SE423654B - Elektriskt endringsbar minnesanordning - Google Patents

Description

7895554- 8 2 återställes från sitt ledande tillstånd till sitt högre- sistanstillstånd. Det finns emellertid tillfällen när min- net har varat under 106 inställnings-återställningscykler och tröskelspänningen har iakttagits ha ett minimalt lågt värde (mellan 5 och 10 V) och varit relativt oföränderlig under ytterligare skrivcykler.

Det framgår nu att elektromigrering av minnesmateri- alets beståndsdelar mot de olika elektroderna förorsakar den stadiga nedgången i tröskelspänningen. Vid de ovan be- skrivna materialen visas germanium migrera till den nega- tiva elektroden och där närma sig en koncentration av 50 %.

Påmotsvarandesättmigrerartellurtilldenpositivaelektrodmn ,Denna migrering av material skapar områden, som är inaktiva vid omkopplingsprocessen, eftersom deras förhållande mellan beståndsdelarna inte längre är det rätta. Det område där förhållandet mellan beståndsdelarna är lämpligt för omkopp- ling reduceras sålunda i effektiv tjocklek och tröskelspän- ningen blir låg, vilket motsvarar ett mycket tunnareskikt.

Migreringen av material skapar också koncentrations- gradienter. Diffusion verkar sedan som en motviktsprocess och åstadkommer en jämvikt. Värmegradienter kan också bi- draga till processen.

Det ovan angivna amerikanska patentet 3 886 577 be- skriver en"Ovonic" minnesstruktur, vid vilken nedgången i tröskelspänníng ändras genom att ett tellurskikt placeras mellan den positiva elektroden och det amorfa minnesmate- rialskiktet. Detta ändrar nedgången i tröskelspänning men eliminerar den inte.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma en förbättrad, amorf halvledarminnesanordning.

Det är ett annat ändamål med uppfinningen att åstad- komma en förbättrad, amorf halvledarminnesanordning, som inte utmärkes av en avtagande tröskelspänning.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att åstadkomma en amorf halvledarminnesanordning, som har ett relativt konstant tröskelvärde för ett stort antal inställ- nings-återställningscykler. 10 15 20 25 30 35 7805554-8 Eftersom nedgången i tröskelspänningen förorsakas av elektromigrering av det amorfa minnesmaterialets bestånds- delar, kan denna nedgång minskas genom att öka koncentra- tionen av just dessa element vid elektroderna vartill de respektive beståndsdelarna migrerar. Föreliggande uppfin- ning hänför sig sålunda till en skiktad struktur, vid vil- ken ett skikt, som är rikt på en tillämplig beståndsdel, är placerat mellan det amorfa minnesmaterialskiktet och den respektive elektroden, och ett annat materialskikt, som är rikt på den andra beståndsdelen, placeras mellan det amorfa materialet och den andra elektroden. Speciellt utnyttjar föreliggande uppfinning telluriumbaskalkogeniden Gel5Te8lSb2S2. Vid denna utföringsform placeras ett skikt av i huvudsak tellur mellan det amorfa materialet och den positiva elektroden, medan ett skikt av germanium och tel- lur i ett förhållande av omkring l:l placeras mellan det amorfa materialet och den negativa elektroden. En annan utföringsform kan utnyttja Ge24Te Sb S 72 2 2 som det amorfa minnesmaterialet.

Ett utmärkande drag hos uppfinningen är sålunda att man vid en amorf minnesomkopplare, som har ett område av amorft halvledarmaterial placerat mellan åtskilda elektro- der, placerar ett område, som är rikt på en av bestånds- delarna, mellan detta material och en elektrod, och place- _rar ett område som är rikt på den andra bestândsdelen, mellan det amorfa området och den andra elektroden. Ett ytterligare kännetecken hos uppfinningen är att man vid en dylik amorf minnestruktur utnyttjar förbättrade barriärer mellan det ovan beskrivna amorfa minnesmaterialet och de båda elektroderna.

Ovanstående och andra ändamål, fördelar och kännetec- ken hos uppfinningen kommer att framgå tydligare av den följande beskrívningen i samband med ritningarna.

På ritningarna visar fig 1 en tvärsektion av en amorf minnesanordning enligt känd teknik. Fig 2-4 är tvärsektions- diagram av olika utföringsformer av föreliggande uppfinning. 10 l5 go 25 30 35 7805554-8 4 Fig 5 är en kurva över tröskelspänningsvariationerna hos olika anordningar som en funktion av antalet inställnings- eåterställningscykler.

Såsom angivits ovan utnyttjar föreliggande uppfinning ett amorft halvledarmaterial, som ingår klassen tellurba- serade kalkogenidmaterial: GeATeBXcYD. Beståndsdelen X kan vara antimon, vismut, arsenik eller något annat ämne, medan bestândsdelen Y kan vara svavel eller selen. En före- dragen utföringsform av uppfinningen utnyttjar materialet Sb S Ge Sb S Ge15T°s1 2 2' 2 2 utföringsform. 24Te72 kan utnyttjas vid en annan En utföringsform av en minnesanordning enligt känd teknik som använder ett sådant material, visas i fig 1. Så- som framgår av fig l är hela minnesanordningen ll utformad som en integrerad del av ett kiselsubstrat 12. An- ordningen ll utnyttjas normalt i en samling med vertikala I och horisontella ledare för direktaccess. I fig l är en N+ området 14 i substratet 12, som ut- gör en del av en likriktare, vilken består av området 14, N-området 15 och P-området 16. Denna likriktare bildar till- av dessa ledare sammans med minnesanordningen ll korsningspunkten mellan de ortogonala ledarna 13 och 14, där ledaren 14 ärdenposi- tiva elektroden.

En kiselbricka 12 är försedd med ett isolerande mate- rial 17, som kan vara kiseldioxid och som i sin tur är för- sett med ett flertal öppningar 10 för att ursprungligen exponera halvledarmaterialet vid dessa punkter, där de res- pektive minnesanordningarna ll skall vara lokaliserade. Ett elektriskt ledande skikt 18 är selektivt avsatt över de ex- ponerade områdena hos kiselbrickan. Det amorfa halvledar- minnesmaterialet 19 är därefter avsatt genom något lämpligt förfarande över öppningen 15. För att fullständiga minnes- anordníngen är ett kristallint tellurskikt 20 avsatt genom förstoftning över minnesmaterialet och ett barriärbildande, eldfast metallskikt 21 är avsatt däröver innan det elektriskt ledande metallskiktet 13 bildas. Såsom beskrivs i den ovan- nämnda amerikanska patentskriften 3 886 577 väljes materialet 10 15 20 25 30 35 'derar att ändra den. Föreliggande uppfinning är avsedd att 7805554- 8 5 i skiktet 20 med avsikt till tellur för att motverka tel- lurmigreringen mot den positiva elektroden under inställ- nings- och återställningscyklerna. Materialet i skiktet 21 väljes så att det utgör en barriär mot migreringen av mate- rialet i skiktet 13, (tex Al). Såsom antytts ovan elimine- rar detta inte nedgången i tröskelspänning även om det ten- åstadkomma en mycket mera stabil tröskelspänning under en mycket längre livslängd. ' En allmän utföringsform av föreliggande uppfinning visas i fig 2. Såsom framgår av fig 2 är minnesanordningen utbildad på ett isolerande skikt 22, som kan vara ett halv- ledarsubstrat eller ej, såsom i fig l. För att fullständiga de tillämpliga anslutningarna bildas ledaren 24 först på isolatorskiktet 22. Ett annat isolerande skikt 27 bildas däröver med en öppning 25 för mottagning av minnesanord- ningen. Härefter skiljer sig föreliggande uppfinning mar- kant från den kända tekniken genom att ett skikt 28 är av- 4 satt, vilket skikt utgöres av en tellurbaskalkogenid, spe- ciellt germanium-tellur i förhållandet l:l. Ovan på detta skikt bildas det amorfa minnesglasmaterialet 29 och ett tellurbaserat skikt 30 avsättes ovanpå minnesglasskiktet.

Det tellurbaserade skiktet 30 kan innehålla upp till 10 % germanium. Den andra ledaren 23 bildas sedan över anord- ningen. vid utföringsformen enligt fig 2 utgöres det amorfa minnesglasskiktet 29 primärt av germanium och tellur, var- vid mängden germanium varierar mellan l5 % och 33 %.

Vid en utföringsform av föreliggande uppfinning kan skiktet 29 i fig 2 befinnas av onödigt, eftersom, efter det att anordningen har värmebehandlats och drivits elektriskt, kompositionerna hos skiktet kommer att blandas till en jämnt graderad struktur, som närmar sig strukturen hos en tradi- tionell anordning efter drift under många 1000-tals cykler.

I detta fall kommer den urspungliga tröskelspänningen att vara O eller mycket låg och stiger till sitt jämviktsvärde endast vid den elektriska omkopplingen.

En särskild utföringsform av uppfinningen visas i fig 3.

Denna anordning motsvarar till sin struktur utföringsformen 10 15 20 25 30 35 7805554-8 6 i fig 2, utom att ett barriärledarskikt är utbildat över hela minnesanordningen och det isolerande substratet. Även i fig 3 är anordningen utbildad på ett lämpligt isolerande substrat 32, som kan utgöras av ett halvledarmaterial. Den negativa ledaren 34 är därefter utbildad därpå och skiktet 38 utgöres av en komposition av germanium-tellur i förhål- landet cirka 1:1 och är selektivt avsatt. Det isolerande skiktet 37 är sedan utbildat över det selektivt avsatta germanium-tellurskiktet 38 med öppningar 35 i isolatorn 37 vid ställerna för de selektiva germanium-telluravsättning- arna. Det armofa minnesmaterialet 39 och tellurmaterialet 40 avsättes sedan selektivt för att överlappa öppningen 35.

Naturligtvis kan de respektive skikten 37, 39 och 40 av- sättas över hela ytan och selektivt avlägsnas. Barriärle- darmaterialet 41 avsätts sedan över hela minnesanordningen och den positiva ledaren 33 bildas därpå.

Det isolerande skiktet 37 i fig 3 är ett dielektrikum, som kan vara ångavsatt på kemisk väg och kan vara fotolito- grafiskt mönstrat på ett sådant sätt att de bildar de res- pektive öppningarna 35 som “porer". Med denna metod medger skiktet.37 att skiktet 38 är mycket ledande, antingen på grund av avsättningsmetoden eller på grund av värmebehand- lingen efter avsättningen, utan att det blir någon kort- slutning mellan skikten 34 och 41. i Det amorfa materialet 39 kan ha en ungefärlig samman- sättning, som varierar från Gel5Te85 till Ge33Te66 med even- tuella tillsatser. Det kan också vara fotolitografiskt mönstrat. Detta skikt kan också lämnas kan det bildas effektivt trisk och termisk verkan på den Skiktet 40 kan vara tellur med eventuella tillsatser så att det föreligger i ledande tillstånd vid tidpunkten för det första elektriska testet. Skiktet kan mönstras sam- utelämnas, men om det ute- på "por"-området genom elek- fullständiga anordningen. tidigt med det amorfa materialet 39. Barriärledarmaterialet 41 kan vara molybden eller Tilowgo. Den högkonduktiva leda- ren.33 kan vara aluminium eller guld.

En annan utföringsform av uppfinningen visas i fig 4.

Denna utföringsform motsvarar fig 3 och kommer inte att 10 n 20 25 30 35 7805554- 8 7 beskrivas i detalj, utom för att påpeka att det germanium- rika materialet 48 överlappar öppningen 45 i det dielek- triska materialet 44 och det amorfa minnesmaterialet 49.

Likaså överlappar det tellurrika skiktet 50 det selektivt avsatta området av det germaniumrika materialet 48.

Medan de ovan beskrivna utföringsformerna av uppfin- ningen utnyttjar tre materialskikt, som vart och ett har enhetlig koncentration i det avsatta skiktet, kan använd- ning av skikt med graderad sammansättning också vara an- vändbar. Faktiskt kan en struktur, som består av ett kon- tinuerligt graderat skikt vara optimal. Användningen av multipelskikt för att ursprungligen approximera den konti- nuerligt graderade strukturen som erhålles vid drift av anordningen under många inställnings-återställningscykler, är lämpligt vid tillverkning av anordningen. Användningen av multipelskikt medger dessutom separat värmebehandling av det första skiktet eller skikten så-att det har ett mer eller mindre ledande tillstånd före användning.

Mer än tre skikt kan också användas för att ännu närm- re approximera den kontinuerligt graderade strukturen som erhålles vid drift under många inställnings-återställnings- cykler. ' g En jämförelse mellan tröskelvärdena för föreliggande uppfinning och de avtagande tröskelvärdena vid kända anord- ningar ges i fig 5, som innehåller en uppsättning kurvor, vilka representerar värdena på tröskelspänningen som en funktion av antalet inställnings-återställningscykler. Kur- va A representerar nedgången i tröskelvärdet för ett en- hetligt amorft materialskikt enligt tidigare teknik. Det skall noteras att detta tröskelvärde fortsätter att avtaga fram till minst 106 inställnings-återställningscykler, var- efter tröskelvärdet synes vara oföränderligt vid ytterli- gare cykler. Kurva B representerar variationen vid tröskel- spänning för en känd anordning, såsom den typ som visats 'i fig 1. Även i detta fall är tröskelvärdet ursprungligen högt och planar ut efter cirka 102 cykler varefter det är relativtgoföränderligt.

Till skillnad härifrån representerar kurva C stabili- 10 15 20 257 30 7805554-8 8 teten i tröskelvärdet vid föreliggande uppfinning, vid vil- ken skillnaden i bestândsdelarnas koncentration i de olika områdena närmar sig den som iakttages hos en amorf standard-> minnesanordning efter 106 inställnings-âterställningscykler.

Det skall noteras att fastän tröskelvärdet är lika med mini- mumvärdet för de andra kända anordningarna, startar det vid detta låga värde och är konstant under anordningens hela livslängd. Storleksordningen hos detta låga minimumtröskel- värde kan justeras genom att justera tjockleken på det amor- fa minnesskiktet. Såsom har antytts ovan, tenderar tjock- leken hos det amorfa materialområdet vid de kända anordning- arna att reduceras genom migrering av beståndsdelarna till de respektiva elektroderna.

Avslutning ' Ovan har beskrivits olika utföringsformer av förelig- gande uppfinning, vilka utföringsformer är skiktade eller graderade strukturer hos vilka varje omrâde har en annan koncentration av särskilda beståndsdelar hos det amorfa min- nesmaterialet så att man närmar sig den struktur, som upp- I nås vid ett enhetligt amorft material efter många inställ- nings-återställningscykler. Skikten hos områdena närmast den positiva elektroden bör ha en tilltagande koncentration "av tellur, medan skikten närmast den negativa elektroden bör ha en tilltagande koncentration av germanium. Genom tillämplig justering av antalet skikt och deras koncentra- tion av beståndsdelarna kan man erhålla en amorf minnesan- ordning, som har ett enhetligt tröskelvärde under hela sin livslängd. En sådan anordning är högeligen önskvärd för an- vändning i ett elektriskt ändringsbart läsminne.

Fastän tre utföringsformer av uppfinningen har beskri- vits inses det av fackmannen på området att variationer och modifieringar kan göras utan att man avviker från uppfin- ningens ram, sådan den framgår av patentkraven.

Claims (6)

1. 0 15 20 25 30 35 7805554-8 PATENTKRAV l. Elektriskt ändringsbar minnesanordning, innefattan- de en positiv elektrod (23, 33, 43), en negativ elektrod (24, 34, 44), och en minnesmaterialsstruktur, som är monte- rad mellan elektroderna, k ä n n e t e c k n ad därav, att minnesmaterialsstrukturen är uppbyggd av första, andra och tredje områden (30, 40, 50; 29, 39, 49; 28, 38, 48), varvid det första området är anordnat intill den positiva elektro- den (23, 33, 43), det tredje området (28, 38, 48) intill den negativa elektroden (24, 34, 44) och det andra området mellan de första och tredje områdena; att det andra om- rådet är utbildat av en tellurbaserad kalkogenid, som har högre elektrisk resistans i sitt amorfa tillstånd och lägre elektrisk resistans i sitt kristallina tillstånd och kan omkopplas från det ena tillståndet till det andra vid påläggning av en elektrisk signal med tillämpliqt värde på elektroderna; att det första området är utbildat av ett material med en högre procentandel av tellur än det andra omrâdet och att det tredje området är utbildat av ett material med en högre procentandel av germanium än det andra området.

2. Minnesanordning enligt kravet l, k ä n n e t e c k- n a d därav, att det första området (30, 40, 50) väsent- ligen utgöres av tellur.

3. Minnesanordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k-' n a d därav, att det tredje området (28, 38, 48) utgöres av väsentligen lika proportioner tellur och germanium.

4. Minnesanordning enligt kravet l, k ä n n e t e c k- n a d därav, att det andra området (29, 39, 49) utgöres av Gel5Te8lSb2S2

5. Minnesanordning enligt kravet l, k ä n n e t e c k- n a d därav, att det andra området (29, 39, 49) utgöres av Ge24Te72Sb2S2.

6. Minnesanordning enligt något av de föregående patent- k ä n n e t e c k n a d därav, att det första, andra och tredje omrâdet(30, 40, 50; 29, 39, 49; 28, 38, 48) vart- dera utgöres av ett skikt. ANFURDA PUBLIKATIONER: kraven, us 3 980 505 (143-1.s)