DE60319424T2

DE60319424T2 - Phasenwechsel-material enthaltendes elektrisches bauelement

Info

Publication number: DE60319424T2
Application number: DE60319424T
Authority: DE
Inventors: Martijn H. Lankhorst; Liesbeth Van Pieterson; Robertus A. Wolters; Erwin R. Meinders
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: US8779474B2; ATE387726T1; US20060049389A1; KR20050092017A; WO2004057684A1; EP1576676B1; JP2006511971A; AU2003282323A1; TW200503299A; USRE48202E1; DE60319424D1; EP1576676A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit einem Körper mit einem Widerstand, umfassend ein Phasenwechselmaterial, das zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase gewechselt werden kann, wobei der Widerstand einen elektrischen Widerstand aufweist, der davon abhängt, ob das Phasenwechselmaterial sich in der ersten Phase oder in der zweiten Phase befindet, wobei der Widerstand einen Strom leiten kann, um den Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase zu ermöglichen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
WO-A 00/57,498 offenbart eine Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem Widerstand, umfassend ein Phasenwechselmaterial, das etwa eine Zusammensetzung aus Sb₂Te₅Ge₂ aufweist. Sie kann z. B. Sb₂₂Te₅₆Ge₂₂ oder Sb₂₉Te₅₇Ge₁₄ sein. Das Phasenwechselmaterial kann in einer ersten Phase sein, die z. B. kristallin ist, wobei die erste Phase und/oder die zweite Phase teilweise amorph und teilweise kristallin sein kann, vorausgesetzt, der Widerstand mit dem Phasenwechselmaterial in der ersten Phase und der Widerstand mit dem Phasenwechselmaterial in der zweiten Phase weisen unterschiedliche Werte des elektrischen Widerstands auf.
Der Widerstand ist elektrisch derart mit einem ersten und einem zweiten Leiter verbunden, dass der Wert des elektrischen Widerstands gemessen werden kann. Der erste Leiter und der zweite Leiter können z. B. umfassen: Titan, Titannitrid, Titanaluminiumnitrid, Titankohlenstoffnitrid, Titansilizium, Molybdän, Kohlenstoff, Wofram und Titanwolfram.
Der Widerstand, der erste Leiter und der zweite Leiter können einen Strom leiten, der über Erwärmung die Übergänge des Phasenwechselmaterials zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase ermöglicht. Es wird angenommen, dass für einen Übergang von einer Phase mit einer relativ guten Leitfähigkeit, wie etwa eine kristalline Phase oder eine hauptsächlich kristalline Phase, zu einer Phase mit einer relativ niedrigen Leitfähigkeit, wie etwa eine amorphe Phase oder eine hauptsächlich amorphe Phase, Erwärmung durch einen ausreichend starken Strom benutzt wird, wobei das Schmelzen des Phasen wechselmaterials bewirkt wird. Im Folgenden werden die Begriffe „kristallin" und „amorph" benutzt, um eine kristalline Phase oder eine hauptsächlich kristalline Phase bzw. eine amorphe oder eine hauptsächlich amorphe Phase zu bezeichnen. Die Erwärmung kann durch den Widerstand des ersten Leiters, des zweiten Leiters, des Widerstands selbst und des Kontaktwiderstands zwischen diesen Elementen erreicht werden. Welcher dieser Widerstände am meisten zur Erwärmung beiträgt, hängt im Allgemeinen von den Materialien und Formen dieser Elemente ab. Die Erwärmung endet, wenn der Strom ausgeschaltet wird. Das Phasenwechselmaterial kühlt sich dann ab und nimmt einen amorpheren Ablauf ein.
Wenn ein Übergang von einer Phase mit einer relativ niedrigen elektrischen Leitfähigkeit zu einer Phase mit einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit induziert wird, wird dieser Erwärmung zunächst durch die schlechte Leitfähigkeit entgegengewirkt, wobei der Strom, der durch das Phasenwechselmaterial geleitet wird, eingeschränkt wird. Es wird angenommen, dass durch das Anlegen einer ausreichend hohen Spannung, der sogenannten Durchschlagspannung, an den Widerstand das lokale Induzieren eines elektrischen Ausfalls im Phasenwechselmaterial möglich ist, was zu einer hohen lokalen Stromdichte führt. Die entsprechende Erwärmung ist dann ausreichend, um die Temperatur des Phasenwechselmaterials auf einen Wert über seine Kristallisierungstemperatur zu erhöhen, wodurch der Phasenübergang von der amorphen Phase in die kristalline Phase ermöglicht wird.
Die bekannte elektrische Vorrichtung kann als Widerstand mit einem elektrisch einstellbaren Widerstand benutzt werden. Diese Art von Vorrichtung kann in allen Arten von Schaltkreisen und integrierten Schaltkreisen benutzt werden, die einen Widerstand mit einem zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert schaltbaren Widerstand erfordern.
Die bekannte elektrische Vorrichtung ist besonders zur Benutzung als elektrisch beschreibbare und löschbare Speicherzelle geeignet. Der Speicherzelle wird z. B. eine „0" zugeordnet, wenn der Widerstand relativ niedrig ist, und eine „1", wenn der Widerstand relativ hoch ist. Der Widerstand kann relativ einfach gemessen werden, indem eine Span nung über den Widerstand angelegt wird und der entsprechende Strom gemessen wird. Das Speicherelement kann beschrieben und gelöscht werden, indem ein Übergang von einer ersten Phase zu einer zweiten Phase, wie oben beschrieben, induziert wird.
Ein Nachteil der bekannten elektrischen Vorrichtung besteht darin, dass die Schaltzeit von der amorphen Phase zur kristallinen Phase relativ lang ist. Dies schränkt die Geschwindigkeit, bei der der Widerstandswert eingestellt werden kann, ein.
EP 495 494 B1 offenbart einen elektrisch löschbaren Phasenwechselspeicher. Es wird ein Element eines nicht flüchtigen Speichers beschrieben, umfassend ein Phasenwechselmaterial einer Sb Ge Te Verbindung. Es wird auch eine Speicheranordnung derartiger Elemente eines nicht flüchtigen Speichers offenbart. Aspekte auf dem Gebiet von Materialwissenschaft werden erläutert, welche kristalline Mehrfachelement-Legierungen betreffen, die aufgrund einer Reduzierung atomarer Migration, Diffusion oder Neuordnung zwischen den amorphen und kristallinen Zuständen einen umgekehrten Phasenübergang mit verbesserter Übergangskinetik zeigen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrischen Vorrichtung, wie im einleitenden Satz beschrieben, die eine relativ kurze Schaltzeit von der amorphen Phase zur kristallinen Phase aufweist.
Die Erfindung wird durch den unabhängigen Anspruch definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Klasse der Phasenwechselmaterialien, die in der vorliegenden Erfindung benutzt werden, einen anderen Kristallwachstumsmechanismus als die bekannten Phasenwechselmaterialien aufweist. In den bekannten Phasenwechselmaterialien, die für elektrische Vorrichtungen benutzt werden, geschieht der Phasenübergang von der amorphen Phase zur kristallinen Phase durch Keimbildung, d. h. die Kristallisierung beginnt bei mehreren willkürlich verteilten Punkten innerhalb der amorphen Phase. Die Kristallisierungszeit in der bekannten Vorrichtung ist daher unabhängig vom Volumen der amorphen Phase. Sie ist durch die Keimbildungsphase einge schränkt, welche im Bereich von 50 ns für die bekannten Phasenwechselmaterialien liegt.
Im Gegensatz dazu umfasst die elektrische Vorrichtung nach der Erfindung ein Phasenwechselmaterial, das ein sogenanntes Schnellwachstumsmaterial ist. Bei Schnellwachstumsmaterialien wächst die kristalline Phase bei hoher Geschwindigkeit, der sogenannten Kristallisierungsgeschwindigkeit, von der Schnittstelle zwischen der amorphen Phase und der kristallinen Phase. Für diese Materialien hängt die Kristallisierungszeit von dem Volumen der amorphen Phase ab. Dies ermöglicht, dass die Schaltzeit von der amorphen Phase zur kristallinen Phase relativ kurz ist, insbesondere dann, wenn die Größe der amorphen Phase relativ klein ist, z. B. unter 50 nm.
Auf dem Gebiet der optischen Aufzeichnung sind diese vorteilhaften Eigenschaften betreffend des Phasenübergangs zwischen der amorphen Phase und der kristallinen Phase von Sb₆₉Te₃₁ aus dem Artikel „Phase-change media for high-numerical-aperture and blue-wavelength recording" von H. J. Borg et al., Japanese Journal of Applied Physics, Band 40, Seiten 1592–1597, 2001 bekannt. Dieser Artikel erwähnt jedoch nicht, dass Schnellwachstumsmaterialien überraschenderweise andere Eigenschaften aufweisen, wodurch sie sich als Phasenwechselmaterial in der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung eignen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben insbesondere festgelegt, dass diese Schnellwachstums-Phasenwechselmaterialien zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase wechseln können, wobei der Widerstand einen elektrischen Widerstand aufweist, der davon abhängt, ob das Phasenwechselmaterial sich in der ersten Phase oder in der zweiten Phase befindet, wobei der Widerstand einen Strom leiten kann, um einen Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase zu ermöglichen.
Bei der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung ist das Phasenwechselmaterial des Widerstands in direktem Kontakt mit einer Kristallisierungsschicht, die eine Kristallstruktur aufweist. Diese Kristallisierungsschicht ist in Situationen vorteilhaft, in denen ein Volumen mit der amorphen Phase eine Flächenausdehnung aufweist, die in direktem Kontakt mit einem Material ist, das sich von de Phasenwechselmaterial unterscheidet. Bei der Durchführung eines Phasenübergangs von der amorphen Phase zur kristallinen Phase, beginnt das Phasenwechselmaterial der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung von der Schnittstelle zwischen der kristallinen Phase und der amorphen Phase aus zu wachsen. Bei der Flächenausdehnung, die in direktem Kontakt mit einem Material ist, das sich von dem Phasenwechselmaterial unterscheidet, wird daher die Kristallisierung verzögert, was zu einer relativ langen Kristallisierungszeit führt. Durch das Einführen einer Kristallisierungsschicht, die eine Kristallstruktur aufweist, kann das Kristallwachstum an der Flächenausdehnung beschleunigt werden. Vorzugsweise ist die Kristallstruktur der Kristallisierungsschicht ähnlich derjenigen des Phasenwechselmaterials.
Vorzugsweise umfasst die elektrische Vorrichtung nach der Erfindung ein Phasenwechselmaterial mit einer Kristallisierungsgeschwindigkeit von mindestens 1 m/s. Das amorphe Phasenwechselmaterial der bekannten elektrischen Vorrichtung weist Maße im Bereich von 10 bis 20 nm auf. Das Anwenden des Phasenwechselmaterials nach der Erfindung in einer derartigen Vorrichtung resultiert in einer Schaltzeit von 10 bis 20 ns oder weniger.
In einer Ausführungsform des Phasenwechselmaterials ist eine Zusammensetzung der Formel Sb_1-cM_c, wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,61 entspricht und M eines oder mehrere Elemente ist, das aus der Gruppe von Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ausgewählt ist. Optional kann das Material relative kleine Mengen .B. weniger als 5 Atomprozent anderer Elemente, wie etwa As, S, Se umfassen, welche die Kristallisierung und das elektrische Ausfallverhalten nicht bedeutend ändern.
Die elektrische Vorrichtung nach der Erfindung weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass die Durchschlagspannung, die zum Schalten von dem hohen widerstandsfähigen amorphen Zustand zur niedrigen widerstandsfähigen kristallinen Phase erforderlich ist, niedriger ist als diejenige der bekannten elektrischen Vorrichtung. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn erweiterte Transistoren benutzt werden, um die elektrische Vorrichtung zu schalten, weil die erweiterten Transistoren kleinere Maße aufweisen und daher lediglich eine relativ niedrige Spannung bereitstellen. Die Erfinder haben festgelegt, dass sich die Durchschlagspannung ungefähr mit der Bandlücke des Phasenwechselmaterials im amorphen Zustand misst und dass die Bandlücke mit zunehmender Menge an Sb abnimmt. Vorzugsweise umfasst das Phasenwechselmaterial mindestens 50 Atomprozent Sb. Ferner wird bevorzugt, dass das Phasenwechselmaterial mindestens 10 Atomprozent von einem oder mehreren Elementen M umfasst, weil auf diese Weise die Stabilität der amorphen Phase erhöht wird und das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase relativ hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann, bevor die spontane Kristallisierung geschieht.
Ein weiterer Vorteil der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung besteht in der Tatsache, dass der Widerstand der kristallinen Phase niedriger ist als derjenige in der bekannten elektrischen Vorrichtung. Daher sind die jouleschen Wärmeverluste in der kristallinen Phase geringer als jene in der bekannten elektrischen Vorrichtung, wobei das Sparen von Strom ermöglicht wird. Des Weiteren ist der Kontaktwiderstand zwischen dem ersten Widerstand und dem Phasenwechselmaterial und zwischen dem zweiten Widerstand und dem Phasenwechselmaterial in der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung geringer als derjenige in der bekannten elektrischen Vorrichtung. Dies ermöglicht das Benutzen eines kleineren ersten Kontaktbereichs und/oder zweiten Kontaktbereichs, wobei dies für die elektrische Vorrichtung nach der Erfindung in einer kürzeren Schaltzeit zwischen der amorphen Phase und der kristallinen Phase resultiert.
In der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung wird eine kleinere Menge an Te benutzt als in der bekannten elektrischen Vorrichtung. Dies hat den Vorteil, dass das Phasenwechselmaterial weniger reaktiv ist, was die Stabilität der elektrischen Vorrichtung verbessert. Insbesondere Reaktionen an der Schnittstelle zwischen dem Phasenwechselmaterial und den Leitern, die damit verbunden sind, werden reduziert. Des Weiteren weist das Phasenwechselmaterial der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung einen relativ niedrigen Dampfdruck auf, aufgrund der reduzierten Menge Te, sodass höhere Verarbeitungstemperaturen angewandt werden können. Vorzugsweise ist das Phasenwechselmaterial im Wesentlichen frei von Te.
Vorzugsweise umfassen das eine oder die mehreren Elemente M Ge und/oder Ga. Eine elektrische Vorrichtung, umfassend ein Phasenwechselmaterial, umfassend Ge und/oder Ga, hat den Vorteil, dass die Kristallisierungstemperatur relative hoch ist und daher die amorphe Phase bis zu relative hohen Temperaturen stabil ist. Die Kristallisierungstemperatur und somit die Stabilität der amorphen Phase erhöht sich mit zunehmender Kon zentration an Ge und/oder Ga. Vorzugsweise umfasst das Phasenwechselmaterial Ge und/oder Ga in Konzentrationen, die insgesamt im Bereich zwischen 5 und 35 Atomprozent, besser zwischen 15 und 25 Atomprozent, liegen. Oft wird bevorzugt, dass das Phasenwechselmaterial weniger als 30 Atomprozent Ge umfasst, da ansonsten die Kristallisationstemperatur und die Schmelztemperatur so hoch sind, dass eine relativ hohe Energie erforderlich ist, um einen Phasenübergang von der amorphen Phase zur kristallinen Phase und zurück zu induzieren. Die Kristallisationsgeschwindigkeit nimmt ab, wenn die Gesamtkonzentration von Ge und Ga zunimmt. Die Abhängigkeit der Kristallisationsgeschwindigkeit von der Konzentration an Ge und/oder Ga kann benutzt werden, um die Kristallisationsgeschwindigkeit einzustellen.
Des Weiteren wird auch bevorzugt, dass ein Phasenwechselmaterial weniger als 35 Atomprozent Ga umfasst, da bei höheren Konzentrationen an Ga der Unterschied zwischen dem elektrischen Widerstand in der amorphen Phase und in der kristallinen Phase relativ klein ist, was zu Fehlern führen kann, wenn der Widerstand gemessen wird. Vorzugsweise umfasst das Phasenwechselmaterial weniger als 25 Atomprozent Ga.
In einer Ausführungsform umfasst das Phasenwechselmaterial In und/oder Sn.
Vorzugsweise umfasst das Phasenwechselmaterial In und/oder Sn in Konzentrationen, die insgesamt im Bereich zwischen 5 und 30 Atomprozent liegen. Ein Phasenwechselmaterial, umfassend In und/oder Sn, weist eine relativ hohe Kristallisierungsgeschwindigkeit und eine relativ niedrige Schmelztemperatur auf, was voraussetzt, dass eine relativ geringe Energie erforderlich ist, um den Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase zu induzieren. Es ist oft vorteilhaft, wenn das Phasenwechselmaterial insgesamt zwischen 15 und 25 Atomprozent In und/oder Sn umfasst. Vorzugsweise umfasst das Phasenwechselmaterial ungefähr 20 Atomprozent dieser Materialien.
Wenn das Phasenwechselmaterial insgesamt mehr als 20 Atomprozent Ge und/oder Ga umfasst, wird bevorzugt, dass das Phasenwechselmaterial ferner eines oder mehrere Elemente umfasst, die in Konzentrationen von weniger als 30 Atomprozent aus In und Sn ausgewählt sind. Die elektrische Vorrichtung nach dieser Ausführungsform weist eine relativ hohe Stabilität der amorphen Phase aufgrund der Gegenwart von Ge und/oder Ga und eine relativ niedrige Schmelztemperatur aufgrund der Gegenwart von einem oder mehreren Elementen, die aus In und Sn ausgewählt sind, auf.
In einer Variation dieser Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial eine Zusammensetzung mit der Formel Sb_aTe_bX_100-(a+b), wobei a, b und 100 – (a + b) Atomprozente bezeichnen, die 1 ≤ a/b ≤ 8 und 4 ≤ 100 – (a + b) ≤ 22 entsprechen, und X eines oder mehrere Elemente ist, die aus der Gruppe von of Ge, In, Ag, Ga, Zn und Sn ausgewählt sind. Die Zugabe des letzten Elements hat den Vorteil, dass das Phasenwechselmaterial eine relativ hohe Kristallisierungsgeschwindigkeit aufweist. Optional kann das Material relativ geringe Mengen, z. B. weniger als 5 Atomprozent, anderer Elemente umfassen, z. B. As, S, Se, welche die Kristallisierung und das elektrische Ausfallverhalten nicht bedeutend ändern.
Es ist vorteilhaft, wenn das Element X Ge umfasst. Eine elektrische Vorrichtung, umfassend ein Phasenwechselmaterial, umfassend Ge, hat den Vorteil, dass die Kristallisierungstemperatur relativ hoch ist und daher die amorphe Phase bis zu relativ hohen Temperaturen stabil ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Phasenwechselmaterial mehr als 10 Atomprozent und weniger als 22 Atomprozent Ge. In diesem Fall liegt die Kristallisationstemperatur des Phasenwechselmaterials zwischen 180 und 250 Grad Celsius. Wenn die Kristallisationstemperatur weniger als 180 Grad Celsius ist, kann es sein, dass die Stabilität der amorphen Phase nicht ausreicht, insbesondere, wenn die elektrische Vorrichtung eventuell relativ hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Wenn die Kristallisationstemperatur höher als 200 Grad Celsius beträgt, wie etwa 250 Grad Celsius, dann ist ein relativ hoher Schaltstrom erforderlich, um einen Phasenübergang von der amorphen Phase zur kristallinen Phase zu induzieren.
Es ist vorteilhaft, wenn der erste Kontaktbereich kleiner oder gleich dem zweiten Kontaktbereich ist, wobei der erste Kontaktbereich ein charakteristisches Maß d (in nm) aufweist, wobei 6·a/b kleiner als d ist. Diese Ausführungsform der Erfindung basiert auf der folgenden Erkenntnis: Um einen Phasenübergang von der kristallinen Phase zur amorphen Phase durchführen zu können, ist es erforderlich, dass die Auskühlzeit, d. h. die Zeit, in der das Phasenwechselmaterial auf eine Temperatur unter der Kristalli sierungstemperatur abkühlt, kleiner als die Kristallisierungszeit ist, d. h. die Zeit, die für einen Übergang von der amorphen Phase zurück zur kristallinen Phase erforderlich ist. Wird dieser Bedingung nicht entsprochen, dann kristallisiert sich das geschmolzene amorphe Material erneut während des Auskühlen, was in derselben Phase wie vor der Erwärmung resultiert, d. h. der Phasenübergang von der kristallinen Phase zur amorphen Phase ist nicht möglich.
Für das Phasenwechselmaterial der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung beginnt die Kristallisierung an der Schnittstelle zwischen der amorphen Phase und der kristallinen Phase. Daher wird die Kristallisierungszeit durch das charakteristische Maß des amorphen Volumens geteilt durch die Kristallisierungsgeschwindigkeit gegeben. Hier ist das charakteristische Maß die größte Entfernung zwischen dem Punkt, der am letzten kristallisiert, und der Schnittstelle der amorphen Phase und der kristallinen Phase zu Beginn des Phasenübergangs. Dieses Maß kann durch das charakteristische Maß des ersten Kontaktbereichs angenähert werden, vorausgesetzt, dass der erste Kontaktbereich nicht größer als der zweite Kontaktbereich ist.
Die Erfinder haben die Auskühlzeit aus Simulationen und die Kristallisierungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Zusammensetzung des Phasenwechselmaterials aus Experimenten bestimmt. Unter Benutzung der Ergebnisse aus diesen Simulationen und Experimenten in Kombination mit dem oben beschriebenen Kriterium kann gezeigt werden, dass 6·a/b kleiner sein muss als d (d ist in nm), um die vollständige erneute Kristallisierung während der Auskühlung der amorphen Phase zu verhindern.
In manchen Fällen erstreckt sich das charakteristisch Maß des amorphen Phasenwechselvolumens über den ersten Kontaktbereich hinaus, wobei die amorphe Phase ungefähr doppelt so groß ist wie der erste Kontaktbereich. Das Erfordernis kann dann geschwächt werden auf 3·a/b, das kleiner als d ist (d ist in nm). In diesem Fall kann ein erster Kontaktbereich mit einer zweimal kleineren Flächenausdehnung benutzt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Kristallisierungsschicht eine Dicke von weniger als 100 nm aufweist. Die Kristallisierungsschicht ist ein potenzieller Kühlkörper, insbesondere aufgrund ihrer Kristallstruktur. Um den entsprechenden Wärmefluss aus dem Phasenwech selmaterial während der Erwärmung zur Förderung eines Phasenübergangs einzuschränken, sollte die Kristallisierungsschicht relativ dünn sein. Kristallisierungsschichten mit einer Dicke von mehr als 100 nm führen zu einem relativ großen Wärmefluss aus dem Phasenwechselmaterial. Vorzugsweise ist die Dicke der Kristallisierungsschicht kleiner als 50 nm.
Vorzugsweise steht die Kristallisierungsschicht in direktem Kontakt mit dem ersten Kontaktbereich und/oder in direktem Kontakt mit dem zweiten Kontaktbereich, da das Phasenwechselmaterial oft in der Nähe des ersten Kontaktbereichs und/oder des zweiten Kontaktbereichs amorph ist. Es ist oft vorteilhaft, wenn die Kristallisierungsschicht elektrisch leitfähig ist und den ersten Kontaktbereich mit dem zweiten Kontaktbereich elektrisch verbindet. In diesem Fall macht die Kristallisierungsschicht einen elektrischen Bypass aus, der parallel zum Phasenwechselmaterial angeordnet ist. Die Kristallisierungsschicht kann dann einen Strom leiten, der benutzt werden kann, um das Phasenwechselmaterial zur Förderung des Übergangs von der ersten Phase zur zweiten Phase indirekt zu erwärmen.
Vorzugsweise ist eine Schmelztemperatur der Kristallisierungsschicht höher als eine Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials. Vorzugsweise ist die Kristallisierungsschicht chemisch relativ stabil, um die Möglichkeit zu senken, dass das Material der Kristallisierungsschicht sich mit dem Phasenwechselmaterial mischt.
Die Kristallisierungsschicht ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere Bits in einer elektrischen Vorrichtung gelagert werden. In diesem Fall bestimmt das Volumen des Phasenwechselmaterials, welches dem Phasenübergang unterzogen wird, welches Bit gelagert wird. Dann ist es oft zweckmäßig, ein Volumen zu benutzen, das dem Phasenübergang unterzogen wird, welches sich über den ersten Kontaktbereich und/oder den zweiten Kontaktbereich hinaus erstreckt. Insbesondere ist in diesen Fällen die Kristallisierungsschicht nützlich.
In einer Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung machen der erste Leiter, der zweite Leiter, der Widerstand und die Schicht ein Speicherelement aus und der Körper umfasst eine Anordnung von Speicherzellen, wobei jede Speicherzelle ein jeweiliges Speicherelement und eine jeweilige Wahlvorrichtung und ein Gitter aus Wahllinien umfasst, wobei jede Speicherzelle einzeln über die jeweiligen Wahllinien zugänglich ist, welche mit der jeweiligen Wahlvorrichtung verbunden sind.
Eine derartige elektrische Vorrichtung kann als ein nicht flüchtiger, elektrisch beschreibbarer, elektrisch lesbarer und elektrisch löschbarer Speicher benutzt werden. Da jede Speicherzelle eine Wahlvorrichtung umfasst, können einzelne Speicherelemente zweckmäßig zum Lesen gewählt werden, d. h. zum Induzieren eines Übergangs von einer ersten Phase zu einer zweiten Phase.
Die Speicherelemente der vorliegenden Erfindung können elektrisch an die Wahlvorrichtungen und an die Wahllinien gekoppelt sein, um eine Speicheranordnung zu bilden. Die Speichervorrichtungen erlauben das Lesen und Beschreiben jeder einzelnen separaten Speicherzelle ohne die Informationen, die in angrenzenden oder entfernten Speicherzellen der Anordnung gespeichert sind, zu stören. Im Allgemeinen beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf die Benutzung einer spezifischen Art von Wahlvorrichtung. Beispiele von Wahlvorrichtungen umfassen Feldeffekttransistoren, bipolare Flächentransistoren und Dioden, wie etwa aus z. B. WO-A 97/07550 bekannt. Beispiele von Feldeffekttransistoren umfassen JFET und Feldeffekttransistoren in MOS-Technik (MOSFET), wie etwa z. B. aus WO-A 00/39028 bekannt. Beispiele von MOSFET umfassen NMOS-Transistoren und PMOS-Transistoren. Ferner können NMOS und PMOS sogar auf demselben Chip wie für CMOS-Technologien gebildet sein.
Gewöhnlich sind derartige Arten von elektrischen Vorrichtungen so kompakt wie möglich, was bedingt, dass die gegenseitigen Abstände zwischen angrenzenden Widerständen klein sind. In diesen elektrischen Vorrichtungen, umfassend ein dielektrisches Material nach der Erfindung, werden Nebensignaleffekte reduziert.
In einer Ausführungsform umfasst die Wahlvorrichtung einen MOSFET mit einer Quellenregion, einer Ableitungsregion und einer Gatterregion, und das Gitter aus Wahllinien umfasst N erste Wahllinien, M zweite Wahllinien, wobei N und M ganze Zahlen sind, und eine Ausgangslinie, wobei der erste Leiter jedes Speicherelements elektrisch mit einer ersten Region verbunden ist, die aus der Quellenregion und der Ableitungsregion des entsprechenden Feldeffekttransistors in MOS-Technik ausgewählt ist, wobei der zweite Leiter jedes Speicherelements elektrisch mit der Ausgangslinie, einer zweiten Region des entsprechenden Feldeffekttransistors in MOS-Technik verbunden ist, welcher aus der Quellenregion und der Ableitungsregion ausgewählt ist und der frei von der ersten Region ist, wobei er elektrisch mit einer der N ersten Wahllinien verbunden ist, wobei die Gatterregion elektrisch mit einer der M zweiten Wahllinien verbunden ist.
In dieser Art von Vorrichtung kann der Widerstand zweckmäßig in die Wahlvorrichtung integriert werden.
Diese und weitere Aspekte der elektrischen Vorrichtung nach der Erfindung werden weiter unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert und beschrieben, wobei:
1 ein Querschnitt der elektrischen Vorrichtung ist;
2A und 2B Handlungsschemas des Schaltens von der amorphen Phase zur kristallinen Phase bzw. von der kristallinen Phase zur amorphen Phase sind;
3 ein Handlungsschema des Stroms als seine Funktion der angelegten Spannung ist, wenn von der amorphen Phase zur kristallinen Phase geschaltet wird;
4 ein Handlungsschema der Kristallisierungsgeschwindigkeit als eine Funktion des Verhältnisses von Sb/Te ist;
5 ein Handlungsschema der Kristallisierungsgeschwindigkeit al seine Funktion des Ge-Gehaltes ist;
6A und 6B Handlungsschemas des Flächenwiderstands R als eine Funktion der Temperatur von Sb₈₅Ga₁₅ bzw. Sb₈₅Ga₁₅ sind; und
7 ein Querschnitt einer Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung und mit Bezug auf ein paar Tabellen ist, wobei:
Tabelle 1 Ausführungsformen des Phasenwechselmaterials, umfassend Te, das in der elektrischen Vorrichtung benutzt wird, zeigt;
Tabelle 2 die Kristallisierungstemperatur für verschiedene Zusammensetzungen zeigt;
Tabelle 3 Beispiele des Phasenwechselmaterials zeigt, das eine Zusammensetzung der Formel Sb_1-cM_c ist, wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,61 entspricht und M eines oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ist; und
Tabelle 4 minimale charakteristische Maße für die Phasenwechselmaterialien aus Tabelle 1 sind.
Die Figuren sind nicht maßstabtreu. Im Allgemeinen bezeichnen gleiche Bezugsziffern identische Komponenten.
Die elektrische Vorrichtung 1, die in 1 gezeigt ist, weist einen Körper 2 auf, der ein Substrat 10 umfasst, welches z. B. einen p-dotierten Einkristall-Siliziumhalbleiter-Wafer umfassen kann. Auf einer Hauptfläche des Substrats 10 ist ein Widerstand 7 in einem Dielektrikum 13, z. B. Siliziumoxid, eingebettet. Der Widerstand 7 umfasst ein Phasenwechselmaterial, das zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase gewechselt werden kann. Das Phasenwechselmaterial der elektrischen Vorrichtung 1 ist ein Schnellwachstumsmaterial, das vorzugsweise eine Kristallisierungsgeschwindigkeit von mindestens 1 m/s aufweist. In einer Ausführungsform des Phasenwechselmaterials ist eine Zusammensetzung der Formel Sb_1-cM_c, wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,61 entspricht und M eines oder mehrere Elemente ist, die aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ausgewählt ist. Vorzugsweise entspricht c 0,05 ≤ c ≤ 0,5. Noch besser entspricht c 0,10 ≤ c ≤ 0,5. Eine Gruppe vorteilhafter Phasenwechselmaterialien weist eines oder mehrere Elemente M auf, die nicht Ge und Ga sind, in Konzentrationen, die insgesamt kleiner als 25 Atomprozent sind und/oder insgesamt weniger als 30 Atomprozent von Ge und/oder Ga umfassen. Phasenwechselmaterialien, die mehr als 20 Atomprozent Ge und Ga umfassen und eines oder mehrere Elemente, ausgewählt aus In und Sn in Konzentrationen, die insgesamt zwischen 5 und 20 Atomprozent liegen, weisen eine relativ hohe Kristallisierungsgeschwindigkeit auf und gleichzeitig eine relativ hohe Stabilität der amorphen Phase.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial eine Zusammensetzung der Formel Sb_aTe_bX_100-(a+b), wobei a, b und 100 – (a + b) Atomprozente bezeichnen, die 1 ≤ a/b ≤ 8 und 4 ≤ 100 – (a + b) ≤ 22 entsprechen, und wobei X eines oder mehrere Elemente ist, das aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga und Zn ausgewählt ist. Das Phasenwechselmaterial kann z. B. Sb₇₂Te₂₀Ge₈ sein, wobei weitere Ausführungsformen der oben erwähnten Klasse von Phasenwechselmaterialien nachfolgend beschrieben werden. Der Widerstand 7 weist eine Oberfläche mit einem ersten Kontaktbereich 5 und einem zweiten Kontaktbereich 6 und einem elektrischen Widerstand R zwischen diesen beiden Kontaktbe reichen auf. Der elektrische Widerstand weist einen ersten Wert auf, wenn das Phasenwechselmaterial sich in der ersten Phase befindet und einen zweiten Wert, wenn das Phasenwechselmaterial sich in der zweiten Phase befindet. Das Phasenwechselmaterial kann durch Zerstäubung abgelagert werden, wie in „Phase-change media for high-numericalaperture and blue-wavelength recording" von H. J. Borg et al., Japanese Journal of Applied Physics, Band 40, Seiten 1592–1597, 2001 beschrieben.
Der Körper 2 umfasst ferner einen ersten Leiter 3 aus z. B. Titandisilizid (TiSi₂), der elektrisch mit dem ersten Kontaktbereich 5 verbunden ist, und einen zweiten Leiter 4 aus Titannitrid (TiN), der elektrisch mit dem Kontaktbereich 6 verbunden ist. Der erste Leiter 3 und der zweite Leiter 4 sind mit Metalllinien 8 bzw. 9 verbunden. Die Metalllinien 8 und 9 umfassen Wolfram und weisen Kontaktbacken 12 bzw. 11 auf; diese ermöglichen die Leitung eines Stroms durch den ersten Leiter 3, den zweiten Leiter 4 und den Widerstand 7 zum Erwärmen des Phasenwechselmaterials, um einen Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase zu ermöglichen. Für eine gute Stabilität der Schnittstelle an dem ersten Kontaktbereich 5 und dem zweiten Kontaktbereich 6 wird bevorzugt, dass das Phasenwechselmaterial im Wesentlichen frei von Te ist.
Um das Schaltverhalten der elektrischen Vorrichtung 1 zu charakterisieren, wurde eine Spannung U zwischen den Kontaktbacken 11 und 12 angelegt und der Strom I, der aufgrund dieser Spannung floss, wurde gemessen. Typische Ergebnisse derartiger Messungen sind in 2A und 2B gezeigt, in denen die durchgezogene Linie und die punktierte Linie die Spannung U bzw. den Strom I anzeigen.
Zur Messung von 2A war der Widerstand 7 anfänglich bei t = 0 in der amorphen Phase. Bei t = 50 ns wurde ein erster Spannungsimpuls von ungefähr 0,15 V angelegt, der zu keinem bedeutenden Strom I während dieses Spannungsimpulses führte. Dies veranschaulicht, dass das Phasenwechselmaterial des Widerstands 7 tatsächlich im amorphen Hochwiderstandszustand war. Bei t = 200 ns wurde ein zweiter Spannungsimpuls von ungefähr 0,5 V angelegt, der zu einem Strom I von 300 μA während dieses Spannungsimpulse führte. Hier war die zugeführte Spannung größer als die Durchschlagspannung und daher wird ein bedeutender Strom I erfasst. Bei t = 370 ns wurde ein dritter Spannungsimpuls, der im Wesentlichen identisch mit dem ersten Spannungsimpuls ist, angelegt, was zu einem erfassbaren Strom I von ungefähr 80 μA führte. Dies zeigt, dass das Phasenwechselmaterial sich in einer kristallineren Phase mit einem niedrigeren Widerstand während des dritten Spannungsimpulses befindet. Der durch den Widerstand 7 geführte Strom während des zweiten Spannungsimpulses reichte aus, um das Phasenwechselmaterial zu erwärmen, um den Übergang von der amorphen Phase zur kristallinen Phase zu fördern.
Zur Messung von 2B war der Widerstand 7 anfänglich bei t = 0 in der kristallinen Phase. Bei t = 50 ns wurde ein vierter Spannungsimpuls, der im Wesentlichen mit dem ersten Spannungsimpuls identisch ist, angelegt, was zu einem erfassbaren Strom I von ungefähr 80 μA führte. Dies zeigt, dass das Phasenwechselmaterial sich in einer kristallineren Phase mit einem niedrigeren Widerstand analog zur Situation am dritten Spannungsimpuls befindet. Bei t = 200 ns wurde ein fünfter Spannungsimpuls von ungefähr 0,8 V angelegt, was zu einem Strom I von 700 μA während dieses Spannungsimpulses führte. Hier war die angelegte Spannung groß genug, um die kristalline Phase zu schmelzen und das Auskühlen der geschmolzenen amorphen Phase geschah schnell genug, um das Phasenwechselmaterial in einer amorphen Phase einzufrieren. Infolgedessen führt ein sechster Spannungsimpuls, der im Wesentlichen identisch mit dem ersten Spannungsimpuls ist, der bei t = 370 ns bereitgestellt wurde, nicht mehr zu einem erfassbaren Strom I.
Die Spannungsimpulse wiesen jeweils eine Dauer von 10 ns auf. Die Ergebnisse von 2A und 2B zeigen, dass die elektrische Vorrichtung 1 nach der Erfindung von der amorphen Phase zur kristallinen Phase und von der kristallinen Phase zur amorphen Phase geschaltet werden kann, wobei die Schaltzeit von höchstens 10 ns betrug, was ungefähr ein Faktor von 3 bis 5 schneller als derjenige der bekannten elektrischen Vorrichtung ist.
Das elektrische Ausfallverhalten der elektrischen Vorrichtung 1 nach der Erfindung und dasjenige der bekannten elektrischen Vorrichtung werden in 3 verglichen. Für beide Vorrichtungen wird der Strom I als eine Funktion der angelegten Spannung U gemessen. Zu Beginn der Messungen war das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase. Eine Spannung von 0,1 V wurde an die Vorrichtungen angelegt, was in einem geringen Strom I resultierte. Darauffolgend wurde die Spannung erhöht und für jede Spannung wur de der entsprechende Storm gemessen.
Bei der elektrischen Vorrichtung 1 nach der Erfindung geschah der Ausfall ungefähr bei U_bd = 0,45 V, was zu einem im Wesentlichen erhöhten Strom I führte. In der bekannten elektrischen Vorrichtung geschah der Ausfall bei ungefähr U_bd = 0,6 V. Eine weitere Erhöhung der Spannung U resultiert in einem linear zunehmenden Strom 1. Der entsprechende Differenzwiderstand für Spannungen U, die größer als die Durchschlagspannung U_bd sind, wir mit R_bd bezeichnet. Das Ergebnis, das in 3 gezeigt ist, stellt dar, dass die elektrische Vorrichtung 1 nach der Erfindung eine geringere Durchschlagspannung als die bekannte elektrische Vorrichtung aufweist.

Wenn das Phasenwechselmaterial eine Zusammensetzung der Formel Sb_aTe_bX_100-(a+b) ist, wobei a, b und 100 – (a + b) Atomprozente bezeichnen, welche 1 ≤ a/b ≤ 8 und 4 ≤ 100 – (a + b) ≤ 22 entsprechen und X eines oder mehrere Elemente ist, welche aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga und Zn ausgewählt ist, wobei die Kristallisierungsgeschwindigkeit des Phasenwechselmaterials, das in der elektrischen Vorrichtung 1 benutzt wird, abgestimmt werden, indem das Verhältnis von Sb/Te, wie in 4 gezeigt, variiert wird. Die Kristallisierungsgeschwindigkeit ist 1 m/s oder mehr und sie nimmt ungefähr linear zu, wenn die Menge an Sb hinsichtlich der Menge an Te zunimmt. Das Phasenwechselmaterial der elektrischen Vorrichtung 1 nach der Erfindung umfasst Sb und Te in einem Verhältnis Sb/Te, das größer als 1 und kleiner als 8 ist. Vorzugsweise ist das Verhältnis kleiner als 4, weil für größere Verhältnisse die Kristallisierungsgeschwindigkeit über ungefähr 4,5 m/s liegt. In vielen Fällen ist es dann unmöglich eine amorphe Phase zu erhalten, weil sich das Phasenwechselmaterial kristallisiert, bevor es auf unter die Kristallisierungstemperatur abgekühlt wird. Das Phasenwechselmaterial umfasst ferner 4 bis 22 Atomprozent eines Elements X, das aus Ge, In, Ag, Ga und Zn gewählt ist. Das Element X kann eines oder mehrere dieser Elemente umfassen. Beispiele dieser Art von Phasenwechselmaterial sind in Tabelle 1 gegeben. Die Kristallisierungsgeschwindigkeit des Phasenwechselmaterials liegt über 1 m/s und nimmt zu, während das Verhältnis Sb/Te zunimmt, unabhängig von der Wahl des Elements X und seiner Konzentration.

Sb/Te	Ge	In	Ag	Zn	Ga	Zusammensetzung
3,6	8					Sb₇₂Te₂₀Ge₈
1,7	15					Sb₅₄Te₃₁Ge₁₅
1,5	15					Sb₅₁Te₃₄Ge₁₅
1,7	10					Sb₅₇Te₃₃Ge₁₀
3,6			8			Sb₇₂Te₂₀Ag₈
3,6					8	Sb₇₂Te₂₀Ga₈
5,1					8	Sb₇₇Te₁₅Ga₈
3,6		8				Sb₇₂Te₂₀In₈
4		5				Sb₇₆Te₁₉In₅
4		10				Sb₇₂Te₁₈In₁₀
3,6	6			2		Sb₇₂Te₂₀Ge₆Zn₂2
3,6	6	2				Sb₇₂Te₂₀Ge₆In₂
3,6	2	7				Sb₇₂Te₁₉Ge₂In₇
3,6		4			4	Sb₇₂Te₂₀Ga₄In₄
3,3	1				4	Sb₇₃Te₂₂Ge₁Ga₄
3,3	2				3	Sb₇₃Te₂₂Ge₂Ga₃
6,7	8					Sb₈₀Te₁₂Ge₈
8	10					Sb₈₀Te₁₀Ge₁₀
4,5	11					Sb₇₃Te₁₆Ge₁₁

Tabelle 1: Beispiele des Phasenwechselmaterials sind eine Zusammensetzung der Formel Sb_aTe_bX_100-(a+b), wobei a, b und 100 – (a + b) Atomprozente bezeichnen, die 1 ≤ a/b ≤ 8 und 4 ≤ 100 – (a + b) ≤ 22 entsprechen, und wobei X eines oder mehrere Elemente ist, das aus Ge, In, Ag, Ga und Zn ausgewählt ist. Ge, In, Ag und Ga bezeichnen die Atomprozente dieser Elemente, welche in dem Phasenwechselmaterial umfasst sind, wobei Sb/Te das Verhältnis des Atomprozentes von Sb und Te bezeichnet.
Wenn das Phasenwechselmaterial eine Zusammensetzung der Formel Sb_1-cM_c ist, wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,61 entspricht, und M Ge umfasst, kann die Kristallisierungsgeschwin digkeit des Phasenwechselmaterials, das in der elektrischen Vorrichtung 1 benutzt wird, abgestimmt werden, indem der Gehalt and Ge, wie in 5 gezeigt, variiert wird Das Phasenwechselmaterial ist eine Zusammensetzung der Formel Sb_1-cM_c, wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,61 entspricht und M eines oder mehrere Elemente ist, das aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ausgewählt ist, wobei sie Kristallisierungstemperaturen aufweisen, in Tabelle 2 gezeigt, die typischerweise bei 50–100°C oder mehr als jene der Zusammensetzungen nahe der Querverbindung GeTe-Sb₂Te₃ liegen.

Weitere Vorteile dieser Materialien bestehen darin, dass die hohe Kristallisierungstemperatur relativ hoch ist und dass der Flächenwiderstand der kristallinen Phase bei Temperaturen bis zu 400°C im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur ist.

Verbindung	T_c (wie amorph abgelagert) (°C)	T_c (amorphe Markierung in kristalliner Schicht) (°C)
Ga₁₀Sb₉₀	210	165
Ga₁₇Sb₈₃	233	210
Ga₃₀Sb₇₀	251
Ge₁₂Sb₈₈	235	154
Ge₁₅Sb₈₅	250	208
Ge₂₂Sb₇₈	271	246
Ge₃₀Sb₇₀	281
Ge₅In₂₀Sb₈₅	200	134
Ga₂₀In₁₅Sb₆₅	215	190
Ge₁₅Sn₂₀Sb₆₅	212	180

Tabelle 2: Kristallisierungstemperatur für verschiedene Zusammensetzungen des Phasenwechselmaterials.

Das Phasenwechselmaterial ist eine Zusammensetzung der Formel Sb_1-cMc, wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,61 entspricht und M eines oder mehrere Elemente ist, das aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ausgewählt ist, wobei sie einen Flächenwiderstand R aufweisen, der in 6A und 6B für Sb₈₅Ga₁₅ bzw. Sb₈₅Ge₁₅ gezeigt ist, der sich nach der Kristallisierung um mindestens zwei Größenordnungen ändert.

c	M	Zusammensetzung
0,15	Ge	Sb₈₅Ge₁₅
0,15	In	Sb₈₅In₁₅
0,15	Ga	Sb₈₅Ga₁₅
0,12	Ge	Sb₈₈Ge₁₂
0,22	Ge	Sb₇₈Ge₂₂
0,15	In, Ga	Sb₈₅In₁₀Ga₅
0,08	Ge	Sb₉₂Ge₈
0,1	Ga	Sb₉₀Ga₁₀
0,15	In, Ge	Sb₈₅In₁₀Ge₅
0,15	In, Ga	Sb₈₅In_7,5Ga_7,5
0,2	In	Sb₈₀In₂₀
0,35	Ge, Sn	Sb₆₅Ge₁₅Sn₂₀
0,55	Ge, Sn	Sb₄₅Ge₂₅Sn₃₀
0,3	Ge	Sb₇₀Ge₃₀
0,3	Ga	Sb₇₀Ga₃₀
0,5	Ga, Sn	Sb₅₀Ga₂₅Sn₂₅
0,5	In, Ge	Sb₅₁In₂₀Ge₂₉
0,35	Zn, Ge, In	Sb₆₅Ge₂₀In₁₀Zn₅
0,35	Ag, Ge, In	Sb₆₅Ge₂₀In₁₀Ag₅
0,35	In, Ge, Sn	Sb₆₅Ge₂₀Sn₁₀In₅

Tabelle 3: Beispiele des Phasenwechselmaterials sind eine Zusammensetzung der Formel Sb_1-cM_c wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,61 entspricht und M eines oder mehrere Elemente ist, das aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Zn und Sn ausgewählt ist.
In einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung, die in 7 gezeigt ist, ist die elektrische Vorrichtung 100 im Körper 101 gebildet, umfassend ein Halbleiter substrat 102, das analog zum Substrat 10 aus 1 ist. Es umfasst eine N × M Anordnung von Speicherzellen, wobei die Anordnung mit derjenigen identisch ist, die aus WO-A 00/57498 bekannt ist, siehe insbesondere 4 jener Patentanmeldung. Hier sind N und M ganze Zahlen. Jede Speicherzelle umfasst ein entsprechendes Speicherelement 103 und eine entsprechende Wahlvorrichtung 104. In der Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, umfasst jede Speicherzelle zwei unabhängige Speicherelemente 103A und 103B. Der erste Leiter 130A, der zweite Leiter 270A, der Widerstand 250 und die Schichten 127A und 128 machen das Speicherelement 103A aus und der erste Leiter 130B, der zweite Leiter 270B, der Widerstand 250 und die Schichten 127B und 128 machen das Speicherelement 103B aus. Mit anderen Worten teilen sich die Speicherelemente 103A und 103B denselben Widerstand 250 und dieselbe Schicht 128. In einer anderen Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, ist die Schicht 128 weggelassen und die Schicht 250 ist in direktem Kontakt mit der Schicht 260. In noch einer weiteren Ausführungsform, die auch nicht gezeigt ist, sind die Schicht 127A und/oder 127B weggelassen.
Der Widerstand 250 umfasst eines der oben beschriebenen Phasenwechselmaterialien. Er weist eine Oberfläche mit ersten Kontaktbereichen 132A und 132B und zweiten Kontaktbereichen 272A und 272B auf. Als Teil des Speicherelements 103A weist der Widerstand 250 einen elektrischen Widerstand zwischen dem ersten Kontaktbereich 132A und dem zweiten Kontaktbereich 272A auf, der einen ersten Wert aufweist, wenn das Phasenwechselmaterial sich in der ersten Phase befindet, und einen zweiten Wert, wenn das Phasenwechselmaterial sich in der zweiten Phase befindet. Als Teil des Speicherelements 103B weist der Widerstand 250 einen elektrischen Widerstand zwischen dem ersten Kontaktbereich 132B und dem zweiten Kontaktbereich 272B auf, der einen ersten Wert aufweist, wenn das Phasenwechselmaterial sich in der ersten Phase befindet, und einen zweiten Wert, wenn das Phasenwechselmaterial sich in der zweiten Phase befindet.
Die Kontaktbereiche 132A und 132B sind kleiner oder gleich den zweiten Kontaktbereichen 272A bzw. 272B. Die ersten Kontaktbereiche 132A und 132B weisen jeweils ein charakteristisches Maß d auf. In einer Ausführungsform sind die Atomprozente a und b von Sb bzw. Te kleiner als d/3, wobei d in nm ist. Für ein gegebenes Verhältnis a/b bedingt dies, dass das minimale charakteristische Maß der ersten Kontaktbereichs 132 d_min,1 = 6·a/b ist, wobei d in nm ist. Typische Werte von d_min,1 für verschiedene Verhältnisse von a/b sind in Tabelle 4 gegeben.
Wenn das amorphe Volumen sich über den ersten Kontaktbereich hinaus erstreckt, kann das erste minimale charakteristische Maß des ersten Kontaktbereichs 132 auf d_min,2 = 3·a/b nachgelassen werden, wobei d in nm ist. Typische Werte sind auch in Tabelle 4 gezeigt.

Sb/Te d_min,1 (nm) d_min,2 (nm)

1,5 9 4,5

1,7 10,2 5,1

3,3 19,8 9,9

3,6 21,6 10,8

4 24 12

4,5 27 13,5

5,1 30,6 15,3
Tabelle 4: Das minimale charakteristische Maß einer elektrischen Vorrichtung 1, bei der das Phasenwechselmaterial sich nicht über den ersten Kontaktbereich 132 hinaus erstreckt und bei der es sich bis ungefähr um das zweifache charakteristische Maß des Kontaktbereichs erstreckt. Im ersten Fall ist das minimale zulässige Maß d_min,1, im letztgenannten ist es d_min,2.
Die ersten Leiter 130A und 130B sind elektrisch mit den ersten Kontaktbereichen 132A bzw. 132B verbunden. Die zweiten Leiter 270A und 270B sind elektrisch mit den zweiten Kontaktbereichen 272A bzw. 272B verbunden. Der erste Leiter 130A, der zweite Leiter 270B und der Widerstand 250 können einen Strom zur Erwärmung des Phasenwechselmaterials leiten, um einen Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase zu ermöglichen, wodurch der elektrische Widerstand des ersten Speicherelements 103A geändert wird. Analog dazu können der erste Leiter 130B, der zweite Leiter 270B und der Wi derstand 250 einen Strom leiten, um das Phasenwechselmaterial zu erwärmen, um einen Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase zu ermöglichen, wodurch der elektrische Widerstand des zweiten Speicherelements 103B geändert wird.
Wie in der Ausführungsform in 7 gezeigt, stellt eine Schicht 260 dielektrischen Materials die elektrische Isolierung zwischen dem Widerstand 250 und der Ausgangslinie 271 bereit, sodass der Widerstand 250 mit der Ausgangslinie 271 nur über die zweiten Leiter 270A und 270B verbunden ist. Die dielektrische Schicht 140 isoliert den ersten Leiter 130A gegenüber dem ersten Leiter 130B. Eine dielektrische Schicht 180, die Borphosphosilikat (BPSG) umfassen kann, wird auf der elektrischen Vorrichtung 100 abgelagert.
Analog zur elektrischen Vorrichtung, die aus WO-A 00/57498 bekannt ist, sind die ersten Leiter 130A und 130B leitfähige Seitenwand-Abstandshalter, die auch als leitfähige Abstandshalter bezeichnet werden, welche entlang der Seitenwandflächen 126S der dielektrischen Bereich 126 gebildet sind. Die Kontaktbereiche zwischen dem Widerstand 250 und den ersten Leitern 130A und 130B sind der erste Kontaktbereich 132A bzw. 132B. Daher ist die einzige elektrische Kupplung zwischen dem Widerstand 250 und den ersten Leitern 130A und 130B durch den gesamten oder einen Abschnitt des ersten Kontaktbereichs 132A bzw. 132B. Der Rest der ersten Leiter 130A und 130B elektrisch von dem Widerstand 250 durch dielektrische Schichten 126 und 140 isoliert.
Als Alternative dazu kann der erste Leiter 130A und/oder 130B als leitfähiger Seitenwand-Abstandshalter gebildet sein, indem übereinstimmend eine oder mehrere Kontaktschichten auf die Seitenwandfläche oder -flächen einer Bohrung, wie aus WO-A 00/57498 bekannt, abgelagert wird/werden. Die Bohrung kann rund, quadratisch, rechteckig oder unregelmäßig gebildet sein. Die leitfähigen Seitenwand-Abstandshalter können auch gebildet werden, indem übereinstimmend eine oder mehrere Kontaktschichten auf den Seitenwandflächen einer Säule oder Mesa abgelagert wird/werden. Der verbleibende Raum im Bohrloch wird mit einer Schicht dielektrischen Materials gefüllt.
In der elektrischen Vorrichtung 100, die in 7 gezeigt ist, ist das Phasenwechselmaterial des Widerstands 250 in direktem Kontakt mit den Kristallisierungsschichten 127A, 127B und 128, wobei jeweils jede eine Kristallstruktur aufweist. Die Kristallisierungsschicht weist eine Kristallstruktur auf. Sie kann ein Leiter, ein Halbleiter oder ein Dielektrikum sein. Sie kann z. B. PbTe, Ag₂Te, CrTe Pb, Ge und Si umfassen. Sie weist eine Dicke von zwischen 2 und 100 nm auf. Die Kristallisierungsschichten 127A und 127B sind in direktem Kontakt mit dem ersten Kontaktbereich 132A bzw. 132B. Die Kristallisierungsschicht 128 ist in direktem Kontakt mit dem zweiten Kontaktbereich 272A und 272B. Die Kristallisierungsschicht 127B ist dielektrisch leitfähig und verbindet den ersten Kontaktbereich 132B elektrisch mit dem zweiten Kontaktbereich 272B. Die Kristallisierungsschicht 127B macht einen elektrischen Bypass aus, der parallel zum Phasenwechselmaterial angeordnet ist.
Der Körper 101 umfasst ein Gitter Wahllinien, umfassend N erste Wahllinien 190, M zweite Wahllinien 120 und eine Ausgangslinie 271, sodass auf jede Speicherzelle einzeln über die jeweiligen Wahllinien 120 und 190, die mit der entsprechenden Wahlvorrichtung 104 verbunden sind, zugegriffen werden kann. Jedes der Speicherelemente 103A und 103B der elektrischen Vorrichtung 100 ist elektrisch an eine Wahlvorrichtung 104 gekoppelt, die ein MOSFET ist, und genauer ein NMOS-Transistor. Der MOSFET weist n-dotierte Quellenregionen 110, n-dotierte Ablaufregionen 112 und Gatterregionen 118 auf. Die Quellenregionen 110 und die Ablaufregionen 112 können mehr als einen Abschnitt von n-dotiertem Material umfassen, und zwar einen leicht dotierten n-Abschnitt und einen schwerer dotierten n⁺-Abschnitt.
Die n-dotierten Quellenregionen 110 und Ablaufregionen 112 sind durch Kanalregionen 114 getrennt. Die Gatterregionen 118, die über den Kanalregionen 114 gebildet sind, steuern den Stromfluss von den Quellenregionen 110 zu den Ablaufregionen 112 durch die Kanalregionen 114. Die Gatterregionen 118 umfassen vorzugsweise eine Schicht Polysilizium. Die Gatterregionen 118 sind von den Kanalregionen 114 durch die dielektrischen Regionen 116 getrennt.
Kanalstoppregionen 113 sind in den n-dotierten Ablaufregionen 112 gebildet, wobei sie zwei benachbarte, elektrisch isolierte Ablaufregionen 112 für separate NMOS-Transistoren erzeugen. Im Allgemeinen weisen die Kanalstoppregionen 113 eine Art Leit fähigkeit auf, die derjengen der Quellen- und Ablaufregionen 110, 112 entgegengesetzt ist. In der gezeigten NMOS-Ausführungsform umfassen die Kanalstoppregionen 113 p-dotiertes Silizium.
Über den Gatterregionen 118 sind Wahllinien 120 gebildet, die vorzugsweise Schichten aus Wolframsilizid umfassen. Die Wahllinien 120 werden benutzt, um das elektrische Signal an die Gatterregionen 118 zu liefern. Über den Wahllinien 120 sind dielektrische Regionen 122 gebildet, welche die Wahllinien 120 gegenüber benachbarten Regionen der elektrischen Vorrichtung 100 isolieren. Die Stapel an Schichten 116, 118, 120 werden zusammen als die Gatterstapel bezeichnet. Die dielektrischen Regionen 126 sind auf den Seitenwandflächen der Gatterstapel gebildet.
Die Wahllinien 190 sind auf den oberen Isolierregionen 180 gebildet. Die Wahllinien 190 können aus einem leitfähigen Material wie etwa Aluminium oder Kupfer gebildet sein. Wolframbacken 144 verbinden die Wahllinien 190 elektrisch mit den Ablaufregionen 110. Es sei bemerkt, dass in der bestimmten, in 2 gezeigten Ausführungsform, zwei NMOS-Transistoren sich jeweils eine Wolframbacke 144 teilen. Eine Schicht Titansilizid (nicht gezeigt) kann auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats gebildet sein, um die Leitfähigkeit zwischen dem Substrat 102 und den leitfähigen Seitenwand-Abstandshaltern 130A und 130B und zwischen dem Substrat 102 und den leitfähigen Backen 144 zu verbessern. Die leitfähigen Backen 144 sind elektrisch gegenüber den Gatterstapeln mittels dielektrischen Schichten 126 isoliert.
Die ersten Leiter 130A und 130B des Speicherelements 103A bzw. 103B sind elektrisch mit einer ersten Region verbunden, die aus der Quellenregion 110 und der Ablaufregion 112 des entsprechenden Feldeffekttransistors in MOS-Technik ausgewählt ist. In der Ausführungsform von 7 ist die erste Region die Ablaufregion 112. Der zweite Leiter 270 jedes Speicherelements 103A und 103B ist elektrisch mit der Ausgangslinie 271 verbunden, die z. B. dasselbe Material wie der zweite Leiter 270 umfassen kann. Eine zweite Region des entsprechenden Feldeffekttransistors in MOS-Technik, der aus der Quellenregion 110 und der Ablaufregion 112 ausgewählt ist und der nicht mit der ersten Region in Kontakt ist, ist elektrisch mit einer der N ersten Wahllinien 190 verbunden. Die Gatterregi on 116 ist elektrisch mit einer der M zweiten Wahllinien 120 verbunden.
In einer alternativen Ausführungsform weist die elektrische Vorrichtung eine Struktur wie in einer der Figuren in WO-A1-02/09206 gezeigt oder wie in der Beschreibung von WO-A1-02/09206 offenbart, auf.
Die elektrische Vorrichtung nach der Erfindung wird vorteilhafterweise in einem elektrischen Gerät, wie etwa z. B. einem Computer, einem Fernsehempfänger oder einem Mobiltelefon benutzt, umfassend einen Prozessor z. B. zur Datenverarbeitung, wobei mit diesem Prozessor ein Speicher zum Speichern von Informationen gekoppelt ist. Das elektrische Gerät umfasst ferner eine Anzeige, die mit einem Ausgangsterminal gekoppelt ist.
Zusammenfassend weist die elektrische Vorrichtung 1, 100 einen Körper 2, 101 mit einem Widerstand 7, 250 auf, umfassend ein Phasenwechselmaterial, das zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase gewechselt werden kann. Der Widerstand 7, 250 weist einen elektrischen Widerstand auf, der davon abhängt, ob das Phasenwechselmaterial sich in der ersten Phase oder in der zweiten Phase befindet. Der Widerstand 7, 250 kann einen Strom leiten, um einen Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase zu ermöglichen. Das Phasenwechselmaterial ist ein Schnellwachstumsmaterial, das eine Zusammensetzung der Formel Sb_1-cM_c sein kann, wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,61 entspricht und M eines oder mehrere Elemente ist, das aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ausgewählt ist oder eine Zusammensetzung der Formel Sb_aTe_bX_100-(a+b) ist, wobei a, b und 100 – (a + b) Atomprozente bezeichnen, die 1 ≤ a/b ≤ 8 und 4 ≤ 100 – (a + b) ≤ 22 entsprechen, und wobei X eines oder mehrere Elemente ist, das aus Ge, In, Ag, Ga und Zn gewählt ist.
Es sei bemerkt, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen die Erfindung darstellen anstatt einschränken und dass der Fachmann viele alternative Ausführungsformen konzipieren kann, ohne den Bereich der angehängten Ansprüche zu verlassen. In den Ansprüchen sollen jegliche Bezugsziffern, die in Klammern gesetzt sind, nicht als den Anspruch einschränkend angesehen werden. Der Begriff „umfassend" schließt nicht die Anwesenheit von Elementen oder Schritten außer denjenigen, die in einem Anspruch aufgelistet sind, aus. Das Wort „ein" oder „eine", das einem Element vorangestellt ist, schließt nicht die Anwesenheit mehrerer derartiger Elemente aus.

Claims

Elektrische Vorrichtung (100) mit einem Körper (101), der einen Widerstand (250) aufweist, umfassend ein Phasenwechselmaterial, das zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase gewechselt werden kann, wobei der Widerstand (250) einen elektrischen Widerstand aufweist, der davon abhängt, ob das Phasenwechselmaterial sich in der ersten Phase oder in der zweiten Phase befindet, wobei der Widerstand (250) einen Strom führen kann, um einen Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase zu ermöglichen, wobei das Phasenwechselmaterial ein Schnellwachstumsmaterial ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial des Widerstands (250) in direktem Kontakt mit einer Kristallisierungsschicht (127, 128) ist, um den Übergang von einer amorphen Phase zu einer kristallinen Phase zu beschleunigen.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial eine Kristallisierungsgeschwindigkeit von mindestens 1 m/s aufweist.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial eine Zusammensetzung der Formel Sb_1-cM_c ist, wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,61 entspricht und M eines oder mehrere Elemente ist, das aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ausgewählt ist.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei c 0,05 ≤ c ≤ 0,5 entspricht.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei c 0,10 ≤ c ≤ 0,5 entspricht.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial im Wesentlichen frei von Te ist.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei das Phasenwechselmaterial Ge und/oder Ga in Konzentrationen umfasst, die insgesamt zwischen 5 und 35 Atomprozent liegen.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei das Phasenwechselmaterial In und/oder Sn in Konzentrationen umfasst, die insgesamt zwischen 5 und 30 Atomprozent liegen.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial eine Zusammensetzung der Formel Sb_aTe_bX_100-(a+b) ist, wobei a, b und 100 – (a + b) Atomprozente bezeichnen, welche 1 ≤ a/b ≤ 8 und 4 ≤ 100 – (a + b) ≤ 22 entsprechen und X eines oder mehrere Elemente ist, das aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Zn und Sn gewählt ist.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei das Phasenwechselmaterial mindestens 10% und weniger als 22% Ge umfasst.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei der Widerstand (250) einen ersten Kontaktbereich (132) und einen zweiten Kontaktbereich (272) umfasst, wobei der ersten Kontaktbereich (132) kleiner oder gleich dem zweiten Kontaktbereich ist (272), wobei der erste Kontaktbereich (132) ein charakteristisches Maß d (in nm) aufweist, wobei d größer als 6·a/b ist.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Kristallisierungsschicht (127, 128) in direktem Kontakt mit dem ersten Kontaktbereich (132) und/oder in direktem Kontakt mit dem zweiten Kontaktbereich (272) ist.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Widerstand (250), ein erster Leiter (130) und ein zweiter Leiter (270), die elektrisch mit dem Wider stand (250) verbunden sind, ein Speicherelement (103) ausmachen, und wobei der Körper (101) umfasst: – eine Anordnung von Speicherzellen, wobei jede Speicherzelle ein jeweiliges Speicherelement (103) und eine jeweilige Wahlvorrichtung (104) umfasst, und – ein Gitter aus Wahllinien (120, 190), wobei auf jede Speicherzelle einzeln über die jeweiligen Wahllinien (120, 190), die mit der jeweiligen Wahlvorrichtung (104) verbunden sind, zugegriffen werden kann.
Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei: – die Wahlvorrichtung (104) einen Feldeffekttransistor in MOS-Technik umfasst, welcher eine Quellenregion (110), eine Ablaufregion (112) und eine Gatterregion (116) aufweist, und – das Gitter aus Wahllinien N erste Wahllinien (119), M zweite Wahllinien (120), wobei N und M ganze Zahlen sind, und eine Ausgangslinie (271) umfasst, wobei der erste Leiter (130) jedes Speicherelements (103) elektrisch mit einer ersten Region verbunden ist, die aus der Quellenregion (110) und der Ablaufregion (112) des entsprechenden Feldeffekttransistors in MOS-Technik ausgewählt ist, wobei der zweite Leiter (270) jedes Speicherelements (103) elektrisch mit der Ausgangslinie (271) verbunden ist, wobei eine zweite Region des entsprechenden Feldeffekttransistors in MOS-Technik aus der Quellenregion (110) und der Ablaufregion (112) ausgewählt ist und die frei von der ersten Region ist, welche elektrisch mit einer der N ersten Wahllinien (190) verbunden ist, wobei die Gatterregion (116) elektrisch mit einer der M zweiten Wahllinien (120) verbunden ist.
Elektrisches Gerät, umfassend einen Prozessor, einen Speicher, der mit dem Prozessor gekoppelt ist, und eine Anzeige, die mit einem Ausgangsterminal des Prozessors gekoppelt ist, wobei der Speicher eine elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst.