DE10236439B3 - Speicher-Anordnung, Verfahren zum Betreiben einer Speicher-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Speicher-Anordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Speicher-Anordnung, ein Verfahren zum Betreiben einer Speicher-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Speicher-Anordnung. Die Speicher-Anordnung enthält ein Substrat und eine Mehrzahl von auf und/oder in dem Substrat ausgebildeten Speicherbereichen, von denen jeder derart eingerichtet ist, dass der elektrische Widerstand des jeweiligen Speicherbereichs mittels thermischen Behandelns selektiv auf einen ersten Wert oder auf einen zweiten Wert einstellbar ist, der größer ist als der erste Wert. Ferner ist zwischen den Speicherbereichen eine Wärmeabführ-Struktur zum Abführen von einem der Speicherbereiche zugeführter Wärme angeordnet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Speicher-Anordnung, ein Verfahren zum Betreiben einer Speicher-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Speicher-Anordnung.
• Aus [1],[2] ist ein nichtflüchtiger Speicher unter Verwendung von Ge_xSb_yTe_z als Speicherbereich bekannt. Bei dem Material Ge_xSb_yTe_z kann eine Phasenumwandlung zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase stattfinden. Bei dieser Umwandlung ändert sich der elektrische Widerstand des Materials signifikant. Bei einem kurzzeitigen Strompuls wird das Material anschaulich aufgeschmolzen. Bei einer nachfolgenden schnellen Abkühlung verbleibt das Material in einem amorphen Zustand, in welchem das Material einen hohen elektrischen Widerstand aufweist. Das Umprogrammieren in einen kristallinen Zustand erfolgt unter Verwendung eines schwächeren Strompulses, der für eine längere Zeit angelegt wird. Dadurch kühlt sich das Material ausreichend langsam ab, um eine kristalline Phase auszubilden, die einen niedrigeren Widerstand hat.
• In 6 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Speicherzelle 600 gemäß dem beschriebenen Prinzip gezeigt.
• Zwischen einer ersten Elektrode 601 und einer zweiten Elektrode 602 ist eine Anordnung aus einem Heizelement 603 und einer Ge_xSb_yTe_z-Schicht 604 angeordnet. Mittels Anlegens eines elektrischen Stroms zwischen den Elektroden 601, 602 kann unter Verwendung des Heizelements 603 ein programmierbarer Bereich 605 der Ge_xSb_yTe_z-Schicht 604 derart stark erhitzt werden, dass eine Umwandlung zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase ermöglicht ist. Bei einem zeitlich ausreichend langen und ausreichend schwachen Puls wird der programmierbare Bereich 605 in einen kristallinen Zustand gebracht, bei Anlegen eines ausreichend kurzen und starken Pulses wird der programmierbare Bereich 605 in einen amorphen Zustand gebracht. Da der amorphe Zustand einen wesentlich höheren elektrischen Widerstand aufweist als der kristalline Zustand, kann mittels Anlegens eines kleinen Lesestroms zwischen den Elektroden 601, 602 abgetastet werden, in welchem Zustand der programmierbare Bereich 605 als Speicherbereich befindlich ist.
• Werden Speicherzellen wie die in 6 gezeigte Speicherzelle 600 in ein hochdichtes Array gepackt, kann es zu unerwünschter Wärmekopplung zwischen den einzelnen Zellen kommen. Bei einer langen Programmierzeit (typischerweise 100ns), wie sie zum Einstellen der kristallinen Phase erforderlich ist, kann unerwünschterweise Wärme auf eine zu der zu programmierenden Speicherzelle benachbarten Speicherzelle übertragen werden, und somit deren Zustand unbeabsichtigt geändert werden. Dadurch kann die in der benachbarten Speicherzelle enthaltene Information verloren gehen. Die hohe Temperatur zum Erzeugen der amorphen Phase bleibt wegen der kürzeren Zeitdauer (typischerweise 5ns) im Wesentlichen an einer zu programmierenden Speicherzelle lokalisiert, wobei auch in diesem Fall ein Teil der Wärme unerwünschterweise aus der Speicherzelle abgeleitet werden kann. Dies ist besonders kritisch bei dem Fall von zwei benachbarten Zellen, von denen eine in der amorphen und die andere in der kristallinen Phase befindlich ist, wobei eine Zelle vom amorphen Zustand in den kristallinen Zustand übergeführt wird. Hierzu muss für längere Zeit eine bestimmte Temperatur in der zu programmierenden Speicherzelle erhalten bleiben, die sich auf die Nachbarzelle übertragen kann und deren Zustand ebenfalls ändern kann.
• Unter anderem aus den beschriebenen Gründen ist es bislang nicht gelungen, eine Speicher-Anordnung unter Verwendung von Ge_xSb_yTe_z-Bereichen mit einer ausreichend hohen Packungsdichte zu generieren, da eine hohe Packungsdichte einen geringen Abstand und daher Probleme mit Wärmekopplung zwischen einzelnen Zellen mit sich bringt.
• Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Speicherzellen-Anordnung mit Speicherzellen mit veränderbarem elektrischen Widerstand zu schaffen, bei der die Integrationsdichte erhöht ist und simultan ein ausreichend sicheres Programmieren ermöglicht ist.
• Das Problem wird gelöst durch eine Speicher-Anordnung, durch ein Verfahren zum Betreiben einer Speicher-Anordnung und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Speicher-Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
• Die erfindungsgemäße Speicher-Anordnung enthält ein Substrat und eine Mehrzahl von auf und/oder in dem Substrat ausgebildeten Speicherbereichen, von denen jeder derart eingerichtet ist, dass der elektrische Widerstand des jeweiligen Speicherbereichs mittels thermischen Behandelns selektiv auf einen ersten Wert oder auf einen zweiten Wert einstellbar ist, der größer ist als der erste Wert. Ferner weist die erfindungsgemäße Speicher-Anordnung eine zwischen den Speicherbereichen angeordnete Wärmeabführ-Struktur zum Abführen von einem der Speicherbereiche zugeführter Wärme auf.
• Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben einer Speicher-Anordnung mit den oben beschriebenen Merkmalen bereitgestellt, wobei gemäß dem Verfahren ein elektrisches Schreib-Signal angelegt wird, das derart eingerichtet ist, dass dadurch für den jeweiligen Speicherbereich der Wert seines elektrischen Widerstands auf den ersten oder den zweiten Wert eingestellt wird. Alternativ wird gemäß dem Verfahren ein elektrisches Lese-Signal angelegt, das derart eingerichtet ist, dass dadurch für einen jeweiligen Speicherbereich der Wert seines elektrischen Widerstands erfassbar ist.
• Gemäß einem Verfahren zum Herstellen einer Speicher-Anordnung wird eine Mehrzahl von Speicherbereichen auf und/oder in einem Substrat ausgebildet, von denen jeder derart eingerichtet wird, dass der elektrische Widerstand des jeweiligen Speicherbereichs mittels thermischen Behandelns selektiv auf einen ersten Wert oder auf einen zweiten Wert einstellbar ist, der größer ist als der erste Wert. Zwischen den Speicherbereichen wird eine Wärmeabführ-Struktur zum Abführen von einem der Speicherbereiche zugeführter Wärme angeordnet.
• Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, eine ausreichend gut wärmeleitende Strukaur zwischen den Speicherbereichen der erfindungsgemäßen Speicher-Anordnung anzuordnen, und somit einen unerwünschten Wärmeübertrag auf eine zu einer zu programmierenden (oder auszulesenden) Speicherzelle benachbarten Speicherzelle zu verhindern. Dadurch ist erfindungsgemäß sichergestellt, dass in eine Speicherzelle ausreichend sicher eine Information einspeicherbar oder auslesbar ist, und dass simultan die anderen Speicherzellen bei einem Programmier- oder Lesevorgang vor einem unerwünschten Ändern des Speicherinhalts geschützt sind. Dadurch ist die Haltezeit erhöht und die Fehlerrobustheit der Speicher-Anordnung verbessert.
• Anschaulich ist die Wärmeabführ-Struktur ein Wärmebad mit einer ausreichend großen Wärmekapazität, so dass eine hohe Wärmemenge, wie sie beispielsweise beim Programmieren der Speicherbereiche auftritt, von der Wärmeabführ-Struktur aufgenommen werden kann, und höchstens ein sehr geringer Anteil der freiwerdenden Wärme an benachbarte Speicherzellen übertragen werden. Dadurch sind diese benachbarten Speicherzellen davor geschützt, unerwünschterweise umprogrammiert zu werden.
• Die erfindungsgemäße Speicher-Anordnung hat den Vorteil, dass sie bei zunehmender Integrationsdichte skalierbar ist, da die zu injizierende Energie proportional zu dem Volumen eines Speicherbereichs ist. Ferner sind bei der Speicher-Anordnung sehr gute Schreib- und Lesezeiten erreichbar, beispielsweise viel besser als bei Flashspeichern. Ferner sind sehr geringe Schreib- und Lesespannungen (in der Größenordnung von einem Volt) ausreichend, wohingegen bei Flashspeichern hohe Spannungen von typischerweise 10 Volt und mehr erforderlich sind. Dadurch wird Energie eingespart, die Abwärme verringert und empfindliche integrierte Bauelemente sind vor einer unerwünschten Beeinflussung durch hohe elektrische Spannungen geschützt.
• Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Die Speicher-Anordnung der Erfindung kann derart eingerichtet sein, dass an jeden der Speicherbereiche selektiv ein elektrisches Schreib-Signal anlegbar ist, das derart eingerichtet ist, dass dadurch für den jeweiligen Speicherbereich der Wert seines elektrischen Widerstands auf den ersten oder den zweiten Wert eingestellt wird. Alternativ kann ein elektrisches Lese-Signal angelegt werden, das derart eingerichtet ist, dass dadurch für einen jeweiligen Speicherbereich der Wert seines elektrischen Widerstands erfassbar ist. Insbesondere bei Anlegen eines elektrischen Schreib-Signals sind ausreichend hohe elektrische Ströme erforderlich, um den Speicherinhalt eines Speicherbereichs umzuprogrammieren. Aufgrund der Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmeabführ-Struktur sind allerdings zu einem programmierbaren Speicherbereich benachbarte Speicherbereiche während des Programmierens vor einem unerwünschten Umprogrammieren geschützt.
• Die Wärmeabführ-Struktur kann derart eingerichtet sein, dass bei Anlegen des Schreib-Signals an einen jeweiligen Speicherbereich zum Einstellen des Werts eines elektrischen Widerstands die aus dem Schreib-Signal resultierende Wärme derart abgeführt wird, dass die anderen Speicherbereiche vor einer Änderung ihres elektrischen Widerstands infolge des Schreib-Signals geschützt sind.
• Das Schreib-Signal kann insbesondere ein elektrischer Strom mit vorgebbarer Stärke sein, der für eine vorgebbare Zeit an einen jeweiligen Speicherbereich anlegbar ist.
• Zumindest ein Teil der Speicherbereiche ist vorzugsweise zumindest teilweise von. einer Wärmeisolations-Struktur umgeben, die derart eingerichtet ist, dass sie die Wärmekopplung zwischen dem zugehörigen Speicherbereich und den anderen Speicherbereichen verhindert. Insbesondere bei kurzen Heizpulsen, wie sie typischerweise erforderlich sind, um einen Speicherbereich von einem Zustand mit dem geringen elektrischen Widerstand. in einen Zustand mit dem hohen elektrischen Widerstand. zu befördern, kann die Wärmeisolations-Struktur die Wärmeabfuhr von einem jeweiligen Speicherbereich verhindern oder zumindest vermindern. Dadurch ist die Wärmemenge in dem umzuprogrammierenden Speicherbereich ausreichend sicher lokalisiert, so dass der umzuprogrammierende Speicherbereich sicher umprogrammierbar ist und benachbarte Speicherbereiche vor einer unerwünschten Programmierung geschützt sind.
• Anschaulich verbleibt aufgrund der Funktionalität der Wärmeisolations-Struktur bei kurzen Heizpulsen (typischerweise 5ns), wie sie zum Generieren des Zustands des Speicherbereichs mit einem hohen elektrischen Widerstand erforderlich sind, fast die gesamte Wärme innerhalb des ausgewählten Speicherbereichs.
• Bei längeren Heizpulsen (typischerweise 100ns), wie sie häufig zum Umwandeln des Speicherbereichs in einen Zustand mit dem niedrigen elektrischen Widerstand erforderlich sind, wird ein Teil der Wärme an die Wärmeabführ-Struktur abgegeben, wobei die Wärmestruktur vorzugsweise derart eingerichtet ist, dass sie sich nur geringfügig aufheizt.
• Die Speicher-Anordnung kann derart eingerichtet sein, dass jeder der Speicherbereiche zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase (d.h. insbesondere Gitterstruktur) umschaltbar ist, wobei der Speicherbereich in der kristallinen Phase den ersten Wert und in der amorphen Phase den zweiten Wert des elektrischen Widerstands aufweist.
• Die Speicherbereiche der Speicher-Anordnung sind vorzugsweise derart eingerichtet, dass die kristalline Phase mittels Anlegens des Schreib-Signals für ein erstes Zeitintervall und dass die amorphe Phase mittels Anlegens des Schreib-Signals für ein zweites Zeitintervall einstellbar ist, wobei das erste Zeitintervall größer ist als das zweite Zeitintervall.
• Anschaulich wird die kristalline Phase des Speicherbereichs mittels Erhitzens durch ein ausreichend langes Anlegen eines Heizsignals (bzw. durch ein ausreichend langsames Abkühlen) generiert. Eine amorphe Phase kann generiert werden, indem der Speicherbereich einem kurzzeitigen Heizsignal ausgesetzt wird (bzw. ausreichend schnell abgekühlt wird).
• Vorzugsweise weisen die Speicherbereiche ein Chalkogenid-Material, insbesondere eine Legierung Ge_xSb_yTe_z (Germanium, Antimon, Tellur) auf. Solche Materialien weisen den Vorteil auf, dass sie unter Verwendung ausreichend kleiner elektrischer Ströme mit kurzen Programmierzeiten (5ns bzw. 100ns) umprogrammierbar sind. Der Unterschied der elektrischen Widerstände in den beiden Phasenzuständen ist signifikant, so dass ein fehlerrobustes Programmieren und Auslesen von Speicherinformation ermöglicht ist. Typische Werte der elektrischen Widerstände von Chalkogenid-Speicherbereichen liegen im Bereich von 1kΩ für die kristalline Phase und im Bereich von 100kΩ für die amorphe Phase.
• Alternativ zu Chalkogeniden kann auch jedes andere Material verwendet werden, das mittels Temperns selektiv in einen amorphen oder kristallinen Zustand übergeführt werden kann. Als Beispiel für ein weiteres geeignetes Material ist die Materialkombination kristallines Silizium/amorphes Silizium zu nennen, was insbesondere für die Integrierbarkeit der erfindungsgemäßen Speicher-Anordnung in die Siliziummikrotechnologie vorteilhaft ist.
• Das Material der Wärmeabführ-Struktur ist vorzugsweise ein Metall, polykristallines Silizium oder ein Aluminat (insbesondere Aluminiumoxid, Al₂O₃). Bei Verwendung eines Metalls kann der vorteilhafte Effekt verwendet werden, dass Metalle unter typischen. Bedingungen typischerweise eine um einen Faktor hundert größere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als Isolatoren. Dadurch ist ein Wärmebad geschaffen, das geeignet ist, beim Programmieren von Speicherbereichen anfallende Wärmemengen ausreichend. sicher über die erfindungsgemäße Speicher-Anordnung zu verteilen und somit nicht umzuprogrammierende Speicherbereiche vor einem unerwünschten Ändern ihres Phasenzustands und somit Speicherzustands zu schützen.
• Bei der erfindungsgemäßen Speicher-Anordnung kann die Isolationsstruktur derart eingerichtet sein, dass sie den zugehörigen Speicherbereich von den anderen Speicherbereichen elektrisch entkoppelt.
• Mit anderen Worten kann. die Wärmeisolations-Struktur nicht nur zum Wärmeisolieren, sondern zusätzlich zum elektrischen Entkoppeln eingerichtet sein und fungieren. Beispielsweise kann die Wärmeisolations-Struktur ein Hohlraum sein, oder sie kann aus einem elektrisch-isolierenden Material hergestellt sein. Insbesondere kann. die Wärmeisolations-Struktur aus Siliziumoxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) hergestellt sein.
• Vorzugsweise sind die Speicherbereiche matrixförmig auf und/oder in dem Substrat angeordnet. Die Wärmeabführ-Struktur kann die Speicherbereiche im Wesentlichen gitterförmig umgeben. Alternativ kann die Wärmeabführ-Struktur die Speicherbereiche auch zickzackförmig, mäanderförmig oder gemäß einer anderen funktionell geeigneten Form umgeben.
• Als Substrat eignet sieh insbesondere ein Halbleiter-Substrat, weiter insbesondere ein Silizium-Substrat. Allerdings kann auch jedes andere Substrat (beispielsweise Glas, Keramik) verwendet werden.
• Zumindest ein Teil der Speicherbereiche kann ein mit dem jeweiligen Speicherbereich wärmeleitfähig gekoppeltes Heizelement aufweisen, mittels welchem dem jeweiligen Speicherbereich thermische Energie zuführbar ist. Indem ein Heizelement, vorzugsweise aus einem Material mit einem ausreichend hohen ohmschem Widerstand, mit einem jeweiligen Speicherbereich gekoppelt ist, ist sichergestellt, dass bei Anlegen eines elektrischen Stroms das Heizelement ausreichend stark erwärmt wird, wodurch auch der damit gekoppelte Speicherbereich in räumlich definierter Weise erwärmt wird. Das Heizelement kann Wolfram und/oder polykristallines Silizium aufweisen.
• Es ist anzumerken, dass die Ausgestaltungen, die oben für die erfindungsgemäße Speicher-Anordnung beschrieben sind, auch für das Verfahren zum Betreiben einer Speicher-Anordnung bzw. für das Verfahren zum Herstellen einer Speicher-Anordnung gelten.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1A bis 1E Schichtenfolgen zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum Herstellen einer Speicher-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 2 eine Layout-Ansicht einer Speicher-Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 3 eine Querschnittsansicht einer Speicher-Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 4 eine Querschnittsansicht einer Speicher-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 5A eine schematische Querschnittsansicht eines Speicherbereichs der erfindungsgemäßen Speicher-Anordnung,
• 5B eine andere schematische Querschnittsansicht eines Speicherbereichs einer Speicher-Anordnung gemäß der Erfindung,
• 6 eine Speicherzelle gemäß dem Stand der Technik.
• Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
• Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1A bis 1E ein Verfahren zum Herstellen einer Speicher-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
• Dieses Verfahren zeigt ein 6F² Zellenfeld in teilweiser Anlehnung an die DRAM-Technologie. Es kann alternativ auf jedes andere Zellenfeld aus der DRAM-Technologie zurückgegriffen werden, um die Erfindung auf diese Technologie anzuwenden.
• Um die in 1A gezeigte Schichtenfolge 100 zu erhalten, werden in einem Silizium-Substrat 101 n⁺-dotierte Bereiche 102 bis 104 als erste bis dritte Source-/Drain-Bereiche ausgebildet. Ferner werden erste und zweite Siliziumoxid-Bereiche 105, 106 in Oberflächenbereichen des Silizium-Substrats mittels Ätzen von Gräben und Auffüllens der Gräben mit Siliziumoxid-Material gebildet. Mittels der Siliziumoxid-Bereiche 105, 106 ist anschaulich eine elektrische Entkopplung unterschiedlicher Speicherzellen einer auszubildenden Speicher-Anordnung realisiert. Ferner werden erste und zweite Wortleitungen 107, 108 aus einem elektrisch leitfähigen Material auf dem Substrat 101 in Bereichen zwischen dem ersten Source-/Drain-Bereich 102 und dem zweiten Source-/Drain-Bereich 103 bzw. zwischen dem zweiten Source-/Drain-Bereich 103 und dem dritten Source-/Drain-Bereich 104 gebildet, wobei zwischen dem Substrat 101 und den Wortleitungen 107, 108 jeweils ein dünner Siliziumoxid-Film als Gate-isolierende Schicht ausgebildet wird. An dem zweiten Source-/Drain-Bereich 103 wird eine gemeinsame Ansteuerleitung 111 aus polykristallinem Silizium ausgebildet. Erste und zweite Hilfsstrukturen 109, 110 sind wie die Wortleitungen 107, 108 aufgebaut und dienen dazu, einen selbstjustierten Kontakt zwischen den Leitungen 108, 110 und 109, 107 zu setzen. Die Ansteuerleitung 111 kann selbstjustiert zwischen den Wortleitungen 107, 108 erzeugt werden. Ferner wird die so erhaltene Schichtenfolge mit Siliziumoxid-Material eingekapselt, wodurch eine Siliziumoxid-Einkapselung 112 gebildet wird.
• Um die in 1B gezeigte Schichtenfolge 120 zu erhalten, werden unter Verwendung eines Lithographie- und eines Ätz- Verfahrens Gräben 121 in die Siliziumoxid-Einkapselung 112 geätzt, wodurch die ersten und dritten Source-/Drain-Bereiche 102, 104 freigelegt werden. Ferner wird dotiertes Polysilizium-Material in die Gräben 121 eingebracht und zurückgeätzt, wodurch erste Heizelement-Komponenten 122 gebildet werden. Nachfolgend wird auf den ersten Heizelement-Komponenten 122 Wolfram-Material in den Gräben 121 abgeschieden, wodurch zweite Heizelement-Komponenten 123 ausgebildet werden.
• Um die in 1C gezeigte Schichtenfolge 140 zu erhalten, wird Chalkogenid-Material (Ge_xSb_yTe_z) auf der Oberfläche der Schichtenfolge 120 abgeschieden und ein Teil des Chalkogenid-Materials zurückgeätzt, wodurch Chalkogenid-Strukturen 141 ausgebildet werden. Ferner wird Siliziumoxid-Material der Siliziumoxid-Einkapselung 112 zurückgeätzt.
• Um die in 1D gezeigte Schichtenfolge 160 zu erhalten, werden die freiliegenden Chalkogenid-Strukturen 141 mittels Abscheidens und Zurückätzens von Siliziumoxid-Material von seitlichen Siliziumoxid-Abstandshaltern 161 umgeben. Ferner wird Kupfer-Material oder Aluminium-Material auf der Oberfläche der so erhaltenen Schichtenfolge abgeschieden und zurückgeätzt, wodurch ein Kupfer-Metallgitter 162 (alternativ ein Aluminium-Metallgitter), eingebettet zwischen benachbarten, mittels der Siliziumoxid-Abstandshalter 161 elektrisch und wärmeleitend von der Umgebung weitgehend entkoppelten Chalkogenid-Strukturen 141, ausgebildet wird. Ferner wird zusätzliches Siliziumoxid-Material auf der Oberfläche der so erhaltenen Schichtenfolge abgeschieden und unter Verwendung eines CMP-Verfahrens ("chemical mechanical polishing") planarisiert.
• Um die in 1E gezeigte Speicher-Anordnung 180 zu erhalten, wird auf der Schichtenfolge 160 Metall-Material abgeschieden und unter Verwendung eines Lithographie- und eines Ätz-Verfahrens zu einer Bitleitung 181 strukturiert.
• Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1E die Funktionalität der Speicher-Anordnung 180 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
• Anschaulich ist in dem Phasenzustand der Chalkogenid-Strukturen 141 die Speicherinformation der jeweiligen Speicherzelle gespeichert. Die Speicher-Anordnung 180 aus 1E zeigt zwei Speicherzellen, zugehörig den beiden Chalkogenid-Strukturen 141. Die Chalkogenid-Strukturen 141 können jeweils in einem kristallinen Zustand vorliegen, in dem der elektrische Widerstand der Chalkogenid-Strukturen 141 geringer ist als in einem amorphen Zustand. Mittels Anlegens eines elektrischen Stroms wird eine ausgewählte Chalkogenid-Struktur 141, unterstützt durch die Heizelement-Komponenten 122, 123, so stark erwärmt, dass abhängig von der Länge des Anlegens des Pulses (bzw. abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit und der Stärke des Pulses) die Chalkogenid-Strukturen 141 selektiv in den kristallinen oder amorphen Zustand gebracht werden können. Mittels Anlegens eines ausreichend langen Heizsignals (typischerweise 100ns) wird die Chalkogenid-Struktur 141 in den kristallinen Zustand gebracht, mittels Anlegens eines ausreichend kurzen Heizsignals (typischerweise 5ns), wird die jeweilige Chalkogenid-Struktur 141 in den amorphen Zustand gebracht. Um beim Anlegen der Heizpulse die daraus resultierende Wärmemenge in einem unmittelbaren Umgebungsbereich der jeweiligen Chalkogenid-Struktur 141 zu lokalisieren, sind die Chalkogenid-Strukturen 141 mit den Siliziumoxid-Abstandshaltern 161 als thermische und elektrische Isolatoren umgeben. Falls, was insbesondere bei einem längeren Heizpuls vorkommen kann, ein Teil der Wärme der Chalkogenid-Strukturen 141 durch den zugehörigen Siliziumoxid-Abstandshalter 161 gelangen kann, wird diese Wärme an das metallische Gitter 162 abgegeben, das sich nur geringfügig aufheizt. Somit sind andere Chalkogenid-Strukturen 141, die in dem vorliegenden Szenario nicht Gegenstand eines Programmierungs-Vorgangs sein sollen, davor geschützt, unbeabsichtigt eine Änderung ihres Phasenzustands (kristallin oder amorph) zu erfahren. Im Weiteren wird beschrieben, wie in die linke der in 1E gezeigten Chalkogenid-Strukturen 141 eine Information programmiert wird. Hierfür wird zunächst die linke Chalkogenid-Struktur 141 als Speicherzelle der Speicher-Anordnung 180 ausgewählt, indem an die erste Wo r tleitung 107, anschaulich der Gate-Bereich eines Auswahl-Transistors, eine solche elektrische Spannung angelegt wird, dass der Bereich des Substrats 101 (Kanal-Bereich) zwischen dem ersten und dem zweiten Source-/Drain-Bereichen 102, 103 elektrisch leitfähig ist. Mittels Anlegens eines ausreichend starken Heizstroms infolge eines Programmier-Signals an der gemeinsamen Ansteuerleitung 111 wird das elektrische Heiz-Signal durch den Kanal-Bereich über die Heizelement-Komponenten 122, 123 in die linke Chalkogenid-Struktur 141 geleitet, wodurch die Chalkogenid-Struktur 141 stark erwärmt wird. Mittels eines ausreichend kurzen Heizpulses wird die Chalkogenid-Struktur 141 in einen amorphen Zustand mit einem hohen elektrischen Widerstand überführt, bei einem ausreichend langen Heizpuls wird die Chalkogenid-Struktur 141 in einen kristallinen Zustand mit niedrigem ohmschen Widerstand überführt. Die Heizelement-Komponenten 122, 123 sind aus einem ausreichend hochohmigen Material ausgebildet, so dass aus dem Heizsignal resultierende ohmsche Wärme in den Heizelement-Komponenten 122, 123 generiert wird, welche Wärme die zugehörige Chalkogenid-Struktur 141 erwärmt. Beispielsweise kann dem kristallinen Zustand der Chalkogenid-Struktur 141 mit dem geringen Wert des ohmschen Widerstands ein logischer Wert "1" zugeordnet werden, und es kann dem amorphen Zustand der Chalkogenid-Struktur 141 mit dem hohen Wert des ohmschen Widerstands ein logischer Wert "0" zugeordnet werden.
• Um eine in einer der Chalkogenid-Strukturen 141 gespeicherte Information auszulesen, wird wiederum an die erste Wortleitung 107 eine solche elektrische Spannung angelegt, dass die gemeinsame Ansteuerleitung 111 mit der Bitleitung 181 über die Chalkogenid-Struktur 141 gekoppelt ist. Wird nun ein elektrisches Lesesignal (beispielsweise ein ausreichend kleiner elektrischer Strom, der den Zustand der zugeordneten Chalkogenid-Struktur nicht verändert) angelegt, so fließt abhängig davon, ob die Chalkogenid-Struktur 141 in dem amorphen Zustand mit dem großen ohmschen Widerstand oder in dem kristallinen Zustand mit dem geringen ohmschen Widerstand befindlich ist, auf der Bitleitung 181 ein großer oder ein kleinerer elektrischer Strom, der detektiert wird. Auf diese Weise kann die Speicherinformation ausgelesen werden.
• Im Weiteren wir bezugnehmend auf 2 eine Layout-Draufsicht 210 der Speicher-Anordnung 180 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
• Insbesondere ist in 2 gezeigt, dass die 6F²-Speicherzellen 200 der Speicher-Anordnung 180 matrixförmig angeordnet sind. Mit F wird die in einer Technologiegeneration minimal erreichbare Strukturdimension bezeichnet. Entlang einer ersten Richtung verlaufen die Bitleitungen 181, wohingegen die Wortleitungen 107, 108 in entlang einer dazu orthogonalen Richtung verlaufen. Es ist anzumerken, dass in 2 die Siliziumoxid-Abstandshalter 161 und das Metallgitter 162 nicht gezeigt sind.
• Im Weiteren wird bezugnehmend auf 3 eine Schnittansicht 300 der Speicher-Anordnung 180 entlang einer in 1E gezeigten Schnittlinie I-I' beschrieben.
• Die Speicher-Anordnung 180 enthält Speicherzellen mit einem Platzbedarf pro Speicherzelle von 6F², wobei jede der Speicherzellen, wie in 3 gezeigt, eine Chalkogenid-Struktur 141 und einen diese umgebenden Siliziumoxid-Abstandshalter 161 aufweist. Jede der Speicherzellen ist eingebettet in dem gitterförmigen Metallgitter 162 als Wärmeabführ-Struktur. Die Siliziumoxid-Abstandhalter 161 dienen als Wärmeisolations-Struktur. Insbesondere in Bereichen 301 der Speicher-Anordnung 180, in denen benachbarte Speicherzellen dicht benachbart angeordnet sind, ist das Vorsehen der Wärmeabführ-Struktur sowie der Wärmeisolations-Struktur maßgeblich, um ein thermisches Übersprechen zwischen benachbarten Speicherzellen zu unterbinden.
• Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4 eine Speicher-Anordnung 400 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
• Die Speicher-Anordnung 400 entspricht im Wesentlichen der Speicher-Anordnung 180, ist jedoch als Speicher-Anordnung mit einem Flächenbedarf von 4F² pro Speicherzelle ausgestaltet, das heißt mit einer noch größeren Integrationsdichte als die Speicher-Anordnung 180.
• Bei der Speicher-Anordnung 400 sind die einzelnen Speicherzellen, jeweils aufweisend eine Chalkogenid-Struktur 141 und einen diese umgebenden Siliziumoxid-Abstandshalter 161, wiederum in eine gitterförmige Metallstruktur 162 eingebettet. Im Unterschied zu der Speicher-Anordnung 180 sind die Speicherzellen bei der Speicher-Anordnung 400 regelmäßig gitterförmig angeordnet, das heißt in horizontaler Richtung, bzw. in vertikaler Richtung in einem jeweils festen Abstand voneinander.
• Im Weiteren wird bezugnehmend auf 5A, 5B eine Abschätzung der Wärmeaustausch-Charakteristik zwischen einer Chalkogenid-Struktur 141 und deren Umgebung vorgenommen, wobei die Chalkogenid-Struktur 141 von einem hohlzylinderförmigen Siliziumoxid-Abstandshalter 161 umgeben ist, an den die Metallstruktur 162 angrenzt. In 5A ist eine Querschnittsansicht 500, in 5B eine Draufsicht 501 der Struktur gezeigt.
• Als Höhe der zylinderförmigen Chalkogenid-Struktur 141 bzw. des hohlzylinderförmigen Siliziumoxid-Abstandhalters 161 ist 100nm angenommen, der Durchmesser der Chalkogenid-Struktur 141 wird zu 50nm angenommen, und die Dicke der Hohlzylinderwand des Siliziumoxid-Abstandshalters 161 wird zu 10nm angenommen.
• Das Volumen des Chalkogenid-Zylinders 141 ergibt sich zu 2⋅10^–22m³.
• Die dissipierte Leistung ΔP in dem zylindrischen Volumen mit der Höhe von 100nm und dem Durchmesser von 50nm während des Programmierens ergibt sich zu ΔP = 0.2mA × 0.5V = 0.1mW (1) falls als Stromstärke 0.2mA und als Spannung 0.5V angenommen werden. Dies entspricht einer in einer Zeit von Δt = 100ns beim Programmieren des kristallinen Zustands (5ns beim Programmieren des amorphen Zustands) erzeugten Wärme von: ΔQprog = ΔP Δt = 10–11J (5⋅10–13J) (2)
• Der Wärmefluss durch einen Querschnitt mit der Oberfläche A und der Länge L des die Chalkogenid-Struktur 141 umgebenden Isolators 161 ergibt sich bei einer Wärmeleitfähigkeit λ und einer Temperaturdifferenz Δt zu ΔQa b/Δt = A/L λ ΔT (3)
• Für die gegebenen Dimensionen und die gegebenen Materialien kann eine Wärmemenge von ΔQ_ab/Δt = 1mW aus den Seitenwänden des Volumens abtransportiert werden, wenn ΔT = 600K angenommen wird. Dies entspricht in einer Zeit von 100ns (5ns) einer abtransportierten Energie ΔQab = 1⋅10–10J (0.5⋅10–11J) (4)
• Dies führt in 5ns zu einer Erwärmung des zylindrischen Volumens der Chalkogenid-Struktur 141 von ΔT = ΔQprog(Δt = 5ns) /Cv V = 1000K (5) für das obige Volumen im Falle einer idealen Isolation.
• Für eine gute Isolation ist eine Dicke der Siliziumoxid-Abstandshalter 161 von 10nm ausreichend, da die in 5ns abtransportierte Wärme kleiner ist als die produzierte Wärme.
• Da der Schmelzpunkt von Chalkogeniden bei ungefähr 900K liegt, ist die hervorgerufene Erwärmung groß genug, um einen Wechsel des Phasenzustands herbeizuführen.
• Bei einem Volumen der Chalkogenid-Struktur 141 mit einem Durchmesser von 50nm und einer Höhe von 100nm ist ein Programmierstrom von ungefähr 0.2mA oder mehr eine gute Wahl.
• Im Weiteren wird die Erwärmung des umgebenden Metalls 162 berechnet. Metall leitet unter typischen Betriebsbedingungen ungefähr 100mal besser als Siliziumdioxid. Daher wird ein grob 100mal größeres Volumen als das Volumen der Chalkogenid-Struktur 141 und des Siliziumoxid-Abstandhalters 161 innerhalb 100ns aufgeheizt um: ΔT = Qprog (Δt = 100ns) /Cv V = 10K [6]
• Daher absorbiert ein Metall das meiste der Energie, ohne signifikant aufgeheizt zu werden, sofern für jede zu programmierende Zelle ein Metallvolumen von ungefähr 100mal größerem Volumen bereitgestellt ist als das Volumen der Zelle.
• In einem Block von 256 × 256 Zellen können 256 Zellen parallel programmiert werden.
• In dem vorgeschlagenen Layout ist das Metallvolumen für eine Einheitszelle V_m = 3⋅V_Chalkogenid. Folglich hat jede Zelle ein Metallvolumen von ungefähr 700mal dem Volumen eines Zellvolumens. Daher hilft das vorgeschlagene Layout, die Energie von der Programmier-Zelle in den Umgebungsbereich zu dissipieren, ohne in signifikanter Weise Nachbarzellen aufzuheizen.
• In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
• [1] Lai, S, Lowrey, T "OUM – A 180nm Nonvolatile Memory Cell Element Technology For Stand Alone und Embedded Applications", 2001 International Electron Devices Meeting, 5.12.2001
• [2] Gill,M, Lowrey, T, Park, J "Ovonic Unified Memory – A High-Performance Nonvolatile Memory Technology for Stand Alone Memory und Embedded Applications", IEEE International Solid State Circuits Conference, 4.-6.2.2002, Session 12, Abschnitt 12.4

100

Schichtenfolge

101

Silizium-Substrat

102

erster Source-/Drain-Bereich

103

zweiter Source-/Drain-Bereich

104

dritter Source-/Drain-Bereich

105

erster Siliziumoxid-Bereich

106

zweiter Siliziumoxid-Bereich

107

erste Wortleitung

108

zweite Wortleitung

109

erste Hilfsstruktur

110

zweite Hilfsstruktur

111

gemeinsame Ansteuerleitung

112

Siliziumoxid-Einkapselung

120

Schichtenfolge

121

Gräben

122

erste Heizelement-Komponenten

123

zweite Heizelement-Komponenten

140

Schichtenfolge

141

Chalkogenid-Strukturen

160

Schichtenfolge

161

Siliziumoxid-Abstandshalter

162

Metallgitter

163

Siliziumoxid-Zwischenschicht

180

Speicher-Anordnung

181

Bitleitung

200

6F²-Speicherzelle

210

Layout-Draufsicht

300

Schnittansicht

301

Bereiche

400

Speicher-Anordnung

500

Querschnitt

501

Draufsicht

600

Speicherzelle

601

erste Elektrode

602

zweite Elektrode

603

Heizelement

604

Ge_xSb_yTe_z-Schicht

605

programmierbarer Bereich

Claims (16)

1. Speicher-Anordnung mit – einem Substrat; – einer Mehrzahl von auf und/oder in dem Substrat ausgebildeten Speicherbereichen, von denen jeder derart eingerichtet ist, dass der elektrische Widerstand des jeweiligen Speicherbereichs mittels thermischen Behandelns selektiv auf einen ersten Wert oder auf einen zweiten Wert einstellbar ist, der größer ist als der erste Wert; – einer zwischen den Speicherbereichen angeordneten Wärmeabführ-Struktur zum Abführen von einem der Speicherbereiche zugeführter Wärme.
2. Speicher-Anordnung nach Anspruch 1, die derart eingerichtet ist, dass an jeden der Speicherbereiche selektiv – ein elektrisches Schreib-Signal anlegbar ist, das derart eingerichtet ist, dass dadurch für den jeweiligen Speicherbereich der Wert seines elektrischen Widerstands auf den ersten oder den zweiten Wert eingestellt wird; oder – ein elektrisches Lese-Signal anlegbar ist, das derart eingerichtet ist, dass dadurch für einen jeweiligen Speicherbereich der Wert seines elektrischen Widerstands erfassbar ist.
3. Speicher-Anordnung nach Anspruch 2, bei der die Wärmeabführ-Struktur derart eingerichtet ist, dass bei Anlegen des Schreib-Signals an einen jeweiligen Speicherbereich zum Einstellen des Werts seines elektrischen Widerstands die aus dem Schreib-Signal resultierende Wärme derart abgeführt wird, dass die anderen Speicherbereiche vor einer Änderung ihres elektrischen Widerstands infolge des Schreib-Signals geschützt sind.
4. Speicher-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der zumindest ein Teil der Speicherbereiche zumindest teilweise von einer Wärmeisolations-Struktur umgeben ist, die derart eingerichtet ist, dass sie die Wärmekopplung zwischen dem zugehörigen Speicherbereich und den anderen Speicherbereichen vermindert.
5. Speicher-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der jeder der Speicherbereiche zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase umschaltbar ist, wobei der Speicherbereich in der kristallinen Phase den ersten Wert und in der amorphen Phase den zweiten Wert des elektrischen Widerstands aufweist.
6. Speicher-Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Speicherbereiche derart eingerichtet sind, dass die kristalline Phase mittels Anlegens des Schreib-Signals für ein erstes Zeitintervall und dass die amorphe Phase mittels Anlegens des Schreib-Signals für ein zweites Zeitintervall einstellbar ist, wobei das erste Zeitintervall größer ist als das zweite Zeitintervall.
7. Speicher-Anordnung nach Anspruch 6, bei der die Speicherbereiche ein Chalkogenid-Material aufweisen.
8. Speicher-Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Speicherbereiche Ge_xSb_yTe_z aufweisen.
9. Speicher-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Material der Wärmeabführ-Struktur – ein Metall; – polykristallines Silizium; oder – ein Aluminat ist.
10. Speicher-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der die Wärmeisolations-Struktur derart eingerichtet ist, dass sie den zugehörigen Speicherbereich von den anderen Speicherbereichen elektrisch entkoppelt.
11. Speicher-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei der die Wärmeisolations-Struktur aus – Siliziumoxid; oder – Siliziumnitrid hergestellt ist.
12. Speicher-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Speicherbereiche matrixförmig auf und/oder in dem Substrat angeordnet sind und bei der die Wärmeabfuhr-Struktur die Speicherbereiche im Wesentlichen gitterförmig umgibt.
13. Speicher-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der zumindest ein Teil der Speicherbereiche ein mit dem jeweiligen Speicherbereich wärmeleitfähig gekoppeltes Heizelement aufweist, mittels welchen dem jeweiligen Speicherbereich thermische Energie zuführbar ist.
14. Speicher-Anordnung nach Anspruch 13, bei dem zumindest ein Heizelement – Wolfram; und/oder – polykristallines Silizium aufweist.
15. Verfahren zum Betreiben einer Speicher-Anordnung – mit einer Speicher-Anordnung mit – einem Substrat; – einer Mehrzahl von auf und/oder in dem Substrat ausgebildeten Speicherbereichen, von denen jeder derart eingerichtet ist, dass der elektrische Widerstand des jeweiligen Speicherbereichs mittels thermischen Behandelns selektiv auf einen ersten Wert oder auf einen zweiten Wert einstellbar ist, der größer ist als der erste Wert; – einer zwischen den Speicherbereichen angeordneten Wärmeabführ-Struktur zum Abführen von einem der Speicherbereiche zugeführter Wärme; – wobei gemäß dem Verfahren – ein elektrisches Schreib-Signal angelegt wird, das derart eingerichtet ist, dass dadurch für den jeweiligen Speicherbereich der Wert seines elektrischen Widerstands auf den ersten oder den zweiten Wert eingestellt wird; oder – ein elektrisches Lese-Signal angelegt wird, das derart eingerichtet ist, dass dadurch für einen jeweiligen Speicherbereich der Wert seines elektrischen Widerstands erfassbar ist.
16. Verfahren zum Herstellen einer Speicher-Anordnung, bei dem – eine Mehrzahl von Speicherbereichen auf und/oder in einem Substrat ausgebildet wird, von denen jeder derart eingerichtet wird, dass der elektrische Widerstand des jeweiligen Speicherbereichs mittels thermischen Behandelns selektiv auf einen ersten Wert oder auf einen zweiten Wert einstellbar ist, der größer ist als der erste Wert; – zwischen den Speicherbereichen eine Wärmeabführ-Struktur zum Abführen von einem der Speicherbereiche zugeführter Wärme angeordnet wird.