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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten
Schaltkreises mit einem resistiven Speicherelement, einen integrierten Schaltkreis,
ein Verfahren zum Speichern von Information und ein Speichermodul.
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Ein
nichtflüchtiger
Speicher behält
seine gespeicherten Daten, selbst wenn kein Strom vorhanden ist.
Diese Art von Speicher wird bei einer Vielzahl von elektronischen
Geräten
verwendet, einschließlich
bei Digitalkameras, tragbaren Audioabspielgeräten, drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen,
Personal Digital Assistants und Peripheriegeräten, sowie für das Speichern
von Firmware bei Computern und anderen Vorrichtungen.
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Nichtflüchtige Speichertechnologien
beinhalten Flash-Speicher,
magnetoresistive Vielfachzugriffsspeicher (MRAM), Phasenänderungs-Vielfachzugriffsspeicher
(PCRAM), Leitfähige-Brücke-Vielfachzugriffsspeicher
(CBRAM) und zahlreiche andere resistive Speichertechnologien. Aufgrund
der hohen Nachfrage nach nichtflüchtigen
Speichervorrichtungen verbessern Forscher die nichtflüchtigen
Speichertechnologien kontinuierlich immer weiter, und entwickeln
neue Arten von nichtflüchtigen
Speichern.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung eines integrierten
Schaltkreises bereitgestellt, der ein resistives Speicherelement
aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Abscheiden eines Schalt-Schicht-Materials, und
vorsätzliches
Ausbilden von inhomogen verteilten Defekten im Schalt-Schicht-Material,
so dass eine Anzahl von Schaltzyklen des resistiven Speicherelements
erhöht
wird.
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Gemäß einer
Ausgestaltung kann das Abscheiden eines Schalt-Schicht-Materials das Abscheiden eines Übergangs-Metalloxid-Materials aufweisen.
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Weiterhin
kann das Abscheiden eines Übergangs-Metalloxid-Materials MF-Sputtering
unter Verwendung eines Metall-Targets in einem Argon/Sauerstoff-Mischungs-Arbeitsgas
aufweisen.
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Gemäß einer
anderen Weiterbildung der Erfindung weist das Bilden von inhomogen
verteilten Defekten im Schalt-Schicht-Material auf ein Bilden einer Mehrzahl
von metallreichen Clustern auf einer Oberfläche des Schalt-Schicht-Materials,
und ein Fortführen
des Ausbildens des Schalt-Schicht-Materials.
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Weiterhin
kann das Bilden einer Mehrzahl von metallreichen Clustern auf einer
Oberfläche
des Schalt-Schicht-Materials das Induzieren von Entladungsstößen beinhalten,
so dass die metallreichen Cluster gebildet werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung weist das Induzieren von Entladungsstößen ein DC-Sputtering
in einem reinen Sauerstoff-Arbeitsgas auf.
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Ferner
kann das Fortsetzen der Bildung des Schalt-Schicht-Materials ein Zurückschalten
zum Abscheiden des Schalt-Schichtmaterials
nach ungefähr 10
Sekunden bis 15 Sekunden DC-Sputterings aufweist.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das vorsätzliche
Bilden von inhomogen verteilten Defekten im Schalt-Schichtmaterial
das Anwenden eines energetisch schonenden Verfahrens auf, so dass
metallreiche Defekte gebildet werden, während das Schalt-Schichtmaterial
abgeschieden wird.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein integrierter Schaltkreis bereitgestellt, aufweisend
ein resistives Speicherelement, welches einen oberen Kontakt und
einen unteren Kontakt aufweist, eine Schalt-Schicht, die zwischen
dem oberen Kontakt und dem unteren Kontakt abgeschieden wird, wobei
die Schalt-Schicht selektiv zwischen einem Niedrigwiderstands-Zustand
und einem Hochwiderstands-Zustand
schaltet, und eine Mehrzahl von vorsätzlich gebildeten Defekten,
die in der Schalt-Schicht angeordnet sind, so dass eine Anzahl von
Schaltzyklen der Schalt-Schicht erhöht wird.
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Weiterhin
kann die Schalt-Schicht ein bistabiles Schaltmaterial aufweisen.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung weist die Schalt-Schicht ein Übergangs-Metalloxid-Material
auf.
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Das Übergangs-Metalloxid-Material
kann NiO, TiO2, HfO2,
ZrO2, Nb2O5 oder Ta2O5 aufweisen.
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Weiterhin
können
die vorsätzlich
gebildeten Defekte metallreiche Cluster aufweisen.
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Gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die vorsätzlich
gebildeten Defekte in einer oder mehreren Teilschichten innerhalb
der Schalt-Schicht angeordnet.
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Weiterhin
kann es vorgesehen sein, dass die Schalt-Schicht zwischen dem Hochwiderstands-Zustand
und dem Niedrigwiderstands-Zustand schaltet, indem sie ein leitfähiges Filament
innerhalb der Schalt-Schicht bildet.
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Das
leitfähige
Filament kann innerhalb der Schalt-Schicht gebildet werden, wenn
eine Formierspannung zwischen dem oberen Kontakt und dem unteren
Kontakt angelegt wird.
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Die
vorsätzlich
gebildeten Defekte können eine
Formierspannung des leitfähigen
Filaments weiter verringern.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird ein integrierter Schaltkreis bereitgestellt, aufweisend
eine Speicherzelle, die einen Auswähltransistor aufweist, und
ein resistives Speicherelement, das mit dem Auswähltransistor gekoppelt ist,
wobei das resistive Speicherelement einen oberen Kontakt, einen
unteren Kontakt und eine Schalt-Schicht aufweist, wobei die Schalt-Schicht zwischen
dem oberen Kontakt und dem unteren Kontakt angeordnet ist und eine
Vielzahl von vorsätzlich gebildeten
Defekten aufweist, die innerhalb der Schalt-Schicht angeordnet sind,
so dass eine Anzahl von Schaltzyklen des resistiven Speicherelements erhöht wird,
und wobei Information durch selektives Schalten zwischen einem Niedrigwiderstands-Zustand
und einem Hochwiderstands-Zustand gespeichert wird.
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Die
Schalt-Schicht kann ein Übergangs-Metalloxid-Material
aufweisen.
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Weiterhin
können
die vorsätzlich
gebildeten Defekte metallreiche Cluster aufweisen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die vorsätzlich
gebildeten Defekte in einer oder mehreren Teilschichten innerhalb
der Schalt-Schicht angeordnet.
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Ferner
kann die Schalt-Schicht zwischen dem Hochwiderstands-Zustand und dem Niedrigwiderstands-Zustand
durch Bilden eines leitfähigen
Filaments innerhalb der Schalt-Schicht schalten.
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Gemäß noch einer
Ausgestaltung der Erfindung verringern die vorsätzlich gebildeten Defekte eine
Formierspannung des leitfähigen
Filaments weiter.
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Gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Verfahren zum Speichern von Information bereitgestellt,
aufweisend ein Bereitstellen eines resistiven Speicherelements,
das einen oberen Kontakt, einen unteren Kontakt und eine Schalt-Schicht
aufweist, wobei die Schalt-Schicht zwischen
dem oberen Kontakt und dem unteren Kontakt angeordnet ist, und eine
Mehrzahl von vorsätzlich
gebildeten in der Schalt-Schicht angeordneten Defekten aufweist,
so dass eine Anzahl von Schaltzyklen des resistiven Speicherelements
erhöht
wird, und ein selektives Schalten des resistiven Speicherelements
zwischen einem Niedrigwiderstands-Zustand und einem Hochwiderstands-Zustand,
so dass Information gespeichert wird.
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Das
Bereitstellen eines resistiven Speicherelements kann das Bereitstellen
einer Schalt-Schicht aufweisen, die ein Übergangs-Metalloxid aufweist.
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Das
Bereitstellen eines resistiven Speicherelements kann das Bereitstellen
einer Schalt-Schicht aufweisen, wobei die vorsätzlich gebildeten Defekte metallreiche
Cluster aufweisen.
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Ferner
kann das Bereitstellen eines resistiven Speicherelements das Bereitstellen
einer Schalt-Schicht aufweisen, wobei die vorsätzlich gebildeten Defekte in
einer oder mehreren Teilschichten in der Schalt-Schicht angeordnet
sind.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das selektive
Schalten des resistiven Speicherelements zwischen einem Niedrigwiderstands-Zustand
und einem Hochwiderstands-Zustand das Bilden eines leitfähigen Filaments
in der Schalt-Schicht aufweist.
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Gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Speichermodul bereitgestellt, aufweisend
eine Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen, wobei die integrierten
Schaltkreise ein resistives Speicherelement aufweisen, das einen oberen
Kontakt, einen unteren Kontakt und eine Schalt-Schicht aufweist,
wobei die Schalt-Schicht zwischen dem oberen Kontakt und dem unteren
Kontakt angeordnet ist und eine Mehrzahl von vorsätzlich gebildeten
Defekten aufweist, die innerhalb der Schalt-Schicht angeordnet sind,
so dass eine Anzahl von Schaltzyklen des resistiven Speicherelements erhöht wird.
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Die
Schalt-Schicht kann ein Übergangs-Metalloxid
aufweisen.
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Ferner
können
die vorsätzlich
gebildeten Defekte metallreiche Cluster aufweisen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung sind die vorsätzlich
gebildeten Defekte in einer oder mehreren Teilschichten innerhalb
der Schalt-Schicht gebildet.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die
Schalt-Schicht zwischen dem Hochwiderstands-Zustand und dem Niedrigwiderstands-Zustand
durch Bilden eines leitfähigen
Filaments in der Schalt-Schicht
schaltet.
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Die
vorsätzlich
gebildeten Defekte können eine
Formierspannung des leitfähigen
Filaments weiter reduzieren.
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Weiterhin
kann das Speichermodul stapelbar sein.
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In
den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen
auf die gleichen Teile durch die verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen
sind nicht zwangsläufig
maßstabsgetreu,
stattdessen liegt der Schwerpunkt im Allgemeinen darauf, die Prinzipien
der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung
sind verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben.
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Es
zeigen
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1A und 1B ein
resistives Speicherelement, in welchem ein leitfähiges Filament durch eine Übergangsmetalloxidschicht
gebildet wird;
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2A und 2B alternative
Blockdiagrammanordnungen einer Speicherzelle unter Verwendung eines
resistiven Speicherelements;
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3 ein
resistives Speicherelement, das gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung metallreiche Defekte in der Schalt-Schicht aufweist;
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4 ein
Blockdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines resistiven
Speicherelements gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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5A und 5B Stufen
bei der Herstellung eines resistiven Speicherelements gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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6 einen
Querschnitt einer Speichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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7A und 7B jeweils
ein Integrationsschema für
eine Speichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung und eine schematische Darstellung von zwei wie im
Integrationsschema gezeigten konfigurierten Speicherzellen;
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8A bis 8F Schritte
bei der Bildung eines unteren Kontakts, der bei einem resistiven Speicherelement gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung verwendet werden kann
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9 ein
Blockdiagramm eines Verfahrens zum Speichern von Information gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung; und
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10A und 10B ein
Speichermodul beziehungsweise ein Stapel-Speichermodul, die Speicherelemente
gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung verwenden können.
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Im
Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben
sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten
oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten
Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen
Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
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Die
Größe von elektronischen
Geräten
wird konstant immer weiter verringert. Für Speichervorrichtungen könnten konventionelle
Technologien, wie zum Beispiel Flash-Speicher und DRAM, die Information
basierend auf der Speicherung elektrischer Ladungen speichern, in
naher Zukunft ihre Grenzen in Bezug auf ihre Größe erreichen. Zusätzliche
Merkmale dieser Technologien, wie zum Beispiel die hohen Schaltspannungen
und eine begrenzte Anzahl an Lese- und Schreibzyklen eines Flash-Speichers, oder
die begrenzte Speicherdauer des Ladezustands bei DRAM bringen zusätzliche
Herausforderungen mit sich. Um auf manche dieser Probleme einzugehen,
erforschen Forscher Speichertechnologien, die für das Speichern von Information
nicht das Speichern einer elektrischen Ladung verwenden. Eine dieser
Technologien ist ein resistiver Speicher, der auf der bistabilen
Widerstandsänderung
in Übergangsmetalloxid-Schichten
basiert. Wie im Folgenden beschrieben wird, können in bestimmten Übergangsmetalloxid-Materialien
als Antwort auf das Anlegen einer adäquaten Spannung in dem Material eine
Leiterbahn oder ein Filament aufgrund von thermisch-elektrischen
Wechselwirkungen gebildet oder entfernt werden. Das Bilden und Entfernen
dieses leitfähigen
Filaments ist mit einem Thermistoreffekt gekoppelt, der aufgrund
der inhomogenen Temperaturvereilung in dem Übergangsmetalloxid-Material als
Antwort auf das Anlegen einer Spannung den bistabilen Schaltprozess
induziert.
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1A zeigt
ein resistives Speicherelement 100 dieses Typs. Das resistive
Speicherelement 100 weist einen oberen Kontakt 102,
einen unteren Kontakt 104 und eine Übergangsmetalloxid-Schicht 106 auf,
die zwischen dem oberen Kontakt 102 und dem unteren Kontakt 104 angeordnet
ist. Die Übergangsmetalloxid-Schicht 106 kann
aus einer Anzahl von Übergangsmetallkomponenten
eine beliebige davon aufweisen, wie zum Beispiel NiO, TiO2, HfO2, ZrO2, Nb2O5,
Ta2O5, oder andere
geeignete Materialien.
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Wenn
eine Spannung über
einer "SETZ"-Spannung über die Übergangsmetalloxid-Schicht 106 angelegt
wird, wird ein leitfähiges
Filament 114 gebildet, wodurch die Übergangsmetalloxid-Schicht
in einen "AN"-Zustand versetzt
wird, wodurch der Widerstand der Übergangsmetalloxid-Schicht 106 drastisch
reduziert wird. Eine SETZ-Spannung von ungefähr 2 V zum Beispiel, die über einen
NiO-Film mit einer Dicke zwischen ungefähr 20 nm und ungefähr 100 nm
angelegt ist, kann dazu führen,
dass der Widerstand des Films von ungefähr 1 KΩ auf 10 KΩ (abhängig von der Dicke der Schicht)
bis auf weniger als ungefähr
100 Ω fällt.
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Wie
in 1B dargestellt, wird eine "RÜCKSETZ"-Spannung über die Übergangsmetalloxid-Schicht 106 im "AN"-Zustand angelegt,
das leitfähige
Filament 114 wird entfernt, wodurch die Übergangsmetalloxid-Schicht 106 wieder
in einen "AUS"-Zustand zurückkehrt,
und der Widerstand der Übergangsmetalloxid-Schicht 106 vergrößert wird. Die "RÜCKSETZ"-Spannung zur Verwendung bei einer Übergangsmetalloxid-Schicht
mit einem NiO-Film kann ungefähr
1 V betragen.
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Um
den gegenwärtigen
Speicher-Zustand des resistiven Speicherelements 100 zu
bestimmen, kann ein Lesestrom durch das resistive Speicherelement 100 geführt werden.
Der Lesestrom stößt auf einen
hohen Widerstand, wenn es in dem resistiven Speicherelement 100 kein
Filament 114 gibt, und auf einen niedrigen Widerstand,
wenn es ein Filament 114 gibt. Ein hoher Widerstand kann
zum Beispiel eine logische "0" darstellen, während ein
niedriger Widerstand eine logische "1" darstellt,
oder umgekehrt.
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2A zeigt
eine veranschaulichende Speicherzelle, die ein resistives Speicherelement
verwendet. Die Speicherzelle 200 weist einen Auswähltransistor 202 und
ein resistives Speicherelement 204 auf. Der Auswähltransistor 202 weist
einen ersten Source/Drain-Anschluss 206 auf, der mit einer
Bitleitung 208 gekoppelt ist, einen zweiten Source/Drain-Anschluss 210,
der mit dem Speicherelement 204 gekoppelt ist, und einen
Gate-Anschluss 212, der mit einer Wortleitung 214 gekoppelt
ist. Das resistive Speicherelement 204 ist ebenfalls mit
einer gemeinsamen Leitung 216 gekoppelt, die geerdet oder
an andere Schaltkreise gekoppelt sein kann, wie zum Beispiel an
(nicht dargestellte) Schaltkreise zum Bestimmen des Widerstandes
der Speicherzelle 200 zur Anwendung beim Lesen. Alternativ
können
in manchen Konfigurationen (nicht dargestellte) Schaltkreise zum
Bestimmen des Zustands der Speicherzelle 200 während des
Lesens mit der Bitleitung 208 gekoppelt sein. Es wird angemerkt,
dass die Begriffe "angeschlossen" und "gekoppelt", so wie sie hier
verwendet werden, sowohl einen direkten als auch einen indirekten
Anschluss beziehungsweise eine direkte als auch eine indirekte Kopplung
einschließen.
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Damit
in die Speicherzelle geschrieben werden kann, wird die Wortleitung 214 verwendet,
um die Zelle 200 auszuwählen,
und eine Spannung auf der Bitleitung 208 wird an das resistive
Speicherelement 204 angelegt, so dass eine Leiterbahn oder
ein Filament in dem resistiven Speicherelement 204 gebildet
wird oder entfernt wird, wodurch der Widerstand des resistiven Speicherelements 204 verändert wird.
Auf gleiche Weise wird beim Lesen der Zelle 200 die Wortleitung 214 dazu
verwendet, die Zelle 200 auszuwählen, und die Bitleitung 208 wird
dazu verwendet, eine Lesespannung über das resistive Speicherelement 204 anzulegen,
um den Widerstand des resistiven Speicherelements 204 zu
messen.
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Die
Speicherzelle 200 kann auch als 1T1J-Zelle bezeichnet werden,
da sie einen Transistor und einen Speicherübergang (das resistive Speicherelement 204)
verwendet. Typischerweise weist eine Speichervorrichtung ein Array
vieler solcher Zellen auf. Es wird darauf hingewiesen, dass bei
einem resistiven Speicherelement auch andere Konfigurationen für eine 1T1J-Speicherzelle
oder auch andere Konfigurationen als eine 1T1J-Konfiguration verwendet
werden können.
In 2B ist zum Beispiel eine alternative Anordnung
für eine
1T1J-Speicherzelle 250 dargestellt,
in welcher ein Auswähltransistor 252 und
ein resistives Speicherelement 254 in Bezug auf die in 2A dargestellte
Konfiguration neu positioniert wurden.
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In
der alternativen in 2B dargestellten Konfiguration
ist das resistive Speicherelement 254 mit einer Bitleitung 258 und
einem ersten Source/Drain-Anschluss 256 des Auswähltransistors
gekoppelt. Ein zweiter Source/Drain-Anschluss 260 des Auswähltransistors 252 ist
mit einer gemeinsamen Leitung 266 gekoppelt, die geerdet
sein kann, oder mit anderen (nicht dargestellten) Schaltungen gekoppelt
sein kann, wie oben erläutert.
Ein Gate-Anschluss 262 des Auswähltransistors 252 wird
durch eine Wortleitung 264 gesteuert.
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Eine
Herausforderung bei der Herstellung resistiver Speicher basierend
auf bistabilem Schalten in NiO oder anderen Übergangsmetalloxiden (TMOs) ist
die begrenzte Lebensdauer vieler solcher Speicher. Der hohe Anfangswiderstand
von TMOs bei Raumtemperatur und die hohe Stromdichte in den kleinen
Filamenten, die gebildet werden, sowie die hohe Wärmebilanz
während
der Spannungspulse, die verwendet werden, um diese Speicher zu programmieren,
können
zu einer begrenzten Anzahl von Schaltzyklen und Schwankungen bei
Schaltparametern (zum Beispiel den für das Schalten benötigten Spannungen)
führen.
In manchen auf NiO basierenden Geräten kann das Gerät zum Beispiel
nach so wenigen wie 106 Schaltzyklen aufhören, korrekt
zu schalten.
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Gemäß der Erfindung
kann ein resistives TMO-basiertes Speicherelement mit einer höheren Lebensdauer
und einer für
die Bildung einer Leiterbahn oder eines Filaments durch das TMO-Material benötigten niedrigeren
Spannung durch das Erzeugen von Störstellen oder Defekten im TMO-Material vorgesehen
sein. Diese Defekte, die die Form von metallreichen "Nano-Punkts" annehmen können, werden überall in
dem TMO-Material verstreut, durchdringen das TMO-Material jedoch
nicht vollständig.
In einigen Ausführungsformen
können
die Defekte in ausgewählten
Schichten im TMO-Material gebildet werden, so dass eine entsprechende
Dichte solcher metallreicher Störstellen
bereitgestellt wird. Gemäß der Erfindung
verringert die Anwesenheit dieser Defekte im TMO-Material die Stromdichte während des
Programmierens auf ein Niveau unter einer kritischen Dichte, bei
welcher chemische Umwandlung oder Zerstörung beginnt. Infolge des Einbringens
dieser Defekte wird die Formierspannung für ein leitfähiges Filament verringert und
die Anzahl von Schaltzyklen (d. h. die Lebensdauer) des Speicherelements
wird erhöht.
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3 stellt
eine beispielhafte Ausführungsform
eines resistiven Speicherelements 300 gemäß der Erfindung
dar. Das resistive Speicherelement 300 weist einen oberen
Kontakt 302, eine Schalt-Schicht 304 und einen
unteren Kontakt 306 auf. Die Schalt-Schicht 304 enthält ein TMO-Material, wie
zum Beispiel NiO, TiO2, HfO2,
ZrO2, Nb2O5, Ta2O5 oder
andere geeignete Materialien. Viele solcher Materialien weisen eine
bistabile Widerstandsänderung auf.
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Die
Schalt-Schicht 304 weist Teilschichten 308 und 310 auf,
auf welchen vorsätzlich
zahlreiche "Nano-Punkt"-Defekte 312 gebildet
wurden. Die Nano-Punkt-Defekte 312 können Cluster von metallreichen
Materialen oder anderer Störstellen
aufweisen, die vorsätzlich
in die Schalt-Schicht 304 eingebracht wurden. Diese "Nano-Punkt"-Defekte 312 bilden Störstellen
innerhalb der TMO-Schicht 304, wodurch die Formierspannung
einer Leiterbahn oder eines Filaments verringert wird, und die Anzahl
der Schaltzyklen (d. h. die Lebensdauer) des Speicherelements 300 gemäß der Erfindung
erhöht
wird.
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Wie
oben erläutert,
wird eine Leiterbahn oder ein Filament gebildet, wenn eine "SETZ"-Spannung an die
Schalt-Schicht 304 angelegt wird, wodurch das resistive
Speicherelement 300 in einen Niedrigwiderstands-Zustand
versetzt wird. Wenn eine "RÜCKSETZ"-Spannung angelegt
wird, wird die Leiterbahn oder das Filament entfernt, wodurch das
resistive Speicherelement 300 in einen Hochwiderstands-Zustand
versetzt wird. Der Widerstand des resistiven Speicherelements 300 bestimmt
den gespeicherten Wert. Der Hochwiderstands-Zustand kann zum Beispiel
eine logische "0" darstellen, und der
niedrige Widerstands-Zustand eine logische "1", oder
umgekehrt. In manchen Ausführungsformen können Vielfach-Zwischenwiderstandszustände verwendet
werden, so dass mehr als ein Bit Information in solch einem resistiven
Speicherelement gespeichert wird.
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Es
wird angemerkt, dass obwohl nur zwei Teilschichten 308 und 310 mit
Nano-Punkt-Defekten 312 in der Schalt-Schicht 304 dargestellt
werden, zahlreiche solcher Teilschichten mit Nano-Punkten oder anderen
metallreichen Defekten verwendet werden können. Obwohl die Nano-Punkt-Defekte 312 in regulären Teilschichten 308 und 310 in
der Schalt-Schicht 304 angeordnet sind, wird dennoch zusätzlich darauf
hingewiesen, dass in anderen Ausführungsformen andere Anordnungen
solcher Störstellen
verwendet werden können.
Die Nano-Punkt-Defekte können
zum Beispiel zufällig über die
Schalt-Schicht 304 verteilt sein. Jegliche Anordnung der
Nano-Punkt-Defekte in einer Weise, die die Schalt-Schicht nicht
vollständig
durchdringt, kann gemäß den Prinzipien
der Erfindung verwendet werden.
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Unter
Bezugnahme auf die 4 wird nun ein Beispiel eines
Verfahrens zur Herstellung eines integrierten Schaltkreises mit
einem resistiven Speicherelement gemäß der Erfindung dargestellt.
Das Verfahren führt
zum Einbringen von metallreichen Defekten oder "Nano-Punkten" in eine TMO-Schalt-Schicht, unter der Verwendung
eines energetisch "schonenden" Verfahrens. Wie
oben erläutert,
führt die
Verwendung solcher metallreicher Defekte zu einer verringerten Formierspannung
für eine
Leiterbahn oder ein Filament, und zu einer höheren Anzahl von Schaltzyklen.
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Wie
bereits beschrieben wurde, beginnt das Verfahren mit herkömmlich vorgereinigten
Silizium-Wafern. Abhängig
vom wie weiter unten beschriebenen Integrationsschema, können die
Wafer bereits Auswähltransistoren,
Gitterlücken,
eine Isolierschicht, eine untere Elektrode und/oder bei der Bildung
von Speichervorrichtungen verwendete Komponenten aufweisen. Diese
Komponenten können
auf dem Wafer mittels konventioneller CMOS-Technologie abgeschieden
werden, oder mittels jeder anderen Technologie oder jeglicher Verfahren,
die jetzt bekannt oder später
entwickelt werden. Somit zeigt das Verfahren, das unter Bezugnahme auf
die 4 beschrieben wird, lediglich die Herstellung
der Schalt-Schicht mit metallreichen Defekten oder Störstellen,
sowie das Abscheiden des oberen Kontakts. Das Beispiel-Verfahren,
das unter Bezugnahme auf die 4 beschrieben
wird, ist mit einem konventionellen CMOS-Prozess kompatibel.
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In
Schritt 402 wird ein Schalt-Schichtmaterial mit einer Übergangsmetalloxid-Komponente
abgeschieden. Dies kann zum Beispiel durch die Verwendung von Mittelfrequenz-(MF)-reaktivem Sputtern von
Metall-Targets mit einer Plasma-Anregungsfrequenz
oder einer Stromversorgungsfrequenz im Bereich von 1 KHz bis 10
KHz in einem Argon/Sauerstoff-Arbeitsgasgemisch
erfolgen. Abhängig
von der gewünschten
Zusammensetzung der abgeschiedenen TMO-Komponente kann das Metall-Target
Metalle, wie zum Beispiel Ni, Ti, Hf, Zr, Nb, Ta oder andere geeignete
Metalle aufweisen.
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In
Schritt 404 wird das Abscheiden der Metalloxidkomponente
zeitweise gestoppt, und eine metallreiche Defekte aufweisende Teilschicht
wird abgeschieden. Dies kann erfolgen, indem Entladungsstöße induziert
werden, indem das Sputtern von MF zu DC umgestellt wird (oder indem
die Frequenz verringert wird), und durch Umstellen des Arbeitsgases
in reinen Sauerstoff. Dies führt
zur Abscheidung von Sauerstoffmolekülen oder Sauerstoffatomen auf
einer Oberfläche
des Targets, wodurch eine dünne
Isolierschicht gebildet wird. Diese Entladungsstöße verursachen zufällig verteilte "Defekte" oder Störstellen, gebildet
aufgrund von Clustern von Oberflächen-Metall-Atomen,
die entsputtert und auf dem Wafer als "linsenförmige" metallreiche Cluster abgeschieden werden.
Während
dieses Schritts erfolgt geringes oder nicht wirkliches Schichtwachstum.
Stattdessen werden inhomogen verteilte metallreiche Cluster auf die
Oberfläche
des TMO-Schalt-Schicht-Materials abgeschieden. Nach ungefähr 10 Sekunden
bis 15 Sekunden Sputterzeit wird das Arbeitsgas wieder auf die Argon/Sauerstoff-Mischung
umgeschaltet, und das Sputter-Regime wird von DC zu MF umgeschaltet,
wodurch eine Abscheidung des TMO-Schalt-Schicht-Materials fortgesetzt
wird, wie in Schritt 402 dargestellt.
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Zwischen
dem Abscheiden des TMO-Schalt-Schicht-Materials in Schritt 402 und dem
Abscheiden von metallreichen Clustern in Schritt 404 kann
während
der Abscheidung der Schalt-Schicht mehrere Male ein Wechsel erfolgen. Für eine Gesamt-Schalt-Schicht-Dicke von
40 nm zum Beispiel kann es in manchen Ausführungsformen drei Teilschichten
mit metallreichen Defekten geben.
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Hat
die Schalt-Schicht einmal eine ausreichende Dicke durch einen Wechsel
zwischen Abscheidung des TMO-Materials und Abscheidung metallreicher
Cluster erreicht, wird in Schritt 406 ein oberer Kontakt
abgeschieden. Der obere Kontakt kann Metalle aufweisen, wie zum
Beispiel Ti oder Pt, und kann mittels Sputterns abgeschieden werden.
Nach Abscheidung des oberen Kontakts kann das Speicherelement unter
Anwendung von konventionellen Techniken fertig gestellt werden.
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Dieses
Verfahren ist in den 5A und 5B weiter
dargestellt. In 5A wird MF-Sputtern mit einem
Metall-Target 502 in
einem Argon/Sauerstoff-Arbeitsgas 504 verwendet, um ein
TMO-Material 506 auf einem Wafer 508 abzuscheiden.
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Wie
in 5B dargestellt, schaltet das System periodisch
auf DC-Sputtern mit dem Metall-Target 502 in einem reinen
Arbeitsgas 520. Dies verursacht die Ausbildung einer dünnen Isolierschicht 522 auf
dem Target 502. Dies verursacht Entladungsstöße 524,
welche dazu führen,
dass metallreiche Cluster 526 auf einer Oberfläche des
TMO-Materials 506 auf dem Wafer 508 abgeschieden
werden.
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In
Bezug auf die 6 ist ein Querschnitt von zwei
Speicherzellen einer fertigen Integrierter-Schaltkreis-resistiven Speichervorrichtung
gemäß der Erfindung
dargestellt. Während
der Querschnitt ein Integrationsschema bereitstellt, welches für den Gebrauch
mit einem integrierten Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung
geeignet wäre, kann
dieses ebenfalls für
herkömmliche
resistive Speichervorrichtungen verwendet werden. Entsprechend ist
ein resistives Speicherelement gemäß der Erfindung nicht auf die
Verwendung in einer Vorrichtung wie in 6 dargestellt
beschränkt,
sondern kann in jeglicher TMO-basierten resistiven Speichervorrichtung
Anwendung finden.
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Wie
zu erkennen ist, weist die Speichervorrichtung 600 Wortleitungen 602 und 604 auf,
die mit den Gates der Auswähltransistoren 606 und 608 koppeln.
Ein gemeinsamer Drain-Anschluss 610 von Auswähltransistoren 606 und 608 ist
mit einer gemeinsamen Leitung 612 gekoppelt, die geerdet
sein kann. Der Source-Bereich 614 des Auswähltransistors 606 und
der Source-Bereich 616 des Auswähltransistors 608 sind
mit resistiven Speicherelementen 618 bzw. 620 gekoppelt.
Jedes der resistiven Speicherelemente 618 und 620 weist
eine untere Elektrode, eine TMO-Schicht mit metallreichen Defekten
gemäß der Erfindung
und eine obere Elektrode auf. Die resistiven Speicherelemente 618 und 620 sind
mit einer Bit-Leitung 622 gekoppelt.
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In
Bezug auf die 7A ist eine Querschnittsansicht
eines alternativen Integrationsschemas für einen integrierten Schaltkreis
mit zwei Zellen einer resistiven Speichervorrichtung 700 dargestellt.
Wie bei dem in 6 dargestellten resistiven Speicherelement
wird deutlich, dass obwohl dieses Integrationsschema für die Verwendung
bei einem resistiven Speicherelement gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet
wäre, es
auch für
konventionelle resistive Speichervorrichtungen verwendet werden
kann, und dass ein resistives Speicherelement gemäß der Erfindung
nicht auf die Anwendung in einer Vorrichtung wie in 7A gezeigt
beschränkt
ist.
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In
der in 7A dargestellten resistiven Speichervorrichtung 700 ist
eine Bit-Leitung 702 mit einem gemeinsamen Source-Anschluss für die Auswähltransistoren 704 und 706 von
zwei Speicherzellen gekoppelt. Die Gates der Transistoren 704 und 706 werden
durch Wortleitungen 708 bzw. 710 gesteuert. Untersucht
man nur eine der Zellen (die andere ist im Wesentlichen identisch),
ist der Drain-Anschluss 712 des Auswähltransistors 706 mit
einem unteren Kontakt 714 gekoppelt, der eine TMO-Schicht 716 kontaktiert,
die metallreiche "Nano-Punkt"-Defekte gemäß der Erfindung
aufweist. Ein oberer Kontakt 718 ist über der TMO-Schicht 716 angeordnet
und mit einer gemeinsamen Leitung 720 gekoppelt. Die gleiche
Metallschicht, die den Anschluss zu der gemeinsamen Leitung 720 aufweist, kann
auch andere Anschlüsse
aufweisen, wie zum Beispiel einen segmentierten Wortleitungsanschluss 722.
Eine obere Metallschicht 724 kann Strom für die Vorrichtung
führen,
oder für
andere Zwecke bei einer integrierten Vorrichtung verwendet werden.
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In
einer Vorrichtung mit einem Aufbau wie in dem Querschnitt 700 dargestellt,
können
der Wortleitungs-Pitch und der Bitleitungs-Pitch gleich sein, und können in
etwa das Zweifache der Merkmalsgröße (Feature Size) darstellen.
Bei Verwendung einer Technologie, die eine Merkmalsgröße (Feature
Size) von 90 nm aufweist, bedeutet das, dass der Bitleitungs-Pitch und der Wortleitungs-Pitch
ungefähr
180 nm betragen würden.
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In 7B ist
ein Schaltbild für
die in 7A dargestellten Speicherzellen
dargestellt. In der resistiven Speichervorrichtung 750 ist
eine Bitleitung 752 mit einem gemeinsamen Source-Anschluss
für Transistoren 754 und 756 gekoppelt.
Wortleitungen 758 und 760 steuern Gates von Transistoren 754 bzw. 756.
Der Transistor 754 ist mit einem resistiven Speicherelement 762 und
mit einer gemeinsamen Leitung 764 gekoppelt, während der
Transistor 756 mit einem resistiven Speicherelement 766 und
einer gemeinsamen Leitung 768 gekoppelt ist (die die gleiche
sein kann wie die gemeinsame Leitung 764). Die resistiven
Speicherelemente 762 und 766 weisen eine TMO-Schicht
mit Defekten auf, um die Formierspannung für Filamente zu verringern,
und vergrößern die Lebensdauer
der Speichervorrichtung gemäß der Erfindung.
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In
Bezug auf die 8A bis 8F werden beispielhafte
Schritte in einem Verfahren für
die Herstellung eines unteren Kontakts zur Verwendung bei einem
resistiven Speicherelement beschrieben. Es wird deutlich, dass dieses
Verfahren und der untere Kontakt, der unter Anwendung dieses Verfahrens
gebildet wird, sowohl bei einem konventionellen resistiven Speicherelement
als auch bei einem erfindungsgemäßen Speicherelement
verwendet werden können.
Es wird ferner erwähnt,
dass ein resistives Speicherelement gemäß der Erfindung nicht auf die
Verwendung eines durch solch ein Verfahren hergestellten unteren
Kontakts beschränkt
ist, sondern jeden geeigneten unteren Kontakt verwenden kann, der durch
jedes jetzt bekannte oder später
entwickelte Verfahren hergestellt wird.
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8A zeigt
eine Oxid-Schicht 802, auf welcher ein Nitrid-Ätz-Unterbrechungsstück 804 abgeschieden
wurde, sowie einen zusätzliche Oxid-Schicht 806.
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Wie
in 8B dargestellt, wird ein Lithographie-Verfahren
und Ätzen
angewendet, so dass ein Graben 808 in der Oxid-Schicht 806 für den unteren Kontakt
gebildet wird.
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8C zeigt
ein leitfähiges
Material, wie zum Beispiel Wolfram (W), welches im Graben 808 abgeschieden
ist, und zum Beispiel durch einen chemischen mechanischen Planarisierungsprozess
planarisiert wird.
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In 8D wurde
eine Nitrid/Oxid-Schicht 812 über dem leitfähigen Material 810 abgeschieden.
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Wie
in 8E gezeigt, werden ein lithographischer Prozess
sowie Ätzen
angewendet, um ein Loch 814 in der Nitrid/Oxid-Schicht 812 zu
bilden.
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Anschließend wird,
wie in 8F dargestellt, das Loch 814 mit
TiN/W oder einem anderen geeigneten Material gefüllt und planarisiert, womit
die Herstellung eines unteren Kontakts 816 fertig gestellt
ist. Wurde der untere Kontakt einmal abgeschieden, kann ein wie
oben unter Bezugnahme auf die 4 beschriebenes
Verfahren verwendet werden, um ein resistives Speicherelement über dem
unteren Kontakt gemäß der Erfindung
zu bilden.
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In
Bezug auf die 9 wird nun ein Verfahren zum
Speichern von Information gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In Schritt 902 ist ein resistives
Speicherelement mit einer TMO-Schalt-Schicht mit metallreichen Defekten
gemäß der Erfindung
vorgesehen. Wie oben erläutert, verringert
das Einführen
solcher Defekte in die TMO-Schalt-Schicht die Formierspannung für leitfähige Filamente
und verlängert
die Lebensdauer des resistiven Speicherelements.
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In
Schritt 904 wird Information im resistiven Speicherelement
gespeichert, indem selektiv zwischen einem Hochwiderstands-Zustand und einem Niedrigwiderstands-Zustand
geschaltet wird, indem reversibel ein leitfähiges Filament in der TMO-Schalt-Schicht gebildet
wird.
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Speicherzellen
mit wie oben beschriebenen Speicherelementen können in Speichervorrichtungen
verwendet werden, die eine große
Anzahl solcher Zellen aufweisen. Diese Zellen können zum Beispiel in einem
Array von Speicherzellen angeordnet sein, mit zahlreichen Reihen
und Spalten von Zellen, von denen jede ein oder mehrere Bit Information speichert.
Speichervorrichtungen dieser Art können in einer Vielzahl von
Anwendungen oder Systemen verwendet werden. Wie in den 10A und 10B dargestellt,
können
in manchen Ausführungsformen Speichervorrichtungen
wie die hier beschriebenen in Modulen verwendet werden.
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In 10A ist ein Speichermodul 1000 dargestellt,
auf welchem eine oder mehrere Speichervorrichtungen 1004 auf
einem Substrat 1002 angeordnet sind. Jede Speichervorrichtung 1004 kann zahlreiche
Speicherzellen gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung aufweisen. Das Speichermodul 1000 kann ferner
eine oder mehrere elektronische Vorrichtungen 1006 aufweisen,
die Speicher, Verarbeitungsschaltkreise, Steuerschaltkreise, Adressierungsschaltkreise,
Busverbindungs-Schaltkreise oder andere Schaltkreise oder elektronische
Vorrichtungen aufweisen, die auf einem Modul mit einer Speichervorrichtung 1004 kombiniert
werden können.
Zusätzlich
weist das Speichermodul 1000 multiple elektrische Anschlüsse 1008 auf,
die dazu verwendet werden können,
das Speichermodul 1000 mit anderen elektronischen Komponenten
einschließlich anderer
Module zu koppeln. Das Modul 1000 kann zum Beispiel in
eine größere Schaltplatte
gesteckt sein, unter anderem einschließlich in PC-Hauptplatinen,
Videoadapter, Mobiltelefonschalttafeln oder tragbare Video- oder
Audioabspielgeräte.
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Wie
in 10B dargestellt, können diese Module in einigen
Ausführungsformen
stapelbar sein, so dass sie einen Stapelspeicher 1050 bilden. Ein
stapelbares Speichermodul 1052 kann zum Beispiel eine oder
mehrere Speichervorrichtungen aufweisen, die auf einem stapelbaren
Substrate 1054 angeordnet sind. Jede der Speichervorrichtungen 1056 weist
Speicherzellen auf, die Speicherelemente gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung anwenden. Das Stapelspeichermodul 1052 kann
auch eine oder mehrere elektronische Vorrichtungen 1058 aufweisen,
die Speicher, Verarbeitungsschaltkreise, Steuerschaltkreise, Adressierungsschaltkreise,
Busverbindungsschaltkreise oder andere Schaltkreise oder elektronische
Vorrichtungen aufweisen, die auf einem Modul mit einer Speichervorrichtung 1056 kombiniert
werden können.
Elektrische Anschlüsse 1060 werden
dazu verwendet, das Stapelspeichermodul 1052 mit anderen
Modulen im Stapel 1050 oder mit anderen elektronischen
Vorrichtungen zu koppeln. Andere Module im Stapelspeicher 1050 können zusätzliche
Stapelspeichermodule aufweisen, die dem oben beschriebenen Stapelspeichermodul 1052 ähneln, oder
andere Arten von stapelbaren Modulen, wie zum Beispiel stapelbare
Verarbeitungsmodule, Steuermodule, Kommunikationsmodule oder andere
Module mit elektronischen Komponenten.
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Während die
Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann verstehen, dass
zahlreiche Änderungen
in Form und Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne
dadurch den Gedanken und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen,
wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert
sind. Der Schutzbereich der Erfindung wird somit durch die angehängten Ansprüche beschrieben,
und jegliche Änderungen,
die die Bedeutung und den Entsprechungsbereich der Ansprüche betreffen,
sind aus diesem Grund mit enthalten.