DE112018003783T5 - Resistive arbeitsspeichereinheit - Google Patents

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Wabe Koelmans
Abu Sebastian
Vara Jonnalagadda
Martin Salinga
Benedikt Kersting
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Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere eine resistive Arbeitsspeichereinheit, die eine Steuereinheit zum Steuern der resistiven Arbeitsspeichereinheit und eine Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen aufweist. Die Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen enthält einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und ein Phasenänderungssegment, das ein Phasenänderungsmaterial zum Speichern von Informationen in einer Mehrzahl von Widerstandszuständen aufweist. Das Phasenänderungssegment ist zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet. Das Phasenänderungsmaterial besteht aus Antimon. Ferner ist mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments kleiner als 15 Nanometer. Weitere Umsetzungen der resistiven Arbeitsspeichereinheit umfassen ein zugehöriges Verfahren, eine zugehörige Steuereinheit, eine zugehörige Arbeitsspeicherzelle und ein dazugehöriges Computerprogrammprodukt.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die Erfindung betrifft eine resistive Arbeitsspeichereinheit, die eine Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen und ein zugehöriges Verfahren, eine zugehörige Steuereinheit, eine zugehörige Arbeitsspeicherzelle und ein dazugehöriges Computerprogrammprodukt aufweist.
  • Arbeitsspeichereinheiten im Nanomaßstab, deren Widerstand vom Verlauf der angelegten elektrischen Signale abhängt, könnten zu kritischen Bausteinen in neuen Datenverarbeitungsparadigmen werden, wie zum Beispiel einem Gehirn nachempfundener Datenverarbeitung und Memcomputing. Dabei sind jedoch entscheidende Herausforderungen zu meistern, wie zum Beispiel die erforderliche hohe Programmierleistung, Rauschen und Widerstandsdrift.
  • Ein vielversprechendes Beispiel für resistive Arbeitsspeichereinheiten sind Phasenänderungsarbeitsspeicher- (PCM) Einheiten. Ein PCM ist eine nicht flüchtige, Solid-State-Arbeitsspeichertechnologie, die das reversible, wärmegestützte Schalten von Phasenänderungsmaterialien, insbesondere Chalcogenidverbindungen wie GST (Germanium-Antimon-Tellur) zwischen Zuständen mit verschiedenem elektrischen Widerstand nutzt. Die grundlegende Speichereinheit (die „Zelle“) kann in eine Anzahl von verschiedenen Zuständen oder Pegeln programmiert werden, die verschiedene Widerstandsmerkmale aufweisen. Die s programmierbaren Zellenzustände können zum Darstellen von verschiedenen Datenwerten verwendet werden, wobei sie ein Speichern von Informationen gestatten.
  • In einstufigen PCM-Einheiten kann jede Zelle auf einen von s = 2 Zuständen, einen „SET“-Zustand und einen „RESET“-Zustand, eingestellt werden, wodurch ein Speichern von einem Bit pro Zelle gestattet wird. In dem RESET-Zustand, der einem amorphen Zustand des Phasenänderungsmaterials entspricht, ist der elektrische Widerstand der Zelle sehr hoch. Durch Erwärmen auf eine Temperatur über seinem Kristallisationspunkt und anschließendes Abkühlen kann das Phasenänderungsmaterial in einen niederohmigen, vollständig kristallinen Zustand umgewandelt werden. Dieser niederohmige Zustand stellt den SET-Zustand der Zelle bereit. Wenn die Zelle anschließend auf eine hohe Temperatur über dem Schmelzpunkt des Phasenänderungsmaterials erwärmt wird, kehrt das Material in den vollständig amorphen RESET-Zustand zurück, wenn es danach rasch abgekühlt wird. In mehrstufigen PCM-Einheiten kann die Zelle auf s > 2 programmierbare Zustände eingestellt werden, die ein Speichern von mehr als einem Bit pro Zelle gestatten. Die verschiedenen programmierbaren Zustände entsprechen verschiedenen relativen Anteilen der amorphen und kristallinen Phasen in dem Volumen des Phasenänderungsmaterials. Insbesondere nutzen mehrstufige Zellen zusätzlich zu den zwei Zuständen, die für einen einstufigen Betrieb verwendet werden, dazwischenliegende Zustände, in denen die Zelle verschiedene Volumen der amorphen Phase in dem ansonsten kristallinen PCM-Material enthält. Da die beiden Materialphasen einen großen Widerstandskontrast aufweisen, erzeugt ein Verändern der Größe der amorphen Phase in dem gesamten Zellenvolumen eine entsprechende Veränderung in dem Zellenwiderstand.
  • Ein Lesen und Schreiben von Daten in PCM-Zellen wird durch ein Anlegen von geeigneten Spannungen an das Phasenänderungsmaterial über ein Paar von Elektroden erreicht, die jeder Zelle zugehörig sind. In einer Schreiboperation veranlasst das sich daraus ergebende Programmiersignal eine Joule-Erwärmung des Phasenänderungsmaterials auf eine entsprechende Temperatur, um den gewünschten Zellenzustand durch Abkühlung hervorzurufen. Ein Lesen von PCM-Zellen wird unter Verwendung von Zellenwiderstand als eine Kennzahl für den Zellenzustand ausführt. Eine angelegte Lesespannung veranlasst, dass Strom durch die Zelle fließt, wobei dieser Strom von dem Widerstand der Zelle abhängt. Eine Messung des Zellenstroms stellt daher eine Angabe des programmierten Zellenzustands bereit. Eine ausreichend niedrige Lesespannung wird für diese Widerstandskennzahl verwendet, um sicherzustellen, dass ein Anlegen der Lesespannung den programmierten Zellenzustand nicht stört. Eine Zellenzustandserkennung kann anschließend durch Vergleichen der Widerstandskennzahl mit vordefinierten Referenzpegeln für die s programmierbaren Zellenzustände ausgeführt werden.
  • Trotz des Erfolgs von PCM-Technologie weisen ein Reduzieren des RESET-Stroms und ein Erhöhen der Zykluslebensdauer signifikante Auswirkungen auf den Anwendungsbereich dieser Technologie auf. Der RESET-Strom führt typischerweise zu einer umgekehrten Skalierung in Bezug auf das Volumen des Phasenänderungsmaterials, das gewechselt wird. Die Zykluslebensdauer kann verbessert werden, wenn eine elementare Trennung und stöchiometrische Abweichungen vermieden werden können, die sich während des Betriebs der Einheit ergeben. Eine weitere entscheidende Herausforderung besteht in Widerstandsdrift und Rauschen, was die Anzahl von Widerstandszuständen begrenzt, die zuverlässig in der Arbeitsspeichereinheit gespeichert und von dieser abgerufen werden können.
  • Ein Dokument von Wabe W. Koelmans, Abu Sebastian, Vara Prasad Jonnalagadda, Daniel Krebs, Laurent Dellmann & Evangelos Eleftheriou, Nature Communications, 6, 2015, Artikel Nummer: 8181 führt das Konzept einer projizierten Arbeitsspeichereinheit ein, deren Unterscheidungsmerkmal darin besteht, dass ein elektrisch leitendes Segment parallel zu dem Phasenänderungsmaterial die Auswirkung von Widerstandsdrift und Rauschen in der amorphen Phase des Phasenänderungsmaterials bei Zellen-Leseoperationen reduzieren kann.
  • Dementsprechend besteht ein Bedarf an weiteren Verbesserungen von resistiven Arbeitsspeichereinheiten.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist die Erfindung als eine Arbeitsspeichereinheit verkörpert, die eine Steuereinheit zum Steuern der Arbeitsspeichereinheit und einer Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen aufweist. Die Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen weist einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und ein Phasenänderungssegment auf, das ein Phasenänderungsmaterial zum Speichern von Informationen in einer Mehrzahl von Widerstandszuständen aufweist. Das Phasenänderungssegment ist zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet. Das Phasenänderungsmaterial besteht aus Antimon. Ferner ist mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments kleiner als 15 Nanometer (nm).
  • Eine derartig verkörperte Arbeitsspeichereinheit verwendet Antimon (Sb) als monoatomares Phasenänderungsmaterial. Eine derartige Ausführungsform vermeidet eine elementare Trennung des Phasenänderungsmaterials und kann hinsichtlich besserer Skalierbarkeit, niedriger Betriebsenergie sowie hoher Lebensdauer Vorteile bieten.
  • Ausführungsformen der Erfindung können eine Abwärtsskalierung von Phasenänderungs-Arbeitsspeicherzellen bis auf sehr kleine Abmessungen unterstützen. Ferner können Ausführungsformen der Erfindung eine niedrigere Leistungsaufnahme für einen Phasenänderungsarbeitsspeicher sowie eine höhere Lebensdauer unterstützen.
  • Zum Unterstützen oder Ermöglichen der Bildung von Phasenübergängen des Antimon-Phasenänderungsmaterials wird mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments 21 so ausgewählt, dass sie kleiner als 15 nm ist. Diesbezüglich hat der Anmelder entdeckt, dass es möglich ist, Phasenübergänge in Antimon über einen Schmelz-Abkühl-Prozess und einen anschließenden Glasübergang herbeizuführen, wenn eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments kleiner als 15 nm ist. Die Abmessung, die kleiner als 15 nm ist, kann im Allgemeinen jede geeignete Abmessung des Phasenänderungssegments sein, z.B. eine Dicke des Phasenänderungssegments oder ein Durchmesser des Phasenänderungssegments.
  • Eine mögliche Erklärung für diese neu entdeckte Auswirkung könnte darin bestehen, dass sich derartige kleine Abmessungen aufgrund einer Stabilisierung der amorphen Phase durch die Schnittstellen mit den umschließenden Materialien auf eine reduzierte Kristallbildungsgeschwindigkeit sowie eine Verringerung des effektiven thermischen Widerstands auswirken, was einen sehr schnellen Abkühlprozess unterstützt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments kleiner als 10 nm. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments kleiner als 5 nm. Dies kann die Amorphisierung während des Schmelz-Abkühl-Prozesses und die Stabilität des amorphen Zustands weiter verbessern.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um in einem Schreibmodus Schreibspannungen als elektrische Programmierimpulse an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss anzulegen. Ferner sind die Arbeitsspeicherzellen von einer thermischen Umgebung umgeben, die so ausgelegt ist, dass während des Anlegens der elektrischen Programmierimpulse die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, um eine amorphe Phase über einen Schmelz-Abkühl-Prozess herzustellen und ihre erneute Kristallbildung zu verhindern. Gemäß Ausführungsformen sind die Arbeitsspeichereinheit und insbesondere die thermische Umgebung der Arbeitsspeichereinheit so konfiguriert, dass die Temperatur der Arbeitsspeicherzellen sich der Umgebungstemperatur oder mindestens einem Bereich von 10 Grad Celsius über der Umgebungstemperatur innerhalb von 12 ns nach dem Beginn der Hinterflanke des jeweiligen Programmierimpulses annähert. Dies unterstützt eine ausreichend hohe Abkühlgeschwindigkeit.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um in einem Schreibmodus Schreibspannungen als elektrische Programmierimpulse an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss anzulegen, und eine Neigung der Hinterflanke der Programmierimpulse ist so konfiguriert, dass die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, um eine amorphe Phase über einen Schmelz-Abkühl-Prozess herzustellen und ihre erneute Kristallbildung zu verhindern.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um in einem Schreibmodus Schreibspannungen als einen elektrischen Programmierimpuls an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss anzulegen. Die elektrischen Programmierimpulse haben eine Hinterflankendauer von weniger als 12 Nanosekunden (ns).
  • Die Hinterflankendauer kann als die Zeitdauer der Hinterflanke definiert werden. Mit anderen Worten, die Hinterflankendauer ist die benötigte Zeit zum Wechseln/Ändern des Spannungspegels von einem oberen Spannungspegel der Programmierimpulse auf einen unteren Spannungspegel der Programmierimpulse.
  • Eine Hinterflankendauer von weniger als 12 ns unterstützt oder ermöglicht die Bildung von Phasenübergängen des Antimon-Phasenänderungsmaterials. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Hinterflankendauer kleiner als 8 ns. Insbesondere haben Untersuchungen des Anmelders gezeigt, dass die elektrischen Programmierimpulse bei Raumtemperatur bevorzugt eine derartige Hinterflankendauer von weniger als 8 ns haben sollten. Weitere Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass bei niedrigeren Umgebungstemperaturen Hinterflankendauern von weniger als 12 ns ausreichend sein können, um die Bildung von Phasenübergängen zu unterstützen oder zu ermöglichen. Ein möglicher Grund dafür könnte die Abnahme der effektiven Abkühlgeschwindigkeit sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen ist die Hinterflankendauer kleiner als 5 ns. Dies kann die Amorphisierung während des Schmelz-Abkühl-Prozesses weiter verbessern.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Arbeitsspeichereinheit ein elektrisch leitendes Segment parallel zu dem Phasenänderungssegment auf.
  • Ein derartiges elektrisch leitendes Segment kann konfiguriert sein, um einen alternativen Strompfad während des Lesens von Informationen bereitzustellen, die in dem Phasenänderungssegment gespeichert sind.
  • Ein derartiges elektrisch leitendes Segment kann die Auswirkung von Widerstandsdrift in der amorphen Phase bei Zellen-Leseoperationen verringern. Das elektrisch leitende Segment stellt einen parallelen Strompfad zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss bereit, wodurch eine driftresistente Operation ohne Berücksichtigung von amorpher Größe unterstützt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Material des elektrisch leitenden Segments ein Halbleitermaterial wie zum Beispiel Polysilicium, ein Metall wie zum Beispiel W oder ein Metallnitrid wie zum Beispiel TaN, TiAIN oder TiN. Diese Materialien stehen für gute elektrische Eigenschaften sowie eine einfache Fertigung.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind das Phasenänderungssegment und das elektrisch leitende Segment aneinander angrenzend und in elektrischem Kontakt miteinander über im Wesentlichen die gesamte Länge zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit konfiguriert, um in einem Schreibmodus Schreibspannungen als elektrische Programmierimpulse an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss anzulegen, und das Phasenänderungsmaterial steht in Kontakt mit benachbarten Materialien und/oder ist von diesen umschlossen, die so ausgewählt werden, dass die amorphe Phase des Phasenänderungsmaterials in Bezug auf eine erneute Kristallbildung durch die benachbarten Materialien stabilisiert wird.
  • Eine geeignete Auswahl derartiger benachbarter Materialien, die an das Phasenänderungsmaterial angrenzend angeordnet sind, kann die erneute Kristallbildung der amorphen Phase unterbinden. Gemäß Ausführungsformen können Polysilicium, W oder ein Metallnitrid wie zum Beispiel TaN, TiAIN oder TiN als benachbartes Material verwendet werden. Gemäß Ausführungsformen kann das benachbarte Material das Material des elektrisch leitenden Segments sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform haben die Arbeitsspeicherzellen eine zylindrische Form. Eine derartige Geometrie bietet vorteilhafte Optionen hinsichtlich Gestaltung und Skalierbarkeit.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird das Phasenänderungssegment als Vollzylinder aus dem Phasenänderungsmaterial gebildet. Ferner ist der Durchmesser des Zylinders kleiner als 15 nm.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die Arbeitsspeicherzellen als mehrschichtiger Zylinder ausgebildet.
  • Der mehrschichtige Zylinder weist einen inneren Zylinder aus einem isolierenden Material und einen äußeren Zylinder auf, der das Phasenänderungssegment bildet und das Phasenänderungsmaterial aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Dicke des äußeren Zylinders kleiner als 15 nm.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform haben die Arbeitsspeicherzellen eine lamellenartige Form, und das Phasenänderungssegment ist als eine Lamellenform mit einer Dicke von weniger als 15 nm ausgebildet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Arbeitsspeicherzellen als ein mehrschichtiger Zylinder ausgebildet, der einen inneren Zylinder, der das elektrisch leitende Segment bildet, einen zentralen Zylinder, der das Phasenänderungssegment bildet und das Phasenänderungsmaterial aufweist, und einen äußeren Zylinder aufweist, der ein isolierendes Material aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Dicke des zentralen Zylinders die Abmessung von weniger als 15 nm.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Arbeitsspeicherzellen als ein mehrschichtiger Zylinder ausgebildet, der einen inneren Zylinder, der das Phasenänderungssegment bildet und das Phasenänderungsmaterial aufweist, einen zentralen Zylinder, der das elektrisch leitende Segment bildet, und einen äußeren Zylinder aufweist, der ein isolierendes Material aufweist. Gemäß einer derartigen Ausführungsform ist die Dicke des inneren Zylinders die Abmessung von weniger als 15 nm.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Arbeitsspeichereinheit konfiguriert, um in einem Temperaturbereich zwischen 10 °C und 25 °C zu arbeiten. Demzufolge kann die Einheit bei Raumtemperatur betrieben werden. Dies bietet Möglichkeiten für eine Massenfertigung und vermeidet jegliche zusätzlichen Kühlungseinrichtungen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Einheit bereitgestellt, um Informationen in s > 2 programmierbaren Widerstandszuständen zu speichern. Ein derartiger mehrstufiger Arbeitsspeicher unterstützt höhere Arbeitsspeicherkapazitäten und Integrationsdichten.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines zweiten Aspekts wird eine Arbeitsspeicherzelle bereitgestellt, die einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und ein Phasenänderungssegment aufweist, das ein Phasenänderungsmaterial zum Speichern von Informationen in einer Mehrzahl von Widerstandszuständen aufweist. Das Phasenänderungssegment ist zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet, und das Phasenänderungsmaterial besteht aus Antimon. Ferner ist mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments kleiner als 15 Nanometer.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines dritten Aspekts wird ein Verfahren bereitgestellt, um eine Arbeitsspeichereinheit gemäß dem ersten Aspekt zu steuern. Das Verfahren weist Schritte zu einem Anlegen, durch die Steuereinheit, einer Lesespannung in einem Lesemodus an den ersten und den zweiten Anschluss zum Auslesen des Widerstandszustands auf. Das Verfahren weist ferner einen Schritt zum Anlegen, in einem Schreibmodus, einer Schreibspannung als einen elektrischen Programmierimpuls an den ersten und den zweiten Anschluss auf, um den Widerstandszustand zu schreiben. Der elektrische Programmierimpuls hat eine Hinterflankendauer von weniger als 12 ns.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines vierten Aspekts wird eine Steuereinheit bereitgestellt, um den Betrieb einer Arbeitsspeichereinheit gemäß dem ersten Aspekt zu steuern. Die Steuereinheit ist konfiguriert, um in einem Lesemodus eine Lesespannung an den ersten und den zweiten Anschluss anzulegen, um den Widerstandszustand auszulesen, und in einem Schreibmodus eine Schreibspannung als elektrischen Programmierimpuls an den ersten und den zweiten Anschluss anzulegen, um den Widerstandszustand zu schreiben. Die Neigung der Hinterflanke der Programmierimpulse ist so konfiguriert, dass die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend ist, um eine Kristallbildung des Phasenänderungsmaterials zu verhindern. Gemäß einer Ausführungsform wird dies durch einen elektrischen Programmierimpuls mit einer Hinterflankendauer von weniger als 12 ns erreicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines fünften Aspekts wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, um eine Arbeitsspeichereinheit gemäß dem ersten Aspekt zu betreiben. Das Computerprogrammprodukt weist ein durch einen Computer lesbares Speichermedium mit darauf verkörperten Programmanweisungen auf, wobei die durch die Steuereinheit der Arbeitsspeichereinheit ausführbaren Programmanweisungen die Steuereinheit veranlassen, ein Verfahren gemäß dem dritten Aspekt auszuführen.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mittels veranschaulichenden und nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Figurenliste
  • Über die ausführlichere Beschreibung einiger Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in den begleitenden Zeichnungen werden die vorgenannten und weitere Aufgaben, Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung deutlicher, wobei dasselbe Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Komponenten in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verweist.
    • 1 veranschaulicht ein Blockschaubild einer Arbeitsspeichereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer Arbeitsspeicherzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 3 ist ein Diagramm, das Spannungs-Strom-Merkmale von Betriebsmodi einer Arbeitsspeicherzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
    • 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Programmierimpuls veranschaulicht.
    • 5 ist ein Diagramm, das experimentelle Daten von Programmierimpulsen mit verschiedenen Hinterflankendauern und der dazugehörigen Amorphisierung veranschaulicht.
    • 6 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 7 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
    • 8 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
    • 9 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
    • 10A zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle, die einen mehrschichtigen Zylinder gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung aufweist.
    • 10b zeigt eine entsprechende Querschnittansicht der Zelle von 10a.
    • 11A zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle, die einen mehrschichtigen Zylinder gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung aufweist.
    • 11b zeigt eine entsprechende Querschnittansicht der Zelle von 11a.
    • 12 zeigt einen Ablaufplan von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer Arbeitsspeichereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen stellen in den Zeichnungen durchgängig dieselben oder ähnliche Elemente dar.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Unter Bezugnahme auf 1 bis 12 werden einige allgemeine Aspekte und Bedingungen von Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
  • Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann ein resistives Arbeitsspeichermaterial als ein Arbeitsspeichermaterial definiert werden, dessen elektrischer Widerstand durch Anlegen eines elektrischen Signals an das resistive Arbeitsspeichermaterial geändert werden kann. Das elektrische Signal kann z.B. ein Strom sein, der durch die Einheit fließt, oder eine elektrische Spannung, die an die resistive Arbeitsspeichereinheit angelegt wird. Der Strom und/oder die Spannung kann z.B. in Form von Impulsen an das resistive Arbeitsspeicherelement angelegt werden. Als Ergebnis dessen hängt der elektrische Widerstand eines resistiven Arbeitsspeicherelements von dem Stromverlauf ab, der vorher durch die Einheit geflossen ist und/oder von dem Verlauf des elektrischen Signals, das an das resistive Arbeitsspeicherelement angelegt worden ist.
  • Resistive Arbeitsspeicherelemente beruhen auf einem physikalischen Phänomen, das in einem Material auftritt, das seinen Widerstand unter der Einwirkung eines Stroms oder elektrischen Felds ändert. Die Änderung ist für gewöhnlich nicht flüchtig und umkehrbar. Mehrere Klassen von resistiven Arbeitsspeicherelementen sind bekannt, die von Metalloxiden bis zu Chalcogeniden reichen. Typische resistive Arbeitsspeicherelemente sind Metall/Isolator/Metall-Strukturen, wobei die Metallkomponenten als die Elektroden dienen und der Isolator ein resistives Schaltmaterial ist, z.B. ein Chalcogenid. Diese resistiven Arbeitsspeicherelemente weisen eine gute Leistung hinsichtlich Leistungsaufnahme, Integrationsdichtepotential, Speicherung und Lebensdauer auf.
  • 1 ist ein vereinfachtes schematisches Blockschaubild einer Arbeitsspeichereinheit 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Einheit 10 enthält einen mehrstufigen resistiven Arbeitsspeicher 11 zum Speichern von Daten in einem oder mehreren integrierten Arrays von resistiven Arbeitsspeicherzellen, die im Folgenden beschrieben werden. Ein Lesen und Schreiben von Daten in den Arbeitsspeicher 11 wird durch eine Steuereinheit 12 ausgeführt. Die Steuereinheit 12 weist Schaltungen von allgemein bekannter Form zum Programmieren von resistiven Arbeitsspeicherzellen während Datenschreiboperationen und zum Ausführen von Ablesemessungen auf, um einen Zellenzustand während Datenleseoperationen zu erkennen. Während dieser Operationen kann die Steuereinheit einzelne resistive Arbeitsspeicherzellen adressieren, indem geeignete Steuersignale an ein Array aus Wort- und Bit-Zeilen in dem resistiven Arbeitsspeicher 11 angelegt werden. Benutzereingabedaten 13 für die Einheit 10 können einer Form von Schreibverarbeitung unterzogen werden, wie zum Beispiel einem Codieren zum Zweck von Fehlerkorrekturen, bevor sie als Schreibsignal, insbesondere als Schreibspannung, an den resistiven Arbeitsspeicher 11 übermittelt werden. Desgleichen können Lesesignale, die von dem resistiven Arbeitsspeicher 11 empfangen werden, durch ein Leseverarbeitungsmodul der Steuereinheit 12 verarbeitet werden, z.B. für Code-Wort-Erkennung und/oder Fehlerkorrektur, um die ursprünglichen Benutzereingabedaten 13 wiederherzustellen (die als Benutzerausgabedaten 15 ausgeben werden).
  • Der resistive Arbeitsspeicher 11 kann als ein Phasenänderungsarbeitsspeicher (PCM) verkörpert werden. Dementsprechend weist der resistive Arbeitsspeicher 11 eine Mehrzahl von PCM-Zellen als Arbeitsspeicherzellen auf. Die PCM-Zellen des Arbeitsspeichers 11 können Informationen in s = 2 oder in s > 2 programmierbaren Widerstandszuständen speichern, wobei Letztere einen mehrstufigen Betrieb bereitstellen. Die s programmierbaren Widerstandszustände entsprechen verschiedenen relativen Anteilen der amorphen und kristallinen Phasen in dem PCM-Material der Zelle. Diese Zustände können einen hochohmigen, vollständig amorphen RESET-Zustand, einen niederohmigen, vollständig kristallinen SET-Zustand und eine Anzahl von dazwischenliegenden Zuständen enthalten, die einer zunehmenden Größe der amorphen Phase in dem ansonsten kristallinen PCM-Material entsprechen. Die s programmierbaren Zellenzustände werden in der Steuereinheit 12 typischerweise in Bezug auf vorbestimmte Referenzwerte oder Wertebereiche der Widerstandskennzahl definiert, die zur Leseerkennung verwendet werden. Um eine Zelle in einer Schreiboperation zu programmieren, legt die Steuereinheit 12 über die Wort- und Bit-Zeilen eine Spannung an die Zelle an, sodass das sich daraus ergebende Programmiersignal die Zelle auf den angeforderten Zustand setzt. In einer Leseoperation wird eine (niedrigere) Lesespannung an die Zelle angelegt, und der sich daraus ergebende Zellenstrom wird gemessen, um die Widerstandskennzahl zu erhalten. Die Steuereinheit 12 kann anschließend den programmierten Zellenzustand durch Vergleichen der Lesekennzahl mit den vorher erwähnten Referenzwerten erfassen.
  • Die PCM-Zellen des Arbeitsspeichers 11 weisen Antimon (Sb) als Phasenänderungsmaterial auf, insbesondere reines Antimon. Dementsprechend sind die PCM-Zellen des Arbeitsspeichers 11 monoatomare Arbeitsspeicherzellen, die eine monoatomare Phasenänderung nutzen. Der Vorteil beim Verwenden von Sb liegt darin, dass es über das Potential einer Skalierung auf ultrakleine Abmessungen verfügt und somit sehr wenig Betriebsleistung braucht, und dass es eine sehr hohe Lebensdauer bieten kann, da die Verwendung des monoatomaren Antimons eine elementare Trennung vermeidet. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, kann die Verwendung von Antimon als Phasenänderungsmaterial bei Raumtemperatur gemäß Merkmalen von Ausführungsformen der Erfindung unterstützt werden.
  • 2 ist eine schematische Querschnittansicht einer Arbeitsspeicherzelle 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Arbeitsspeicherzelle 20 weist ein Phasenänderungssegment 21 auf, das Sb als PCM-Material zum Speichern von Informationen in einer Mehrzahl s von Widerstandszuständen aufweist, die den programmierbaren Zellenzuständen entsprechen. Die Arbeitsspeicherzelle 20 weist ferner ein elektrisch leitendes Segment 22 auf, das ein elektrisch leitendes bzw. anders ausgedrückt elektrisch nicht isolierendes Material aufweist. Das Phasenänderungssegment 21 und das elektrisch leitende Segment 22 sind parallel zwischen einem ersten Anschluss 23 und einem zweiten Anschluss 24 angeordnet. Der erste Anschluss 23 und der zweite Anschluss 24 sind mit der Steuereinheit 12 verbunden. Die Steuereinheit 12 ist angepasst, um Steuersignale an den ersten Anschluss 23 und den zweiten Anschluss 24 anzulegen und zurückgelesene Signale von dem resistiven Arbeitsspeicher 11 zu empfangen. Insbesondere ist die Steuereinheit 12 konfiguriert, um in einem Schreibmodus eine Schreibspannung an den ersten Anschluss 23 und den zweiten Anschluss 24 anzulegen, um einen der Mehrzahl von Widerstandszuständen in die Arbeitsspeicherzelle 20 zu schreiben. Die Schreibspannung wird in Form von Spannungsimpulsen angelegt. Die Spannungsimpulse wirken oder dienen als elektrische Programmierimpulse, um die jeweiligen Widerstandszustände der Arbeitsspeicherzelle 20 zu programmieren. Ferner ist die Steuereinheit 12 konfiguriert, um in einem Lesemodus eine Lesespannung an den ersten Anschluss 23 und den zweiten Anschluss 24 anzulegen, um dadurch den jeweiligen Widerstandszustand der Arbeitsspeicherzelle 20 zu lesen. Gemäß der in 2 veranschaulichten Ausführungsform besitzt der elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Segments 22 einen festen Wert. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann ein abstimmbarer Widerstand verwendet werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Widerstand des elektrisch leitenden Segments 22 abstimmbar sein, z.B. durch ein Anlegen eines Steuersignals an einen dritten Anschluss (nicht gezeigt).
  • Das Phasenänderungssegment 21 und das elektrisch leitende Segment 22 sind in elektrischem Kontakt miteinander über im Wesentlichen die gesamte Länge I zwischen dem ersten Anschluss 23 und dem zweiten Anschluss 24 angeordnet. Gemäß Ausführungsformen bildet der Widerstand des elektrisch leitenden Segments 22 einen verteilten Widerstand.
  • In einer beispielhaften Umsetzung der Zelle 20 können der erste Anschluss 23 und der zweite Anschluss 24 aus TiN ausgebildet sein.
  • Die Arbeitsspeicherzelle 20 wird von einer thermischen Umgebung 28 umgeben, die mit einer gepunkteten Linie schematisch veranschaulicht wird. Die thermische Umgebung 28 stellt alle Komponenten, Elemente, Schichten usw. dar, die die Arbeitsspeicherzelle 20 umgeben, einschließlich des ersten Anschlusses 23 und des zweiten Anschlusses 24, und insbesondere diejenigen Komponenten, Elemente und Schichten, die einen thermischen Einfluss auf den Schmelz-Abkühl-Prozess haben, der in der Arbeitsspeicherzelle 20 während ihrer Programmierung auftritt. Die thermische Umgebung 28 kann gemäß Ausführungsformen insbesondere Zellenzwischenschichten und/oder Zellenzwischenkomponenten, die zwischen der Arbeitsspeicherzelle 20 zur thermischen Isolierung und/oder anderen Zwecken angeordnet sind, sowie den ersten Anschluss 23 und den zweiten Anschluss 24 umfassen.
  • 3 ist eine schematische Veranschaulichung 30 der Strom-/Spannungs- (und somit Widerstands-) Merkmale der Materialkomponenten der Arbeitsspeicherzelle 20 (gezeigt in 2). Die durchgezogenen Linien geben eine Stromänderung mit einer Spannung für das Sb-Material des Phasenänderungssegments 21 an (gezeigt in 2), beginnend ab dem vollständig kristallinen SET-Zustand (obere Kurve) und auch dem vollständig amorphen RESET-Zustand (untere Kurve). Die beiden Kurven geben die große (typischerweise 3 Größenordnungen) Änderung des spezifischen Widerstands zwischen der kristallinen und der amorphen Phase wieder. Die gestrichelte Linie 36 in der Zeichnung gibt das Strom-/Spannungsmerkmal für das elektrisch leitende Segment 22 an. Es ist ersichtlich, dass der Widerstand des elektrisch leitenden Segments 22 bei niedrigen Spannungen, einschließlich der Zellen-Lesespannung 31, zwischen dem der amorphen und der kristallinen Phase des Phasenänderungssegments 21 liegt (gezeigt in 2). Die amorphe Phase weist ein nicht lineares Merkmal mit einem Schwellenwert-Schaltphänomen auf, das feldinduziert ist. Bei einer bestimmten Schwellenwertspannung VTH 32 wechselt diese Phase in einen sehr niedrigen „EIN-Zustand“-Widerstand, der demjenigen des kristallinen PCM-Materials entspricht. Die Zellenprogrammierungs(schreib)spannung 33 wird so ausgewählt, dass sie über dieser angegebenen Schwellenwertspannung liegt. Bei dieser Spannung ist der EIN-Widerstand des Phasenänderungssegments 21 viel kleiner als der Widerstand RECS des elektrisch leitenden Segments 22. Dementsprechend bleibt der Schreibstrom im Wesentlichen durch das Vorhandensein des elektrisch leitenden Segments 22 unbeeinflusst.
  • Auf Grundlage der vorgenannten Grundgedanken sind bevorzugte Zellenanordnungen derart verkörpert, dass bei der Zellen-Lesespannung der Widerstand RECS 36 des elektrisch leitenden Segments 22 so ausgewählt wird, dass er sowohl von dem Widerstand Ramo des vollständig amorphen (RESET) Zustands als auch dem Widerstand Rcry 38 des vollständig kristallinen SET-Zustands des PCM-Materials 37 weit entfernt ist (wobei „weit entfernt“ im Kontext des Widerstandsbereichs hier weit von Rcry 38 bis Ramo 39 entfernt bedeutet). Im Allgemeinen hängt ein geeigneter Wert für RECS in diesem Bereich von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise den Materialien und Abmessungen von Zellenkomponenten, den bestimmten Merkmalen der s programmierbaren Zellenzustände, den Betriebsparametern (z.B. Lese- und Schreibspannungen) der Arbeitsspeichereinheit 10 sowie gewünschten Leistungskriterien wie beispielsweise maximal akzeptierbare Fehlerrate. Im Allgemeinen ist die Anordnung jedoch bevorzugt derart, dass in dem Kontext des vorgenannten Bereichs RECS >> Rcry 38 und RECS 36 << Ramo 39.
  • Aufgrund der oben beschriebenen Widerstandsmerkmale kann die Auswirkung einer Widerstandsdrift in der amorphen Phase bei Zellen-Leseoperationen signifikant reduziert werden. Insbesondere kann das Verhältnis von Strömen, die durch das Phasenänderungssegment 21 und das elektrisch leitende Segment 22 fließen, durch eine entsprechende Auswahl des Widerstands RECS 36 gewählt werden. Das elektrisch leitende Segment 22 stellt einen vollständigen parallelen Strompfad zwischen den Anschlüssen 23, 24 bereit, wodurch eine driftresistente Operation ohne Berücksichtigung von amorpher Größe bereitgestellt wird. Ferner weist jede restliche Driftauswirkung (aufgrund des sehr kleinen Stroms, der durch die amorphe Phase fließt) bei verschiedenen Zellenzuständen eine niedrige Veränderlichkeit auf. Indem der Widerstand des vollständigen parallelen Strompfads gewählt wird, kann der sehr kleine Strom, der durch die amorphe Phase fließt, abgestimmt werden, und es kann sichergestellt werden, dass Strom durch das elektrisch leitende Segment 22 wie gewünscht vorherrscht.
  • Praktisch kann der programmierte Widerstandszustand der Arbeitsspeicherzelle 20 als in einer Zellen-Lesespannung 31 auf den Widerstand des elektrisch leitenden Segments 22 projiziert betrachtet werden. Während des Niederfeld-Leseprozesses umgeht der Strom den hochohmigen amorphen Bereich des Phasenänderungssegments 21 und fließt durch den Teil des elektrisch leiten Segments 22, der dazu parallel verläuft. Dementsprechend gibt die Länge des Strompfads durch das elektrisch leitende Segment 22 die amorphe Größe und damit den programmierten Widerstandszustand an. Mit anderen Worten, das elektrisch leitende Segment 22 kann während der Leseoperation als ein Projektionssegment betrachtet werden. Die Informationen, die typischerweise in der Länge des amorphen Bereichs in dem Phasenänderungssegment 21 gespeichert werden, werden in gewisser Weise auf das elektrisch leitende Segment 22 projiziert.
  • Es ist anzumerken, auch wenn das elektrisch leitende Segment 22 sowohl während der Leseals auch der Schreiboperation vorhanden ist, dass die „Projektion“ gemäß den Ausführungsformen so ausgelegt ist, dass sie nur während des Leseprozesses auftritt. Praktisch stellen die Ausführungsformen der Erfindung daher ein Entkoppeln des Leseprozesses und des Schreibprozesses bereit.
  • Zum Unterstützen oder Ermöglichen der Bildung von Phasenübergängen des Antimon-Phasenänderungsmaterials wird mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments 21 so ausgewählt, dass sie kleiner als 15 nm ist. In der in 2 veranschaulichten Ausführungsform wird die Dicke d des Phasenänderungssegments 21 als Abmessungen mit weniger als 15 nm ausgewählt.
  • Diesbezüglich haben Untersuchungen des Anmelders die Auswirkung aufgedeckt, dass es möglich ist, einen Phasenübergang über den Schmelz-Abkühl-Prozess und einen anschließenden Glasübergang herbeizuführen, wenn eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments 21, z.B. die Dicke d, nicht größer als 15 nm ist.
  • Eine mögliche Erklärung könnte darin bestehen, dass derartige kleine Abmessungen sich im Hinblick auf den geringeren Oberflächenbereich zwischen der kristallinen und der amorphen Phase auf eine reduzierte Kristallwachstumsgeschwindigkeit sowie eine Verringerung des effektiven thermischen Widerstands auswirken, was einen sehr schnellen Abkühlprozess unterstützt.
  • Weitere Untersuchungen des Anmelders haben bestätigt, dass eine derartige amorphe Phase das Driftverhalten aufweist, das für Phasenänderungsmaterialien charakteristisch ist. Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass eine derartige amorphe Phase über längere Zeiträume stabil ist.
  • Diese Untersuchungen und Studien des Anmelders führten zu der Schlussfolgerung, dass in einer Arbeitsspeichereinheit auf Sb-Grundlage mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments 21 kleiner als 15 nm sein sollte.
  • Wie vorher erwähnt, ist die Steuereinheit 12 konfiguriert, um in einem Schreibmodus Schreibspannungen als elektrische Programmierimpulse an den ersten Anschluss 23 und den zweiten Anschluss 24 anzulegen.
  • Gemäß Ausführungsformen haben die elektrischen Programmierimpulse eine Hinterflankendauer von weniger als 12 ns.
  • 4 veranschaulicht ein Diagramm 45, das ein Beispiel für einen Programmierimpuls 40 darstellt. Die X-Achse 400 gibt die Zeit in Nanosekunden (ns) und die Y-Achse 401 die Spannung in V an.
  • Der elektrische Programmierimpuls 40 weist einen unteren Spannungspegel 41, eine ansteigende Flanke 42, einen oberen Spannungspegel 43 und eine abfallende Flanke 44 auf. Insbesondere weist der elektrische Programmierimpuls einen anfänglichen unteren Spannungspegel 41 auf. Der anfängliche untere Spannungspegel 41 kann insbesondere ein Spannungspegel von null sein. Ausgehend von dem anfänglichen Spannungspegel 41 steigt der elektrische Programmierimpuls 40 während der ansteigenden Flanke 42 von dem unteren Spannungspegel 41 auf den oberen Spannungspegel 43. In diesem Beispiel kann der obere Spannungspegel z.B. 4,5 V betragen. Der obere Spannungspegel 43 wird über eine vordefinierte Zeitdauer gehalten, z.B. für 40 ns. Danach nimmt der elektrische Programmierimpuls 40 von dem oberen Spannungspegel 43 während der Hinterflanke 44 auf den unteren Spannungspegel 41 ab.
  • Gemäß Ausführungsformen kann die Hinterflankendauer tte 403 als die Zeitdauer/das Zeitintervall der Hinterflanke 44 definiert werden. Mit anderen Worten, die Hinterflankendauer tte 403 ist die Zeit, die zum Wechseln/Ändern des Spannungspegels von dem oberen Spannungspegel 43 der Programmierimpulse 40 auf den unteren Spannungspegel 41 der Programmierimpulse 40 benötigt wird.
  • Unter Bezugnahme auf 4 beginnt der elektrische Programmierimpuls 40 an einem Zeitpunkt t0 ab dem unteren Spannungspegel 41 anzusteigen und erreicht den oberen Spannungspegel 43 an einem Zeitpunkt t1 . Dementsprechend ist die Dauer tre 402 der ansteigenden Flanke 42 die Zeitdauer zwischen t0 46 und t1 47.
  • Danach beginnt der elektrische Programmierimpuls 40 an einem Zeitpunkt t2 ab dem oberen Spannungspegel 43 abzunehmen und erreicht den unteren Spannungspegel 41 wieder an einem Zeitpunkt t3 49. Dementsprechend ist die Dauer tre 403 der Hinterflanke 44 die Zeitdauer zwischen t2 48 und t3 49.
  • Untersuchungen des Anmelders in Bezug auf die Abkühlgeschwindigkeit haben ergeben, dass ultraschnelle Abkühlgeschwindigkeiten die Bildung von Phasenübergängen des Antimon-Phasenänderungsmaterials unterstützen oder ermöglichen. Insbesondere haben Untersuchungen des Anmelders gezeigt, dass die elektrischen Programmierimpulse bei Raumtemperatur bevorzugt eine Hinterflankendauer tte 403 von weniger als 8 ns haben sollten. Weitere Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass bei niedrigeren Umgebungstemperaturen Hinterflankendauern von weniger als 12 ns ausreichend sein können, um die Bildung von Phasenübergängen zu unterstützen oder zu ermöglichen. Ein möglicher Grund dafür könnte die Abnahme der effektiven Abkühlgeschwindigkeit sein.
  • Daher sollte gemäß einigen Ausführungsformen die Hinterflankendauer tte 403 der elektrischen Programmierimpulse kleiner als 12 ns sein, und gemäß anderen Ausführungsformen sollte die Hinterflankendauer tte 403 kleiner als 8 ns sein.
  • Gemäß Ausführungsformen sind die Arbeitsspeichereinheit und insbesondere die thermische Umgebung der Arbeitsspeicherzelle 20 von 2 so konfiguriert, dass die Temperatur der Arbeitsspeicherzelle 20 sich der Umgebungstemperatur oder mindestens einem Bereich von 10 Grad Celsius über der Umgebungstemperatur innerhalb von 12 ns nach dem Beginn der Hinterflanke des jeweiligen Programmierimpulses annähert, d.h. innerhalb von 12 ns nach t2 48. Wenn zum Beispiel eine Umgebungstemperatur von 25 Grad Celsius angenommen wird, ist die Arbeitsspeichereinheit so konfiguriert, dass die Temperatur der Arbeitsspeicherzellen innerhalb von 12 ns nach t2 48 auf 35 Grad Celsius oder weniger abnimmt. Dies unterstützt eine ausreichend hohe Abkühlgeschwindigkeit.
  • 5 veranschaulicht ein Diagramm, das Versuchsdaten von elektrischen Programmierimpulsen darstellt, die an eine beispielhafte Arbeitsspeicherzelle mit verschiedenen Hinterflankendauern angelegt wurden.
  • Die X-Achse 51 gibt die jeweilige Hinterflankendauer tte 403 (gezeigt in 4) in ns und die Y-Achse 52 den entsprechenden Widerstand der entsprechenden Arbeitsspeicherzelle, die Antimon als Phasenänderungsmaterial aufweist, in Ohm an. Die Hinterflankendauer wurde mit jedem nächsten Programmierimpuls verkürzt. Die Ergebnisse des Versuchs sind als eine Diagrammlinie 53 dargestellt. Der Versuch wurde bei Raumtemperatur ausgeführt, wobei die Arbeitsspeicherzellen ein Antimon-Phasenänderungssegment in Lamellenform mit einer Dicke von 5 nm aufwiesen. Parallel zu dem Phasenänderungssegment wurde eine elektrisch leitende TaN-Schicht mit einer Dicke von 6 nm bereitgestellt. Der Versuch bestätigt, dass eine kurze Hinterflanke die Amorphisierung des Antimons unterstützt. Insbesondere wurde oberhalb eines Schwellenwerts von 10 ns kaum eine Amorphisierung beobachtet, während bei einer Hinterflankendauer von 6 bis 8 ns bereits eine signifikante Amorphisierung eintrat.
  • 6 bis 11 stellen 3-dimensionale Ansichten und dazugehörige Querschnittansichten von Arbeitsspeicherzellen gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung bereit. Wie in diesen Figuren zu sehen ist, können die Arbeitsspeicherzellen eine zylindrische Form oder eine lamellenförmige Form haben. Derartige Formen können eine verbesserte und effiziente Fertigung der Einheiten sowie eine dichte Einheitenintegration unterstützen.
  • 6 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle 600 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Arbeitsspeicherzelle 600 ist als mehrschichtiger Zylinder ausgebildet, der einen inneren Zylinder 625 aufweist. Der innere Zylinder 625 weist ein isolierendes Material auf. Die Arbeitsspeicherzelle 600 weist ferner einen äußeren Zylinder 626 auf, der ein Phasenänderungssegment 621 bildet, und weist Antimon als Phasenänderungsmaterial auf. Der äußere Zylinder 626 ist als Hohlzylinder ausgebildet, und die Dicke d des äußeren Zylinders 626 ist kleiner als 15 nm. Das Phasenänderungssegment 621 ist zwischen einem ersten Anschluss 623 und einem zweiten Anschluss 624 angeordnet.
  • 7 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle 700 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Arbeitsspeicherzelle 700 weist ein Phasenänderungssegment 721 aus Antimon auf. Das Phasenänderungssegment 721 ist als Vollzylinder 725 aus dem Phasenänderungsmaterial Antimon ausgebildet. Das Phasenänderungssegment 721 ist zwischen einem ersten Anschluss 723 und einem zweiten Anschluss 724 angeordnet. Der Durchmesser d des Zylinders 725 legt eine Abmessung fest, die kleiner als 15 nm ist.
  • 8 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle 800 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Arbeitsspeicherzelle 800 besitzt eine lamellenförmige Form und weist ein Phasenänderungselement 821 auf, das als eine Lamellenform 825 ausgebildet ist. Die Lamellenform 825 hat eine Dicke d von weniger als 15 nm als Abmessung, die kleiner als 15 nm ist. Das Phasenänderungssegment 821 ist zwischen einem ersten Anschluss 823 und einem zweiten Anschluss 824 angeordnet.
  • 9 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht eines Teils einer Arbeitsspeicherzelle 900 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Arbeitsspeicherzelle 900 besitzt ebenfalls eine lamellenförmige Form und weist ein Phasenänderungselement 921 auf, das als eine Lamellenform 925 ausgebildet ist. Die Lamellenform 925 weist eine zentrale Verengung 926 auf. Die Lamellenform 925 besitzt eine verengte Abmessung mit einer Dicke d von weniger als 15 nm, z.B. 3 nm. Die Arbeitsspeicherzelle 900 weist ferner ein elektrisch leitendes Segment 922 auf, das ein elektrisch leitendes Material aufweist. Das Phasenänderungssegment 921 und das elektrisch leitende Segment 922 sind parallel angeordnet. Der Teil der Arbeitsspeicherzelle 900, der in 9 gezeigt ist, ist so konfiguriert, dass er zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss angeordnet ist, die in 9 nicht gezeigt sind.
  • 10a zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle 1000 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 10b zeigt eine entsprechende Querschnittansicht. Die Arbeitsspeicherzelle 1000 ist als mehrschichtiger Zylinder ausgebildet. Die Arbeitsspeicherzelle 1000 weist einen inneren Zylinder 1022 auf, der das elektrisch leitende Segment bildet. Die Arbeitsspeicherzelle 1000 weist ferner einen zentralen Zylinder 1021 auf, der das Phasenänderungssegment 1027 bildet und Antimon als Phasenänderungsmaterial aufweist. Außerdem weist die Arbeitsspeicherzelle 1000 einen äußeren Zylinder 1025 auf, der ein isolierendes Material aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Dicke d des zentralen Zylinders 1021 kleiner als 15 nm und legt eine Abmessung des Phasenänderungssegments fest, die kleiner als 15 nm ist.
  • Der zentrale Zylinder 1021 und das elektrisch leitende Segment 1022 sind parallel zwischen einem ersten Anschluss 1023 und einem zweiten Anschluss 1024 angeordnet. Der erste Anschluss 1023 und der zweite Anschluss 1024 sind mit der Steuereinheit 12 von 1 verbunden.
  • 11a zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer Arbeitsspeicherzelle 1100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 11b zeigt eine entsprechende Querschnittansicht. Die Arbeitsspeicherzelle 1100 ist ebenfalls als mehrschichtiger Zylinder ausgebildet. Die Arbeitsspeicherzelle 1100 weist einen inneren Zylinder 1121 auf, der ein Phasenänderungssegment 1127 ausbildet und Antimon als Phasenänderungsmaterial aufweist. Die Arbeitsspeicherzelle 1100 weist ferner einen zentralen Zylinder 1122 auf, der das elektrisch leitende Segment 22 bildet (gezeigt in 2). Außerdem weist die Arbeitsspeicherzelle 1100 einen äußeren Zylinder 1125 auf, der ein isolierendes Material aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Dicke d des zentralen Zylinders 1121, die dem Durchmesser des inneren Zylinders 1121 entspricht, kleiner als 15 nm und legt eine Abmessung des Phasenänderungssegments 21 (gezeigt in 2) fest, die kleiner als 15 nm ist.
  • Der innere Zylinder 1121 und der zentrale Zylinder 1122 sind parallel zwischen einem ersten Anschluss 1123 und einem zweiten Anschluss 1124 angeordnet. Das Phasenänderungssegment 1127 befindet sich in dem inneren Zylinder 1121. Der erste Anschluss 1123 und der zweite Anschluss 1124 sind mit der Steuereinheit 12 von 1 verbunden.
  • Die Arbeitsspeicherzellen von 6 bis 11 können unter Verwendung bekannter Materialverarbeitungstechniken zum Ausbilden der verschiedenen Elemente der Zelle gefertigt werden. Zum Beispiel kann die zylindrische Struktur durch einen Schlüsselloch-Transferprozess erzeugt werden, wie in Raoux et al., IBM J. Res. & Dev. 52(4/5), 465 (2008) beschrieben, (siehe 6 dazu). Im Allgemeinen werden die Materialien und der Zellen jedoch so ausgewählt, dass sie die betreffenden Anforderungen der jeweiligen Anwendung erfüllen.
  • 12 zeigt einen Ablaufplan der Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Betreiben einer Arbeitsspeichereinheit, z.B. die Arbeitsspeichereinheit 10 von 1.
  • Bei Schritt 1210 startet das Verfahren.
  • Bei Schritt 1220 prüft die Steuereinheit 12 den Betriebsmodus, und zwar, ob eine Leseoperation oder eine Schreiboperation ausgeführt werden soll.
  • Wenn die Einheit 10 im Lesemodus betrieben werden soll, legt die Steuereinheit 12 bei Schritt 1230 eine Lesespannung an den ersten und den zweiten Anschluss an, um den Widerstandszustand auszulesen.
  • Wenn die Einheit 10 im Schreibmodus betrieben werden soll, legt die Steuereinheit 12 bei Schritt 1240 eine Schreibspannung als elektrischen Programmierimpuls an den ersten und den zweiten Anschluss an, um den Widerstandszustand der jeweiligen Arbeitsspeicherzelle zu schreiben. Um sicherzustellen, dass der entsprechende Schmelz-Abkühl-Prozess schnell genug ist, um eine Amorphisierung des Phasenänderungsmaterials zu bewirken, hat der elektrische Programmierimpuls eine Hinterflankendauer von weniger als 12 ns.
  • Bei Schritt 1250 stoppt das Verfahren, und die Arbeitsspeichereinheit 10 kann wieder mit Schritt 1210 beginnen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann es sich um ein System, ein Verfahren und/oder ein Computerprogrammprodukt auf jeder möglichen technischen Detailintegrationsebene handeln. Das Computerprogrammprodukt kann ein durch einen Computer lesbares Speichermedium (oder -medien) enthalten, auf dem durch einen Computer lesbare Programminstruktionen gespeichert sind, um einen Prozessor dazu zu veranlassen, Aspekte der vorliegenden Erfindung auszuführen.
  • Bei dem durch einen Computer lesbaren Speichermedium kann es sich um eine physische Einheit handeln, die Instruktionen zur Verwendung durch eine Einheit zur Ausführung von Instruktionen beibehalten und speichern kann. Das durch einen Computer lesbare Speichermedium kann zum Beispiel eine elektronische Speichereinheit, eine magnetische Speichereinheit, eine optische Speichereinheit, eine elektromagnetische Speichereinheit, eine Halbleiter-Speichereinheit oder jede geeignete Kombination aus dem Vorgenannten sein, es ist aber nicht darauf beschränkt. Zu einer nicht erschöpfenden Liste spezifischerer Beispiele des durch einen Computer lesbaren Speichermediums gehören die Folgenden: eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM), ein löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM bzw. Flash-Speicher), ein statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM), ein tragbarer CD-ROM, eine DVD, ein Speicher-Stick, eine Diskette, eine mechanisch codierte Einheit wie zum Beispiel Lochkarten oder erhabene Strukturen in einer Rille, auf denen Instruktionen gespeichert sind, und jede geeignete Kombination des Vorgenannten. Ein durch einen Computer lesbares Speichermedium soll, wie hierin verwendet, nicht als flüchtige Signale an sich aufgefasst werden, wie zum Beispiel Funkwellen oder andere sich frei ausbreitende elektromagnetische Wellen, elektromagnetische Wellen, die sich durch einen Wellenleiter oder andere Übertragungsmedien ausbreiten (z.B. durch ein Glasfaserkabel geleitete Lichtimpulse) oder durch einen Draht übertragene elektrische Signale.
  • Hierin beschriebene durch einen Computer lesbare Programminstruktionen können von einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium auf jeweilige Datenverarbeitungs-/Verarbeitungseinheiten oder über ein Netzwerk wie zum Beispiel das Internet, ein lokales Netzwerk, ein Weitverkehrsnetz und/oder ein drahtloses Netzwerk auf einen externen Computer oder eine externe Speichereinheit heruntergeladen werden. Das Netzwerk kann Kupferübertragungskabel, Lichtwellenübertragungsleiter, drahtlose Übertragung, Leitwegrechner, Firewalls, Vermittlungseinheiten, Gateway-Computer und/oder Edge-Server aufweisen. Eine Netzwerkadapterkarte oder Netzwerkschnittstelle in jeder Datenverarbeitungs-/Verarbeitungseinheit empfängt durch einen Computer lesbare Programminstruktionen aus dem Netzwerk und leitet die durch einen Computer lesbaren Programminstruktionen zur Speicherung in einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium innerhalb der entsprechenden Datenverarbeitungs-/Verarbeitungseinheit weiter.
  • Bei durch einen Computer lesbaren Programminstruktionen zum Ausführen von Arbeitsschritten der vorliegenden Erfindung kann es sich um Assembler-Instruktionen, ISA-Instruktionen (Instruction-Set-Architecture), Maschineninstruktionen, maschinenabhängige Instruktionen, Mikrocode, Firmware-Instruktionen, zustandssetzende Daten, Konfigurationsdaten für integrierte Schaltungen oder entweder Quellcode oder Objektcode handeln, die in einer beliebigen Kombination aus einer oder mehreren Programmiersprachen geschrieben sind, darunter objektorientierte Programmiersprachen wie Smalltalk, C++ o.ä. sowie prozedurale Programmiersprachen wie die Programmiersprache „C“ oder ähnliche Programmiersprachen. Die durch einen Computer lesbaren Programminstruktionen können vollständig auf dem Computer des Benutzers, teilweise auf dem Computer des Benutzers, als eigenständiges Software-Paket, teilweise auf dem Computer des Benutzers und teilweise auf einem entfernt angeordneten Computer oder vollständig auf dem entfernt angeordneten Computer oder Server ausgeführt werden. In dem letzteren Szenario kann der entfernt angeordnete Computer mit dem Computer des Benutzers durch jeden Typ von Netzwerk verbunden werden, darunter ein lokales Netzwerk (LAN) oder ein Weitverkehrsnetz (WAN), oder die Verbindung kann mit einem externen Computer hergestellt werden (zum Beispiel über das Internet unter Verwendung eines Internet-Dienstanbieters). In einigen Ausführungsformen können elektronische Schaltungen, darunter zum Beispiel programmierbare Logikschaltungen, feldprogrammierbare Gatter-Anordnungen (FPGA, field programmable gate arrays) oder programmierbare Logikanordnungen (PLA, programmable logic arrays) die computerlesbaren Programminstruktionen ausführen, indem sie Zustandsinformationen der computerlesbaren Programminstruktionen nutzen, um die elektronischen Schaltungen zu personalisieren, um Aspekte der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung werden hierin unter Bezugnahme auf Veranschaulichungen von Ablaufplänen und/oder Blockschaubildern von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es sollte klar sein, dass jeder Block der Ablaufplanveranschaulichungen und/oder der Blockschaubilder und Kombinationen von Blöcken in den Ablaufplanveranschaulichungen und/oder den Blockschaubildern mittels durch einen Computer lesbare Programminstruktionen umgesetzt werden können.
  • Diese durch einen Computer lesbaren Programminstruktionen können einem Prozessor eines Universalcomputers, eines Spezialcomputers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, sodass die über den Prozessor des Computers bzw. eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführten Instruktionen ein Mittel zur Umsetzung der in dem Block bzw. den Blöcken der Ablaufpläne und/oder der Blockschaubilder angegebenen Funktionen/Schritte erzeugen. Diese durch einen Computer lesbaren Programminstruktionen können auch auf einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium gespeichert sein, das einen Computer, eine programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder andere Einheiten so steuern kann, dass sie auf eine bestimmte Art funktionieren, sodass das durch einen Computer lesbare Speichermedium, auf dem Instruktionen gespeichert sind, ein Herstellungsprodukt aufweist, darunter Instruktionen, die Aspekte der/des in dem Block bzw. den Blöcken des Ablaufplans und/oder der Blockschaubilder angegebenen Funktion/Schritts umsetzen.
  • Die durch einen Computer lesbaren Programminstruktionen können auch auf einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine andere Einheit geladen werden, um das Ausführen einer Reihe von Arbeitsschritten auf dem Computer bzw. der anderen programmierbaren Vorrichtung oder anderen Einheit zu verursachen, um einen durch einen Computer umgesetzten Prozess zu erzeugen, sodass die auf dem Computer, einer anderen programmierbaren Vorrichtung oder einer anderen Einheit ausgeführten Instruktionen die in dem Block bzw. den Blöcken der Ablaufpläne und/oder der Blockschaubilder angegebenen Funktionen/Schritte umsetzen.
  • Die Ablaufpläne und Blockschaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Ausführungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen oder den Blockschaubildern ein Modul, ein Segment oder einen Teil von Instruktionen darstellen, die eine oder mehrere ausführbare Instruktionen zum Umsetzen der bestimmten logischen Funktion(en) aufweisen. In einigen alternativen Umsetzungen können die in dem Block angegebenen Funktionen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren gezeigt auftreten. Zum Beispiel können zwei nacheinander gezeigte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen parallel ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden, was von der beteiligten Funktionalität abhängt. Es ist ferner anzumerken, dass jeder Block der Blockschaubilder und/oder der Ablaufplandarstellungen sowie Kombinationen von Blöcken in den Blockschaubildern und/oder der Ablaufplandarstellung durch spezielle auf Hardware beruhende Systeme umgesetzt werden können, welche die angegebenen Funktionen oder Handlungen durchführen oder Kombinationen aus Spezial-Hardware und Computerinstruktionen ausführen.
  • Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zweck der Veranschaulichung erstellt, sie sollen aber keineswegs erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt sein. Für Fachleute sind viele Modifizierungen und Variationen offenkundig, die nicht von dem Schutzumfang und Erfindungsgedanken der beschriebenen Ausführungsformen abweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, der praktischen Anwendung oder technischen Verbesserung gegenüber auf dem Markt gefundenen Technologien bestmöglich zu erklären oder anderen Fachleuten das Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen zu ermöglichen.
  • Im Allgemeinen kann das elektrisch leitende Segment 22 aus jedem geeigneten Material ausgebildet werde. Zu Beispielen für derartige Materialien zählen Halbleiter wie beispielsweise Silicium oder Germanium (mit oder ohne Dotierung) und insbesondere Polysilicium und TaN, wie oben erwähnt. Der erste und der zweite Anschluss kann aus jedem geeigneten elektrisch leitenden Material ausgebildet werden, typischerweise einem metallischen Material (z.B. einem reinen Metall oder einer Metallverbindung, Legierung oder einem anderen Gemisch) oder einem dotierten Halbleitermaterial wie zum Beispiel Silicium.
  • Des Weiteren können die beschriebenen Merkmale auf einstufige sowie mehrstufige Zellen angewendet werden.
  • Im Allgemeinen können die für eine Ausführungsform beschriebenen Modifizierungen entsprechend auf eine andere Ausführungsform angewendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (25)

  1. Resistive Arbeitsspeichereinheit, aufweisend: eine Steuereinheit zum Steuern der Arbeitsspeichereinheit und einer Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen, wobei die Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen aufweist: einen ersten Anschluss; einen zweiten Anschluss; und ein Phasenänderungssegment, das ein Phasenänderungsmaterial zum Speichern von Informationen in einer Mehrzahl von Widerstandszuständen aufweist, wobei das Phasenänderungssegment zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet ist, wobei das Phasenänderungsmaterial aus Antimon besteht und mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegment kleiner als 15 Nanometer ist.
  2. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um in einem Schreibmodus Schreibspannungen als elektrische Programmierimpulse an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss anzulegen, wobei eine Neigung der Hinterflanke der Programmierimpulse so konfiguriert ist, dass die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, um eine amorphe Phase über einen Schmelz-Abkühl-Prozess herzustellen und die erneute Kristallbildung der amorphen Phase zu verhindern.
  3. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um in einem Schreibmodus Schreibspannungen als elektrische Programmierimpulse an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss anzulegen, wobei die elektrischen Programmierimpulse eine Hinterflankendauer von weniger als 12 Nanosekunden haben.
  4. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, wobei: die Steuereinheit konfiguriert ist, um in einem Schreibmodus Schreibspannungen als elektrische Programmierimpulse an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss anzulegen; und die Arbeitsspeicherzellen von einer thermischen Umgebung umgeben sind, die so ausgelegt ist, dass während des Anlegens der Programmierimpulse die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, um eine amorphe Phase über einen Schmelz-Abkühl-Prozess herzustellen und die erneute Kristallbildung der amorphen Phase zu verhindern.
  5. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, wobei: die Steuereinheit konfiguriert ist, um in einem Schreibmodus Schreibspannungen als elektrische Programmierimpulse an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss anzulegen; und das Phasenänderungsmaterial sich mit benachbarten Materialien in Kontakt befindet und/oder von benachbarten Materialien umschlossen wird, die so ausgewählt sind, dass die amorphe Phase des Phasenänderungsmaterials durch die benachbarten Materialien gegen eine erneute Kristallbildung stabilisiert wird.
  6. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein elektrisch leitendes Segment parallel zu dem Phasenänderungssegment.
  7. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 6, wobei das Material des elektrisch leitenden Segments aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus: einem Halbleitermaterial, einem Metall und einem Metallnitrid.
  8. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 6, wobei das Phasenänderungssegment und das elektrisch leitende Segment aneinander angrenzend und in elektrischem Kontakt miteinander über im Wesentlichen die gesamte Länge zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnet sind.
  9. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, wobei die Arbeitsspeicherzellen eine zylindrische Form haben.
  10. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 9, wobei: das Phasenänderungssegment als ein Vollzylinder aus dem Phasenänderungsmaterial ausgebildet ist; und der Durchmesser des Vollzylinders kleiner als 15 Nanometer ist.
  11. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 9, wobei: die Arbeitsspeicherzellen als ein mehrschichtiger Zylinder ausgebildet sind, aufweisend: einen inneren Zylinder, der ein isolierendes Material aufweist; und einen äußeren Zylinder, der das Phasenänderungssegment bildet und das Phasenänderungsmaterial aufweist, wobei eine Dicke des äußeren Zylinders kleiner als 15 Nanometer ist.
  12. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, wobei die Arbeitsspeicherzellen eine lamellenartige Form haben und das Phasenänderungssegment als eine Lamellenform mit einer Dicke von weniger als 10 Nanometer ausgebildet ist.
  13. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 9, wobei die Arbeitsspeicherzellen als ein mehrschichtiger Zylinder ausgebildet sind, aufweisend: einen inneren Zylinder, der das elektrisch leitende Segment bildet; und einen zentralen Zylinder, der das Phasenänderungssegment bildet und das Phasenänderungsmaterial aufweist, und einen äußeren Zylinder, der ein isolierendes Material aufweist, wobei die Dicke des zentralen Zylinders kleiner als 15 Nanometer ist.
  14. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 9, wobei die Arbeitsspeicherzellen als ein mehrschichtiger Zylinder ausgebildet sind, aufweisend: einen inneren Zylinder, der das Phasenänderungssegment bildet und das Phasenänderungsmaterial aufweist; einen zentralen Zylinder, der das elektrisch leitende Segment bildet; und einen äußeren Zylinder, der ein isolierendes Material aufweist, wobei die Dicke des inneren Zylinders kleiner als 15 Nanometer ist.
  15. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments kleiner als 10 Nanometer ist
  16. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 3, wobei die elektrischen Programmierimpulse eine Hinterflankendauer von weniger als 8 Nanosekunden haben.
  17. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 2, wobei die Einheit so konfiguriert ist, dass in dem Schreibmodus der Widerstand, der durch dass elektrisch leitende Segment für einen Zellenstrom vorliegt, der durch die Schreibspannung erzeugt wird, höher als der Widerstand des Phasenänderungssegments in jedem der Widerstandszustände ist.
  18. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, wobei die Einheit konfiguriert ist, um in einem Lesemodus eine Lesespannung an den ersten und den zweiten Anschluss anzulegen, um den Widerstandszustand auszulesen.
  19. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 18, wobei die Einheit so konfiguriert ist, dass in dem Lesemodus der Widerstand, der durch dass leitende Segment für einen Zellenstrom bereitgestellt wird, der durch die Lesespannung erzeugt wird, niedriger als der Widerstand der amorphen Phase der Arbeitsspeicherzelle in jedem der Widerstandszustände ist.
  20. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 18, wobei das elektrisch leitende Segment sich in Kontakt mit dem Phasenänderungsmaterial in eine Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss erstreckt und angeordnet ist, um für einen Zellenstrom, der durch die Lesespannung erzeugt wird, einen Strompfad mit einem niedrigeren Widerstand als die amorphe Phase des Phasenänderungsmaterials in jedem der Widerstandszustände bereitzustellen, wobei der Strompfad mit einem niedrigeren Widerstand eine Länge aufweist, die von der Größe der amorphen Phase abhängt.
  21. Arbeitsspeichereinheit nach Anspruch 1, wobei die Arbeitsspeichereinheit konfiguriert ist, um Informationen in s > 2 programmierbaren Widerstandszuständen zu speichern.
  22. Arbeitsspeicherzelle, aufweisend: einen ersten Anschluss; einen zweiten Anschluss; und ein Phasenänderungssegment, das ein Phasenänderungsmaterial zum Speichern von Informationen in einer Mehrzahl von Widerstandszuständen aufweist, wobei das Phasenänderungssegment zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet ist, das Phasenänderungsmaterial aus Antimon besteht und mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments kleiner als 15 Nanometer ist.
  23. Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsspeichereinheit, aufweisend: ein Steuern einer Arbeitsspeichereinheit unter Verwendung einer Steuereinheit, wobei die Arbeitsspeichereinheit eine Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen aufweist, wobei die Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und ein Phasenänderungssegment aufweist, das ein Phasenänderungsmaterial zum Speichern von Informationen in einer Mehrzahl von Widerstandszuständen aufweist, wobei das Phasenänderungssegment zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet ist, das Phasenänderungsmaterial aus Antimon besteht und mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegments kleiner als 15 Nanometer ist; ein Anlegen, durch die Steuereinheit, in einem Lesemodus einer Lesespannung an den ersten und den zweiten Anschluss zum Auslesen des Widerstandszustands; und ein Anlegen, durch die Steuereinheit, in einem Schreibmodus einer Schreibspannung als einen elektrischen Programmierimpuls an den ersten und den zweiten Anschluss zum Schreiben des Widerstandszustands, wobei der elektrische Programmierimpuls eine Hinterflankendauer von weniger als 12 Nanosekunden hat.
  24. Steuereinheit zum Steuern des Betriebs einer Arbeitsspeichereinheit, aufweisend: eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs einer Arbeitsspeichereinheit, wobei die Arbeitsspeichereinheit eine Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen aufweist, wobei die Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen aufweist: einen ersten Anschluss; einen zweiten Anschluss; und ein Phasenänderungssegment, das ein Phasenänderungsmaterial zum Speichern von Informationen in einer Mehrzahl von Widerstandszuständen aufweist, wobei das Phasenänderungssegment zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet ist, das Phasenänderungsmaterial aus Antimon besteht und mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegment kleiner als 15 Nanometer ist; und wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um in einem Lesemodus eine Lesespannung an den ersten und den zweiten Anschluss anzulegen, um den Widerstandszustand auszulesen, und in einem Schreibmodus eine Schreibspannung als elektrischen Programmierimpuls an den ersten und den zweiten Anschluss anzulegen, um den Widerstandszustand zu schreiben, wobei die Neigung der Hinterflanke der Programmierimpulse so konfiguriert ist, dass die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend ist, um eine Kristallbildung des Phasenänderungsmaterials zu verhindern.
  25. Computerprogrammprodukt zum Betreiben einer Arbeitsspeichereinheit, wobei das Computerprogrammprodukt ein durch einen Computer lesbares Speichermedium mit darauf verkörperten Programmanweisungen aufweist, wobei das durch einen Computer lesbare Speichermedium kein flüchtiges Signal per se ist, wobei die durch die Steuereinheit der Arbeitsspeichereinheit ausführbaren Programmanweisungen die Steuereinheit veranlassen, ein Verfahren auszuführen, das aufweist: ein Steuern einer Arbeitsspeichereinheit unter Verwendung einer Steuereinheit, wobei die Arbeitsspeichereinheit eine Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen aufweist, wobei die Mehrzahl von Arbeitsspeicherzellen einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und ein Phasenänderungssegment aufweist, das ein Phasenänderungsmaterial zum Speichern von Informationen in einer Mehrzahl von Widerstandszuständen aufweist, wobei das Phasenänderungssegment zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet ist, das Phasenänderungsmaterial aus Antimon besteht und mindestens eine der Abmessungen des Phasenänderungssegment kleiner als 15 Nanometer ist; ein Anlegen, durch die Steuereinheit, in einem Lesemodus einer Lesespannung an den ersten und den zweiten Anschluss zum Auslesen des Widerstandszustands; und ein Anlegen, durch die Steuereinheit, in einem Schreibmodus einer Schreibspannung als einen elektrischen Programmierimpuls an den ersten und den zweiten Anschluss zum Schreiben des Widerstandszustands, wobei der elektrische Programmierimpuls eine Hinterflankendauer von weniger als 12 Nanosekunden hat.
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