DE2822264C2 - Halbleiter-Speicherelement - Google Patents

Description

Is D S

wird, deren prozentualer Anteil an Germanium größer als der prozentuale Anteil des Germaniums in der Chalkogenid-Schicht ist, so daß infolge der erhöhten Konzentration der Elemente Tellur bzw. Germanium im Bereich der positiven bzw. negativen Elektrode eine frühzeitige Stabilisierung bewirkt wird. Eine Beseitigung des Schwellenspannungsabfalls ist damit jedoch noch nicht verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiter-Speicherelement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine sofortige Stabilisierung der Schweiiwertspannung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der ersten Schicht und der negativen Elektrode eine dritte Schicht vorgesehen ist, die gleiche prozentuale Anteile an Germanium und Tellur aufweist

Die erfindungsgemäße Lösung stellt sicher, daß unabhängig vom prozentualen Anteil des Germaniums in der Chalkogenid-Schicht eine sofortige Stabilisierung der Schwellwertspannung erzielt wird, auch wenn der Anteii des Germaniums in der dritten Schicht geringer als der in der Chalkogenid-Schicht ist

Anhand eines in der Zeichnung dargestellter* Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch das bekannte Halbleiter-Speicherelement;

F i g. 2 bis 4 Querschnitte durch verschiedene Ausführungsformen eines Halbleiter-Speicherelementcs mit einer dritten Schicht die gleiche prozentuale Anteile an Germanium und Tellur aufweist und

F i g. 5 eine Darstellung der Schwellenspannungsänderungen in Abhängigkeit von der Anzahl von Setz- und Rückstellzyklen.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform zeigt ein auf einer isolierenden Schicht 22 aufgebautes Halbleiter-Speicherelement Zur Herstellung der geeigneten Verbindungen wird ein Leiter 24 zuerst auf einer Isolatorschicht 22 gebildet Eine weitere Isolationsschicht 27 wird darübergelegt und weist eine Öffnung 25 auf, über die eine Schicht 28 in Form eines Chalkogenids auf Tellurbasis, speziell Germanium-Tellur mit einem Verhältnis der Bestandteile von 1 :1 aufgebracht ist Auf diese Schicht wird ein amorphes Speichermaterial 29 aufgebaut und eine Schicht 30 auf Tellurbasis über die Speicherschicht 29 gelegt Die Schicht JO auf Tellurbasis kann bis zu 10% Germanium enthalten. Der zweite Leiter 23 wird dann auf die gesamte Vorrichtung aufgebracht. Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform besteht die amorphe Speicherschicht 29 in erster Linie aus Germanium und Tellur, wobei die Germanium-Menge zwischen 15% und 33% beträgt.

Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig.3. Diese Ausführungsform ist der in F i g. 2 dargestellten mit der Ausnahme ähnlich, daß eine Sperr-Leiterschicht über den gesamten Speicher und das isolierende Substrat gelegt ist In F i g. 3 ist die gesamte Vorrichtung wieder auf einem geeigneten isolierenden Substrat 32 aufgebaut, welches aus einem Halbleitermaterial bestehen kann. Ein negativer Leiter 34 wird dann ausgebildet, und eine Schicht 38 aus Germanium-Tellur im Verhältnis von 1 :1 darübergelegt. Die isolierende Schicht 37 wird über die Germanium-Tellur-Schicht 38 gelegt, wobei eine öffnung 35 in der Isolatorschicht 37 an den Stellen, an denen die Germaiiium-Tellur-Schicht aufgetragen ist, gelassen ist. Das amorphe Speichermaterial 39 und die Tellurschicht 40 werden dann über die öffnungen 35 gelegt Natürlich können die jeweiligen Schichten 37,39 und 40 über alles gelegt werden und wahlweise entfernt werden. Der Sperrleiter 41 wird dann über den gesamten Speicher gelegt und der positive Leiter 33 gebildet

Die Isolatorschicht 37 aus F i g. 3 ist dielektrisch und kann chemisch aufgedampft werden und fotolithographisch in einer Weise zu einem Muster gestaltet werden, daß die jeweiligen öffnungen 35 sich als Poren darstellen. Auf diese Weise erlaubt die Schicht 37 eine hohe Leitfähigkeit der Schicht 38 entweder aufgrund des Aufbringungsverfahrens oder aufgrund der thermischen Behandlung nach dem Aufbringen, ohne daß ein Kurzschluß zwischen den Schichten 34 und 41 entsteht

Das amorphe Material 39 kann von einer Zusammensetzung sein, die von GeisTees bis Ge33Te66 mit möglichen Zusätzen reicht Diese Schicht kann ebenfalls fotolithographisch hergestellt werden.

Die Schicht 40 kann aus Tellur mit möglichen Zusätzen bestehen, so daß sie sich von Beginn an im leitenden Zustand befindet Der Sperrleiter 41 kann Molybdän oder T110W90 sein. Der Leiter 33 von hoher Leitfähigkeit kann Aluminium oder Gold sein.

Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig.4. Diese Ausführung ist der in F i g. 3 dargestellten weitgehend ähnlich mit dem Unterschied, daß die Schicht 48 πύί dem Anteil von 1 :1 an Germanium und Tellur die Öffnung 45 in dem dielektrischen Material 44 überlappt Ferner überlappt die tellurreiche Schicht 50 den an bestimmter Stelle abgeschiedenen Bereich der Schicht 48.

Der Vergleich der Schwellwerte, die sich erzielen lassen, ist in F i g. 5 angegeben, in welcher die dargestellten Kurven die Werte der Schwellwertspannung als Funktion der Anzahl der Setz- und Rückstellzyklen wiedergeben. Kurve A stellt den Schwellwertabfall für eine gleichförmige amorphe Materialschicht dar. Man sieht daß dieser Schwellwert sich bis wenigstens 10⁶SeU- und Rückstellzyklen kontinuierlich absenkt, wonach er über zusätzliche und weitere Zyklen invariant zu bleiben scheint Die Kurve B stellt die Veränderung der Schwellwertspannung für eine Vorrichtung gemäß F i g. 1 dar. Hier ist der Schwellwert zu Beginn ebenfalls hoc j und ist nach etwa ΙΟ² Zyklen auf einen dann konstanten Wert abgesunken.

Kurve Cerläutert die Stabilität der SchweUwertspannung, die sich mit den Elementen gemäß den F i g. 2 bis 4 erreichen läßt Man sieht, daß der Schweilwert zwar bei einem niedrigeren Wert als dem Anfangswert bekannter Speicher einsetzt, dann jedoch über die gesamte Lebensdauer des Speichers hin konstant bleibt Die Größe dieses minimalen Schwellwertes kann dadurch eingestellt werden, daß die Stärke der amorphen Speicherschicht entsprechend eingestellt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2

nungen wird eine elektrisch leitfähige Schicht 18 aufge-

Patentanspruch: bracht und anschließend das amorphe Halbleiter-Material 19 in geeigneter Weise über die Öffnung 15 ge-

Haibleiter-Speicherelement, das durch Anlegen bracht Zur Vervollständigung des Speichers wird eine elektrischer Signale an eine positive und negative 5 kristalline Tellurschicht 20 Ober das Speichermaterial Elektrode in seinem Zustand veränderbar ist, das gespritzt und anschließend eine eine Barriere bildende zwischen der positiven und negativen Elektrode eine widerstandsfähige Metallschicht 21 darübergelegt, beaus einem Chalkogenid auf Tellurbasis bestehende vor die esäktrisch leitfähige Metallschicht 13 ausgebildet erste Schicht, die in ihrem amorphen Zustand einen wird. Die widerstandsfähige Metallschicht 21 v. ird dabei höheren elektrischen Widerstand als in ihrem kri- 10 aus solchem Material gewählt, das es eine Barriere für ätallinen Zustand aufweist und von dem einen in den die Wanderung von Teilchen aus der Schicht 13, die anderen Zustand durch Anlegen eines elektrischen beispielsweise aus Aluminium bestehen kann, bildet Signals an die Elektroden des Halbleiter-Speicher- Eine an die Elektroden angelegte, einen bestimmten element«, schaltbar ist und das zwischen der ersten Spannungspegel überschreitende Impulsfolge ruft einen Schicht und der positiven Elektrode eine zweite 15 Pfad geringen Widerstandes durch Umwandlung zuSchicht aufweist, die einen höheren prozentualen mindest eines der Elemente Germanium oder Tellur in Anteil an Tellur als die erste Schicht enthält, da- seinen kristallinen Zustand hervor. Mittels einer geeigdurch gekennzeichnet, daß zwischen der neten Rflcksetz-Impulsgruppe wird der kristilline Pfad ersten Schicht (29,39,49) und der negativen Eiiktro- wieder in den amorphen Ausgangszustand zurückgede (24,34,44) eine dritte Schicht (28,38,48) vorgese- 20 führt und damit das Speicherelement zurückgesetzt hen lsi, die gleiche prozentuale Anteile an Germani- Mit steigender Anzahl der Setz-Impulse neigen die um und Tellur aufweist elektro-negativen Tellur-Teilchen dazu, zur positiven

Elektrode des Halbleiter-Speicherelementes zu wan-

dem, während die elektro-positiven Germanium-Teil-

25 chen dazu neigen, zur negativen Elektrode zu wandern, so daß Bereiche erhöhter Konzentration dieser Stoffe

Gegenstand der Erfindung ist ein Halbleiter-Spei- entstehen, die bein Schaltvorgang nicht wirksam sind, cherelement, das durch Anlegen elektrischer Signale an Dadurch verringert sich mit steigender Anzahl der Setz/ eine positive und negative Elektrode in seinem Zustand Rücksetz-Zyklen die erforderliche Durchbruchspanveränderbar ist das zwischen der positiven und negati- 30 nung zur Oberführung des amorphen Halbleiterven Elektrode 'isie aus einem Chalkogenid auf Tellurba- Speichermaterials in den kristallinen Zustand, so daß ein sis bestehende erste Schicht die in ihrem amorphen ständiges Nachjustieren erforderlich ist oder aufwendi-Zustand einen höheren elektrischen Widerstand als in ge Schaltungsmaßnahmen zur Berücksichtigung dieser ihrem kristallinen Zustand aufweist und von dem einen Veränderung der Durchbruchspannung getroffen werin den anderen Zustand durch /anlegen eines elektri- 35 den müssen.

sehen Signals an die Elektroden des Halbleiter-Spei- Um die Anzahl der Setz/Rücksetz-Zyklen bis zum cherelementes schaltbar ist und das zwischen der ersten Erreichen des stationären Zustandes, d.h. einer kon-Schicht und der positiven Elektrode eine zweite Schicht stanten Durchbruchspannung zu verringern, ist bei dem aufweist die einen höheren prozentualen Anteil an Tel- bekannten Halbleiter-Speicherelennnt in den Grenzflälur als die erste Schicht enthält 40 chen des amorphen Halbleiter-Speichermaterials eine Ein Halbleiter-Speicherelement der genannten Art ist höhere Konzentration desjenigen Elementes vorgeseaus der US-PS 38 86 577 bekannt das zwei räumlich hen, das dazu neigt, in diesem Bereich bei Anlegen einer getrennte Elektroden aufweist zwischen denen eine entsprechenden Spannung zu wandern. Durch die Anamorphe Halbleiter-Speicherschicht hohen Widerstan- Ordnung einer mit Tellur angereicherten Schicht in der des angeordnet ist die aus einem auf Tellur basierenden 45 Nähe der positiven Elektrode, d. h. zwischen der positi-Chalkogenid mit der allgemeinen Formel ven Elektrode und der amorphen Halbleiterschicht wird

die Konzentration bereits vorab an dieser Stelle so erhöht daß nur noch geringfügige Änderungen der Schwellenspannung resultieren können. Dadurch verzusammengesetzt ist wobei die Indizes A bis D den 50 ringen bzw. beseitigt diese mit Tellur angereicherte Reprozentualen Anteil des betreffenden Elementes be- gion die Elektronenwanderung während der Flußdauer zeichnen und der Λ-Bestandteil aus Antimon, Wismut des Rücksetzstromes und bewirkt einen stabilisierten Arsen bestehen kann, während der F-Bestandteil Gleichgewichtszustand, der bereits nach relativ weni-Schwefel oder Selen sein kann. gen Setz/Rücksetz-Zyklen erzielt wird. Es wird auch In F i g. 1 ist das bekannte Halbleiter-Speicherele- 55 dann eine schnelle Stabilisierung der Durchbruch- bzw. ment 11 dargestellt das Teil eines Siliziumchips 12 ist Schwellenspannung erzielt wenn dasselbe Element in Das Halbleiter-Speicherelement 11 ist mit vertikalen der Nähe beider Elektroden in angereicherter Form und horizontalen Leitern für einen wahlfreien Zugriff vorgesehen wird, wohingegen keine Stabilisierung der zum Speicherelement versehen, von denen ein Leiter in Schwellenspannung erreicht wird, wenn im Bereich der-Fig. 1 den n+-Bereich 14 darstellt der einen Teil des 60 jenigen Elektrode ein Element angereichert wird, das aus diesem Bereich, dem n-Bereich 15 und dem p-Be- nicht zu dieser Elektrode wandert, was bei dem vorliereich 16 gebildeten Gleichrichters bildet. Dieser Gleich- genden Halbleiter-Speicherelement der Fall ist, wenn in richter formt zusammen mit dem Halbleiter-Speicher- der Nähe der positiven Elektrode Germanium angereielement 11 den Kreuzungspunkt zwischen den orthogo- chert wird. Somit ist eine weitere Verbesserung bei der nalen Leitern 13 und 14, von denen der Leiter 14 der 65 Stabilisierung des Schwellenspannungsabfalls des bepositiven Elektrode entspricht, kannten Halbleiter-Speicherelementes zu erzielen, Das Siliziumchip 12 ist mit einem Isolator- 17 verse- wenn eine dritte Schicht hoher Germanium-Konzentrahen, der mehrere öffnungen 10 aufweist. Über die off- tion im Bereich der negativen Elektrode angeordnet