DE102014108256A1

DE102014108256A1 - Phasenänderungs-Speicherzellen

Info

Publication number: DE102014108256A1
Application number: DE102014108256.7A
Authority: DE
Inventors: Abu Sebastian; Daniel Krebs
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2014-12-18
Also published as: GB2515100A; US9293199B2; GB201310629D0; US20140369113A1

Abstract

Es werden Phasenänderungs-Speicherzellen 20, 40, 80, 90 zum Speichern von Daten in einer Vielzahl programmierbarer Zellzustände bereitgestellt. Ein Phasenänderungsmaterial 21, 43, 81, 91 befindet sich zwischen einer ersten und zweiten Elektrode zum Anlegen einer Lesespannung an das Phasenänderungsmaterial, um den programmierten Zellzustand auszulesen. Eine elektrisch leitende Komponente 26, 42, 84, 94 erstreckt sich in einer Richtung zwischen den Elektroden in Kontakt mit dem Phasenänderungsmaterial 21, 43, 81, 91. Die elektrisch leitende Komponente 26, 42, 84, 94 ist so angeordnet, dass sie einem durch die Lesespannung erzeugten Zellstrom einen Strompfad mit einem geringerem Widerstand präsentiert als die amorphe Phase des Phasenänderungsmaterials in einem der Zellzustände, wobei der Strompfad eine Länge aufweist, die von der Größe der amorphen Phase abhängt. Das Volumen der elektrisch leitenden Komponente 26, 42, 84, 94 ist größer als etwa halb so groß wie das des Phasenänderungsmaterials 21, 43, 81, 91. Der Widerstand pro Längeneinheit der elektrisch leitenden Komponente 26, 42, 84, 94 kann in der Richtung des Strompfads variieren, um dadurch eine gewünschtes Zell-Betriebscharakteristik bereitzustellen.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Phasenänderungs-Speicherzellen. Bei Phasenänderungsspeicher (phase-change memory, PCM) handelt es sich um eine Technologie für nicht flüchtigen Solid-State-Speicher, bei der das reversible, thermisch unterstützte „Schalten” (switching) von Phasenänderungsmaterialien, insbesondere Chalkogenidverbindungen wie zum Beispiel GST (Germanium-Antimoium-Tellurium) zwischen Zuständen mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand genutzt wird. Die grundlegende Speichereinheit (die „Zelle”) kann in eine Anzahl unterschiedlicher Zustände oder Ebenen programmiert werden, die unterschiedliche Widerstandscharakteristiken zeigen. Die s programmierbaren Zellzustände können verwendet werden, um unterschiedliche Datenwerte darzustellen, was ein Speichern von Daten ermöglicht.
Bei Einebenen-PCM-Einheiten kann jede Zelle auf einen von s = 2 Zuständen eingestellt werden, einen „SET”-Zustand und einen „RESET”-Zustand, was ein Speichern von einem Bit pro Zelle ermöglicht. Im RESET-Zustand, der einem vollständig amorphen Zustand des Phasenänderungsmaterials entspricht, ist der elektrische Widerstand der Zelle sehr hoch. Durch Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb seines Kristallisierungspunkts und anschließendes Abkühlen kann das Phasenänderungsmaterial in einen vollständig kristallinen Zustand mit niedrigem Widerstand umgewandelt werden. Durch diesen Zustand mit niedrigem Widerstand wird der SET-Zustand der Zelle bereitgestellt. Wenn die Zelle dann auf eine hohe Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Phasenänderungsmaterials erwärmt wird, kehrt das Material bei einer schnellen Abkühlung in den vollständig amorphen RESET-Zustand zurück. Bei Mehrebenen-PCM-Einheiten kann die Zelle auf s > 2 programmierbare Zustände eingestellt werden, was ein Speichern von mehr als einem Bit pro Zelle ermöglicht. Die verschiedenen programmierbaren Zustände entsprechen unterschiedlichen relativen Proportionen der amorphen und kristallinen Phase in dem Volumen des Phasenänderungsmaterials. Insbesondere werden, zusätzlich zu den für eine Einebenen-Operation genutzten zwei Zuständen, mithilfe von Mehrebenen-Zellen Zwischenzustände genutzt, bei denen die Zelle unterschiedliche Volumen der amorphen Phase in dem ansonsten kristallinen PCM-Material enthält. Da die zwei Materialphasen einen großen Widerstandskontrast zeigen, erzeugt ein Variieren der Größe der amorphen Phase innerhalb des Gesamtvolumens der Zelle eine entsprechende Änderung des Zellwiderstands.
Lesen und Schreiben von Daten in PCM-Zellen werden durch Anlegen geeigneter Spannungen an das Phasenänderungsmaterial mithilfe eines jeder Zelle zugeordneten Elektrodenpaars erreicht. Bei einer Schreiboperation bewirkt das sich ergebende Programmiersignal eine Joule-Erwärmung des Phasenänderungsmaterials auf eine geeignete Temperatur, um beim Abkühlen den gewünschten Zellzustand zu induzieren. Ein Auslesen von PCM-Zellen wird unter Verwendung eines Zellwiderstands als einer Metrik für einen Zellzustand ausgeführt. Eine angelegte Lesespannung bewirkt, dass Strom durch die Zelle fließt, wobei dieser Strom von einem Widerstand der Zelle abhängt. Ein Messen des Zellstroms liefert daher eine Anzeige des programmierten Zellzustands. Für diese Widerstandsmetrik wird eine ausreichend niedrige Lesespannung verwendet, um sicherzustellen, dass ein Anlegen der Lesespannung den programmierten Zellzustand nicht stört. Eine Erkennung des Zellzustands kann dann durch ein Vergleichen der Widerstandsmetrik mit vorgegebenen Referenzebenen für die s programmierbaren Zellzustände ausgeführt werden.
Ein Problem mit Phasenänderungsspeicher besteht darin, dass der Widerstand der amorphen Phase unerwünschte Eigenschaften zeigt wie zum Beispiel niederfrequentes Rauschen und Drift. Diese Drift bewirkt, dass der Wert eines Widerstands der amorphen Phase im Verlauf der Zeit zunimmt. Als eine Folge davon neigen die Lesemessungen für programmierte Zellzustände dazu, im Verlauf der Zeit zu variieren. Dies kompliziert ein Auslesen der gespeicherten Daten, und möglicherweise werden die Daten sogar zerstört, wenn eine große Veränderlichkeit der von unterschiedlichen Zellzuständen gezeigten Drift besteht, sodass die Lesemessungsverteilungen für benachbarte Zellzustände einander stören. Je größer die Anzahl von Zellzuständen und je enger der ursprüngliche Abstand zwischen ausgelesenen Widerstandsebenen ist, desto anfälliger sind Zellen für dieses Problem. Dies bedeutet eine beträchtliche Herausforderung bei der Entwicklung von Mehrebenen-Phasenänderungsspeicher und wirkt Bemühungen entgegen, für eine erhöhte Speicherdichte eine Speicherung von mehr Bits pro Zelle zu erreichen und auf diese Weise die Herstellungskosten pro Bit zu senken.
Aktuell werden verschiedene Techniken angewendet, um mit Widerstands-Drift im Zusammenhang stehende Probleme zu mildern. Bei einer Klasse dieser Techniken werden spezialisierte Lese- und Schreibschemata zum Speichern und Auslesen von Daten in dem Speicher verwendet. Diese Techniken bringen üblicherweise einen Nachteil in Bezug auf eine Schreib- oder Lesegeschwindigkeit mit sich und erfordern kompliziertere Lese/Schreibschaltungen für die Speicherzellen. Bei einer weiteren Klasse von Techniken wird eine Codierung genutzt, um Redundanz in die gespeicherten Daten einzuführen. Dadurch wird die Speicherdichte auf inhärente Weise verringert. Ein weiterer Ansatz wird in der europäischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. EP 2034536 A1 offenbart und in 1 der begleitenden Zeichnungen veranschaulicht. Diese Figur zeigt eine schematische Veranschaulichung einer PCM-Zelle 1 mit einem Volumen aus Phasenänderungsmaterial 2, das sich zwischen einer oberen Elektrode 3 und einer unteren Elektrode (bzw. einem „Heizelement”) 4 befindet. Der gezeigte Zellzustand stellt einen Zwischenzustand dar, in dem das Material 2 sowohl eine kristalline als auch eine amorphe Phase aufweist. Die amorphe Phase wird durch das schraffierte halbkugelförmige Volumen 5 oberhalb der unteren Elektrode 4 gezeigt. Die kristalline Phase 6 nimmt das verbleibende Zellvolumen ein. Durch einen dünnen resistiven Bereich 7 wird beim Betrieb ein paralleler Strompfad zwischen der unteren Elektrode 4 und der kristallinen Phase 6 des Phasenänderungsmaterials bereitgestellt. Wenn eine Lesespannung angelegt wird, um den programmierten Zellzustand auszulesen, fließt der sich ergebende Lesestrom primär über diesen Strompfad von der kristallinen Phase 6 zu der unteren Elektrode 4, anstatt durch die amorphe Phase 5 mit hohem Widerstand zu fließen. Der Widerstand des parallelen Strompfads hängt von der Länge „x” in der Figur ab.
Verschiedene andere Probleme stehen mit aktuellen PCM-Zellen in Zusammenhang. Zum Beispiel: Da PCM mithilfe einer mittels Joule-Erwärmung induzierten Phasenänderung funktioniert, ist üblicherweise ein starker RESET-Strom erforderlich, um Zellen in den RESET-Zustand zurückzuversetzen. Dies wirkt sich nachteilig auf den Stromverbrauch aus. Bei verkleinerter Zellgröße sind thermische Störungen ein weiteres Hauptproblem von Phasenwechselspeicher. Mit abnehmendem Abstand zwischen den PCM-Zellen kann die Phasenkonfiguration in einer Zelle durch Programmieren einer angrenzenden Zelle gestört werden. Dies stellt für das zukünftige Skalieren von PCM eine bedeutende technische Herausforderung dar.
Verbesserungen bei Phasenänderungs-Speicherzellen wären höchst wünschenswert.
Durch eine Ausführungsform eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Phasenänderungs-Speicherzelle zum Speichern von Daten in einer Vielzahl programmierbarer Zellzustände bereitgestellt. Die Speicherzelle weist auf:
ein zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode angeordnetes Phasenänderungsmaterial zum Anlegen einer Lesespannung an das Phasenänderungsmaterial, um den programmierten Zellzustand auszulesen, und
eine elektrisch leitende Komponente, die sich in einer Richtung zwischen den Elektroden in Kontakt mit dem Phasenänderungsmaterial erstreckt und so angeordnet ist, dass sie einem mithilfe der Lesespannung erzeugten Zellstrom einen Strompfad mit einem geringeren Widerstand präsentiert als die amorphe Phase des Phasenänderungsmaterials in einem der Zellzustände, wobei der Strompfad eine Länge aufweist, die von der Größe der amorphen Phase abhängt,
wobei das Volumen der elektrisch leitenden Komponente größer als etwa halb so groß wie die das des Phasenänderungsmaterials ist.
In PCM-Zellen, die die Erfindung verkörpern, erstreckt sich die elektrisch leitende Komponente daher in Kontakt mit dem Phasenänderungsmaterial in einer Richtung zwischen den Elektroden und weist ein Volumen auf, das größer als etwa halb so groß wie das Volumen des Phasenänderungsmaterials ist. Außerdem präsentiert die elektrisch leitende Komponente dem Zell-Lesestrom einen Pfad mit niedrigerem Widerstand als die amorphe Phase und ist so angeordnet, dass die Länge dieses Strompfads von einer amorphen Größe und somit von dem Zellzustand abhängt. Der Zellstrom fließt primär über den Strompfad mit niedrigem Widerstand durch die elektrisch leitende Komponente, anstatt durch die amorphe Phase zu fließen. Ein Zellwiderstand und somit ein gemessener Zellzustand hängt daher primär von einem Widerstand des Strompfads veränderlicher Länge durch die elektrisch leitende Komponente ab, wodurch die Auswirkung auf Lesemessungen einer Widerstands-Drift in der amorphen Phase gemildert wird. Die vorstehenden Merkmale bieten außerdem beträchtliche Vorteile im Hinblick auf eine Gestaltung von Zellen; sie ermöglichen eine größere Flexibilität bei der Gestaltung, ermöglichen ein Verringern von Zellabmessungen und eine Realisierung hocheffizienter Zellgestaltungen wie nachfolgend beispielhaft beschrieben wird. Das Volumen des Phasenänderungsmaterials kann im Vergleich zu Gestaltungen nach dem Stand der Technik wesentlich verringert werden, während trotzdem für einen hocheffizienten Betrieb der Zellen gesorgt ist. Durch die elektrisch leitende Komponente kann sichergestellt werden, dass der Gesamtwiderstand der PCM-Zelle bei einem Abwärtsskalieren des programmierten Volumens nicht auf dramatische Weise zunimmt. Das verringerte Volumen an Phasenänderungsmaterial in Verbindung mit einem wesentlichen Volumen der elektrisch leitenden Komponente kann außerdem Verbesserungen in Bezug auf Abschirmung und thermische Störungen mit sich bringen. Ausführungsformen der Erfindung bieten daher äußerst wertvolle Verbesserungen an Phasenänderungseinheiten.
Im Allgemeinen kann das Volumen der elektrisch leitenden Komponente in etwa gleich dem halben oder größer als das halbe Volumen des Phasenänderungsmaterials sein. Allerdings ist bei bevorzugten Ausführungsformen das Volumen in etwa gleich dem oder größer als das Volumen des Phasenänderungsmaterials und ist bevorzugt größer als das Volumen des Phasenänderungsmaterials. Zum Beispiel kann die Dicke der elektrisch leitenden Komponente senkrecht zu der Richtung zwischen den Elektroden größer als etwa halb so groß wie die des Phasenänderungsmaterials sein. Bevorzugt ist diese Dicke in etwa gleich der oder größer als die (und ist besonders bevorzugt größer als die) entsprechende(n) Dicke des Phasenänderungsmaterials. (Es sollte beachtet werden, dass die vorstehend erwähnte Dicke über die Ausdehnung der elektrisch leitenden Komponente (oder des Phasenänderungsmaterials) zwischen den Elektroden nicht konstant sein muss. Allerdings können die Bedingungen für die Dicke im Wesentlichen an jedem Punkt dieser Ausdehnung dennoch gültig sein.)
Die elektrisch leitende Komponente kann eine Schicht aus elektrisch leitendem Material aufweisen. Die spezielle Anordnung und Dicke dieser Schicht kann bei unterschiedlichen Zellgestaltungen beträchtlich variieren. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen bildet die elektrisch leitende Komponente einen Mantel um das Phasenänderungsmaterial, und das Phasenänderungsmaterial bildet einen länglichen Kern in diesem Mantel. Gemäß einer Ausführungsform weist dieser Kern einen Nanodraht aus Phasenänderungsmaterial auf. Der Mantel kann aus einer Schicht aus elektrisch leitendem Material ausgebildet sein, das sich im Wesentlichen vollständig um das Phasenänderungsmaterial herum erstreckt. Derartige Anordnungen ermöglichen effiziente Zellgestaltungen mit sehr kleinen PCM-Volumen und/oder einem hohen PCM-Widerstand für einen verringerten RESET-Strom und daher einen geringen Stromverbrauch wie auch verringerte thermische Störungen aufgrund einer Abschirmung durch den Mantel.
Bei anderen vorteilhaften Ausführungsformen weist die Zelle eine Schicht aus dem Phasenänderungsmaterial auf. Die Schicht aus elektrisch leitendem Material kann auf (mindestens) einer Oberfläche der Schicht aus Phasenänderungsmaterial angeordnet werden. Derartige Schichtstrukturen bilden die Grundlage für hocheffiziente Zellgestaltungen, die besonders einfach herzustellen sind.
Die elektrisch leitende Komponente kann aus demselben Material ausgebildet sein wie mindestens eine der Elektroden. Darüber hinaus kann mindestens eine der Elektroden einteilig mit der elektrisch leitenden Komponente ausgebildet sein. Durch diese Merkmale kann die Herstellung vereinfacht werden, und es können besonders einfache Zellgestaltungen geboten werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Phasenänderungsmaterial in eine Matrix des elektrisch leitenden Materials eingebettet sein, mithilfe dessen die Komponente bereitgestellt wird. Dies bietet möglicherweise wiederum verschiedene Vorteile, darunter Abschirmung und einfache Herstellung, die eine besonders einfache Konstruktion von Speicherzellen-Arrays ermöglichen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der dem Lesestrom durch die Komponente präsentierte Widerstand größer als der der kristallinen Phase des Phasenänderungsmaterials in einem der s Zellzustände. Bei diesen Ausführungsformen ist daher der dem Lesestrom durch die Komponente präsentierte Widerstand kleiner als der der amorphen Phase und größer als der der kristallinen Phase des Phasenänderungsmaterials in einem der s Zellzustände. Die elektrisch leitende Komponente kann sich in Kontakt mit dem Phasenänderungsmaterial von einer Elektrode zu der anderen erstrecken, wodurch ein vollständiger paralleler Strompfad zwischen den Elektroden bereitgestellt wird. Zellstrom fließt primär durch die kristalline Phase anstatt durch die elektrisch leitende Komponente und primär durch die elektrisch leitende Komponente anstatt durch die amorphe Phase. Derartige Ausführungsformen bieten eine vollständige Entkopplung der Phasenänderungsoperation und der Datenspeicherungs/Ausleseaufgabe, wie im Folgenden erörtert wird. Darüber hinaus steht unabhängig von der amorphen Größe ein driftresistenter Betrieb zur Verfügung.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist der Widerstand pro Längeneinheit der Komponente in der Richtung des Strompfads nicht konstant, sondern variiert, damit eine gewünschte Betriebscharakteristik der Zelle bereitgestellt wird. Der Widerstand des Strompfads variiert somit auf nicht lineare Weise mit einer Länge des Strompfads und daher mit einer amorphen Größe, und diese Änderung wird angepasst, um eine gewünschte Charakteristik beim Betrieb der Zelle zur Verfügung zu stellen. Ein Variieren des Widerstands pro Längeneinheit kann verschiedene Auswirkungen auf einen Betrieb der Zelle hervorrufen, und dies kann genutzt werden, um eine erforderliche Betriebscharakteristik zu erreichen. Zu derartigen Auswirkungen zählen eine Zunahme des Widerstandskontrasts und des Programmierbereichs auf gewünschte Werte, ein Abstimmen der resistiven Eigenschaften der verschiedenen Zellzustände oder eines bestimmten Zellzustands sowie ein allgemeines Anpassen der Strom/Spannungs-Charakteristik der Zelle, um eine Programmierkurve in einer gewünschten Form zu erreichen. Zell-Betriebscharakteristiken können daher wie erforderlich angepasst werden, z. B., um bestimmten Betriebsparametern zu entsprechen, den Stromverbrauch zu verringern, Lese- und/oder Schreiboperationen zu erleichtern oder die Zellleistung auf andere Weise zu verbessern. Derartige Zellen können daher beträchtliche Vorteile für Phasenänderungs-Speichereinheiten bieten.
Die Form und/oder der spezifische Widerstand der elektrisch leitenden Komponente können in der Richtung des Strompfads variieren, um die Änderung des Widerstands pro Längeneinheit der Komponente hervorzurufen. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen nimmt der Widerstand pro Längeneinheit in einer Richtung zu, in der die Länge des Strompfads mit der amorphen Größe zunimmt. Dies erhöht den Zellwiderstand bei den Zellzuständen mit höherem Widerstand, die einer größeren amorphen Größe entsprechen. Dies erhöht wiederum einen Widerstandskontrast und bietet einen größeren Programmierbereich, was eine Unterscheidung unterschiedlicher Zellzustände und/oder ein Ermöglichen eines Speicherns von mehr Ebenen pro Zelle erleichtert.
Bei einer besonders vorteilhaften Gestaltung, die die Erfindung verkörpert, weist die elektrisch leitende Komponente abwechselnde erste und zweite Abschnitte in der Richtung des Strompfads auf, wobei die ersten Abschnitte einen niedrigeren Widerstand aufweisen als die zweiten Abschnitte, um eine gestufte Programmierkurve für die Speicherzelle bereitzustellen. Dadurch wird ein auf elegante Weise einfacher Mechanismus zum deutlichen Unterscheiden der verschiedenen programmierten Zellzustände und Erleichtern einer Leseerkennung bereitgestellt, der eine schnelle, genaue Schreibprogrammierung bietet. Bei besonders einfachen Realisierungen dieser Gestaltung wird die Widerstandsänderung durch ein Modulieren eines spezifischen Widerstands erreicht. Daher können die ersten Abschnitte der elektrisch leitenden Komponente einen niedrigeren Widerstand aufweisen als die zweiten Abschnitte.
Durch eine Ausführungsform eines zweiten Aspekts der Erfindung wird eine Speichereinheit bereitgestellt, die ein Array aus Phasenänderungs-Speicherzellen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie einen Lese/Schreib-Controller zum Lesen und Schreiben von Daten aus den/in die Speicherzellen aufweist.
Durch eine Ausführungsform eines dritten Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Phasenänderungs-Speicherzelle zum Speichern von Daten in einer Vielzahl programmierbarer Zellzustände bereitgestellt. Das Verfahren weist auf:
Ausbilden einer ersten und einer zweiten Elektrode, zwischen denen sich ein Phasenänderungsmaterial befindet, und
Ausbilden einer elektrisch leitenden Komponente mit einem Volumen, das größer als etwa halb so groß wie das des Phasenänderungsmaterials ist,
wobei das Verfahren derart ausgeführt wird, dass die Komponente sich in einer Richtung zwischen den Elektroden in Kontakt mit dem Phasenänderungsmaterial erstreckt und so angeordnet ist, dass sie einem durch die mithilfe der Elektroden zum Auslesen des programmierten Zellzustands beim Gebrauch angelegten Lesespannung erzeugten Zellstrom einen Strompfad mit geringerem Widerstand präsentiert als die amorphe Phase des Phasenänderungsmaterials in einem der Zellzustände, wobei der Strompfad eine Länge aufweist, die von der Größe der amorphen Phase abhängt.
Das Verfahren kann ein solches Ausbilden der elektrisch leitenden Komponente beinhalten, dass der Widerstand pro Längeneinheit der Komponente in der Richtung des Strompfads variiert, um dadurch eine gewünschte Betriebscharakteristik einer Zelle bereitzustellen.
Im Allgemeinen können, wenn in diesem Dokument Merkmale unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform eines Aspekts der Erfindung beschrieben werden, entsprechende Merkmale in Ausführungsformen eines weiteren Aspekts der Erfindung bereitgestellt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft beschrieben, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 eine PCM-Zelle nach dem Stand der Technik zeigt;
2 ein schematisches Blockschaubild einer Speichereinheit ist, die die Erfindung verkörpert;
3 eine erste PCM-Zelle zeigt, die die Erfindung verkörpert;
4 einen Teil der Struktur der Zelle aus 3 veranschaulicht;
5 einen Stromfluss in der Zelle aus 3 während Lese- und Schreiboperationen zeigt;
6 resistive Eigenschaften von Elementen der Zelle aus 3 zeigt;
7 eine Programmierkurve für die Zelle aus 3 zeigt;
8 eine zweite PCM-Zelle zeigt, die die Erfindung verkörpert;
9 eine zunehmende amorphe Größe in der Zelle aus 8 zeigt;
10 eine Programmierkurve für die Zelle aus 8 zeigt;
Die 11a bis 11d aufeinander folgende Phasen bei der Herstellung der Zelle aus 8 veranschaulichen;
12 eine alternative Elektrodenanordnung für die Zelle aus 8 zeigt;
13 eine dritte PCM-Zelle veranschaulicht, die die Erfindung verkörpert;
14 eine vierte PCM-Zelle veranschaulicht, die die Erfindung verkörpert;
15 eine fünfte PCM-Zelle veranschaulicht, die die Erfindung verkörpert;
16 eine Programmierkurve für die Zelle aus 15 zeigt;
17 eine sechste PCM-Zelle zeigt, die die Erfindung verkörpert;
18 eine siebte PCM-Zelle veranschaulicht, die die Erfindung verkörpert, und
19 eine Struktur eines Arrays von PCM-Zellen zeigt, das die Erfindung verkörpert.
2 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Phasenänderungs-Speichereinheit, die die Erfindung verkörpert. Die Einheit 10 weist einen Mehrebenen-Phasenänderungsspeicher 11 zum Speichern von Daten in einem oder mehreren integrierten Arrays aus PCM-Zellen auf, die im Folgenden beschrieben werden. Ein Lesen und Schreiben von Daten aus dem/in den Speicher 11 wird von einem Lese/Schreib-Controller 12 ausgeführt. Der Controller 12 weist Schaltungen einer allgemein bekannten Form zum Programmieren von PCM-Zellen während Datenschreiboperationen und zum Vornehmen von Lesemessungen zum Erkennen eines Zellzustands während Datenleseoperationen auf. Während dieser Operationen kann der Lese/Schreib-Controller einzelne PCM-Zellen durch ein Anlegen geeigneter Steuersignale an ein Array aus Wort- und Bitleitungen in dem Speicher-Ensemble 11 adressieren. Wie durch Block 13 in der Figur gezeigt, werden in die Einheit 10 eingegebene Benutzerdaten üblicherweise einer Art von Schreibverarbeitung unterworfen wie beispielsweise einem Codieren zum Zweck einer Fehlerkorrektur, ehe sie dem Controller 12 als Schreibdaten zugeführt werden. In ähnlicher Weise werden von dem Controller 12 ausgegebene Auslesedaten im Allgemeinen durch ein Leseverarbeitungsmodul 14 verarbeitet, z. B. zum Zweck einer Codewort-Erkennung und/oder Fehlerkorrektur, um die ursprünglich eingegebenen Benutzerdaten wiederherzustellen.
Die PCM-Zellen des Speichers 11 können, einen Mehrebenen-Betrieb vorausgesetzt, Daten in s > 2 programmierbaren Zellzuständen speichern. Wie bereits erörtert, entsprechen die s programmierbaren Zellzustände unterschiedlichen relativen Proportionen der amorphen und kristallinen Phase in dem PCM-Material der Zelle. Zu diesen Zuständen zählen ein vollständig amorpher RESET-Zustand mit hohem Widerstand, ein vollständig kristalliner SET-Zustand mit niedrigem Widerstand und eine Anzahl von Zwischenzuständen, die einer zunehmenden Größe der amorphen Phase in dem ansonsten kristallinen PCM-Material entsprechen. Die s programmierbaren Zellzustände werden üblicherweise in dem Controller 12 anhand von vorgegebenen Referenzwerten oder Wertebereichen der zur Leseerkennung verwendeten Widerstandsmetrik definiert. Um eine Zelle in einer Schreiboperation zu programmieren, legt der Controller 12 über die Wort- und Bitleitungen derart eine Spannung an die Zelle an, dass das sich ergebende Programmiersignal die Zelle auf den erforderlichen Zustand einstellt. Bei einer Leseoperation wird eine (niedrigere) Lesespannung an die Zelle angelegt, und der daraus folgende Zellstrom wird gemessen, um die Widerstandsmetrik zu erhalten. Der Controller 12 kann dann den programmierten Zellzustand durch Vergleichen der Lesemetrik mit den vorstehend erwähnten Referenzwerten erkennen.
3 ist eine schematische Schnittansicht einer ersten PCM-Zelle, die die Erfindung verkörpert. Die Zelle 20 verfügt über ein Phasenänderungsmaterial 21, das sich zwischen einer ersten und zweiten Elektrode 22 und 23 befindet, um die Zelle mit den Wort- und Bitleitungen des Zell-Arrays zu verbinden. (Derartige Elektroden können hier gemäß ihrer Anordnung in den Figuren als eine „obere” Elektrode und eine „untere” Elektrode bezeichnet sein, obwohl keine Einschränkung in Bezug auf eine Ausrichtung der Zelle beim Betrieb angedeutet wird.) Das PCM-Material 21 wird in der Figur als eine amorphe Phase, gezeigt durch einen Bereich 24, und eine kristalline Phase, gezeigt durch Bereiche 25, enthaltend dargestellt. Die relativen Proportionen dieser Phasen unterscheiden sich, wie bereits beschrieben, bei den unterschiedlichen programmierbaren Zellzuständen. Daher entsprechen die s programmierbaren Zustände der Zelle 20 unterschiedlichen Größen des amorphen Abschnitts 24 des PCM-Kerns. Die Zelle 20 enthält außerdem eine elektrisch leitende Komponente 26 in Kontakt mit dem PCM-Material 21. Wie schematisch in der zum Teil aufgeschnittenen Ansicht aus 4 gezeigt, weist die Komponente 26 bei dieser bevorzugten Ausführungsform eine Schicht aus elektrisch leitendem Material auf, die sich von einer Elektrode zu der anderen und vollständig um das PCM-Material 21 herum erstreckt. Das PCM-Material 21 bildet einen länglichen Kern aus Material in der elektrisch leitenden Schicht 26, die selbst einen Mantel um den PCM-Kern bildet. Bei diesem Beispiel weisen der Mantel und der Kern einen im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt auf, was eine zylinderförmige Form ergibt. Im Allgemeinen könnten diese Elemente allerdings mit jeder gewünschten Querschnittsform ausgebildet werden. Die Zelle 20 ist üblicherweise von einer isolierenden Schicht (nicht gezeigt) zur elektrischen und Wärmeisolierung der Zelle umgeben.
Der PCM-Kern 21 kann üblicherweise eine Dicke (hier Durchmesser) im Bereich von etwa 1 nm bis 20 nm und bevorzugt etwa 1 nm bis 10 nm aufweisen. Die elektrisch leitende Schicht, die den Mantel 26 bildet, kann üblicherweise eine Dicke im Bereich von etwa 1 nm bis 50 nm, häufiger etwa 1 nm bis 20 nm und bevorzugt etwa 1 nm bis 15 nm aufweisen. Veranschaulichende Abmessungen für Elemente der Zelle 20 werden beispielhaft in 4 gezeigt. Hier hat der PCM-Kern 21 einen Durchmesser von etwa 7 nm und eine Länge von etwa 35 nm. Die elektrisch leitende Schicht, die den Mantel 26 bildet, hat hier eine Dicke von etwa 7,5 nm. Es ist zu sehen, dass das Volumen des Mantels 26 größer ist als das des Kerns 21. Die radiale Dicke des Mantels ist ungefähr gleich dem Durchmesser des Kerns 21, obwohl geringfügig größer als dieser. Bei einer beispielhaften Realisierung der Zelle 20 kann das PCM-Element 21 GST enthalten, die Elektroden 22, 23 können aus TiN ausgebildet sein, und der Mantel 26 kann aus TaN ausgebildet sein. Die Zelle 20 kann unter Anwendung gut bekannter Materialverarbeitungstechniken zum Ausbilden der verschiedenen Elemente der Zelle hergestellt werden. Beispielsweise kann die Kern- und Hüllen-Struktur mithilfe eines „Schlüsselloch-Überführungsprozesses” (keyhole-transfer process) hergestellt werden wie er in Raoux et al., IBM J. Res. & Dev. 52(4/5), 465 (2008), (siehe 6 des betreffenden Dokuments) beschrieben wird. Im Allgemeinen werden die Materialien und Abmessungen des PCM-Materials 21 und der elektrisch leitenden Komponente 26 ausgewählt, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen. Erstens ist die Anordnung derart, dass das Volumen des elektrisch leitenden Mantels in etwa mindestens halb so groß wie das Volumen des Phasenänderungsmaterials und bevorzugt größer als das Volumen des Phasenänderungsmaterials ist. Überdies ist die Anordnung derart, dass der Widerstand, der von dem Mantel 26 einem von der Lesespannung für Zellen erzeugtem Zellstrom präsentiert wird, geringer als der der amorphen Phase 24 und größer als der der kristallinen Phase 25 des Phasenänderungsmaterials 21 in einem der für einen Mehrebenen-Betrieb definierten s Zellzustände ist. Als eine Folge davon präsentiert der Mantel 26 dem Zell-Lesestrom einen Strompfad mit einem niedrigeren Widerstand als die amorphe Phase 24 in irgendeinem programmierten Zellzustand. Dieser Strompfad durch den Mantel 26 weist eine Länge auf, die von der Größe der amorphen Phase 24 abhängt.
5 zeigt einen Stromfluss in der Zelle 20 während Lese- und Schreiboperationen, wobei eine Stromdichte schematisch durch eine Anordnung der vertikalen Pfeile im Abstand zueinander gezeigt wird. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Widerstandseigenschaften fließt bei einer Leseoperation wie sie links in der Figur gezeigt wird der Zellstrom primär durch die kristalline Phase 25 des Kerns, anstatt durch den Mantel 26, und primär durch den Mantel 26, anstatt durch die amorphe Phase 24 des Kerns. Der sich ergebende Strompfad durch den Mantel 26 hat eine Länge l, die direkt abhängig von einer Größe der amorphen Phase 24 ist, und die mit einer Ausdehnung des amorphen Volumens entlang der Länge des Kerns 21 zunimmt. Bei einer Schreiboperation, bei der eine wesentlich höhere Spannung zwischen den Zellelektroden angelegt wird, fließt der Zellstrom primär durch den Kern 21, wie rechts in der Figur gezeigt. Die resistiven Eigenschaften, die zu diesen Auswirkungen führen, werden durch Betrachten von 6 verständlich. Dies ist eine schematische Veranschaulichung der Strom/Spannungs-(und daher Widerstands-)Charakteristiken der wesentlichen Komponenten der Zelle 20. Die durchgehenden Linien zeigen eine Änderung eines Strom mit einer Spannung für das PCM-Material 21, beginnend mit dem vollständig kristallinen SET-Zustand (obere Kurve), und außerdem den vollständig amorphen RESET-Zustand (untere Kurve). Diese zwei Kurven spiegeln die große (üblicherweise 3 Größenordnungen) Änderung des spezifischen Widerstands zwischen der kristallinen und der amorphen Phase wider. Die gestrichelte Linie in der Darstellung zeigt die (hier ohmsche) Charakteristik für den Mantel 26. Es ist zu sehen, dass bei niedrigen Spannungen wie unter anderem der Zell-Lesespannung der Widerstand des Mantels 26 zwischen dem der amorphen und dem der kristallinen Phase des PCM-Kerns 21 liegt. Der sich ergebende Stromfluss während einer Leseoperation sieht daher aus wie in 5 gezeigt. Die amorphe Phase zeigt eine nicht lineare Charakteristik mit einem Schwellen-Umschalt-Phänomen, das feldinduziert ist. Bei einer bestimmten Schwellenspannung V_S schaltet diese Phase auf einen sehr niedrigen „EIN-Zustands”-Widerstand um, der dem des kristallinen PCM-Materials entspricht. Die Zellprogrammierspannung (Schreibspannung) wird wie gezeigt so gewählt, dass sie über dieser Schwellenspannung liegt. Bei dieser Spannung ist der EIN-Widerstand des PCM-Kerns 21 viel geringer als der des Mantels 26. Der Schreibstrom ist daher im Wesentlichen unbeeinflusst durch das Vorhandensein des Mantels 26, wie in 5 gezeigt.
Auf der Grundlage der vorstehenden Grundsätze sehen bevorzugte Zellanordnungen so aus, dass bei der Zell-Lesespannung der Widerstand R_el der elektrisch leitenden Komponente sich deutlich sowohl von dem Widerstand R_amo des vollständig amorphen (RESET-)Zustands, als auch dem Widerstand R_kri des vollständig kristallinen SET-Zustands des PCM-Materials unterscheidet (wobei „deutlich” hier deutlich im Zusammenhang des Widerstandsbereichs von R_kri bis R_amo bedeutet). Im Allgemeinen hängt ein geeigneter Wert für R_el in diesem Bereich von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise den Materialien und Abmessungen von Zellkomponenten, den besonderen Charakteristiken der s programmierbaren Zellzustände, den Betriebsparametern (z. B. Lese- und Schreibspannungen) der Speichereinheit 1 wie auch gewünschten Leistungskriterien wie beispielsweise einer maximalen akzeptablen Fehlerrate. Im Allgemeinen sieht die Anordnung jedoch bevorzugt so aus, dass im Zusammenhang des vorstehend erwähnten Bereichs R_el >> R_kri und R_el << R_amo sind.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Widerstandscharakteristiken wird die Auswirkung einer Widerstands-Drift in der amorphen Phase auf Zell-Leseoperationen beträchtlich verringert. Der Grund hierfür liegt darin, dass der Zellstrom hauptsächlich durch die kristalline Phase 25 und den Mantel 26 fließt, die keine Drift zeigen. Der Mantel 26 bietet einen vollständigen parallelen Strompfad zwischen den Elektroden 22, 23, wodurch das Problem des Verfüllens (plugging) vermieden und eine driftbeständige Operation unabhängig von amorpher Größe bereitgestellt wird. Darüber hinaus zeigt jede verbleibende Driftwirkung (aufgrund des sehr kleinen durch die amorphe Phase 24 fließenden Stroms) eine geringe Veränderlichkeit zwischen unterschiedlichen Zellzuständen, da durch den vollständigen parallelen Strompfad sichergestellt wird, dass Strom durch die Komponente 26 immer vorherrschend ist. Faktisch kann der programmierte Zustand der Zelle 20 so betrachtet werden, als ob er auf den Widerstand des Mantels 26 bei einer Leseoperation projiziert würde, da die Länge l des Strompfads durch den Mantel die amorphe Größe und somit den programmierten Zustand widerspiegelt. Die Widerstandsdaten werden somit wirkungsvoll in dem Mantel 26 gespeichert, und ein Widerstand des PCM-Materials wird nicht weiter zum Unterscheiden von Zellzuständen verwendet. Faktisch bietet die Anordnung daher eine vollständige Entkopplung der Phasenänderungsoperation und der Datenspeicherungs/Ausleseaufgabe.
Die Gestaltung der Zelle 20 ermöglicht auch, dass das Programmiervolumen des PCM-Materials beträchtlich verringert wird, ohne einen Gesamtwiderstand der PCM-Zelle zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen kann das Volumen an Phasenänderungsmaterial beliebig klein sein, während der Phasenänderungswiderstand beliebig groß gemacht werden kann. Insbesondere kann der spezifische Widerstand des Phasenänderungsmaterials erhöht werden, um einen geringeren RESET-Strom zu erzielen und den Stromverbrauch zu verringern. Überdies kann mit einem Widerstand des Phasenänderungsmaterials in Zusammenhang stehendes Rauschen durch die elektrisch leitende Komponente stark maskiert werden. Darüber hinaus bietet ein Verkapseln des PCM-Materials in dem Mantel 26 geringere „thermische Störungen” zwischen benachbarten Zellen in Speicher-Arrays. Der Mantel bietet eine Wärmedämmung und Wärmesenke, und das Vorhandensein des Mantels in Verbindung mit einem verringerten PCM-Volumen ermöglicht ein Aufrechterhalten eines angemessenen Abstands zwischen PCM-Elementen, selbst bei wesentlich kleineren Abständen zwischen den Zellen.
7 zeigt eine Änderung des Zellwiderstands mit einer Programmierspannung für die vorstehend erwähnte Zelle, ausgehend von der Annahme, dass der Mantel 26 einen gleichmäßigen spezifischen Widerstand aufweist. Während die amorphe Größe mit steigender Programmierspannung zunimmt, erhöht sich der daraus folgende Zellwiderstand dementsprechend, und es ergibt sich die gezeigte lineare Programmierkurve. In anderen PCM-Zellen, die die Erfindung verkörpern, ist der Widerstand pro Längeneinheit der elektrisch leitenden Komponente nicht gleichmäßig, sondern variiert in der Richtung des Strompfads, um eine gewünschte Betriebscharakteristik der Zelle bereitzustellen. Als Erstes wird nachfolgend eine derartige PCM-Zelle unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 beschrieben.
8 ist eine schematische Schnittansicht einer zweiten PCM-Zelle 30, die die Erfindung verkörpert. Die Zelle 30 ähnelt im weiteren Sinn der Zelle 20 aus 3, mit einem PCM-Kern 31 in einem elektrisch leitenden Mantel 32, der sich von einer unteren Elektrode 33 zu einer oberen Elektrode 34 erstreckt. Während sich in 3 die amorphe Phase in einem mittleren Bereich des PCM-Kerns bildet und sich in Richtung auf beide Elektroden hin ausdehnt, wechselt in der Zelle 30 die Phasenkonfiguration in dem Kernmaterial wie in 9 gezeigt. Die amorphe Phase 35 bildet sich ursprünglich oberhalb der unteren Elektrode 33 und nimmt in Richtung auf die obere Elektrode 34 hin bei programmierten Zellzuständen mit der Reihe nach höherem Widerstand an Größe zu. Das thermische System der Zelle 30 ist daher so gestaltet, dass der „heiße Bereich” („hot spot”) sich genau oberhalb der unteren Elektrode 33 befindet. Dies lässt sich durch eine geeignete wärmetechnische Konstruktion der Zelle erreichen, z. B. durch Auswählen geeigneter Parameter wie beispielsweise der relativen Größe, der Anordnung, Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Elektroden, wie für Fachleute offensichtlich ist.
Die resistiven Eigenschaften von Elementen der Zelle 30 entsprechen den vorstehend für die Zelle 20 erörterten grundlegenden Anforderungen, wodurch ein Betrieb der Zelle 30 im weiteren Sinn dem mit Bezug auf 5 und 6 Beschriebenen entspricht. Allerdings wechselt in der Zelle 30 der spezifische Widerstand ρ_M des den Mantel 32 bildenden Materials über die Länge des Mantels und nimmt im Allgemeinen monoton von der unteren Elektrode 33 zu der oberen Elektrode 34 hin zu, wie der Pfeil in der Figur zeigt. Als eine Folge davon wechselt der Widerstand pro Längeneinheit des Mantels 32 in der Richtung des Strompfads (wie in 5 gezeigt) durch das Material des Mantels. Genauer ausgedrückt nimmt der Widerstand pro Längeneinheit in der Richtung einer zunehmenden Länge des Strompfads zu, was einer zunehmenden amorphen Größe entspricht. Die Auswirkung dieser Änderung des Widerstands pro Längeneinheit besteht darin, die Programmierkurve abzuwandeln, wie in 10 gezeigt. Im Vergleich zu der linearen Beziehung aus 7 wird für eine gegebene Programmierspannung ein Zustand höheren Widerstands erreicht, wobei die Widerstandsdifferenz mit zunehmender Programmierspannung zunimmt. Faktisch wird daher der Zellwiderstand für die höher programmierten Zellzustände erhöht, was den gesamten Widerstandskontrast verbessert und für einen erweiterten Programmierbereich sorgt. Dadurch wird wirkungsvoll der Programmierraum vergrößert, der für Widerstandsebenen zur Verfügung steht, die unterschiedlichen Zellzuständen entsprechen, was ein Unterscheiden unterschiedlicher Zellzustände beim Auslesen und/oder Zulassen des Speicherns von mehr Ebenen pro Zelle erleichtert.
Die speziellen Werte und die spezielle Änderung des spezifischen Widerstands ρ_M können wie erforderlich in einer gegebenen Zellstruktur gewählt werden, um eine bestimmte Betriebscharakteristik zu erreichen, z. B. einen gewünschten Programmierbereich und/oder gewünschte Widerstandswerte für bestimmte programmierte Zellzustände und/oder eine Programmierkurve einer gewünschten Form. Geeignete Werte und Bereiche hängen ab von verschiedenen Faktoren wie zum Beispiel den speziellen Materialien und Abmessungen von Elementen der Zellstruktur, gewünschten Charakteristiken der s programmierbaren Zellzustände, den Betriebsparametern (z. B. Lese- und Schreibspannungen) der Speichereinheit 1 wie auch gewünschten Leistungskriterien wie beispielsweise einer maximalen akzeptablen Fehlerrate. Für Fachleute sind bei einem gegebenen Szenario geeignete Parameter offensichtlich. Bei einigen Ausführungsformen kann der spezifische Widerstand ρ_M des Mantelmaterials von einem Wert nahe dem der amorphen Phase an der unteren Elektrode 33 bis zu einem Wert nahe dem der kristallinen Phase an der oberen Elektrode 34 variieren (abhängig von den bereits beschriebenen allgemeinen Widerstandsanforderungen). Der Begriff „nahe” bedeutet hier nahe in dem Zusammenhang des Bereichs (der üblicherweise mehrere Größenordnungen umfasst) von dem spezifischen Widerstand ρ_K des kristallinen PCM-Materials bis hin zu dem spezifischen Widerstand ρ_A des amorphen PCM-Materials. Ein veranschaulichendes Beispiel: Für eine Zelle 30 mit einem GST-Kern 31 und einem TaN-Mantel 32 mit Abmessungen wie in 4 gezeigt, kann der spezifische Widerstand ρ_A des amorphen GST etwa 0,1 Ωm betragen, der spezifische Widerstand ρ_K des kristallinen GST kann etwa 0,0001 Ωm betragen, und der spezifische Widerstand ρ_M des Mantelmaterials kann von etwa 0,1 Ωm (d. h. in etwa gleich ρ_A) bis etwa 0,001 Ωm (d. h. in etwa eine Größenordnung von ρ_K entfernt) variieren.
Die PCM-Zelle 30 kann unter Anwendung von Standard-Verarbeitungstechniken zum Ausbilden der verschiedenen Elemente der Zelle hergestellt werden. Praktischerweise kann der PCM-Mantel verwendet werden, um das PCM-Element während der Herstellung lithographisch zu definieren. Ein einfaches Beispiel für ein derartiges Verfahren wird in 11a bis 11d veranschaulicht. Hier wird zuerst die untere Elektrode 33 mithilfe standardmäßiger Beschichtungs- und Lithographieverfahren auf einem isolierenden Substrat 38 ausgebildet. Als Nächstes wird eine Schicht aus TaN auf die untere Elektrode 33 aufgebracht wie in 11b gezeigt. Während des Beschichtungsprozesses kann der spezifische Widerstand der TaN-Schicht graduell erhöht werden, zum Beispiel durch ein Steigern der Strömungsgeschwindigkeit von Stickstoffgas über die Struktur. Als Nächstes wird der Kernbereich aus der TaN-Schicht entfernt, z. B. durch Ätzen, damit sich die Struktur aus 11c ergibt. Durch den TaN-Mantel wird dann das Muster zum Ausbilden des GST-Kerns 31 in einem anschließenden Beschichtungsschritt bereitgestellt, worauf ein Ausbilden der oberen Elektrode folgt, damit sich die Struktur aus 11d ergibt.
Obwohl vorstehend ein Beispiel angeführt wurde, können die verschiedenen Elemente der Zelle 30 im Allgemeinen auf jede gewünschte Weise und in jeder geeigneten Reihenfolge ausgebildet werden, damit sich die erforderliche Anordnung ergibt. Für Fachleute sind geeignete Prozesse und Verfahren offensichtlich. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte der Mantel 26 beispielsweise aus einem dotierten Halbleitermaterial, z. B. dotiertem Silicium, ausgebildet werden, und die Änderung des spezifischen Widerstands könnte durch ein Verändern des Dotierungsniveaus während der Beschichtung erreicht werden. Die Zunahme des spezifischen Widerstands des Mantels mit der Länge könnte im Wesentlichen kontinuierlich sein oder könnte bei einigen Ausführungsformen abgestuft werden. Darüber hinaus können ähnliche Prinzipien bei Zellen angewendet werden, wie beispielsweise der Zelle 20 aus 3, wo die Größe der amorphen Phase von einem mittleren Abschnitt des Kerns aus zunimmt. In solchen Fällen könnte der Widerstand pro Längeneinheit des Mantels entsprechend der Ausdehnung des amorphen Volumens in zwei Richtungen zunehmen, d. h., von einem mittleren Bereich des Mantels aus sowohl in Richtung auf die obere als auch die untere Elektrode hin. Eine weitere Abwandlung wird in 12 veranschaulicht. Hier entspricht die Zellstruktur allgemein der aus 8, aber die untere Elektrode 41 ist in dem Mantel 42 auf die seitlichen Abmessungen des PCM-Kerns 43 beschränkt. Durch diese Anordnung wird die Bildung des heißen Bereichs oberhalb der unteren Elektrode 41 aufgrund von deren verringerter Größe und einer daher auftretenden lokalen Erwärmungswirkung erleichtert. Die Herstellung wird ebenfalls vereinfacht, da der Mantel direkt auf dem isolierenden Substrat ausgebildet wird und für eine Musterbildung sowohl für die untere Elektrode als auch den PCM-Kern verwendet werden kann.
13 ist eine schematische Schnittansicht einer dritten PCM-Zelle, die die Erfindung verkörpert. Diese Zelle 50 ist so eingerichtet, dass sie im Allgemeinen so wie die vorstehend erwähnte Zelle 30 arbeitet, und im Folgenden werden nur die wesentlichen Unterschiede erörtert. Bei der Zelle 50 nimmt der Durchmesser des Mantels 51 in einer Richtung von der unteren Elektrode 52 zu der oberen Elektrode 53 hin ab. Der spezifische Widerstand ρ_M des Mantels ist bei diesem Beispiel im Wesentlichen gleichmäßig. Allerdings bewirkt der abnehmende Durchmesser des Mantels, dass der Widerstand pro Längeneinheit des Mantels mit zunehmender Länge des Strompfads durch den Mantel zunimmt. Daher hat die Änderung der Form eine ähnliche Änderung der Programmierkurve zur Folge wie die Änderung des spezifischen Widerstands bei der Zelle 30. Wie vorher können die speziellen geometrischen und Materialparameter bei dieser Ausführungsform so gewählt werden, dass durch sie eine gewünschte Zellcharakteristik bereitgestellt wird. Beispielsweise kann jedoch bei einem Durchmesser des PCM-Kerns von etwa 7 nm und einer Länge von 35 nm, bei einem ρ_A von etwa 0,1 Ωm und einem ρ_K von etwa 0,0001 Ωm der Außendurchmesser des Mantels 51 von etwa 22 nm an der unteren Elektrode bis auf etwa 8 nm an der oberen Elektrode abnehmen, bei einem spezifischen Widerstand des Mantels ρ_M von etwa 0,02 Ωm.
Andere Mantelformen und Formänderungen sind selbstverständlich vorstellbar, z. B. eine schrittweise Änderung oder eine Änderung in zwei Richtungen bei einem zentral angeordneten heißen Bereich, und eine Kombination aus einer Modulation von Form und spezifischem Widerstand kann verwendet werden, wenn dies gewünscht wird. Die erforderliche Form des Mantels kann auf jede geeignete Weise hergestellt werden, zum Beispiel durch Verwenden angemessen geformter Abstandhalter während des Aufbringens des Mantelmaterials.
Eine alternative Zellgestaltung, die auf denselben Grundsätzen wie bei der Zelle 50 beruht und besonders einfach herzustellen ist, wird in 14 veranschaulicht. Bei dieser Zelle 60 wird die Formänderung durch ein Vergrößern des Innendurchmessers des Mantels 61 erreicht. Der äußere Manteldurchmesser bleibt konstant. Diese Struktur kann auf einfache Weise durch Verwenden eines entfernbaren Abstandhalters oder Formers zum Definieren des Kernbereichs während des Aufbringens des Mantelmaterials erzielt werden. Nach dem Entfernen des Abstandhalters definiert das sich ergebende „Bohrloch” (bore) in dem Mantel das Muster für eine Ausbildung des Kerns bei einem anschließenden Aufbringen des PCM-Materials. Bei dieser Ausführungsform nimmt daher die Dicke des Kerns (hier der Durchmesser) in der Richtung zu, in der die Manteldicke abnimmt. Der Betrieb ist jedoch im Wesentlichen derselbe wie bei der vorstehenden Ausführungsform, wo der Kerndurchmesser entlang seiner Länge im Wesentlichen gleichbleibend ist.
15 ist eine schematische Schnittansicht einer weiteren PCM-Zelle, die die Erfindung verkörpert. Diese Zelle 70 entspricht wieder den allgemeinen, vorstehend erörterten Betriebsgrundsätzen, und im Folgenden werden nur die wesentlichen Unterschiede erörtert. Bei dieser Gestaltung weist der Mantel 71 abwechselnd erste und zweite Abschnitte 72 und 73 in der Richtung des Strompfads durch den Mantel auf. Die ersten Abschnitte 72 weisen einen niedrigeren Widerstand auf als die zweiten Abschnitte 73. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform weisen die zweiten Abschnitte 73 eine geringere Dicke auf als die ersten Abschnitte 72. Die ersten Abschnitte 72 verfügen auch über einen niedrigeren spezifischen Widerstand ρ_A1 als der spezifische Widerstand ρ_A2 der zweiten Abschnitte 73.
16 zeigt die Auswirkung dieser Modulation des Widerstands pro Längeneinheit des Mantels 71 auf die Programmierkurve. Die Kurve hat eine gestufte Form, wobei die steileren Abschnitte entsprechenden Schichten 73 mit höherem Widerstand entsprechen, und die flacheren Abschnitte den Schichten 72 mit niedrigerem Widerstand entsprechen. Diese Art gestufter Programmierkurve bietet einen hervorragenden Mechanismus zum Definieren und Unterscheiden mehrerer Zellebenen, die verschiedenen programmierbaren Zuständen entsprechen. Die Stufen können so angepasst werden, dass jede Stufe und insbesondere der flache oberste Abschnitt der Stufe einem entsprechenden programmierbaren Zellzustand entspricht. Der gemessene Zellwiderstand variiert wenig über den diesem Abschnitt entsprechenden Bereich von Programmierspannungen, wodurch sich gut definierte Widerstandsebenen für jeden Zellzustand ergeben. Überdies sind die unterschiedlichen Zellzuständen entsprechenden Widerstandsebenen aufgrund der steilen Seitenabschnitte der Stufen gut getrennt. Diese Zellgestaltung bietet daher einen auf elegante Weise einfachen Mechanismus zum klaren Unterscheiden verschiedener programmierter Zellzustände. Dies erleichtert eine Leseerkennung und bietet eine schnelle, genaue Schreibprogrammierung. Derartige Mehrebenen-Zellen sind insbesondere zugänglich für so genanntes „Single-Shot-Programmieren”, wobei ein erforderlicher Zellzustand mithilfe eines einzigen Programmierimpulses erreicht wird. Dies steht im Gegensatz zu dem üblicheren iterativen Programmierverfahren, bei dem eine Reihe von Programmierimpulsen mit dazwischen auftretenden Leseoperationen verwendet wird, um graduell beim erforderlichen Zustand zu konvergieren.
In Abhängigkeit von den bereits beschriebenen allgemeinen Widerstandsanforderungen verfügen die ersten Abschnitte 72 bevorzugt über einen spezifischen Widerstand nahe dem spezifischen Widerstand ρ_K der kristallinen Phase des PCM-Kernmaterials, und die zweiten Abschnitte 73 verfügen bevorzugt über einem spezifischen Widerstand nahe dem spezifischen Widerstand ρ_A des amorphen PCM-Materials, um die gestufte Struktur der Programmierkurve zu verbessern. (Nochmals: Der Begriff „nahe” sollte hier in dem Zusammenhang der großen Spanne des spezifischen Widerstands von ρ_K bis ρ_A verstanden werden.) Wenn die zweiten Abschnitte 73 von ausreichend geringer Dicke sind, kann der spezifische Widerstand dieser Abschnitte ausreichend nahe liegen, um in etwa gleich ρ_A zu sein. Ein veranschaulichendes Beispiel für eine Zelle 70 mit einem GST-Kern und einem TaN-Mantel 71 mit den in 4 veranschaulichten Abmessungen: die Schichtstruktur kann eine gleichmäßige, regelmäßige Struktur sein; die Dicke der ersten Schichten 72 kann in einem Bereich von etwa 5 bis 10 nm liegen; die Dicke der zweiten Schichten 73 kann in einem Bereich von etwa 1 bis 5 nm liegen; der spezifische Widerstand ρ_A kann etwa 0,1 Ωm betragen; der spezifische Widerstand ρ_K kann etwa 0,0001 Ωm betragen; der spezifische Widerstand ρ_A1 der ersten Abschnitte kann etwa 0,001 Ωm betragen, und der spezifische Widerstand ρ_A2 der zweiten Abschnitte kann etwa 0,1 Ωm betragen.
Die PCM-Zelle 70 kann im Allgemeinen so hergestellt werden wie bereits beschrieben, wobei der spezifische Widerstand des Mantelmaterials während des Beschichtens Schicht für Schicht geändert wird und die verschiedenen Materialien, Abmessungen und anderen Parameter wie erforderlich ausgewählt werden können, um der Programmierkurve eine gewünschte Form zu geben. Verschiedene Abwandlungen dieser Gestaltung sind ebenfalls vorstellbar. Zum Beispiel können die Schichtstruktur und die sich daraus ergebenden Stufen der Programmierkurve nicht ganz gleichmäßig sein, sondern können an spezielle Anforderungen für unterschiedliche Programmierzustände angepasst werden. Eine ähnliche Modulation des spezifischen Widerstands kann auch durch ein Modulieren der Dicke des Mantels oder mithilfe einer Kombination aus einer Änderung von Form und spezifischem Widerstand erreicht werden.
Es wird sich zeigen, dass durch Variieren des Widerstands pro Längeneinheit des Mantels wie beschrieben die vorstehenden Ausführungsformen hochgradig effiziente PCM-Zellen mit deutlich verbesserten Betriebscharakteristiken ermöglichen.
Zahlreiche Abwandlungen der vorstehenden Ausführungsformen sind vorstellbar. Die vorstehend in Bezug auf Anordnung, Volumen und resistive Eigenschaften der Phasenänderungs- und elektrisch leitenden Komponenten erläuterten Grundsätze bieten eine überlegene Flexibilität der Gestaltung von PCM-Zellen, ermöglichen ein Verringern von Abmessungen und ein Optimieren von Parametern, um verschiedene effiziente Gestaltungen von Zellen zu erzielen. Im Allgemeinen kann das PCM-Element andere Formen annehmen als die eines länglichen Kerns und kann verschiedene Querschnittsformen aufweisen. Die elektrisch leitende Komponente erstreckt sich bei einigen Ausführungsformen möglicherweise nicht vollständig um das PCM-Element herum. Es sind außerdem Ausführungsformen vorstellbar, bei denen die elektrisch leitende Komponente keinen vollständigen parallelen Strompfad zwischen den Elektroden bietet, sondern sich nur über einen Teil der Strecke zwischen den Elektroden erstreckt.
17 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für eine höchst vorteilhafte Zellgestaltung unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Grundsätze. Bei dieser „seitlichen” Gestaltung verfügt die Zelle 80 über eine Schicht 81 aus PCM-Material. Die PCM-Schicht 81 erstreckt sich zwischen zwei Elektroden, realisiert durch Schichten 82, die auf einem isolierenden Substrat 83 ausgebildet werden. Die elektrisch leitende Komponente wird durch eine Schicht aus elektrisch leitendem Material 84 gebildet, die auf dem Substrat 83 ausgebildet wird und sich von einer Elektrode 82 zu der anderen erstreckt. Die elektrisch leitende Schicht 84 steht in Kontakt mit der unteren Oberfläche der darüberliegenden PCM-Schicht 81. Die leitende Schicht 84 hat ein Volumen, das größer als halb so groß wie das der PCM-Schicht 81 ist. Das Volumen der leitenden Schicht 84 ist hier ähnlich dem der PCM-Schicht 81. Die Dicke der leitenden Schicht 84 ist bei diesem Beispiel etwa gleich der oder größer als die der PCM-Schicht. Zur Veranschaulichung: Die PCM-Schicht 61 kann aus GST in einer Dicke von etwa 1 nm bis 100 nm und bevorzugt etwa 1 bis 10 nm ausgebildet sein. Die elektrisch leitende Schicht 64 kann zum Beispiel aus TaN ausgebildet sein. Diese Schicht kann eine Dicke im Bereich von etwa 1 nm bis 100 nm und bevorzugt etwa 1 bis 20 nm aufweisen. Die Elektroden 62 können aus TiN ausgebildet sein.
Derartige seitliche Zellgestaltungen unter Einbeziehung eines Aufbringens von/einer Musterbildung in Materialschichten sind mithilfe von Standard-Materialverarbeitungsverfahren besonders einfach herzustellen. Ein Füllen von Gräben mit einem hohen Seitenverhältnis ist nicht erforderlich, und Abmessungen lassen sich leicht anpassen, z. B. um ein sehr kleines PCM-Volumen oder andere gewünschte Eigenschaften zu erreichen. Eine weitere Vereinfachung der seitlichen Zellstruktur wird in 18 veranschaulicht, und es wird die Tatsache genutzt, dass die elektrisch leitende Komponente aus demselben Material ausgebildet sein kann wie Elektroden in die Erfindung verkörpernden Zellen. In der Zelle 90 aus 18 sind die Elektroden 92 mit der elektrisch leitenden Komponente 94 einteilig als eine einzige Schicht aus elektrisch leitendem Material auf dem Substrat 93 ausgebildet.
Der Widerstand pro Längeneinheit des Strompfads entlang der leitenden Schicht 84, 94 in den 17 und 18 kann in einer ähnlichen Weise wie bei den vorstehenden Ausführungsformen variiert werden, wodurch für eine gewünschte Zellcharakteristik gesorgt wird. Daher könnte der spezifische Widerstand des Materials in einer Richtung zwischen den Elektroden variiert werden, und/oder die Form der Schicht könnte in dieser Richtung variiert werden. Obwohl sie beispielsweise in der Figur als rechteckige Schichten gezeigt werden, könnte die Breite (in die Seite hinein) der leitenden Schicht 84, 94 und der PCM-Schicht 81, 91 von einer Elektrode in Richtung auf die andere hin abnehmen, um einen Betrieb ähnlich wie bei der vorstehend erwähnten Zelle 50 zu erreichen. Alternativ kann die Struktur zum Beispiel abwechselnd Abschnitte größerer Breite und geringerer Breite oder mit höherem oder niedrigerem spezifischen Widerstand in einer Richtung zwischen den Elektroden aufweisen, um einen Betrieb ähnlich wie bei der vorstehend erwähnten Zelle 70 zu erreichen. Wiederum sind verschiedene Abwandlungen vorstellbar, z. B. wie in Bezug auf vorstehend erwähnte Ausführungsformen erörtert.
Seitliche Zellgestaltungen ermöglichen eine besonders einfache Herstellung von Speicherzellen-Arrays. Zum Beispiel wird eine auf seitlichen Zellen beruhende Array-Struktur schematisch in 19 veranschaulicht. Dies ist eine zum Teil aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Teils eines Arrays aus Zellen 100. Jede Zelle 100 verfügt über eine Schicht aus PCM-Material 101 unter einer oberen Elektrodenschicht 102. Die Schichten 101 und 102 der Zellen 100 sind in eine Matrix aus elektrisch leitendem Material 103 eingebettet. Durch diese Matrix wird sowohl die untere Elektrode für jede Zelle, als auch die elektrisch leitende Komponente jeder Zelle bereitgestellt. Obwohl die Darstellung in dieser Figur aufgeschnitten ist, erstreckt sich die Matrix 103 an den Seiten der Zellen 100 nach oben, damit sie mit der oberen Elektrode 101 jeder Zelle in Kontakt kommt. Der spezifische Widerstand dieser Matrix kann in einer Richtung auf die oberen Elektroden 102 hin variiert werden, um wie vorstehend beschrieben für eine Änderung des Widerstands pro Längeneinheit zu sorgen. Wie für Fachleute offensichtlich ist, können einzelne Zellen mithilfe jedes geeigneten Mechanismus zu Adressierungszwecken isoliert werden, z. B. mithilfe von entsprechenden Zellen zugeordneten Zugriffseinheiten, die zwischen die Wort- und Bitleitungen des Arrays geschaltet werden.
Während vorstehend zur Veranschaulichung bestimmte Beispiele angeführt wurden, können für die verschiedenen Elemente von die Erfindung verkörpernden PCM-Zellen beliebige Materialien und Abmessungen gewählt werden, durch die sich die erforderlichen Eigenschaften und Widerstandscharakteristiken ergeben. Zu alternativen Phasenänderungsmaterialien zählen andere Verbindungen einiger oder aller Elemente Ge, Sb und Te wie zum Beispiel Ge₂Sb₂Te₅, GeTe sowie Ge₁₅Sb₈₅. Derartige Verbindungen können außerdem hinzugefügte Bestandteile wie beispielsweise Kohlenstoff, Stickstoff, Silicium oder Siliciumdioxid aufweisen. Zu anderen möglichen Materialien zählen In-Ge-Te-Legierungen, Si-Sb-Te-Legierungen und Si-Sb-Legierungen. Die Verwendung von Phasenänderungs-Nanodrähten bei der Herstellung solcher Speicherzellen ist ebenfalls vorhersehbar. Im Allgemeinen kann die elektrisch leitende Komponente aus jedem geeigneten Material ausgebildet werden. Zu Beispielen für derartige Materialien zählen Metallnitride wie beispielsweise TiN, TiAlN, TaN, BN, Metalloxidnitride wie zum Beispiel TiON, Metallsilicide wie beispielsweise PtSi, Halbleiter wie zum Beispiel Silicium oder Germanium (mit und ohne Dotierung), reduzierte Metalloxide wie beispielsweise TiOx (x < 2 zeigt eine Reduktion an), Metalle wie zum Beispiel W, Ni, Co oder Materialien auf der Grundlage von Kohlenstoff. Die Elektroden können aus jedem geeigneten elektrisch leitenden Material ausgebildet werden, üblicherweise einem Metallmaterial (z. B. einem reinen Metall oder einer Metallverbindung, -legierung oder einem anderen Metallgemisch) oder einem dotierten Halbleitermaterial wie beispielsweise Silicium. Darüber hinaus können, obwohl die beschriebenen Merkmale besonders vorteilhaft für Mehrebenen-Zellen sind, diese Merkmale bei einigen Ausführungsformen auch vorteilhaft bei Einebenen-Zellen angewendet werden.
Zahlreiche andere Änderungen und Abwandlungen können an den beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2034536 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Raoux et al., IBM J. Res. & Dev. 52(4/5), 465 (2008) [0046]

Claims

Phasenänderungs-Speicherzelle zum Speichern von Daten in einer Mehrzahl programmierbarer Zellzustände, wobei die Speicherzelle aufweist: ein zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode angeordnetes Phasenänderungsmaterial zum Anlegen einer Lesespannung an das Phasenänderungsmaterial, um den programmierten Zellzustand auszulesen, und eine elektrisch leitende Komponente, die sich in einer Richtung zwischen den Elektroden in Kontakt mit dem Phasenänderungsmaterial erstreckt und so angeordnet ist, dass sie einem mithilfe der Lesespannung erzeugten Zellstrom einen Strompfad mit einem geringerem Widerstand präsentiert als die amorphe Phase des Phasenänderungsmaterials in einem der Zellzustände, wobei der Strompfad eine Länge aufweist, die von der Größe der amorphen Phase abhängt, wobei das Volumen der elektrisch leitenden Komponente größer als etwa halb so groß wie die das des Phasenänderungsmaterials ist.
Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei das Volumen der elektrisch leitenden Komponente größer als das ungefähre Volumen des Phasenänderungsmaterials ist.
Speicherzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Dicke senkrecht zu der Richtung der elektrisch leitenden Komponente größer als etwa halb so groß wie die des Phasenänderungsmaterials ist.
Speicherzelle nach Anspruch 3, wobei die Dicke senkrecht zu der Richtung der elektrisch leitenden Komponente größer als in etwa die des Phasenänderungsmaterials ist.
Speicherzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Komponente eine Schicht aus elektrisch leitendem Material aufweist, und/oder wobei die elektrisch leitende Komponente einen Mantel um das Phasenänderungsmaterial herum bildet, und wobei das Phasenänderungsmaterial einen länglichen Kern in diesem Mantel bildet, insbesondere einen länglichen Kern, der einen Nanodraht aus Phasenänderungsmaterial aufweist.
Speicherzelle nach Anspruch 5 mit einer Schicht aus dem Phasenänderungsmaterial, wobei die Schicht aus elektrisch leitendem Material auf einer Oberfläche der Schicht aus Phasenänderungsmaterial angeordnet ist, und wobei insbesondere die elektrisch leitende Komponente aus demselben Material ausgebildet ist wie mindestens eine der Elektroden, und/oder wobei insbesondere mindestens eine der Elektroden einteilig mit der elektrisch leitenden Komponente ausgebildet ist, und/oder wobei insbesondere das Phasenänderungsmaterial in eine Matrix aus elektrisch leitendem Material eingebettet ist, mithilfe dessen die Komponente bereitgestellt wird.
Speicherzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der dem Zellstrom durch die elektrisch leitende Komponente präsentierte Widerstand größer als der der kristallinen Phase des Phasenänderungsmaterials in einem der Zellzustände ist.
Speicherzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Speichern von Daten in s > 2 programmierbaren Zellzuständen, und wobei insbesondere der Widerstand pro Längeneinheit der Komponente in der Richtung des Strompfads variiert, um dadurch eine gewünschte Zell-Betriebscharakteristik bereitzustellen, und/oder wobei insbesondere die Form der Komponente in der Richtung des Strompfads variiert, um den Widerstand pro Längeneinheit zu variieren, und/oder wobei insbesondere eine Dicke des Kerns in einer Richtung zunimmt, in der eine Dicke des Mantels abnimmt, und/oder wobei insbesondere der spezifische Widerstand der Komponente in der Richtung des Strompfads variiert, um den Widerstand pro Längeneinheit zu variieren, und/oder wobei insbesondere der Widerstand pro Längeneinheit der Komponente in einer Richtung zunimmt, in der die Länge des Strompfads mit einer Größe der amorphen Phase zunimmt, und/oder wobei die Komponente insbesondere abwechselnde erste und zweite Abschnitte in der Richtung des Strompfads aufweist, wobei die ersten Abschnitte einen niedrigeren Widerstand aufweisen als die zweiten Abschnitte, um eine gestufte Programmierkurve für die Speicherzelle bereitzustellen.
Speicherzelle nach Anspruch 8, wobei die zweiten Abschnitte eine geringere Dicke in der Richtung des Strompfads aufweisen als die ersten Abschnitte.
Speicherzelle nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die ersten Abschnitte einen niedrigeren spezifischen Widerstand aufweisen als die zweiten Abschnitte.
Speicherzelle nach Anspruch 10, wobei die ersten Abschnitte einen spezifischen Widerstand nahe dem der kristallinen Phase des Phasenänderungsmaterials aufweisen.
Speicherzelle nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die zweiten Abschnitte einen spezifischen Widerstand nahe dem der amorphen Phase des Phasenänderungsmaterials aufweisen, und/oder wobei die Anordnung eine solche ist, dass die amorphe Phase sich in aufeinanderfolgenden Zellzuständen von einer Elektrode in Richtung auf die andere ausdehnt.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Anordnung eine solche ist, dass die amorphe Phase sich in aufeinanderfolgenden Zellzuständen in Richtung auf beide Elektroden hin ausdehnt.
Speichereinheit, die aufweist: ein Array aus Phasenänderungs-Speicherzellen wie in einem der vorangehenden Ansprüche beansprucht, und einen Lese/Schreib-Controller zum Lesen und Schreiben von Daten aus den/in die Speicherzellen.
Verfahren zum Ausbilden einer Phasenänderungs-Speicherzelle zum Speichern von Daten in einer Mehrzahl programmierbarer Zellzustände, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden einer ersten und einer zweiten Elektrode, zwischen denen sich ein Phasenänderungsmaterial befindet, und Ausbilden einer elektrisch leitenden Komponente mit einem Volumen, das größer als etwa halb so groß wie das des Phasenänderungsmaterials ist, wobei das Verfahren derart ausgeführt wird, dass die Komponente sich in einer Richtung zwischen den Elektroden in Kontakt mit dem Phasenänderungsmaterial erstreckt und so angeordnet ist, dass sie einem durch die mithilfe der Elektroden zum Auslesen des programmierten Zellzustands beim Gebrauch angelegten Lesespannung erzeugten Zellstrom einen Strompfad mit einem geringerem Widerstand präsentiert als die amorphe Phase des Phasenänderungsmaterials in einem der Zellzustände, wobei der Strompfad eine Länge aufweist, die von der Größe der amorphen Phase abhängt.