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Die vorliegende Erfindung betrifft
Halbleiterspeicherbauteile, die mit Silizium angereicherte, amorphe
Siliziumlegienangsspeicherelemente umfassen, die durch Strom-induzierte
Leitfähigkeit
elektrisch programmierbar sind.
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Ein Halbleiterspeicherbauteil der
obigen Art wird in PCT WO 96/19837 beschrieben. Die Speicherelemente
in diesem Bauteil umfassen eine Schicht hydrierten, mit Silizium
angereicherten, amorphen Siliziumlegierungsmaterials, welches wenigstens
ein anderes Element zusätzlich
zu Wasserstoff und Silizium, zum Beispiel Stickstoff oder Kohlenstoff,
umfasst, wobei das Material zwischen einem Paar von elektrisch leitenden
Kontaktschichten eingelegt ist. Das Speicherelement wird durch Induzieren
eines Defektbands durch einen ganzen Bereich der amorphen Siliziumlegierungsschicht
programmiert, zum Beispiel durch elektrische Strombelastung, welche
die Aktivierungsenergie für
den Transport von Ladungsträgern
in der Schicht um einen ausgewählten
Betrag, der verändert
werden kann, herabsetzt. Durch Maßschneidern dieses Defektbandes
oder genauer der Konzentration und Verteilung der Energien der Mängel im
Defektband kann das Ausmaß des
Absenkens des Aktivierungsenergieniveaus des Elements selektiv eingestellt
werden, um das Element zu programmieren. Das Speicherelement ist
tatsächlich
ein analoges Speicherelement, da das Ausmaß des Aktivierungsenergieherabsetzens
aus einem mehr oder weniger kontinuierlichen Bereich und nicht nur
von genau zwei Zuständen ausgewählt werden
kann. Die Speicherelemente unterscheiden sich von anderen bekannten
Dünnfilmspeicherelementen,
die amorphes Siliziumlegierungsmaterial der sogenannten Fadenart
einsetzen, in welchen ein lokalisierter Fadenbereich durch einen sogenannten
Ausbildungsvorgang hergestellt wird, welcher, wie angenommen wird,
einen oberen Metallkontakt veranlasst, in die dotierte amorphe Siliziumschicht
zu diffundieren, insofern als ihr Aufbau und Betrieb nicht die Anwesenheit
von Fäden
erfordert noch von deren Anwesenheit abhängt. Eher führt das induzierte Defektband
dazu, dass das Element einen durch Menge gesteuerten Effekt aufweist,
der proportional zu seiner Fläche
ist. Diese Speicherelemente sind in höchstem Maße reproduzierbar und sind
in der Lage über
einen vergleichsweise weiten Bereich, zum Beispiel um drei Größenordnungen
oder mehr, programmiert zu werden. Wenn die Speicher elemente in
einer Matrix auf einem gewöhnlichen
Substrat unter Einsatz herkömmlich
abgelagerter Schichten hergestellt werden, ist das Verhalten der
einzelnen Speicherelemente in höchstem
Maß vorhersagbar und ähnlich.
Die zuvor erwähnte
Patentschrift PCT WO 96/19837 beschreibt Ausführungsformen von Speicherbauteilen,
die Matrizen solcher Speicherbauteile umfassen. Die Speicherelemente
sind in einem 2D-Matrixgitter auf einem Substrat angeordnet und
werden mittels sich kreuzender Sätze
von Reihen- und Spaltenleitern adressiert, wobei die einzelnen Speicherelemente
an den entsprechenden Kreuzungspunkten der Reihen- und Spaltenadressleiter definiert
werden. Die Matrix der Speicherelemente wird durch Ablagern einer
Schicht leitenden Materials auf einem Substrat, durch photolithographisches Musterausbilden
bei dieser Schicht, um einen Satz von Adressleitern zu definieren,
durch Ablagern einer ununterbrochenen Schicht von amorphem Siliziumlegierungsmaterial über diese
Leiter und durch darauffolgendes Ablagern einer weiteren Schicht
leitenden Materials über
der amorphen Siliziumlegierungsschicht und durch photolithographisches
Musterausbilden bei dieser Schicht, um den anderen Satz von Adressleitern
zu definieren, hergestellt. Eine Mehrzahl von 2D-Matrizen von Speicherelementen,
die übereinander
gestapelt sind, wird in weiterer Folge auf diese Weise hergestellt,
um einen Speichermatrixbauteil mit vielen Ebenen herzustellen, wobei
jede Matrix Sätze
von Adressleitern aufweist. Ein Satz von Adressleitern, der einer
Matrix zugeordnet ist, kann auch als ein Satz von Adressleitern
für eine
benachbarte Matrix dienen. In diesem Aufbau ist daher jedes Speicherelement
in einer Matrix einzeln adressierbar und jede Matrix der Speicherelemente
ist getrennt adressierbar. Die Speicherkapazität des Speicherbauteils ist
daher durch die Anzahl der Speicherelemente in jeder Matrix und
die Anzahl der Matrizen bestimmt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen verbesserten Speicherbauteil bereitzustellen, der
die oben beschriebene Art von Speicherelementen verwendet.
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Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Speicherbauteil bereitzustellen, der die oben beschriebene
An von Speicherelementen verwendet, der eine vergleichsweise große Kapazität aufweist
und der auf einfache und wenig teure Art hergestellt werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Halbleiterspeicherbauteil bereitgestellt, der eine Vielzahl
von Speicherelementen umfasst, wobei jedes Element ein hydriertes,
mit Silizium angereichertes, amorphes Siliziumlegierungsmaterial
zwischen einem Paar von Kontakten umfasst, wobei der Bauteil dadurch
gekennzeichnet ist, dass er eine Schicht des amorphen Siliziumlegierungsmaterials,
Sätze von Eingabe-
und Ausgabekontakten auf gegenüberliegenden
Seiten der Schicht und einzelne leitende Elemente umfasst, die in
der Schicht angeordnet sind und die für jeden Eingabekontakt programmierbare leitende
Bahnen zwischen dem Eingabekontakt und einer Mehrzahl von Ausgabekontakten
definieren. Mit diesem Aufbau steht ein dreidimensionales Netzwerk
von Speicherelementen zur Verfügung.
Paare der leitenden Elemente innerhalb der Schicht und mit einem
geeignet kleinen Abstand zueinander können zusammen mit dem Legierungsmaterial,
das dazwischen angeordnet ist, ein Speicherelement darstellen, welches
durch Strom-induzierte Leitfähigkeit
programmierbar ist. In ähnlicher
Weise kann ein Speicherelement durch einen Eingabe- oder Ausgabekontakt
gemeinsam mit einem leitenden Element innerhalb der Schicht und
dem Bereich von Legierungsmaterial, das sie trennt, aufgebaut sein.
Wenn Spannungen an die Eingabe- und Ausgabekontakte angelegt werden,
werden elektrische Strombahnen durch die Schicht erzeugt, wobei
die leitenden Elemente als Knoten wirken und zusammen mit dem dazwischen
liegenden Legierungsmaterial programmierte Speicherelemente bilden,
und zwar durch das Phänomen
von Strom-induzierter Leitfähigkeit,
welches die Erzeugung von Defekten im mit Silizium angereicherten,
amorphen Siliziumlegierungsmaterial einsetzt, um ein Defektband
auszubilden, durch welches ein elektrischer Strom hindurchgehen
kann. Die vorliegende Erfindung verwendet daher einen allgemeineren
Ansatz hinsichtlich der Verwendung von Strom-induzierter Leitfähigkeit,
indem sie sich von einem formalen 2D-Aufbau wegbewegt, um ein dreidimensionales
Speichernetzwerk bereitzustellen. Ungleich dem Speichermatrixbauteil
aus PCT WO 96/19837, welcher bloß aus getrennt adressierbaren formalen
2D-Matrizen besteht, die aufeinander gestapelt sind, weist der Speicherbauteil
der vorliegenden Erfindung einen echten 3D-Aufbau auf. In einigen
Aspekten ähnelt
der so erzielte Speicherelementaufbau einem neuralen Netzwerk.
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Die Kontakte des einen oder beider
Sätze der
Eingabe- und Ausgabekontakte können
in Form von Streifen vorliegen. Jedoch umfassen vorzugsweise sowohl
die Sätze
der Eingabekontakte als auch die der Ausgabekontakte regelmäßig beabstandete
Kontakte, die in Reihen und Spalten angeordnet sind, um das Potential
des Speicheraufbaus in einem weiteren Ausmaß auszunützen und größere Speichermöglichkeiten
zu erzielen. Die Eingabe- und Ausgabekontakte müssen jedoch nicht übereinander liegend
ausgerichtet sein und können
unterschiedliche Teilungen aufweisen. Die Knoten, die durch die leitenden
Elemente in der Legierungsschicht gebildet werden, definieren mögliche Strombahnen
durch den Körper
der Legierungsschicht und ermöglichen
das Bilden von Defekten bis zu einer Konzentration, die durch den
Grad der Strombelastung bestimmt wird, und die Defektkonzentration
bestimmt dann die Leitfähigkeit
in örtlich
begrenzten Bereichen der Legierungsschicht. Unter Verwendung dieser
Fähigkeit kann
der Speicherbauteilaufbau programiert werden, um viele Ausgaben
für jede
Eingabe zu geben, die eine Funktion von mehr als einer Eingabe ist.
Es kann auch möglich
sein, die Ausgaben für
eine vorhandene Eingabe als eine Funktion des Programmierens der
benachbarten Eingaben zu verändern.
Der Aufbau kann daher als sich auf Art eines neuralen Netzwerks
verhaltend angesehen werden, wobei die Verarbeitungsleistung in
dem Körper
des Aufbaus eingebettet ist. Eine Anwendung des Speicherbauteils
könnte
als ein sehr großer
Speicher sein. Wenn zum Beispiel jeder Eingabekontakt in einer n
mal n Matrix n mal n Ausgaben aufweist, dann würde die Speicherleistung n
hoch 4 betragen.
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Die leitenden Elemente, welche die
Knoten aufbauen, können
der Einfachheit halber leitende Partikel umfassen, die quasi willkürlich in
der gesamten Dicke der amorphen Siliziumlegierungsschicht verstreut
sind. Alternativ können
die leitenden Partikel quasi willkürlich auf einer oder mehreren
getrennten Ebenen im Körper
der Legierungsschicht zwischen ihren gegenüberliegenden Seiten verstreut sein.
Vorzugsweise jedoch umfassen die leitenden Elemente leitende Schichtabschnitte,
die auf einer oder mehreren getrennten Ebenen im Körper der
Legierungsschicht zwischen ihren gegenüberliegenden Seiten ausgebildet
sind. Die Positionen und Abmessungen der leitenden Schichtabschnitte
sind vorzugsweise vorbestimmt. Auf diese Weise können die Programmiermöglichkeiten
in größerem Ausmaß und vorhersagbarer
als in dem Fall organisiert werden, wenn eine willkürliche Partikelverteilung
eingesetzt wird. Die Abmessungen der leitenden Schichtabschnitte
können
verschieden sein. Zum Beispiel können
einige Abschnitte im Vergleich zu anderen länglich sein, um sich so über Distanzen
zu erstrecken, die größer sind
als der Abstand zwischen Eingabe- und Ausgabekontakten, um zu der
seitlichen Ausbreitung von möglichen
programmierten Bahnen beizutragen. Solche leitenden Schichtabschnitte
können leicht
durch Musterausbilden auf einer abgelagerten Schicht oder auf Schichten
von leitendem Material bereitgestellt werden.
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Programmieren des Bauteils kann durch
Anlegen einer vorbestimmten Spannung zwischen ausgewählten Eingabe-
und Ausgabekontakten erreicht werden. Jedoch kann der Bauteil auf
eine optische Weise programmiert werden. Zu diesem Zweck können die
Eingabekontakte lichtempfindliche Elemente, zum Beispiel Photodioden,
umfassen.
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Ausführungsformen der Halbleiterspeicherbauteile
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht durch eine erste Ausführungsform
des Speicherbauteils gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht durch eine zweite Ausführungsform
des Speicherbauteils gemäß der Erfindung
ist;
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3 eine
schematische Querschnittsansicht durch eine dritte Ausführungsform
des Speicherbauteils gemäß der Erfindung
ist;
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4 eine
beispielhafte Programmierung in einem Teil eines Speicherbauteils
ist, der eine Zwischenebene leitender Elemente aufweist;
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5 eine
beispielhafte Programmierung in einem Teil eines Speicherbauteils
ist, der zwei Zwischenebenen leitender Elemente aufweist;
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6 und 7 Draufsicht beziehungsweise Schnittansicht
durch einen Teil eines Speicherbauteils sind, der zwei Zwischenebenen
leitender Elemente aufweist, wobei Programmiermöglichkeiten dargestellt sind;
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8 eine
beispielhafte Programmierung in einem Teil eines Speicherbauteils
darstellt, der willkürlich
verstreute leitende Elemente verwendet;
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9 eine
Querschnittsansicht durch einen Teil eines Speicherbauteils ist,
der für
optische Programmierung ausgelegt ist; und
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10 einen
Teil einer möglichen
Form der Adressieranordnung für
die Speicherbauteile darstellt.
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Es versteht sich von selbst, dass
die Figuren bloß schematisch
und nicht im Maßstab
gezeichnet sind. Insbesondere gewisse Abmessungen wie die Dicke
von Schichten oder Bereichen können übertrieben
worden sein, während
andere Abmessungen möglicherweise
verkleinert worden sind. Es versteht sich auch von selbst, dass
dieselben Bezugszahlen über
alle Figuren hinweg verwendet worden sind, um dieselben oder ähnliche
Teile zu bezeichnen.
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Die Ausführungsformen der Speicherbauteile
aus 1 bis 3 verwenden alle Speicherelemente, die
ein amorphes Siliziumlegierungsmaterial zwischen leitenden Kontakten
umfassen, und zwar einer ähnlichen
Art wie jene, die in PCT WO 96/19837 beschrieben sind und auf die
für eine
genauere Beschreibung ihrer allgemeinen Natur und ihres allgemeinen
Betriebs als programmierbare Elemente Bezug genommen werden soll.
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In diesen besonderen Ausführungsformen umfasst
das amorphe Siliziumlegierungsmaterial eine hydrierte, mit Silizium
angereicherte amorphe Siliziumnitridlegierung. Jedoch kann stattdessen auch
eine hydrierte, mit Silizium angereicherte amorphe Siliziumcarbid-,
-oxid- oder -oxynitridlegierung verwendet
werden. Die Speicherbauteile werden unter Einsatz von herkömmlichen
Dünnfilmverarbeitungstechniken
für Elektronik-Großflächen hergestellt.
Mit Bezugnahme auf 1 bis 3 wird die Legierung als
eine Schicht 10 bereitgestellt, die sich über der
ebenen Oberfläche
eines isolierenden Substrats 12, zum Beispiel Glas, erstreckt
und zum Beispiel unter Einsatz eines PECVD-Verfahrens ausgebildet wird.
Die Anteile von Stickstoff und Silizium sind derart gewählt, dass
das Verhältnis
von Stickstoff zu Silizium in der sich ergebenden Schicht geringer
als 1,0 und größer als
0,2 ist. Auf gegenüberliegenden
Seiten dieser Schicht 10 sind Sätze von elektrisch leitenden
Eingabe- und Ausgabekontakten 16 und 18 bereitgestellt,
die in diesen Ausführungsformen
in der Gestalt einzelner leitender Kissen vorliegen, die voneinander
getrennt und regelmäßig beabstandet
in Reihen und Spalten angeordnet sind. Die Sätze von Kontakten können aus
einem Metall, zum Beispiel Chrom, sein, wobei sie durch Ablagern
einer durchgehenden Schicht des leitenden Materials, zum Beispiel
durch ein Aufdampf- oder Sputterverfahren, und Bemustern der Schicht
unter Einsatz eines photolithographischen Verfahrens sowie eines Ätzverfahrens
ausgebildet werden, um ein Reihen- und Spaltengitter von Kissen
zurückzulassen.
Das untere Gitter an Ausgabekontakten 18 wird benachbart
der Oberfläche
des Substrats 12 vor der Ablagerung der Legierungsschicht 10 ausgebildet
und das Gitter der Eingabekontakte 16 wird direkt auf der
Oberfläche der
abgelagerten Liegerungsschicht ausgebildet. Ausgabesignale von den
Ausgabekontakten 18 werden mittels Ausgabeleitungen 19 erhalten,
hier zur Vereinfachung als eine einzelne Ausgabeleitung für jeden
jeweiligen Ausgabekontakt dargestellt.
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Die Speicherbauteile umfassen des
Weiteren einzelne Elemente 20 aus elektrisch leitendem Material,
die im Körper
der Legierungsschicht bereitgestellt sind. Diese leitenden Elemente
können
auf einer oder auf mehreren getrennten Ebenen innerhalb der Dicke
der Legierungsschicht oder willkürlich verteilt
in der gesamten Dicke der Schicht angeordnet sein.
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Mit Bezugnahme auf 1 wird bei dieser Ausführungsform
ein gestapelter, 2D, formaler Ansatz für die Bereitstellung der leitenden
Elemente 20 verwendet. Die leitenden Elemente sind auf
einer Anzahl von unterschiedlichen getrennten Ebenen, in diesem
Fall drei Ebenen, innerhalb des Körpers der Legierungsschicht 10 zwischen
der oberen und der unteren Hauptseite der Schicht angeordnet. Die
leitenden Elemente 20 umfassen einzelne, d. h. voneinander
getrennte, Schichtabschnitte von leitendem Material, zum Beispiel
ein Metall wie Chrom, wobei jede Ebene der Elemente auf unterschiedlichen
Intervallen während
der Ablagerung des Materials, das die Legierungsschicht darstellt,
ausgebildet wird. Daher wird nach Ausbildung der Ausgabekontaktkissen 18 auf
der Substratoberfläche
ein Teil der Legierungsschicht 10 über den Kontaktkissen und den
dazwischenliegenden Substratoberflächenbereichen bis zu einer
gewissen vorbestimmten Dicke, zum Beispiel ungefähr 60 nm aufgebaut, wobei ein PECVD-Verfahren
bei zum Beispiel 250°C
zum Einsatz kommt. Eine Schicht leitenden Materials wird dann abgelagert
und photolithographisch bemustert, um eine erste Ebene leitender
Elemente 20 im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche auszubilden.
Darauf folgt dann das Fortsetzen des Aufbauens der Legierungsschicht
auf eine ähnliche,
vorbestimmte Dicke und danach das Ausbilden einer zweiten Ebene
leitender Elemente durch Ablagern und Bemustern einer Schicht leitenden
Materials und so weiter gemäß der erforderlichen
Anzahl der zwischenliegenden Ebenen aus leitenden Elementen. Die
Schicht 10 ist daher aus einer Reihe von Unterschichten
zusammengesetzt. In dieser Ausführungsform
wird die Dicke jeder Aufbaustufe in der Legierungsschichtausbildung
so ausgewählt,
dass der jeweilige Abstand zwischen den Ebenen der leitenden Elemente
und den Gittern der Kontaktkissen im Wesentlichen gleich ist, wobei
die Ebenen jeder Ebene der leitenden Elemente und der Gitter der
Kontaktkissen im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche liegen,
jedoch die Dicken der einzelnen Unterschichten des Legierungsmaterials,
die gemeinsam die Schicht 10 aufbauen, unterschiedlich
sein könnten. Jede
Ebene umfasst daher eine 2D Matrix aus einzelnen leitenden Elementen.
Typischerweise sind die leitenden Elemente von rechteckiger Form
und von einheitlicher Dicke. Jedoch können die Anzahl der leitenden
Elemente und die Abmessungen, d. h. die Länge und Breite, der einzelnen
Elemente 20 auf jeder Ebene unterschiedlich sein, wie durch
die in 1 dargestellten
Beispiele veranschaulicht.
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In der Ausführungsform der 2 wird ein gestapelter, 2D, willkürlicher
Ansatz der Bereitstellung der leitenden Elemente verwendet. Die
leitenden Elemente 20 sind wiederum im Körper der
Legierungsschicht 10 als einzelne und gleich beabstandete
Ebenen zwischen den Gittern der Eingabe- und Ausgabekontakte 16, 18 angeordnet.
In diesem Fall jedoch umfassen die leitenden Elemente 20 kleine Metallpartikel,
die gleichsam willkürlich
auf den jeweiligen Ebenen verstreut sind. Jede Ebene umfasst daher
eine 2D, gleichsam willkürliche
Matrix von leitenden Partikeln. Die Partikel werden zum Bei spiel durch
Verstreuen der Partikel über
das Legierungsmaterial in unterschiedlichen Stadien während der Ausbildung
der Schicht 10 bereitgestellt und können kleine Körner aus
Metall wie Chrom, Palladium, Platin usw. mit ungefähr 10 nm
Durchmesser umfassen. Die Partikel können alternativ unter Verwendung
einer Laserabschmelztechnik oder mittels Ablagerung aus einer kolloidalen
Lösung
bereitgestellt werden.
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In der Ausführungsform von 3 wird ein 3D willkürlicher Ansatz für die Bereitstellung
der leitenden Elemente eingesetzt. Die leitenden Elemente 20,
die in dieser Ausführungsform
verwendet werden, umfassen wiederum leitende Partikel, aber in diesem
Fall sind sie gleichsam willkürlich über die
gesamte Dicke der Schicht 10 verstreut, um so eine 3D quasi-willkürliche Verteilung
mit ausreichenden Zahlen von Partikeln zu erzielen, um eine gewünschte Durchschnittsdichte
zu erreichen.
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In allen obigen Ausführungsformen
könnten unterschiedliche
Layouts von Eingabe- und/oder Ausgabekontakten eingesetzt werden.
Sie könnten zum
Beispiel als Streifen bereitgestellt werden, aber dies würde in beträchtlichem
Maße die
Programmierwahhnöglichkeiten
beschränken,
das heißt
die Anzahl der verfügbaren
programmierten Zustände.
Die Ausgabekontakte könnten
in ihrer Position mit den Eingabekontakten ausgerichtet werden,
aber dies ist nicht notwendig. Ebenso kann sich die Teilung der Eingabekontakte
von jener der Ausgabekontakte unterscheiden.
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Programmieren in diesen Ausführungsformen
der Speicherbauteile wird durch Einsatz eines Strom-induzierten
Leitfähigkeitseffekts
ausgeführt, der
durch Belastung mit elektrischem Strom erzeugt wird, um Defekte
in dem a-Si Nx: H Material zu erzeugen und Defektbänder auszubilden,
durch welche elektrischer Strom fließen kann. Die leitenden Elemente 20 wirken
als Knoten, die es ermöglichen, dass
Defekte im Bereich des Legierungsmaterials zwischen benachbarten
Knoten als auch zwischen einem Eingabekontaktkissen 16 oder
einem Ausgabekontaktkissen 18 und seinem(n) benachbarten
leitenden Elementen) 20 erzeugt werden, wodurch eine Vielzahl
von möglichen
Strombahnen durch den Körper
der Legierungsschicht 10 gebildet werden kann. Ein Paar
leitender Elemente oder eine Kombination aus einem Kontaktkissen
und einem leitenden Element, deren physikalische Trennung innerhalb
eines bestimmten Bereichs, typischerweise z. B. zwischen 10 und
60 nm, liegt, bilden gemeinsam mit dem dazwischen liegenden Bereich
der Legierungsschicht ein Speicherelement. Bei Abständen unter
2 nm kann eine Tunnelwirkung auftreten, so dass leitende Elemente,
die mit solch einem Abstand oder geringer beabstandet sind, dazu
neigen, sich mehr wie ein durchgehender Leiter zu verhalten. Die
Speicherelemente sind vergleichbar und in ihrer Wirkung gleichwertig
mit dem formaleren Aufbau von Speicherelementen, der in der zuvor
erwähnten
Schrift PCT WO 96/19837 beschrieben ist, welcher Schichten von leitendem
Material, die als Kontakte dienen, zwischen denen die amorphe Siliziumlegierungsschicht
zwischengelegt ist, umfasst, und können in ähnlicher Weise ausgenützt werden,
um eine Speicherwirkung bereitzustellen, und zwar durch Erzeugen
eines Defektbands darin mittels Belastens mit Strom, was die Aktivierungsenergie
für den
Transport der Ladungsträger
um eine auswählbare
Größe verringert.
Die Dichte der Defekte im Defektband und folglich die sich ergebende
Leitfähigkeit
kann durch den Grad des Strombelastens bestimmt werden. Für eine umfassendere
Beschreibung des zu Grunde liegenden Mechanismus und des elektrischen
Verhaltens solcher Speicherelemente wird zur Bezugnahme auf jene
Veröffentlichung
eingeladen. Kurz gesagt, die Kontaktkissen und die leitenden Elemente
und Bereiche des Legierungsmaterials dazwischen bilden eine Form
von MSM (Metall-Halbleiter-Metall) aufgebauter Dünnfilmdiode, welche grundsätzlich einen
Kurzschlussbetrieb-Schottky-Sperrschichtbauteil umfasst. Wenn ein
elektrischer Strom von ausreichender Stromdichte veranlasst wird,
bei Anliegen einer Spannung an den Kontakten durch den Aufbau zu fließen, wird
ein Defektband, das Siliziumschlenkerbindungen umfasst, über den
gesamten Bereich des Legierungsmaterials, wo Strom fließt, induziert,
was eine Veränderung
in seinen I–V
Eigenschaften verursacht, welche nach der Wegnahme der angelegten Spannung
erhalten bleibt. Das induzierte Defektband verringert die Aktivierungsenergie
für den
Ladungsteilchentransport, wobei die Größe der Verringerung auswählbar und
abhängig
von der Konzentration der Verteilung von Energien der Defekte ist
und welche ihrerseits abhängig
von und bestimmt ist durch die Stromdichte und Menge an Ladung,
die während
des Strombelastens hindurch geht. Danach zeigt sich beim Anlegen
von relativ geringen Spannungen Verluststrom, dessen Größe vom induzierten
Defektband abhängt.
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In den Ausführungsformen der 1 und 2 sind die Dicken der Bereiche von Legierungsmaterial zwischen
den Ebenen und die Dichte der leitenden Elemente in einer Ebene
so ausgewählt,
um das Auftreten solcher Effekte zu ermöglichen. In der Ausführungsform
aus 3 ist die Menge
und folglich die durchschnittliche Dichte der leitenden Partikel,
die willkürlich
in der Legierungsschicht verstreut sind, in ähnlicher Weise so ausgewählt, um
sicherzustellen, dass solche Effekte auftreten können.
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1 bis 3 zeigen nur vertikale Schnitte durch
einen bestimmten Teil des Speicherbauteils und man wird zu schätzen wissen,
dass die leitenden Elemente 20 inner halb des Körpers des
Legierungsmaterials 10 so vorhanden sind, dass leitende
Bahnen nicht nur vertikal nach unten von einem Eingabekontakt, sondern
auch mit einem seitlichen, in seitliche Richtung versetzten Bestandteil
auftreten können,
so dass eine leitende Bahn zu einem Ausgabekontakt 18 weg
vom Ausgabekontakt, der unmittelbarer unter jenem Eingabekontakt
liegt, ausgebildet werden kann. Solches "Verbreitern" der leitenden Bahnen, das durch Programmieren
ausgebildet wird, kann im Falle der Ausführungsform aus 1 durch Bereitstellen gewisser leitender
Elemente, die in einer Abmessung länger als andere sind, unterstützt werden,
wie zum Beispiel durch das besondere leitende Element 20' in 1 dargestellt.
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Die Bauteile können durch Anlegen von Spannungen
zwischen ausgewähl
ten Eingabe- und Ausgabekontakten 16 und 18 programmiert
werden und das Progammieren kann so gestaltet sein, um viele Ausgaben
für jede
Eingabe oder eine Ausgabe, die eine Funktion von mehr als einer
Eingabe ist, zu ergeben.
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Um das Programmieren zu veranschaulichen,
wird nun ein einfaches Beispiel mit Bezugnahme auf 4 beschrieben, welche ein mögliches Programmieren
für einen
Speicherbauteil zeigt, in diesem Fall eine einfache Form des Speicherbauteils aus 1, der nur eine Zwischenebene
leitender Elemente aufweist, die auf halbem Weg zwischen den Eingabe-
und Ausgabekontakten liegen. Ein geeignetes Programmierpotential,
das zwischen den Eingabe- und Ausgabekontakten 16 und 18,
die mit A und B bezeichnet sind, angelegt wird, veranlasst einen
Strom von A nach B durch die Bereiche der Legierungsschicht 10,
die mit X und Y bezeichnet sind, über das dazwischen liegende
leitende Element 20 zu fließen und hat zur Folge, dass
Defektbänder über die
Bereiche X und Y erzeugt werden, deren Ausmaß, wie durch die durchgezogenen
Linien angezeigt, im Allgemeinen dem Ausmaß der Überlappung zwischen dem Element 20 und 16A und 18B entspricht.
Wenn die Defektdichte in den Bereichen X und Y ein gewisses Niveau
erreicht, ergibt sich ein Leckmechanismus, wobei Ladungen in der
Lage sind, durch die Legierungsschicht an diesen Bereichen durch
Springen von einem Defektplatz zum anderen durchzuwandern. Auf diese
Weise wird die Verbindung A–B
wirksam auf 'Ein' gesetzt, was zum Beispiel
ein 1-Bit definiert. Ein Pfad zwischen A und E über das leitende Element 20 wird
nicht eingerichtet, da der Strom, welcher zwischen A und E fließt, viel
kleiner ist als jener, der zwischen A und B fließt, und folglich liegt keine
beachtenswerte Defekterzeugung vor. Ein Potential, das zwischen
den Eingabe- und Ausgabekontakten, die mit C und D bezeichnet sind,
angelegt wird, führt
in ähnlicher
Weise zu Defektzuständen,
die in die Bereiche der Legierungsschicht 10, die mit P,
Q, R und S bezeichnet sind, induziert werden. Die Defektzustände werden
ebenfalls in den Bereich Z eingeführt, aber da das Legierungsmaterial
hier zwischen C und D ohne einen dazwischen liegenden Metallschichtabschnitt
ununterbrochen ist, ist die Wirkung des Ladungseinfangens deutlich
größer als
in den Bereichen P und Q oder R und S zum Beispiel und dies verringert
den Strom, der durch diese Region bei einer gegebenen Belastungsspannung
während
des Programmieren im Vergleich zu jenem hindurchgeht, der durch
P und Q hindurch fließt.
Für weitere
Einzelheiten über
die Natur des Verhaltens des Legierungsmaterials in dieser Hinsicht
wird zur Bezugnahme auf die Abhandlung von J. M. Shannon et al.
mit dem Titel "Current
Induced Drift Mechanism in Amorphous SiNx: H Thin Film Diodes", veröffentlicht
in Applied Physics Letters, Band 65, Nr. 23, 1994 auf den Seiten
2978–2980, eingeladen.
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Nachdem die Progranunierpotentiale
entfernt worden sind, bleiben die Wirkungen erhalten, so dass die
Bahnen X und Y zwischen den Kontakten A und B und P und Q und R
und S zwischen den Kontakten C und D, die bis zum Lecken belastet
worden sind, im Folgenden einen weit größeren Stromfluss bei einer
vergleichsweise kleinen angelegten Lesespannung als die nicht belasteten
Bereiche aufweisen. Die belasteten Bahnen A zu B und C zu D stellen daher
hohen Stromfluss bei einer geringen Lesespannung bereit und können eingesetzt
werden, um einen Ein-Zustand (oder 1 Bit) darzustellen, während die
unbelasteten Bahnen z. B. A zu E, welche nur einen sehr niedrigen
Strom bei einer geringen Lesespannung bereitstellen, dazu verwendet
werden können,
um einen Aus-Zustand (oder 0 Bit) darzustellen. Daher kann jeder
Pfad ein Bit an Daten halten.
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Ähnliche
Regeln gelten für
Bauteile, die mehr als eine Zwischenebene an leitenden Elementen
aufweisen. 5 stellt
einen Teil eines beispielhaften Bauteils dar, der zwei Zwischenebenen
an leitenden Elementen aufweist, die gleichmäßig zwischen den Eingabe- und
Ausgabekontakten so beabstandet sind, dass die Abstände d zwischen
den zwei Zwischenebenen und zwischen den Eingabe- und Ausgabekontakten
und der nächstliegenden
Zwischenebene gleich sind. Beim Programmieren kann eine leitende
Bahn, hier durch Schraffieren dargestellt, zwischen den Kontakten 16 und 18 über die
leitenden Elemente, die mit A und C bezeichnet sind, in der ersten
beziehungsweise der zweiten Zwischenebene, aber nicht über das
leitende Element B aufgebaut werden, da, wie oben aufgezeigt, die
Dicke des Legierungsmaterials zwischen 16 und B ununterbrochen über einen
Abstand von 2d besteht.
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Die Grenzfläche zwischen den zwei a-SiNx: H
Unterschichten, die durch den Herstellungsvorgang für diese
Form von Speicherbauteil erforderlich und durch die Linie dargestellt
ist, die mit I in 4 bezeichnet
ist, könnte
mehr Defekte als der Rest der Legierungsschicht 10 auf
Grund von vielleicht mangelnder Adhäsion zwischen den zwei Unterschichten und
der Möglichkeit
von Verunreinigung enthalten, die sich ergibt, bevor die obere Unterschicht
abgelagert wird. Jedoch können
Probleme in dieser Hinsicht durch Reinigen der oberen Oberfläche der
ersten abgelagerten Unterschicht mit rauchender Salpetersäure und
anschließendes
Tauchätzen
in HF vermieden werden, um eine dünne Oberflächenschicht des a-SiNx: H zusammen
mit etwaigen Verunreinigungen, die vorhanden sein können, zu
entfernen.
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In einem experimentellen Beispiel
des Bauteiltyps, der in 4 gezeigt
ist, wurde die Gesamtdicke der Legierungsschicht 10 mit
ungefähr
70 nm gewählt,
so dass die Ebene der leitenden Elemente, welche Chromschichten
von ungefähr
50 nm Dicke umfassen, mittig ungefähr 35 nm von beiden Seiten entfernt
angeordnet ist. Die Spannung, die für das Programmieren verwendet
wurde, betrug ungefähr 23
Volt und das Strombelasten wurde mit Impulsstrom von ungefähr ±1 Amp.
cm–2 von
100 μs Dauer, getrennt
durch 100 μs
Intervalle ungefähr
100 Sekunden lang durchgeführt.
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Natürlich sind dann für einen
Bauteil der An, wie in 1 gezeigt,
der mehr als eine Ebene von leitenden Elementen 20 aufweist,
die Programmierbarkeiten beträchtlich
mittels weiterer Möglichkeiten
für programmierte
Bahnen erhöht.
Um dies vorzuzeigen, wird nun ein anderes Beispiel des Programmierens eines
Speicherbauteils mit Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben. 6 zeigt schematisch in der Draufsicht
einen Bereich eines Speicherbauteils der Art, die in 1 gezeigt ist und der zwei
Zwischenebenen leitender Elemente aufweist. Die Sätze der Eingabe-
und Ausgabekontakte 16 und 18 sind in ausgerichteten
Reihen- und Spaltengittern angeordnet. Der Teil des Bauteils, der
gezeigt wird, umfasst eine Gruppe von fünf benachbarten Eingabekontakten 16 in
fünf benachbarten
Spalten. 7 ist ein vertikaler
Schnitt entlang der Linie VII-VII aus 6. Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausgabekontakte 18 in ihrer Position den
Eingabekontakten 16 entsprechen, so dass jeder Ausgabekontakt 18 direkt unter
einem jeweils entsprechenden Eingabekontakt 16 liegt und
dass leitende Elemente auf zwei Ebenen zwischen den Ebenen der Eingabe-
und Ausgabekontakte mit den Abständen
d zwischen den Ebenen versehen sind und die Eingabe- und Ausgabekontaktebenen,
wie durch die Dicke der drei Unterschichten des Siliziumlegierungsmaterials
bestimmt, ungefähr gleich
sind.
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7 zeigt
in der Form von durchgezogenen Linien die leitenden Elemente 20 in
jeder Ebene in diesem vertikalen Schnitt. Aus Gründen der Einfachheit sind nur
ausgewählt
wenige der leitenden Elemente 20, die vorhanden sind, tatsächlich gezeigt, nämlich jene,
die einer bestimmten Gruppe von Eingabe/Ausgabekontakten zugeordnet
sind. In dieser Figur sind die leitenden Elemente in der oberen
Ebene, d. h. in der Ebene, die am nächsten zur Eingabekontaktmatrix
liegt, durch durchgezogene Linien dargestellt und die leitenden
Elemente in der unteren Ebene sind durch gestrichelte Linien dargestellt.
Da jede Ebene in diesem Teilstück
des Bauteils aus einem zweidimensional definierten Muster leitender Elemente
besteht, versteht es sich von selbst, dass weitere leitende Elemente
hinter und vor jenen, die in 7 gezeigt
sind, vorhanden sind, von denen einige in 6 zu sehen sind. Daher erstrecken sich
die leitenden Elemente 20, die in jeder Ebene angeordnet
sind ähnlich
jenen in 7, in einer
Richtung im rechten Winkel zu den gezeigten, d. h. spaltenweise, und
ein Querschnitt des Teilstücks
entlang einer Mittellinie lotrecht zur Linie VII-VII aus 6 würde im Wesentlichen ähnlich wie 7 aussehen. Einige der leitenden
Elemente verhalten sich tatsächlich
als leitende Brücken,
die sich über
die Spalten zwischen benachbarten Eingabekontakten oder Ausgabekontakten
erstrecken.
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Die gezeigte Konfiguration ermöglicht fünf Ausgaben
für jede
Eingabe auf einem Eingabekontakt 16 und ein Beispiel für das Programmieren
dieses Bauteils auf diese Art wird nun beschrieben. Betrachtet man
den Fall des zentralen Eingabekontakts in 6, der mit 16A bezeichnet ist,
kann es wünschenswert
sein den Bauteil so zu programmieren, dass, wenn ein Lesespannungssignal
an diesen Eingabekontakt angelegt wird, Ausgaben von dem Ausgabekontakt,
der unmittelbar unter diesem Eingabekontakt liegt, d. h. dem Kontakt 18A in 7, den zwei benachbarten
Ausgabekontakten auf jeder Seite des Ausgabekontakts 18A in
derselben Reihe, die mit 18B und 18D bezeichnet
sind, und den zwei benachbarten Ausgabekontakten auf jeder Seite
des Ausgabekontakts 18A in derselben Spalte, d. h. den Ausgabekontakten 18F und 18H,
die unter den Eingabekontakten 16F und 16H in 6 liegen, erhalten werden,
was zusammen fünf
Ausgaben aus einer kreuzförmigen
Gruppe von benachbarten Ausgabekontakten ergibt. Die besonderen
leitenden Elemente 20, die in 6 gezeigt werden, sind jene, die verwendet
werden, um solch ein Programmieren zu ermöglichen. Das Programmieren
wird wie vorher beschrieben durch Anlegen einer Schreibspannung zwischen
dem Eingabekontakt 16A und jenen der Ausgabekontakte 18A,
B, D, F und H erzielt, von denen eine binäre 1 erforderlich ist, um so
die notwendigen Strombahnen durch Strom-induzierte Leitfähigkeit
zu definieren. (Für
jene Ausgabekontakte, von welchen eine binäre 0 erforderlich ist, wird
der Schreibspannungsanlegevorgang nicht benötigt). Für diesen Schreibvorgang kann
der Eingabekontakt 16A geerdet werden und der Reihe nach
an jeden der ausgewählten
Ausgabekontakte eine Spannung V angelegt werden. Eine Spannung V/2
kann an alle außer
an die ausgewählten
Ausgabekontakte angelegt werden, um so das Risiko zu verringern,
dass unbeabsichtigte Strombahnen zwischen den ausgewählten Ausgabekontakten
und den benachbarten leitenden Elementen 20 und einem nicht
ausgewählten
Ausgabekontakt erzeugt werden. Wenn der Ausgabekontakt 18A eine
binäre
1 beim Auslesen bereitstellen soll, dann ist ein leitender Pfad
zwischen dem Eingabekontakt 16A und dem Ausgabekontakt 18A über die
leitenden Elemente 20 in den zwei Ebenen direkt unter dem
Eingabekontakt 16A errichtet, wie durch die gestrichelte
Linie angezeigt. Beispielbahnen, durch welche eine Leitung zwischen
dem Eingabekontakt 16A und den Ausgabekontakten 18B und 18D beim
Programmieren durch das Anlegen einer Schreibspannung errichtet
werden kann, um so binäre
1-Ausgaben für diese
Ausgabekontakte beim Auslesen bereitzustellen, sind durch die gestrichelten
Linien angedeutet. Die Programmiermöglichkeiten können durch
das Bereitstellen weiterer leitender Elemente unterschiedlicher
Längen
in jeder Ebene längs
jenen, die in 7 gezeigt
sind, die sich innerhalb der vertikal projizierten Fläche eines
Eingabe- und Ausgabekontakts erstrecken, beträchtlich erweitert werden, so
dass es Reihen leitender Elemente in jeder Ebene gibt, die unter
jeder Reihe oder jeder Spalte von Eingabekontakten 16 liegen.
Auch kann die Anzahl der Ebenen, auf denen leitende Elemente bereitgestellt
werden, erhöht
werden.
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Es versteht sich von selbst, dass
die Bauteile aus 2 und 3 auf ähnliche Weise programmiert und
ausgelesen werden können,
wobei die leitenden Partikel als Knoten dienen, wie die photolithographisch
definierten leitenden Schichtabschnitte im Bauteil der 6 und 7. Da die leitenden Elemente in diesen
Bauteilen eher leitende Partikel in einer quasi willkürlichen
Verteilung denn in Bezug auf Form und Position definierte wie in
dem Fall der leitenden Elemente in der oben beschriebenen Ausführungsform
umfassen, kann die leitende Bahn, die durch den Programmiervorgang
aufgebaut wird, weniger vorhersagbar sein.
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8 zeigt
die Art Pfadnetzwerk, welches beim Programmieren im Speicherbauteil
aus 3 ausgebildet werden
könnte.
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Obwohl der Programmiervorgang, der
oben beschrieben ist, das einzelne Auswählen der Eingabekontakte der
Reihe nach mit sich bringt, ist es möglich zwei oder mehr Eingabekontakte
gleichzeitig für das
Programmieren auszuwählen.
Die Daten, die dann gespeichert werden, können wiederum durch gleichzeitiges
Auswählen
derselben zwei oder mehr Eingabekontakte ausgelesen werden.
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Die Speicherbauteile können auf
eine optische Weise programmiert werden. 9 zeigt eine schematische Schnittansicht
durch einen Teil einer Ausführungsform
des Speicherbauteils, der für
das optische Programmieren ausgelegt ist. In diesem Bauteil wird
die obere Matrix von Kontaktkissen 16 durch eine Matrix
von amorphen photoleitfähigen
Siliziumelementen 30 ersetzt. Diese werden durch Bereitstellen
einer Schicht aus hydriertem amorphen Silizium 31 über der
Oberfläche
der Siliziumnitridlegierungsschicht 10, auf welcher ein
Gitter von transparenten leitenden Kissen 32, zum Beispiel
aus ITO, gleichmäßig beabstandet
in einer X – Y
Matrix ausgeformt wird, und durch Definieren einzelner photoleitfähiger Elemente
des Gitters ausgebildet. Um den Bauteil zu programmieren, wird ein
2D, räumlich
moduliertes Lichtmuster, welches die zu speichernden Daten darstellt,
auf die obere Seite des photoleitfähigen Elementgitters gerichtet
und ein elektrisches Potential (z. B. Erde) an die ITO-Kissen angelegt
und eine Schreibspannung an einen der Ausgabekontakte 18 angelegt.
In den Bereichen, die Licht von einer angemessen hohen Intensität empfangen,
wird das amorphe Siliziummaterial, das den ITO-Kissen unterlegt
ist, leitend, so dass Oberflächenbereiche
der Siliziumlegierungsschicht 10 in den Bereichen der den ITO-Kissen
unterlegten Schicht, welche räumlich
den Komponenten mit höherer
Intensität
des Beleuchtungsmusters entsprechen, wirksam geerdet werden, um
so einen Effekt zu erzielen, der ähnlich jenem ist, der durch
die einzelnen Eingabekontakte 16 bereitgestellt wird. Die
ITO-Kissen in jeder Reihe können elektrisch
miteinander verbunden sein, um es so zu ermöglichen, die Kissen in einer
Reihe gleichzeitig zu erden. Während
eines Programmiervorgangs wird jede Kissenreihe dann der Reihe nach
geerdet, so dass das Programmieren auf der Basis eine Reihe auf
einmal durchgeführt
wird.
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Unterschiedliche Datenbildmuster
können gespeichert
werden, indem man beim Programmieren jedes Mal ein anderes Ausgabekontaktkissen wählt. Für das Auslesen
wird eine Auslesespannung an einen einzelnen Ausgabekontakt 18 angelegt,
um so an den Eingabekontakten 16 ein Strommuster zu erzeugen,
welches das optische Bild andeutet.
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Alternativ zum Einsatz eines 2D Bildmusters kann
die Information mittels eines Lichtpunkts gespeichert werden, der über das
Gitter der ITO-Kissen 32 gescannt wird.
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Das Siliziumlegierungsmaterial, das
in allen obigen Ausführungsformen
eingesetzt worden ist, kann hydriertes, mit Silizium angereichertes,
amorphes Siliziumcarbid -oxid oder -oxynitrid statt -nitrid umfassen.
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Die Verbindung mit den Ausgabekontakten 18 zum
Programmieren oder Auslesen in diesen Speicherbauteilen kann durch
Verwenden eines Aktivmatrixadressieransatzes vereinfacht werden.
Ein Beispiel dazu, das einige wenige der Ausgabekontakte 18 des
Gitters zeigt, ist in 10 dargestellt. Sätze von
Reihen- und Spaltenadressleitungen 40 und 50 erstrecken
sich zwischen den Reihen und Spalten der Kontakte 18. Jeder
Kontakt ist mit einer zugeordneten Spaltenadressleitung 50 über einen Schalter 52,
zum Beispiel ein TFT, dessen Gate mit einer zugeordneten Leitung
der Reihenadressleitungen 40 verbunden ist, verbunden.
Alle Kontakte 18 in einer Spalte sind einer jeweiligen
Spaltenadressleitung 50 zugeordneten und alle Kontakte 18 in
einer Reihe sind einer jeweiligen Reihenadressleitung 40 zugeordneten.
Durch Anlegen einer Gatespannung an eine bestimmte Reihenadressleitung
werden die zugeordneten TFTs eingeschaltet. Eine Spannung, die gleichzeitig
an eine oder mehrere Spaltenadressleitungen 50 angelegt
wird, wird dann auf den Kontakt 18 übertragen. Auf diese Weise
kann eine Schreibspannung an ausgewählte Ausgabekontakte 18 angelegt
werden, wenn der Bauteil programmiert wird. In ähnlicher Weise kann ein Strom,
der auf einem Ausgabekontakt 18 beim Auslesen auftritt, durch
sequenzielles Auswählen
jeder Reihenleitung 40 mit einem Steuersignal, um so die
TFTs jener Reihe einzuschalten, und durch Erfassen des Stroms auf den
einzelnen Spaltenleitungen 50 erfasst werden.
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Dieses Aktivmatrixadressierschema
ist ähnlich
jenem, das zum Beispiel in Aktivmatrix-LCDs verwendet wird, und
kann unter Verwendung von Standard- Großflächenelektronikbearbeitungstechniken auf
der Oberfläche
des Substrats 12 des Speicherbauteils vor der Ablagerung
des amorphen Siliziumlegierungsmaterials hergestellt werden. Vorzugsweise
ist die Ebene der Ausgabekontakte 18 über jener der TFTs und Adressleitungen
mittels einer dazwischen liegenden Schicht von Isoliermaterial angeordnet,
durch welche hindurch die Verbindung zwischen den Kontakten und
ihren jeweiligen TFTs über
Fenster ermöglicht
wird, um so den Speicherbauteilaufbau von dem Aktivmatrixgitter
zu trennen.
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Aus der Lektüre der vorliegenden Erfindung werden
für Fachleute
auf diesem Gebiet der Technik andere Modifikationen offensichtlich.
Solche Modifikationen können
andere Merkmale miteinbeziehen, die bereits auf dem Gebiet der Halb leiterspeicherbauteile
und -baugruppenteile davon bekannt sind und die anstelle von oder
zusätzlich
zu Merkmalen, die hierin bereits beschrieben worden sind, eingesetzt
werden können.