se. Allgemein fallen die elementar abgewandelten Speichermaterialien in zwei Kategorien.

Das erste ist ein Speichermaterial, das Te, Ge, Sb und ein Übergangsmetall enthält, und zwar im Verhältnis von (TeaGebSb100-(a+b))cTM100-c, wo die Indexzahlen Atomprozent angeben, die zusammen 100% der Elementarbestandteile ergeben, TM (transition metal) ist ein oder mehr Übergangsmetalle, a und b sind wie oben für das grundlegende ternäre Te-Ge-Sb-System dargelegt, und c ist zwischen etwa 90 und etwa 99,5%. Das Übergangsmetall kann bevorzugt Cr, Fe, Ni und deren Mischungen von Legierungen einschliessen. Konkrete Beispiele von Speichermaterialien, die in diesem System inbegriffen sind, wären unter anderen (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub5;Ni&sub5;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub0;Ni&sub1;&sub0;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub5;Cr&sub5;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub0;Cr&sub1;&sub0;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub5;Fe&sub5;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub0;Fe&sub1;&sub0;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub0;Ni&sub5;Cr&sub5;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub0;Ni&sub5;Fe&sub5;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub0;Cr&sub5;Fe&sub5; usw.

Das zweite ist ein Speichermaterial, das Te, Ge, Sb, Se und ein Übergangsmetall enthält, und zwar im Verhältnis von (TeaGebSb100-(a+b))cTMaSe100-(c+d), wo die Indexzahlen Atomprozent angeben, die zusammen 100% der Elementarbestandteile ergeben, TM (transition metal) ist ein oder mehr Übergangsmetalle, a und b sind wie oben für das grundlegende ternäre Te-Ge-Sb-System dargelegt, c ist zwischen etwa 80 und 99% und d ist zwischen etwa 0,5 und 10%. Das Übergangsmetall kann bevorzugt Cr, Fe, Ni und deren Mischungen von Legierungen einschliessen. Konkrete Beispiele von Speichermaterialien, die in diesem System inbegriffen sind, wären unter anderen (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub0;Ni&sub5;Se&sub5;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub8;&sub0;Ni&sub1;&sub0;Se&sub1;&sub0;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub0;Cr&sub5;Se&sub5;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub8;&sub0;Cr&sub1;&sub0;Se&sub1;&sub0;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub9;&sub0;Fe&sub5;Se&sub5;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub8;&sub0;Fe&sub1;&sub0;Se&sub1;&sub0;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub8;&sub5;Ni&sub5;Cr&sub5;Se&sub5;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub8;&sub0;Ni&sub5;Fe&sub5;Se&sub1;&sub0;, (Te&sub5;&sub6;Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;)&sub8;&sub2;Cr&sub5;Fe&sub5;Se&sub5; usw.

Die Speicherelemente der vorliegenden Patentanmeldung besitzen im wesentlichen nichtflüchtige eingestellte Widerstandswerte. Wenn aber der Widerstandswert der vorliegenden Speicherelemente unter Umständen von seinem ursprünglichen eingestellten Wert wegdriftet, kann eine "Zusammensetzungsmodifikation" wie hiernach beschrieben verwendet werden, um diesen Drift auszuschalten. Wie hierin benutzt, bezieht sich der Begriff "nichtflüchtig" auf den Zustand, in dem der eingestellte Widerstandswert über archivalische Zeiträume hinweg im Wesentlichen konstant bleibt. Natürlich kann Software (einschliesslich des hiernach diskutierten Rückkopplungssystems) eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass absolut kein "Drift" ausserhalb einer gewählten Fehlergrenze auftritt. Da ein Drift des Widerstandswertes der Speicherelemente, wenn er nicht verhindert wird, eine Graustufen-Datenspeicherung stören kann, ist es wünschenswert, Drift auf ein Minimum zu beschränken.

"Zusammensetzungsmodifikation" wird hier so definiert, dass darin jedes Mittel eingeschlossen ist, das Volumen des Speichermaterials in seiner Zusammensetzung so abzuwandeln, dass im Wesentlichen stabile Widerstandswerte erhalten werden, was den Zusatz von die Bandlücke verbreiternden Elementen, die den innewohnenden Widerstand des Materials erhöhen, einschliesst. Ein Beispiel einer Zusammensetzungsmodifikation ist der Einbezug von abgestuften Inhomogenitäten der Zusammensetzung in der Dicke. Zum Beispiel kann das Volumen des Speichermaterials graduell von einer ersten Te-Ge-Sb- Legierung zu einer zweiten Te-Ge-Sb-Legierung anderer Zusammensetzung verändert werden. Die graduelle Änderung der Zusammensetzung kann jede Form annehmen, die einen Drift des eingestellten Widerstandswertes vermindert. Zum Beispiel braucht die graduelle Änderung der Zusammensetzung nicht auf eine erste und zweite Legierung des gleichen Legierungssystems beschränkt zu sein. Die graduelle Änderung kann auch mit mehr als zwei Legierungen erreicht werden. Die graduelle Änderung kann gleichförmig und kontinuierlich oder auch ungleichförmig und nicht kontinuierlich erfolgen. Ein konkretes Beispiel einer graduellen Zusammensetzungsänderung, das zu einem verminderten Drift der Widerstandswerte führt, ist eine gleichförmige und kontinuierliche Abstufung von Ge&sub1;&sub4;Sb&sub2;&sub9;Te&sub5;&sub7; auf der einen Oberfläche zu Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;Te&sub5;&sub6; auf der entgegengesetzten Oberfläche.

Eine andere Art und Weise, Zusammensetzungsmodifikation einzusetzen, um Widerstandsdrift zu vermindern, ist durch Schichtung des Volumens des Speichermaterials. Das heisst, dass das Volumen des Speichermaterials aus einer Mehrzahl von diskreten, verhältnismässig dünnen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet sein kann. Zum Beispiel kann das Volumen des Speichermaterials ein oder mehrere Paare von Schichten einschliessen, deren jede aus einer anderen Te-Ge-Sb-Legierung gebildet ist. Wiederum kann, wie im Falle von abgestuften Zusammensetzungen, eine jegliche Kombination von Schichten, die zu einem wesentlich verminderten Drift der Widerstandswerte führt, eingesetzt werden. Die Schichten können eine ähnliche Dicke haben oder sich in ihrer Dicke unterscheiden. Eine beliebige Zahl von Schichten kann verwendet werden, und mehrere Schichten der gleichen Legierung können im Volumen des Speichermaterials vorhanden sein, entweder aneinandergrenzend oder voneinander entfernt. Auch können Schichten einer beliebigen Anzahl verschiedener Legierungszusammensetzung verwendet werden. Ein konkretes Beispiel von Zusammensetzungsschichtung ist ein Volumen von Speichermaterial, das abwechselnde Schichtenpaare von Ge&sub1;&sub4;Sb&sub2;&sub9;Te&sub5;&sub7; und Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;Te&sub5;&sub6; beinhaltet.

Noch eine weitere Form von Zusammensetzungsinhomogenität zur Verminderung des Widerstandsdrifts wird erreicht, indem abgestufte Zusammensetzung und geschichtete Zusammensetzung kombiniert werden. Genauer kann die vorerwähnte abgestufte Zusammensetzung mit irgendeiner der oben beschriebenen geschichteten Zusammensetzungen kombiniert werden, um ein stabiles Volumen des Speichermaterials zu bilden. Beispielhafte Volumen von Speichermaterialien, in denen diese Kombination verwendet wird, sind: (1) ein Volumen von Speichermaterial, das eine diskrete Schicht von Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;Te&sub5;&sub6;, gefolgt von einer abgestuften Zusammensetzung von Ge&sub1;&sub4;Sb&sub2;&sub9;Te&sub5;&sub7; und Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;Te&sub5;&sub6; beinhaltet; (2) ein Volumen von Speichermaterial, das eine diskrete Schicht von Ge&sub1;&sub4;Sb&sub2;&sub9;Te&sub5;&sub7; und eine abgestufte Zusammensetzung von Ge&sub1;&sub4;Sb&sub2;&sub9;Te&sub5;&sub7; und Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;Te&sub5;&sub6; enthält.

Nunmehr auf Fig. 1 Bezug nehmend, wird dort eine Querschnittsansicht eines Teiles der Struktur eines elektrisch löschbaren Speichers der vorliegenden Erfindung gezeigt, der auf einer einkristallinen Siliciumhalbleiterscheibe 10 gebildet ist, die p-dotiert ist und ein p-Substrat für die Abscheidung der übrigen Elemente der veranschaulichten Konfiguration bildet. In diesem p-Substrat sind n+-Kanäle 12 gebildet, die in fachbekannter Art und Weise durch Diffusion dotiert worden sein können. Diese n+-Kanäle erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zur Bildebene durch den Chip und bilden einen Satz von Elektroden, in diesem Falle den Satz y eines x-y-Elektrodengitters zur Adressierung der einzelnen Speicherelemente.

Auf dieser n+-Gitterstruktur ist eine n-dotierte kristalline epitaxiale Schicht 14 ausgebildet, die etwa 500 um (5000 Å) dick ist. Unter Einsatz bekannter Maskier- und Dotiertechniken werden dann p-dotierte Isolationskanäle 16 in der epitaxialen n-Schicht 14 ausgebildet. Diese p-dotierten Isolationskanäle 16 erstrecken sich ganz hinunter bis zum p-Substrat 10, wie in Fig. 1 gezeigt, sie erstrecken sich auch völlig um die epitaxiale n-Schicht 14 herum und definieren Inseln 18 darin. Diese Inseln 18 werden klarer in der Aufsicht von Fig. 2 gezeigt, worin die isolierenden p-Kanäle gezeigt werden, wie sie ein Isolationsgitter bilden, das die Inseln 18 des epitaxialen n-Materials definiert und isoliert. An Stelle der p-dotierten Isolationskanäle können SiO&sub2;-Isolationsgräben zur Isolation der Inseln 18 verwendet werden. Die Technik der Bildung solcher Isolationsgräben aus SiO&sub2; ist Fachleuten wohlbekannt. Eine Schicht 20 aus thermisch gewachsenem SiO&sub2; wird dann auf der soeben beschriebenen Struktur ausgebildet und geätzt, um Öffnungen 22 über den Inseln 18 zu bilden. Diffusionsbereiche 24 des p+-Materials werden dann innerhalb der durch die Öffnungen 22 definierten Flächen gebildet, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Halbleiterübergänge der p+-Bereiche und der epitaxialen n-Schicht definieren die pn- Übergangsdioden 26 in Reihe mit jedem der Bereiche der durch die Öffnungen 22 der SiO&sub2;-Schicht 20 offengelegten epitaxialen n-Schicht.

Die Speicherelemente 30 werden dann über den p+-Bereichen 24 in individuellem ohmschem elektrischem Reihenkontakt mit den Dioden 26 abgeschieden. Die Speicherelemente 30 umfassen dünne elektrische Kontaktschichten eines hoch korrosionsbeständigen Metalls (wie zum Beispiel Molybdän) 32 an der Unterseite. Früher sind in den Ovonic-EEPROMs einzelne Schichten von elektrisch leitendem, amorphem Kohlenstoff als Diffusionssperrschichten 34 und 38 verwendet worden; in den strukturell modifizierten Speicherelementen der vorliegenden Erfindung sind diese a-Kohlenstoffschichten aber abgewandelt oder ersetzt worden. Diese modifizierte Struktur enthält entweder eine einzelne amorphe Siliciumschicht an der Stelle der amorphen Kohlenstoffschicht oder eine dünne Siliciumschicht, die zwischen der amorphen Kohlenstoffschicht und der Schicht aus Speichermaterial 36 angeordnet ist. Die dünne elektrische Kontaktschicht aus korrosionsbeständigem Material 40 auf der Oberseite wird aus Molybdän gefertigt, und die elektrisch leitende Diffusionssperrschicht 38 wird aus a-Kohlenstoff, a-Silicium oder einer dualen a-Kohlenstoff/a-Silicium-Struktur gefertigt. Die Kontaktschichten 32, 34, 38 und 40 bilden ausgezeichnete elektrische Kontakte mit den Schichten von Speichermaterial 36, während die Schichten 34 und 38 auch Diffusionsbarrieren bilden, die die Diffusion von Molybdänmetall und/oder einem wahlfreien äusseren Kontaktgittermaterial in das Volumen des Chalcogenid-Speichermaterials 36 hemmen. Das a-Silicium der Schichten 34 und 38, wenn in Kombination mit a-Kohlenstoff verwendet, ist verhältnismässig dünn, typischerweise im Bereich von 5 bis 60 um (50 bis 600 Å) und insbesondere von 10 bis 40 um (100 bis 400 Å). Wenn allein als Schichten 34 und 38 benutzt, sind die a-Siliciumschichten zwischen etwa 40 und 200 um (400 und 2000 Å), je nach ihrem elektrischen Widerstand. Die Molybdänschichten 32 und 40 sind verhältnismässig dick, im Bereich von etwa 100 bis 200 um (1000 bis 2000Å).

Die Schicht des Speichermaterials 36 ist aus einem Mehrelement-Halbleitermaterial wie den hierin offenbarten Chalcogenidmaterialien gebildet. Die Schicht 36 kann durch Verfahren wie Sputtering, Aufdampfung oder chemische Dampfphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) abgeschieden werden, deren Wirkung durch Plasmaverfahren wie HF-Glimmentladung erhöht werden kann. Die Chalcogenid-Speichermaterialien der vorliegenden Erfindung werden meistbevorzugt durch HF-Sputtering und Aufdampfung hergestellt. Typische Abscheidungsparameter für HF-Sputtering und Aufdampfung der Chalcogenidschicht 36 werden in Tabellen 2 bzw. 3 dargelegt.

Tabelle 2 Abscheidungsparameter beim HF-Sputtering

Parameter / Typischer Bereich

Basisdruck 8 · 10&supmin;&sup7; bis 1 · 10&supmin;&sup6; Torr

Druck des Sputtering-gases (Ar) 4 bis 8 mTorr

Sputterleistung 40 bis 60 Watt

Frequenz 13 bis 14 MHz

Abscheidungsrate 0,5 bis 10 Å/s

Abscheidungszeit 2 bis 25 min

Schichtdicke 250 bis 1500 Å

Substrattemperatur Umgebung bis 300ºC

Tabelle 3 Abscheidungsparameter beim Aufdampfen

Parameter / Typischer Bereich

Basisdruck 1 · 10&supmin;&sup6; bis 5 · 10&supmin;&sup6; Torr

Aufdampftemperatur 450 bis 600ºC

Abscheidungsrate (2 bis 4 Å/s) 0,2 bis 0,4 um/s

Abscheidungszeit 2 bis 20 min

Schichtdicke (250 bis 1500 Å) 25 bis 150 um

Substrattemperatur Umgebung bis 300ºC

Es ist wichtig zu vermerken, dass die aufgedampften Filme, wenn auf einem erhitzten Substrat abgeschieden, anisotrope Wachstumsmerkmale (siehe die Beschreibung der Fig. 7) aufweisen, wobei orientierte Schichten der Chalcogenidelemente aufeinanderfolgend abgeschieden werden. Es muss sich erst noch erweisen, ob dies für elektrische Anwendungen von Bedeutung ist; dieser Schichtentyp ist jedoch vielversprechend für Thermoelektrizität (wegen der hohen Thermoleistung, die für diese Zusammensetzungen bereits gemessen worden ist, zum Beispiel um einen Faktor von vier höher als die für Bismutsysteme gemessene) oder für spezielle Halbleiter- und Superleitungsanwendungen.

Die Schicht von Speichermaterial 36 wird bevorzugt in einer Dicke von etwa 20 um bis 500 um (200 Å bis 5000 Å), stärker bevorzugt von etwa 40 um bis 250 um (400 Å bis 2500 Å) und am meisten bevorzugt von etwa 25 um bis 125 um (250 Å bis 1250 Å) abgeschieden. Die seitliche Abmessung bzw. der Porendurchmesser des Halbleitermaterials 36 ist kleiner als etwa ein bis zwei Mikrometer, obwohl es keine praktische Begrenzung für die seitliche Abmessung gibt. Es ist festgestellt worden, dass der Durchmesser des eigentlichen leitenden Pfades aus hochleitendem Material bedeutend kleiner als ein Mikrometer ist. Der Porendurchmesser kann somit so klein sein, wie es die lithographische Auflösung gestattet, und tatsächlich sind die Energieerfordernisse für elektrisches Schalten desto geringer, je kleiner die Pore.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Porendurchmesser so ausgewählt, dass er im Wesentlichen dem Durchmesser des niederohmigen Pfades entspricht, der gebildet wird, wenn das Material in den niederohmigen Zustand geschaltet wird. Der Durchmesser der Pore des Speichermaterials 36 ist daher bevorzugt kleiner als etwa ein Mikrometer, so dass das Volumen des Speichermaterials 36 im lithographisch möglichen Ausmass auf das Volumen des Materials 36 begrenzt wird, das tatsächlich zwischen den verschiedenen Widerstandszuständen geschaltet wird. Dadurch wird die Schaltzeit und die elektrische Energie, die erforderlich ist, um die nachweisbare Änderung im Widerstand auszulösen, weiter verringert. Der Ausdruck "Porendurchmesser", wie er hierin verwendet wird, soll die seitliche Querschnittsabmessung der Schicht von Speichermaterial 36 bedeuten, die sich unter den Kontaktregionen erstreckt, die mit der Speicherschicht 36 und mit der unteren p+-Schicht sowie den oberen Leitern 42 gebildet wird, wie in der Ausführungsform von Fig. 1 gezeigt. Es wird weiter bevorzugt, dass die Porenregionen des Speicherelements 30 thermisch isoliert und/oder gesteuert sind, mit Ausnahme des elektrischen Kontakts mit der oberen und unteren Elektrode, wie er für richtigen Betrieb der Speicherelemente erforderlich ist. Dadurch werden die Wärmeübertragung vom geschalteten Volumen der Pore und die für die Widerstandsübergänge erforderliche elektrische Energie weiter eingegrenzt, beschränkt und gesteuert. In der Ausführungsform der Fig. 1 wird dies durch die Oxidschichten 20 und 39 erreicht, die die seitliche Peripherie der Speicherelemente 30 umgeben. Um Einstell-Energie/Strom/Spannung auf ein Minimum zu beschränken, können dementsprechend kleine Porendurchmesser von nur 25 um (250 Å) verwendet werden.

Die Schichten 32, 34, 36, 38 und 40 werden geätzt und eine Oxidschicht 39 wird darüber ausgebildet und geätzt, um Öffnungen über den Speicherelementen 30 zu lassen, wie gezeigt. Wechselweise können die Speicherelemente in einem Zweischritt-Ätzprozess ausgebildet werden, bei dem die Schichten 32 und 34 zuerst abgeschieden, dann geätzt werden, worauf dann die übrigen Schichten 36, 38 und 40 abgeschieden und getrennt auf die ausgewählte Abmessung geätzt werden. Auf der ganzen, aus den Schichten 32, 34, 36, 38 und 40 gebildeten Struktur wird die zweite Elektrodengitterstruktur abgeschieden, die von Aluminiumleitern 42 gebildet wird, die sich in einer Richtung senkrecht zu der der Leiter 12 erstrecken und die x-y-Gitterverbindung zu den einzelnen Speicherelementen vervollständigen. Über der ganzen integrierten Struktur liegt eine oberste, verkapselnde Schicht 44 aus einem geeigneten Kapselmaterial wie Si&sub3;N&sub4; oder einem Kunststofffiaterial wie Polyamid, das die Struktur gegen Feuchtigkeit und andere äussere Elemente abdichtet, die eine Leistungsverschlechterung und einen Leistungsverlust bewirken könnten. Die Si&sub3;N&sub4;-Verkapselung kann zum Beispiel durch ein Tieftemperatur-Plasmaabscheidungsverfahren abgeschieden werden. Das Polyamidmaterial kann in Übereinstimmung mit bekannten Techniken aufgeschleudert und danach eingebrannt werden, um die Verkapselungsschicht 44 zu bilden.

Es ist wichtig zu vermerken, dass herkömmliche CMOS-Technologie nicht verwendet werden kann, um diesen Typ einer dreidimensionalen Speicheranordnung herzustellen, da die CMOS-Technologie die erforderlichen Halbleiterbauelemente in die Masse von einkristallinen Halbleiterscheiben einbaut und daher nur dazu verwendet werden kann, eine einzelne Schicht von Bauelementen zu fertigen. Des weiteren können CMOS (1) nicht eine genügend kleine Standfläche (tatsächliche Abmessungen des Elements) hervorbringen, um grosse Anordnungen kosteneffektiv herzustellen, und (2) nicht entlang der Z-Richtung miteinander verbunden werden, da sie in einer einzigen Ebene existieren. Daher können CMOS-Bauteile nicht mit der komplexen dreidimensionalen Zusammenschaltbarkeit gefertigt werden, die für fortgeschrittene Rechner mit Parallelverarbeitung erforderlich sind. Die dreidimensionalen Dünnschicht-Speicheranordnungsstrukturen der vorliegenden Erfindung andererseits sind sowohl zu herkömmlicher serieller Datenverarbeitung wie auch zu paralleler Datenverarbeitung befähigt.

Parallele Verarbeitung und daher mehrdimensionale Speicheranordnungsstrukturen sind für die schnelle Erledigung komplizierter Aufgaben wie Strukturerkennung, Klassifizierung oder assoziatives Lernen usw. erforderlich. Weitere Verwendungen und eine Beschreibung der parallelen Verarbeitung werden im US-Patent Nr. 5 159 661 dargelegt, das dem. Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde.

Mit der integrierten Struktur, wie sie in der Ausführungsform der Fig. 1 gezeigt wird, wird jedoch eine völlig vertikal integrierte Struktur des Speicherelements und seiner isolierenden Diode gebildet, wodurch die Fläche, die auf dem Substrat durch jede der Kombinationen aus Speicherelementen und Dioden eingenommen wird, auf ein Minimum beschränkt wird. Das bedeutet, dass die Dichte der Speicherelemente im Chip im Wesentlichen nur durch das Auflösungsvermögen der Lithographie begrenzt wird.

Die Ausführungsform der Fig. 2 ist die gleiche wie die der Fig. 1, mit der Ausnahme, dass eine Diode 27 als eine Schottkysche Sperrschicht ausgebildet ist, die funktionell zwischen der n-Schicht 14 und einer Metallschicht 29 angeordnet ist, die zum Beispiel Platinsilicid sein kann. In anderen Hinsichten ist die in Fig. 2 geschilderte strukturelle Ausführungsform von Speicherzelle/Isolationselement in der gleichen Weise gebildet wie die der Fig. 1, und gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.

Die so gebildete integrierte Struktur ist eine x-y-Matrix, die wie in Fig. 3 gezeigt angeschlossen ist, wobei jedes Speicherelement 30 zwischen einer waagerechten x-Leitung 42 und einer senkrechten y-Leitung 12 in Reihe mit einer Diode 26 geschaltet ist. Die Dioden 26 dienen dazu, jedes der Speicherelemente 30 elektrisch zu isolieren. Andere Schaltkonfigurationen sind natürlich für den elektrisch löschbaren Speicher der vorliegenden Erfindung möglich und können implementiert werden. Eine besonders nützliche Konfiguration ist eine dreidimensionale Mehrstufen-Anordnung, in der eine Mehrzahl von Ebenen von Speicher- oder Steuerelementen und ihre jeweiligen Isolationsvorrichtungen aufeinandergestapelt sind. Jede Ebene von Speicherelementen ist als eine Mehrzahl von Zeilen und Spalten von Speicherelementen angeordnet, wodurch X-Y-Adressierung ermöglicht wird. Dieses Aufeinanderstapeln von Ebenen liefert zusätzlich zur erhöhten Speicherdichte eine zusätzliche Z-Dimension für Querverbindung. Diese Anordnung ist besonders nützlich, um ein neuronales Netzwerk für wahrhaft intelligente Rechner zu simulieren.

Fig. 4 ist ein stilisiertes, schematisches Schaltdiagramm eines Teils der Speicherzellenausführungsformen aus Fig. 1. Die Schaltung umfasst ein x-y-Gitter, worin jedes der Speicherelemente 30 elektrisch in Reihe mit einer Isolationsdiode 26 an den Kreuzungspunkten der Adressleitungen 42 in x-Richtung und der Adressleitungen 12 in y-Richung geschaltet ist, wie gezeigt. Die Adressleitungen 12 und 42 sind in einer Fachleuten wohlbekannten Art und Weise an externe Adressierschaltkreise angeschlossen. Die x-y-Matrix von Speicherelementen in Kombination mit Isolationselementen hat den Zweck zu ermöglichen, dass jedes einzelne der diskreten Speicherelemente gelesen und geschrieben wird, ohne in benachbarten oder entfernten Speicherelementen der Matrix gespeicherte Daten zu stören.

In Fig. 5 wird ein Teil eines einkristallinen Halbleitersubstrats 50, auf dem eine Speichermatrix 51 der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, diagrammartig veranschaulicht. Ebenfalls auf dem gleichen Substrat 50 ausgebildet ist eine Adressierungsmatrix 52, die in geeigneter Weise durch integrierte Schaltungsverbindungen 53 mit der Speichermatrix 51 verbunden ist. Die Adressierungsmatrix 52 enthält Organe für Signalerzeugung, die die Einstell- und Lesepulse definieren und steuern, die an die Speichermatrix 51 angelegt werden. Natürlich kann die Adressierungsmatrix 52 in die Festköperspeichermatrix 51 integriert und zusammen mit dieser ausgebildet werden.

In Halbleiterspeichern des Standes der Technik, die die verhältnismässig hohe Schaltgeschwindigkeiten und geringen Schaltenergien haben, die für ihre meisten Anwendungen für notwendig gehalten werden, sind mindestens ein Transistor und ein Kondensator für jedes Speicherelement erforderlich. Die Ausbildung solcher Speicher in Gestalt von integrierten Schaltungen erfordert mindestens drei Anschlüsse zusammen mit weiteren, zusätzlichen Kompliziertheiten, die ein bestimmtes Minimum an Substratfläche einnehmen, gleich wie die integrierte Schaltung ausgelegt ist. Die integrierte Schaltungskonfiguration des elektrisch löschbaren Speichers der vorliegenden Erfindung erfordert nur zwei Anschlüsse für jedes Speicherelement, und diese können vertikal zueinander ausgeführt werden. Des weiteren ist jedes Speicherelement, komplett mit isolierender Diode und dem Kontaktepaar für das Element, selbst gänzlich vertikal integriert, so dass eine signifikant höhere Bitdichte möglich ist. Der Speicher der vorliegenden Erfindung liefert tatsächlich eine Bitdichte, die sogar grösser ist als diejenige, die in dynamischen Festkörper-Direktzugriffsspeichern (DRAM) erreicht werden kann, die flüchtig sind und denen daher die weiteren Vorteile fehlen, die die mit der vorliegenden Erfindung erreichbare Nichtflüchtigkeit gewährt. Die mit der vorliegenden Erfindung erreichbare höhere Bitdichte führt wegen der kleineren Scheibenflächen, die pro Bit von der integrierten Schaltkreiskonfiguration besetzt werden, zu einer entsprechenden Verringerung der Fertigungskosten. Dadurch kann der Speicher der vorliegenden Erfindung bei einem breiteren Anwendungsbereich mit anderen verfügbaren Speichern konkurrieren und diese übertreffen, nicht nur in seiner elektrischen Leistung und Speicherkapazität, sondern auch in seinen Kosten. Im Vergleich zu Halbleiterspeichern des Standes der Technik, die mit mindestens einem Transistor und einem Kondensator pro Bit gebildet werden, können die integrierten Schaltungskonfigurationen der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 1 gezeigt, auf einem Chip mit einer höheren Bitdichte ausgebildet werden als Konfigurationen des Standes der Technik, die die gleiche photolithographische Auflösung verwenden. Zusätzlich zu den Kostenvorteilen, die durch die höhere Bitdichte gewährt werden, sind die Elemente näher beeinander, und Leitungslängen, Kapazitäten und andere, verwandte Parameter sind weiter minimiert, wodurch die Leistung gesteigert wird.

Durch experimentelle Arbeiten hat der Erfinder gezeigt, dass Faktoren wie die Porenabmessungen (Durchmesser, Dicke und Volumen), die Chalcogenidzusammensetzung, die thermische Aufarbeitung (Anlassen nach der Abscheidung), Signalpulsdauer, Verunreinigungen wie in der Zusammensetzung vorhandener Sauerstoff, Kristallitgrösse und die Wellenform des Signalpulses eine Auswirkung auf die Grösse des dynamischen Bereichs der Widerstandswerte, die Absolutwerte der Widerstände an den Endpunkten des besagten dynamischen Bereichs sowie die Spannungen, die erforderlich sind, um die Vorrichtung auf diese Widerstandswerte einzustellen, haben. Zum Beispiel ergeben verhältnismässig dicke Chalcogenidfilme (d. h. etwa 400 um oder 4000 Å) höhere Anforderungen an die Einstellspannungen (und daher höhere Stromdichten im Volumen des Speichermaterials), während verhältnismässig dünne Chalcogenidschichten (d. h. etwa 25 um oder 250 Å) zu niedrigeren Anforderungen bezüglich der Einstellspannung (und der Stromdichte) führen. Die mögliche Bedeutung von Kristallitgrösse und somit des Verhältnisses der Zahl der Oberflächenatome zur Zahl der Volumenatome ist natürlich vorher beschrieben worden.

Die Signalpulsdauer, die erforderlich ist, um das Speicherelement auf einen erwünschten Widerstandswert innerhalb des dynamischen Bereichs von elektrischen Widerstandswerten einzustellen, wird ebenfalls von allen vorangehenden Faktoren wie auch von der Signalspannung abhängen. Typischerweise sind Signalpulslängen kürzer als etwa 250 Nanosekunden und bevorzugt kürzer als etwa 50 Nanosekunden. Es muss betont werden, dass selbst die kurzen Pulslängen von 25 Nanosekunden, die bemerkt wurden, von der Grösse und Gestalt der Pore wie auch von der Dicke und Zusammensetzung der eingesetzten Halbleiterlegierung abhängen. Es wird angenommen, dass die Pulslängen signifikant verringert werden können, ohne den Betrieb des Speicherschalters zu stören. Tatsächlich kann sich die Zyklenlebensdauer der Elemente nur erhöhen, wenn weniger Energie zugeführt wird.

Eine Rückkopplungsschleife, die den Widerstandswert eines gegebenen Speicherelements liest und, wenn erforderlich, anpasst, kann in die Speichersysteme der vorliegenden Erfindung eingefügt werden. Zum Beispiel kann ein Speicherelement anfänglich zu einem gewünschten Widerstandswert gesetzt worden sein; mit der Zeit kann aber der Widerstand des Elements geringfügig von dem Wert wegdriften, auf den er ursprünglich eingestellt worden war. In diesem Falle würde die Rückkopplungsschleife einen Auffrischpuls der erforderlichen Spannung und Länge berechnen und an das Speicherelement anlegen, um es zu einem vorgewählten Widerstandswert zurückzubringen. Auch existieren vielleicht Umstände, unter denen der an ein Speicherelement angelegte Einstellpuls nicht dazu führt, das Element auf den gewünschten Widerstandswert einzustellen. In diesem Falle würde die Rückkopplungsschleife zusätzliche Signalpulse an das Element anlegen, bis das gewünschte Niveau des Widerstands erreicht ist. Die Gesamtdauer dieser Reihe von Einstell- und Nachstellzyklen beträgt weniger als etwa 1000 Nanosekunden und bevorzugt weniger als etwa 500 Nanosekunden.

Die Möglichkeit, sich reversibel auf dem linearen Abschnitt der Kurve von Widerstand gegen Spannung auf und abzubewegen, kann nicht überbetont werden. Ein Signalpuls einer gewählten Spannung stellt das Speicherelement auf einen gewünschten Widerstandswert, gleich welcher Zustand dafür vorher eingestellt war. Diese Möglichkeit, sich reversibel entlang der Kurve zu bewegen, ermöglicht das unmittelbare Überschreiben von früher gespeicherten Daten. Eine solche unmittelbare Überschreibfähigkeit ist mit den Phasenumwandlungs- und MSM- (a-Si-) Speichermaterialien des Standes der Technik nicht möglich. Diese Fähigkeit, Zwischenwerte des Widerstands reversibel einzustellen, ist bemerkenswert. Tausend aufeinanderfolgende 5-V-Pulse erzielen den gleichen Widerstandswert wie ein 8-V-Puls, dem ein einzelner 5-V-Puls folgt, oder ein 4-V-Puls, dem ein einzelner 5-V-Puls folgt.

Der dynamische Bereich von Widerstandswerten erlaubt auch breite Graustufen und mehrstufige Analogwertspeicherung. Diese mehrstufige Speicherung wird erreicht, indem der breite dynamische Bereich in eine Mehrzahl von Unterbereichen oder Niveaus unterteilt wird. Die Analogwert-Speicherfähigkeit erlaubt es, mehrere Bits binärer Daten in einer einzigen Speicherzelle zu speichern. Diese mehrstufige Speicherung wird erreicht, indem mehrere Bits binärer Daten in analoger Form nachgeahmt und diese analogen Daten in einer einzigen Speicherzelle gespeichert werden. Indem der dynamische Bereich der Widerstandswerte in drei oder mehr Analogniveaus unterteilt wird, wäre somit jede Speicherzelle mit der Fähigkeit versehen, 1 ¹/&sub2; oder mehr Bits binärer Daten zu speichern.

Wie weiter oben angedeutet, ist Fig. 6 ein ternäres Diagramm des Ge-Te-Sb- Halbleiterlegierungssystems. Zusätzlich zu der früher diskutierten Information, bei der die binären und ternären Phasen durch Quadrate ( ) angedeutet werden, gibt dieses Diagramm Information über die Segregierung von weiteren Legierungen. Diese weiteren Legierungen sind durch Dreiecke ( ), Rhomben ( ) und Kreise ( ) angedeutet, während die Phasen, in die die Legierungen nach schneller Erstarrung aus der Schmelze segregieren, durch Linien (durchgezogen oder gestrichelt) angedeutet werden, die davon ausgehen. Die Anfangszusammensetzungen von zwei Te-reichen Schmelzen sind durch kreisförmige Symbole im ternären Diagramm angedeutet. Nach rascher Erstarrung erleiden diese Mischungen eine Phasensegregation in elementares Te sowie die Phasen B, C und D.

Schmelzen mit Zusammensetzungen rechts von der pseudobinären Linie, die durch Rhomben angedeutet werden, erstarren zu den durch die Linien im Diagramm angedeuteten Phasen. Andere Mischungen, die durch Dreiecke im Phasendiagramm angedeutet sind, erstarren zu elementarem Ge und Sb und zur Phase A. Phase A wird bei der raschen Erstarrung aller Schmelzen gefunden, wenn die Zusammensetzung der Schmelze nahe der der Phase A ist, sowie auch in den durch Dreiecksymbole im Diagramm angedeuteten Zusammensetzungen. Eine geschmolzene Mischung von Zusammensetzungen, die mit der der Phase A identisch ist, bildet nach rascher Erstarrung eine nahezu reine Phase A. Diese Phase ist die einzige Phase, die dieses Merkmal aufweist. Eine Legierung von besonderem Interesse zur Benutzung in den verbesserten Speicherelementen der vorliegenden Erfindung ist Ge&sub2;&sub2;Sb&sub2;&sub2;Te&sub5;&sub6;, auch mit Ge&sub2;Sb&sub2;Te&sub5; oder 2-2-5 bezeichnet. Diese 2-2-5-Legierung erleidet bei raschem Erstarren eine Phasensegregation in eine Mischung von zwei ausgeprägten Phasen der Zusammensetzungen B (Ge&sub2;&sub6;Sb&sub1;&sub8;Te&sub5;&sub6;) und C (Ge&sub1;&sub8;Sb&sub2;&sub6;Te&sub5;&sub6;), die im Phasendiagramm der Fig. 6 angedeutet sind. Eine weitere Legierung von besonderem Interesse ist Ge&sub1;&sub4;Sb&sub2;&sub9;Te&sub5;&sub7; (auch als GeSb&sub2;Te&sub4; oder 1-2-4 bezeichnet), die die Zusammensetzung D auf der pseudobinären GeTe-Sb&sub2;Te&sub3;-Linie ist. Die Legierungen 2-2-5 und 1-2-4 sind von Interesse für die Bildung des Volumens von Speichermaterial in gestuften, geschichteten oder kombiniert gestuften und geschichteten Zusammensetzungen, wie sie weiter oben diskutiert worden sind.

Fig. 7 schildert die atomare Struktur von drei ternären Legierungen des Ge-Sb-Te- Systems sowie die atomare Struktur der binären Ge-Te-Legierung. Zwei der drei ternären Legierungen sind die Zusammensetzungen 1-2-4 (Zusammensetzung D im ternären Diagramm der Fig. 6) und 2-2-5, die weiter oben beschrieben wurden. Die dritte ternäre Legierung ist Ge&sub8;Sb&sub3;&sub3;Te&sub5;&sub9;, auch als GeSb&sub4;Te&sub7; oder 1-4-7 bezeichnet. Diese 1-4-7- Legierung entspricht der Zusammensetzung E im ternären Phasendiagramm der Fig. 6. In den Darstellungen der atomaren Strukturen dieser Legierungen stellen die Hohlkreise Ge- Atome, die schraffierten Kreise Sb-Atome und die getupften Kreise Te-Atome dar. Die atomare Struktur jeder dieser Legierungen wird, wie in Fig. 7 gezeigt, aus geordneten, sich wiederholenden Atomlagen gebildet, wenn sie sich in der kubisch flächenzentrierten Kristallstruktur befinden. Die fcc-Konfiguration bildet drei ausgeprägte Typen von Atomlagen, die in Fig. 7 mit A, B und C bezeichnet sind.

Die in Fig. 7 gezeigten Legierungen 1-4-7, 1-2-4 und 2-2-S sind von Interesse als Speicherbasismaterialien und zur Verwendung in den elementar abgewandelten Speichermaterialien der vorliegenden Erfindung. Die Übergangsmetalle werden zusammen mit Se, sofern es vorliegt, verhältnismässig gleichförmig verteilt in die Te-Ge-Sb-Matrix eingeführt und verbessern die elektronische/atomare Struktur, so dass sie verminderte Schaltstromanforderungen und eine verbesserte thermische Stabilität der Datenerhaltung hervorrufen. Derzeitige Analysen zeigen, dass das Se in der Struktur das Te ersetzt, und obwohl die genaue Einordnung des Übergangsmetalls nicht bekannt ist, scheint es so, als ob das Übergangsmetall mit dem Chalcogenelement Bindungen bildet.

Weiter werden, wie früher erwähnt, die Ge-Sb-Te-Legierungsmaterialien in einer anisotropen Form abgeschieden, wenn die Abscheidung dieser Materialien durch Aufdampfen auf ein geheiztes Substrat erfolgt. Das heisst, wenn die Abscheidung in dieser Weise erfolgt, sind die Kristallite der Legierungsmaterialien so orientiert, dass die Schichten der sie aufbauenden atomaren Elemente im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet sind. Dies führt natürlich zu einem anisotropen Stromfluss, aber bietet auf lange Sicht die Möglichkeit, die Atome des Materials so anzuordnen, dass Einstell- und Rückstellpulse in der Richtung zu niedrigen Widerstandswerten verwendet werden und dadurch noch niedrigere Einstell- und Rückstellströme, -spannungen und/oder Energien erzielt werden.

In jüngerer Zeit haben die gegenwärtigen Erfinder festgestellt, dass Speicherelemente der vorliegenden Erfindung, die ein fadeneingrenzendes Mittel zwischen zumindest einer der beabstandet angeordneten Elektroden und dem Volumen des Speichermaterials verwenden, Speicherelemente mit besserer thermischer Stabilität, niedrigerem Einstell/Rückstellstrombedarf, einer längeren Zyklenlebensdauer und einem grösseren dynamischen Bereich von Widerstandswerten ergeben. In diesen Elementen scheint das Widerstandsschalten in einem fadenförmigen Teil des Volumens des Speichermaterials zu erfolgen, und der fadenförmige Teil scheint durch das fadeneingrenzende Mittel beeinflusst zu werden. Typischerweise ist das fadeneingrenzende Mittel eine Dünnfilmschicht, die zwischen einem der beabstandet angeordneten Kontakte und dem Volumen des Speichermaterials angeordnet ist, und diese Dünnfilmschicht ist bevorzugt zwischen 10 und 100 Ångström dick. Diese dünne Filmschicht wird aus hochohmigem Material gebildet und hat zumindest einen niederohmigen Pfad darüber hinweg, durch den elektrische Signale zwischen dem Kontakt und dem Volumen des Speichermaterials hindurchgehen. Die Fläche des niederohmigen Pfades in der hochohmigen Dünnfilmschicht kann weniger als etwa 2% der Kontaktfläche zwischen der Dünnfilmschicht und dem Volumen des Speichermaterials betragen. Eine beispielhafte Dünnfilmschicht wird aus einem Material gebildet, das Kohlenstoff, Fluor, Sauerstoff, Silicium und Wasserstoff einschliesst. Die Zusammensetzung dieses Films in Atomprozent beträgt bevorzugt zwischen etwa 60 bis 70% Kohlenstoff, 20 bis 30% Fluor sowie 3 bis 10% Sauerstoff, 0,5 bis 2% Si und der Rest H und weitere Verunreinigungen.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die Zyklisierungseigenschaften eines Speicherelements ohne die fadeneingrenzende Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. In dieser Darstellung ist der Widerstand der Vorrichtung auf der Ordinate aufgetragen, während die Zyklenzahl auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Daten wurden durch zyklischen Betrieb des Speicherelements in binärer Weise unter Benutzung von Pulsen von 400 ns und 2 V, um das Material auf einen "niedrigen" Widerstandswert einzustellen, und Pulsen von 40 ns und 6 V, um das Material auf einen "hohen" Widerstandswert einzustellen, erzeugt. Aus der Figur kann festgestellt werden, dass der dynamische Bereich der Widerstandswerte verhältnismässig schmal ist, und zwar bestenfalls 20 kΩ, auf 10 kΩ nahe einem Durchschlag der Vorrichtung fallend. Auch hat die Vorrichtung eine verhältnismässig kurze Zyklenlebensdauer von weniger als 1 · 10&sup4; Zyklen, und der Zyklisierstrom ist verhältnismässig hoch (d. h., 400-ns-Einstellpulse).

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die mehrstufigen Fähigkeiten (d. h., die Fähigkeit des Speicherelements, zu vielfachen Widerstandsniveaus innerhalb des dynamischen Widerstandsbereichs gesetzt zu werden) eines Speicherelements ohne die fadeneingrenzende Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. In dieser Darstellung ist der Widerstand der Vorrichtung auf der Ordinate aufgetragen, während die Einstellpulsspanngung auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Daten wurden durch Pulsbehandlung des Speicherelements mit 200-ns-Einstellpulsen variabler Spannung von 1 bis 10 V erzeugt. Das Speicherelement wurde mit 10 Pulsen von 1 V beaufschlagt, und der Widerstand der Vorrichtung wurde gemessen. Die Spannung wurde auf 2 V erhöht, und weitere 10 Pulse wurden angelegt, wiederum wurde der Widerstand der Vorrichtung gemessen. Die Spannung wurde auf diese Weise schrittweise bis auf 10 V erhöht. Dieser Test wurde zehnmal ausgeführt (d. h., zehn Läufe mit einer schrittweisen Steigerung von 1 auf 10 V). Eine Betrachtung dieser Figur zeigt deutlich, dass dieses Speicherelement, das keine fadeneingrenzende Schicht hat, keine mehrstufigen Fähigkeiten aufweist.

Fig. 10 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die Zyklisierungseigenschaften eines Speicherelements ohne die fadeneingrenzende Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. In dieser Darstellung ist der Widerstand der Vorrichtung auf der Ordinate aufgetragen, während die Zyklenzahl auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Daten wurden durch zyklischen Betrieb des Speicherelements in binärer Weise unter Benutzung von Pulsen von 200 ns und 1,8 V, um das Material auf einen "niedrigen" Widerstandswert einzustellen, und Pulsen von 100 ns und 6 V, um das Material auf einen "hohen" Widerstandswert einzustellen, erzeugt. Aus der Figur kann festgestellt werden, dass der dynamische Bereich der Widerstandswerte äusserst schmal ist, und zwar bestenfalls 2 kΩ, auf weniger als 100 Ω nahe einem Durchschlag der Vorrichtung fallend. Auch hat die Vorrichtung eine verhältnismässig kurze nützliche Zyklenlebensdauer von weniger als 1 · 10&sup4; Zyklen.

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die mehrstufigen Fähigkeiten (d. h., die Fähigkeit des Speicherelements, zu vielfachen Widerstandsniveaus innerhalb des dynamischen Widerstandsbereichs gesetzt zu werden) eines Speicherelements ohne die fadeneingrenzende Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. In dieser Darstellung ist der Widerstand der Vorrichtung auf der Ordinate aufgetragen, während die Einstellpulsspanngung auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Daten wurden durch Pulsbehandlung des Speicherelements mit 200-ns-Einstellpulsen variabler Spannung von 1 bis 6 V erzeugt. Das Speicherelement wurde mit 10 Pulsen von 1 V beaufschlagt, und der Widerstand der Vorrichtung wurde gemessen. Die Spannung wurde auf 1,56 V erhöht, und weitere 10 Pulse wurden angelegt, wiederum wurde der Widerstand der Vorrichtung gemessen. Die Spannung wurde auf diese Weise schrittweise bis auf 6 V erhöht. Dieser Test wurde siebenmal ausgeführt (d. h., sieben Läufe mit einer schrittweisen Steigerung von 1 auf 6 V). Eine Betrachtung dieser Figur zeigt deutlich, dass dieses Speicherelement, das keine fadeneingrenzende Schicht hat, keine mehrstufigen Fähigkeiten aufweist.

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die Zyklisierungseigenschaften eines Speicherelements mit der fadeneingrenzenden Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. In dieser Darstellung ist der Widerstand der Vorrichtung auf der Ordinate aufgetragen, während die Zyklenzahl auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Daten wurden durch zyklischen Betrieb des Speicherelements in binärer Weise unter Benutzung von Pulsen von 100 ns und 1,8 V, um das Material auf einen "niedrigen" Widerstandswert einzustellen, und Pulsen von 40 ns und 5 V, um das Material auf einen "hohen" Widerstandswert einzustellen, erzeugt. Aus der Figur kann festgestellt werden, dass der dynamische Bereich der Widerstandswerte für diese Vorrichtung verhältnismässig gross ist, und zwar im Bereich von 1,0 bis 1,2 MΩ. Auch hat die Vorrichtung eine verhältnismässig lange Zyklenlebensdauer von mindestens mehr als 1 · 10&sup5; Zyklen (ähnliche Vorrichtungen sind bis zu 1 · 10&sup7; Zyklen und mehr geprüft worden), und der Zyklisierstrom ist verhältnismässig gering (d. h., 100-ns-Einstellpulse).

Fig. 13 ist eine graphische Darstellung von Daten, die die mehrstufigen Fähigkeiten (d. h., die Fähigkeit des Speicherelements, zu vielfachen Widerstandsniveaus innerhalb des dynamischen Widerstandsbereichs gesetzt zu werden) eines Speicherelements mit der fadeneingrenzenden Schicht der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. In dieser Darstellung ist der Widerstand der Vorrichtung auf der Ordinate aufgetragen, während die Einstellpulsspannung auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Daten wurden durch Pulsbehandlung des Speicherelements mit 200-ns-Einstellpulsen variabler Spannung von 2,5 bis 6,5 V erzeugt. Das Speicherelement wurde mit 10 Pulsen von 2,5 V beaufschlagt, und der Widerstand der Vorrichtung wurde gemessen. Die Spannung wurde auf 2,83 V erhöht, und weitere 10 Pulse wurden angelegt, wiederum wurde der Widerstand der Vorrichtung gemessen. Die Spannung wurde auf diese Weise schrittweise bis auf 6,5 V erhöht. Dieser Test wurde zehnmal ausgeführt (d. h., zehn Läufe mit einer schrittweisen Steigerung von 2,5 auf 6,5 V). Eine Betrachtung dieser Figur zeigt deutlich, dass die Speicherelemente, die diese fadeneingrenzende Schicht haben, deutlich stabile mehrstufigen Fähigkeiten aufweisen.

Der Unterschied zwischen den Speicherelementen der Fig. 8, 9, 10 und 11 und denen der Fig. 12 und 13 besteht darin, dass erstere Speicherelemente nicht die fadeneingrenzende Schicht der vorliegenden Erfindung haben. Diese Schicht befindet sich zwischen zumindest einer der Elektroden und dem Volumen des Speichermaterials. Diese Schicht scheint die Grösse und Lage des widerstandsschaltenden fadenförmigen Teils des Volumens des Speichermaterials während der elektrischen Formierung des Speicherelements zu definieren und die Grösse und Lage des fadenförmigen Teils während des Gebrauchs des Speicherelements einzugrenzen, dadurch bei Anlegen eines Signals von sehr niedrigem Gesamtstrom an die besagten, beabstandet angeordneten Kontakte für eine hohe Stromdichte in diesem fadenförmigen Teil des besagten einzelligen Speicherelements zu sorgen.

Die elektrische Formierung des Speicherelements besteht darin, elektrische Pulse hoher Spannung an ein neu aufgebautes Speicherelement anzulegen, wodurch das Element für nachfolgendes elektrisches Zyklisieren bei niedriger Spannung "formiert" wird. Der Formierprozess besteht typischerweise darin, elektrische Pulse von steigender Spannung anzulegen, bis das Speicherelement von seinem ursprünglichen, sehr hohen "jungfräulichen" Widerstandswert zu einem niedrigen Widerstandswert schaltet. Die fadeneingrenzende Schicht ist, so wie sie abgeschieden ist, hochohmig. Während des Formierungsprozesses wird die fadeneingrenzende Schicht einer Vielzahl von EMF-Pulsen hoher Spannung unterworfen. Während eines oder mehrerer dieser Pulse wird der elektrisch schwächste Punkt (Störstelle) in der eingrenzenden Schicht physisch verändert. Danach ist dieser Punkt sehr viel besser leitend als die übrige Schicht und ist der Punkt, durch den der gesamte Strom jeglicher nachfolgenden Speicherzyklenpulse (d. h., Einstell- und Rückstellpulse) fliessen wird. Daher definiert dieser an der Störstelle innerhalb der eingrenzenden Schicht gebildete veränderte Bereich die Grösse und Lage des widerstandsschaltenden fadenförmigen Teils des Volumens des Speichermaterials während der elektrischen Formierung des Speicherelements. Da die Störstelle in der eingrenzenden Schicht in ihrer Grösse und Lage festgelegt ist und sich während des Speicherschaltens mit niedrigem Strom nie bewegt oder wächst, wirkt sie auch so, dass sie die Grösse und Lage des fadenförmigen Teils während des Gebrauchs des Speicherelements eingrenzt. Dieser ultrakleine widerstandsschaltende fadenförmige Teil sorgt bei einem an das Speicherelement angelegten elektrischen Signal von sehr niedrigem Gesamtstrom für eine hohe Stromdichte in besagtem fadenförmigem Teil des besagten einzelligen Speicherelements, da der gesamte Strom dort hindurch geleitet wird.

Der Beitrag/die Existenz der fadeneingrenzenden Schicht wurde entdeckt, als die gegenwärtigen Erfinder Speicherelemente untersuchten, die keine Kohlenstoffschichten in Nachbarschaft zum Chalcogenid-Speichermaterial enthielten. Es wurde bemerkt, dass viele der Speicherelemente ohne die Kohlenstoffelektrode (aber mit unterschiedlichen Metallelektroden) nicht die wünschenswerten Merkmale der Elemente mit den Kohlenstoffschichten aufwiesen (obwohl einige es taten). Daher wurden die Kohlenstoffschichten selbst untersucht. Die Untersuchung der Kohlenstoffschichten zeigte, dass der Kohlenstoff allein nicht den äusserst hohen anfänglichen Widerstand der Speicherelemente geliefert haben könnte. Dies veranlasste die Erfinder, die Grenzfläche zwischen dem Chalcogenid und dem Kohlenstoff zu untersuchen. Während der Herstellung wird eine SiNx-Schicht auf der unteren Kohlenstoffschicht abgeschieden. Eine Pore wird dann in dieser SiNx-Schicht geöffnet, in die hinein das Chalcogen-Speichermaterial abgeschieden wird. Die Pore wird typischerweise erzeugt, indem die SiNx-Schicht mit Photolack maskiert und das SiNx mit CF&sub4; trocken geätzt wird, um eine Pore durch die Schicht zu bilden. Nachdem die Pore (oder "via") geöffnet war, wurde eine Auger-Tiefenprofilanalyse an der CF&sub4;-Kohlenstoffschicht und am nicht geätzten Kohlenstoff ausgeführt. Die Analyse des nicht geätzten Kohlenstoffs deutet auf das Vorhandensein von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Silicium hin. Siehe die Auger-elektronenspektroskopische Analyse der Fig. 14. Diese Analyse der CF&sub4;-geätzten Kohlenstoffschicht zeigt die gleichen Elemente und zusätzlich Fluor an. Siehe die Auger-elektronenspektroskopische Analyse der Fig. 15. Diese Fluor- "Verunreinigung" wurde je nach der Ätzzeit bis zu Tiefen zwischen 2 und 4 um (20 und 40 Å) gefunden. Röntgen-Photoelektronenspektral- (XPS-) analyse wurde benutzt, um die Oberflächenkonzentration in Atomprozent an der trocken geätzten Kohlenstoffoberfläche zu bestimmen. Kohlenstoff war um 67%, Fluor war etwa 26%.

Um festzustellen, ob diese fluorhaltige Schicht die "fadeneingrenzende Schicht" ist, wurde eine nasse Ätzung mit gepufferter HF benutzt, um die Pore im SiNx zu öffnen, während alle anderen Herstellungsschritte gleich blieben. Auger-Tiefenprofile zeigten, dass dieses nass geätzte Kohlenstoffmuster kein Fluor enthielt. Siehe die Auger-elektronenspektroskopische Analyse der Fig. 16.

Zusätzlich zum Nassätzexperiment wurde die normale CF&sub4;-Trockenätzung verwendet, uni die Pore im SiNx zu öffnen, danach wurde der Kohlenstoff mit Argonplasma geätzt, alle anderen Herstellungsschritte blieben gleich. XPS zeigte, dass der nass geätzte Kohlenstoff 84,2 Atomprozent Kohlenstoff, 8,9% Sauerstoff, 4,8% Fluor, 1,7% Stickstoff und 0,4% Silicium enthielt.

Die elektrischen Eigenschaften der nass geätzten Speicherelemente sind in Fig. 8 und 9 dargestellt. Die elektrischen Eigenschaften der Speicherelemente, die mit CF&sub4; trocken geätzt und dann mit Argonplasma nachgeätzt wurden, sind in Fig. 10 und 11 dargestellt. Während die elektrischen Eigenschaften des trocken geätzten Speicherelements in Fig. 12 und 13 dargestellt sind. Es ist klar, dass die eine hohe Fluorkonzentration enthaltende Schicht an der Grenzfläche zwischen dem Chalcogenid-Speichermaterial und der Kohlenstoffelektrode die "den fadenförmigen Teil eingrenzende Schicht" ist und dass diese Schicht den Speicherelementen der vorliegenden Erfindung ihre überlegenen elektrischen Eigenschaften verschafft.

Durch die Verwendung der geschützten Materialien und Bauelementekonfigurationen, die hierin offenbart werden, ist ein elektrisch löschbares, unmittelbar überschreibbares Speicherelement entwickelt worden, das hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeiten, die denen von SRAM-Bauteilen nahekommen; Nichtflüchtigkeit und Direktzugriffs-Umprogrammierungsfähigkeiten eines EEPROM; und einen Preis pro Megabyte von Speicherplatz, der demjenigen eines Festplattenspeichers nahekommt, liefert.

Es ist möglich, dass die weitere Entwicklung der Fähigkeiten des Materials der vorliegenden Erfindung, die Konzentration der freien Ladungsträger zu modulieren, wirtschaftliche Auswirkungen auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente zeitigt. Wie im Hintergrundsabschnitt weiter oben einzeln erörtert, stellt die Ladungsträgermodulation, die hier offenbart wird, einen fünften Typ der Ladungsträgermodulation dar, und zwar einen Typ, der eine grundsätzliche Abkehr vom Stand der Technik darstellt. Einfach ausgedrückt, bleiben in den Materialien der vorliegenden Erfindung selbst nach Entfernung des Feldes die Lage des Fermi-Niveaus, die elektrische Leitfähigkeit und die Konzentration der freien Ladung unverändert. Dadurch wird es möglich, entweder eine neue Klasse von Halbleiterbauelementen zu bauen, in denen drei Pole oder zwei Pole verwendet werden können und das Bauelement auf im voraus gewählte Werte des elektrischen Widerstands vorprogrammiert wird. In jedem Falle sind die Programmierspannungen und/oder -ströme bemerkenswert niedrig und die Reaktionsgeschwindigkeiten sind bemerkenswert hoch. Dies ist so, weil die Halbleitermaterialien der vorliegenden Erfindung innewohnende Geschwindigkeits- und Energiefähigkeiten haben, die von der Modulation herrühren, die innerhalb einer oder mehrerer verschiedener kristalliner Phasen erfolgt.

Man vermerke, was aus der Durchsicht der hier vorliegenden Beschreibung offensichtlich sein sollte, dass wir in der Lage sind, eine Tendenz in der Leistung der Speicherelemente zu erkennen, der allgemein auf den Porendurchmesser bezogen ist. Wenn wir Vorrichtungen in der binären Betriebsart verwenden, sehen wir einen allgemeinen Anstieg im Aus-Ein-Widerstandsverhältnis, während wir Vorrichtungen über eine Halbleiterscheibe hinweg testen, in denen die Porendurchmesser systematisch von gerade mehr als einem Mikrometer bis gar nicht offen reichen. Wenn der Porendurchmesser im Bereich von zum Beispiel einem Mikrometer bis zu weniger als einem halben Mikrometer kontrolliert verändert wird, besteht Gelegenheit, die Leistung unserer Bauelemente zu verbessern. Da volumetrische Faktoren wie Stromdichte und Energiedichte in der Programmierung unserer Bauelemente wichtig sind, sollte eine Verminderung des Volumens des Bauelements, das aus einer Verkleinerung des Porendurchmessers erreicht wird, zu einer höheren Empfindlichkeit und Geschwindigkeit führen.

Eine Schwellen-Schaltspannung ist mit der Programmierung der Ovonic-EEPROM verbunden, daher erwartet man, dass die Programmierspannung der Ovonic-EEPROM wie bei Schwellenschaltern eine Abhängigkeit von der Dicke der Chalcogenidlegierungsschicht aufweist. In den Ovonic-EEPROM dient tatsächlich eine Schwellen-Schaltspannung dazu, Leseereignisse von Programmierereignissen zu trennen, wodurch Lesestörungen ausgeschaltet und ein guter funktioneller Spielraum während des Datenlesens geschaffen wird. Unsere Bauelemente zeigen lineare Widerstandskennlinien, wenn das angelegte Feld schwach ist, auf diese folgt eine allmähliche Abnahme des Widerstands mit zunehmendem Feld bis zu einer Schwellenspannung. Nachdem die Schwellenspannung überschritten ist, zeigt das Bauelement einen negativen Widerstandsübergang zu einem hochleitenden, "dynamischen Ein-"Zustand. Wenn das Feld entfernt wird, kehrt das Bauelement zu einem nichtflüchtigen programmierten Widerstandszustand zurück, wobei der Wert dieses Widerstands vom Strom/Energieprofil abhängt, dem das Bauelement während seiner "Speichereinschwingzeit" im dynamischen Ein-Zustand ausgesetzt war. Obwohl die Schwellenspannung vom Widerstand des Bauelements abhängt, ist der Strom des Bauelements bei der Schwellenspannung verhältnismässig konstant für alle Widerstände der Bauelemente. Eine lineare Näherung für die Beziehung zwischen Dicke und Schwellenspannung zeigt einen Proportionalitätsfaktor von weniger als eins, was zu dem breiten funktionellen Spielraum in Bauelementen der gleichen nominellen Dicke beiträgt.

Es versteht sich, dass die hier dargelegte Offenbarung in Gestalt von detaillierten Ausführungsformen vorgestellt wurde, die zum Zweck beschrieben wurden, eine ausführliche und vollständige Offenbarung der vorliegenden Erfindung zu liefern, und dass solche Details nicht so interpretiert werden dürfen, den wirklichen Umfang dieser Erfindung einzuschränken, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt und definiert wird.


Anspruch[de]

1. Ein elektrisch betriebenes, unmittelbar überschreibbares Speicherelement (30), umfassend:

ein Volumen von Speichermaterial (36) mit (1) einem grossen dynamischen Bereich von elektrischen Widerstandswerten und (2) der Fähigkeit, in Beantwortung eines ausgewählten elektrischen Eingangssignals auf einen von mehreren verschiedenen Widerstandswerten innerhalb des benannten dynamischen Bereichs eingestellt zu werden, so dass das Element mit zumindestens zwei stabilen Widerstandswert-Einstellungen versehen wird;

ein Paar beabstandet angeordneter Kontakte zur Lieferung der benannten elektrischen Eingangssignale;

wobei zumindest ein fadenförmiger Teil des Volumens von Speichermaterial durch die benannten ausgewählten elektrischen Signale auf einen beliebigen der benannten, verschiedenen Widerstandswerte in dem benannten dynamischen Bereich eingestellt werden kann, und zwar ohne Rücksicht auf den vorherigen Widerstandswert des benannten Materials;

gekennzeichnet durch

ein den fadenförmigen Teil steuerndes Element, eine Dünnfilmschicht umfassend, die zwischen dem benannten Volumen von Speichermaterial (36) und zumindest einem der benannten, beabstandet angeordneten Kontakte (32, 40) angeordnet ist und aus einem hochohmigen Material besteht, das zumindest einen hindurchführenden niederohmigen Pfad enthält, durch den die elektrischen Eingangssignale zwischen den benannten, beabstandet angeordneten Kontakten (32, 40) und dem benannten Volumen von Speichermaterial (36) hindurchgehen, wobei das benannte, den fadenförmigen Teil steuernde Element die Grösse und Lage des benannten fadenförmigen Teils während einer elektrischen Formierung des Speicherelements (30) definiert und beim Gebrauch des Speicherelements (30) die Grösse des benannten fadenförmigen Teils begrenzt sowie dessen Lage eingrenzt.

2. Das Speicherelement des Anspruchs 1, worin das benannte, den fadenförmigen Teil steuernde Element eine Dünnfilmschicht umfasst, die zwischen 1 und 10 nm (10 und 100 Ångstrom) dick ist.

3. Das Speicherelement des Anspruchs 2, worin das benannte, den fadenförmigen Teil steuernde Element eine Dünnfilmschicht umfasst, die aus C, F, O, Si und H gebildet ist.

4. Das Speicherelement des Anspruchs 3, worin das benannte, den fadenförmigen Teil steuernde Element eine Dünnfilmschicht umfasst, die in Atomprozent aus zwischen etwa 60-70% Kohlenstoff, 20-30% Fluor und 3-30% Sauerstoff, 0,5-2% Si und im übrigen H und weitere Verunreinigungen gebildet ist.

5. Das Speicherelement des Anspruchs 1, worin das Speichermaterial, das das bemannte Volumen von Speichermaterial bildet, aus der aus Se, Te, Ge, Sb und Mischungen von deren Legierungen gebildeten Gruppe ausgewählt wird.

6. Das Speicherelement des Anspruchs 5, worin das benannte Speichermaterial Te, Ge und Sb im Verhältnis von TeaGebSb100-(a+b) einschliesst, wo die Indices in Atomprozent angegeben sind, die sich zu 100% der aufbauenden Elemente summieren und wo 40 ≤ a ≤ 58 und 8 ≤ b ≤ 40.

7. Das Speicherelement des Anspruchs 5, worin das benannte Speichermaterial weiter ein Oder mehrere Elemente umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Cr, Fe, Ni, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O und deren Mischungen oder Legierungen besteht.

8. Das Speicherelement des Anspruchs 5. worin das benannte Volumen von Speichermaterial eine innerhalb des benannten Volumen von Speichermaterial örtlich variierende Zusammensetzung einschliesst, die den Widerstand des benannten Materials im Wesentlichen bei einem ausgewählten Widerstandswert stabilisiert und das benannte Volumen von Speichermaterial geeignet, ohne Drift auf den benannten ausgewählten Widerstandswert eingestellt zu bleiben, nachdem das Eingangssignal beendet wurde.

9. Das Speicherelement des Anspruchs 1, worin das benannte Volumen von Speichermaterial und die benannten Kontakte so ausgebildet sind, dass sie eine Matrixanordnung von Dünnschichtmaterial definieren, wobei jedes Speicherelement in der benannten Anordnung durch Dünnschicht-Isolationsvorrichtungen adressierbar von anderem Speicherelement in der Anordnung isoliert ist.

10. Das Speicherelement des Anspruchs 9, worin die Kombination von Dünnschicht- Speicherelementen und Isolationsvorrichtungen eine dreidimensionale Mehrebenen-Anordnung von diskret adressierbaren Speicherzellen hoher Dichte definieren.

11. Das Speicherelement des Anspruchs 1, worin das benannte Volumen von Speichermaterial funktionell in einer Pore von weniger als etwa 1 um (1 Mikron) angeordnet ist.







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