WO2009140936A1 - Speicher mit tunnelbarriere sowie verfahren zum schreiben und auslesen von information in diesem speicher - Google Patents

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tunnel
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Hermann Kohlstedt
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a memory and a method for writing and reading information in a memory.
  • DRAM dynamic random access memory
  • resistive memories are currently being researched, in which the information is written by a resistance change of the memory material.
  • These memories promise a much higher data density than DRAMs and offer the perspective of a universal memory, which also replaces the mass storage device, because they can in principle not be designed to be volatile.
  • This memory comprises a tunnel barrier and electrical contacting means for conducting a current through the tunnel barrier.
  • the tunnel barrier is in contact with a memory material which has a memory property.
  • This memory property is variable by a write signal. Due to the contact with the tunnel barrier, a change in the memory property results in a change in the tunneling resistance for the current flowing through the tunnel barrier.
  • the write signal to which the memory material reacts with a change in its memory property may be, for example, an applied electrical voltage or an applied electrical current. However, it can also consist for example in an optical excitation by irradiation with light, such as laser light, or in a temperature increase.
  • the change of the memory characteristic due to the write signal is advantageously reversible, so that the memory can be used as a random access memory (RAM) or as a mass memory. If the change is not reversible, the memory can be used as a read-only memory (ROM), a write-once memory (PROM) or a programmable logic array (PLA).
  • RAM random access memory
  • PROM write-once memory
  • PLA programmable logic array
  • contact is not limited to arrangements in which the tunnel barrier and memory material are mutually distinguishable layers adjacent to one another. Contact is also given, for example, if the storage material is present in the form of inclusions in the tunnel barrier.
  • the memory of the present invention can be made more reproducibly and with less relative dispersion in resistance as compared to prior art resistive memories.
  • the quantum mechanical tunnel resistance is excluded. is used. This depends exponentially on the effective thickness of the tunnel barrier, on the charge density and band structure at the interfaces of the tunnel barrier as well as on the effective mass of the tunneling electrons. It has been recognized that a small and thus well-defined change in the memory property of the memory layer can change the tunneling resistance over a much larger dynamic range than is possible in classical resistive memories. Prior to this dynamic range, the inevitable variations in the manufacturing process fade to a much lower relative variance in resistance values than heretofore practicable in the prior art. Thus, an essential requirement is met, which is placed on a memory to be used in an array of a plurality of nominally identical memory cells.
  • the reproducibility of the production is additionally increased by the fact that changes to the tunnel barrier itself, whose construction and reproducible production are already technically optimized, do not necessarily have to be made.
  • a commercially available tunnel barrier can be covered with a memory material or otherwise brought into contact with this memory material in order to produce the memory according to the invention.
  • the memory material has a memory property whose change leads to a change in the level of the conduction band in the tunnel barrier.
  • This can be effected, for example, with a storage material in which the position of ions as a storage property is variable by applying an electrical voltage (and thus an electric field) as a write signal.
  • the ions in the storage material should be displaced from their lattice sites by lower electrical voltages than ions in the tunnel barrier.
  • the tunneling resistance depends exponentially on the ionic charge density and electric field strength at the interface between the storage material and the tunnel barrier, the ions need only be moved a very short distance (a few nanometers) to effect a large change in tunneling resistance; Accordingly, the memory material can be designed as a very thin layer (between 0.5 nm and 20 nm).
  • the storage material may advantageously be designed as a matrix material, so that the ions can move therein.
  • the effective height of the tunnel barrier, on which the tunneling resistance depends exponentially, is a function of the work function between the tunnel barrier and the material adjacent to it. This work function is determined by the difference in Fermi levels between the tunnel barrier on the one hand and the adjacent material on the other hand.
  • This difference, and hence the tunneling resistance, can be changed by introducing or removing ions at the interface between tunnel barrier and memory material.
  • the barrier height is largely determined by the electronic properties (band structure) at the interface.
  • the presence or absence of ions at the interface is equally important with a change in the material properties and thus also the barrier height.
  • a write voltage between 0.1 V and 3 V via the memory material.
  • voltages of 10V and more were typically required.
  • the lower required writing voltage also makes it possible to change the position of the ions along the entire interface between the storage material and the tunnel barrier.
  • the storage material comprises a solid electrolyte (ionic conductor).
  • ionic conductor This is a material which conducts ions in the solid state at the temperature and electric field strength present in the respective application. This ionic conductivity is always associated with mass transport within the solid.
  • the ionic conductivity of each material but also the physical properties of the tunnel barrier are temperature-dependent, although the temperature dependence of the ionic conductivity usually dominates.
  • the skilled artisan is asked to realize the memory for a given operating temperature. For example, when used in space, the temperatures are very low, when using in or on an engine or a fuel cell, however, very high. Since both the temperature behavior of tunnel barriers made of different materials and the temperature behavior of ionic conductors are well researched and documented, he can make a pre-selection of combinations of tunneling barriers and ionic conductors that function at the desired operating temperature.
  • the functionality will not be a yes-no property, but a gradual property, so that the expert can use the evaluation of failures as an additional tool to achieve success.
  • a material such as Ag 2 S, AgS, Ag 2 O, Ag 2 Se, Ag, GeSbSe, CuO 2 or Pb 4 Cu 17 Clj 3 , can be used as a solid electrolyte.
  • These materials are compatible with common tunneling barriers of, for example, SiO 2 , GaN, Al 2 O 3 , MgO, SrTiO 3, and Si 3 N 4 . Special mention should be made of the particularly good compatibility of Ag 2 O with Si 3 N 4 and of AgGeSbSe with Si 3 N 4 or SiO 2 .
  • the interfaces of the storage material are inert to the tunnel barrier and to the electrical contacting means. That is, no ions are coming through the interfaces through, and there is no chemical reaction of the storage material with adjacent materials.
  • Such an inert boundary surface can be realized, for example, by a combination of materials consisting of a tunnel barrier and a storage material in which the tunnel barrier has essentially only defects which are not accessible to ions from the storage material.
  • the materials can be coordinated so that the defects in the tunnel barrier are smaller than the ionic radii in the storage material.
  • the interfaces can also be designed in other ways as diffusion and / or migration barriers for the ions in the storage material. The potential conditions and the defect density should be such that ions can not enter the tunnel barrier through thermal effects or an electric field.
  • the tunnel barrier comprises an amorphous material.
  • defects only act locally; since there is no regular lattice, there is no mobility along lattice axes for ions. Therefore, the ions from the memory material, if any, are difficult to penetrate into an amorphous material tunnel barrier.
  • Nitrides or other non-oxygen containing compounds are chemically very stable and therefore well suited to be compatible with many ionic conductor materials as tunneling barrier materials.
  • the memory material comprises a further tunnel barrier, the tunnel resistance of which as a memory property is variable by the write signal.
  • This can be effected, for example, by a metal layer which can be displaced by the write signal in the further tunnel barrier.
  • this change in the memory property mediated by the write signal also has an exponential influence on the tunnel resistance: for example, if both tunnel barriers are adjacent to one another and thus form a large tunnel barrier, the metal layer which can be displaced by an electric field as the write signal determines the spatial distribution this total barrier to two sub-barriers. Since the tunneling resistance depends exponentially on the effective barrier thickness, the tunneling resistance is lowest when the total barrier is exactly divided by the metal layer.
  • tunneling resistance is orders of magnitude higher if the metal layer is adjacent to one of the electrical contact means and thus each tunneling electron must traverse the length of the total barrier in one piece. There is a shift between these two extremes the metal layer by just a few nanometers, which can already be set up quickly and reversibly with weak fields in comparison to the write fields previously used for resistive memories. Tunneling barriers are typically between 0.2 nm and 10 nm thick.
  • the memory property of the memory material should be such that it remains stable for at least 100 ns after the omission of the write signal. This time is already sufficient, so that the memory can be used as a volatile memory analogous to today's dynamic RAM (DRAM), which is refreshed regularly. DRAM is typically refreshed at 1ms intervals. If the memory property is stable for a long time (5,000, preferably 50,000 hours), it can also be used as a non-volatile memory. He can then act as a universal memory, which replaces both the previous memory and the previous mass storage.
  • DRAM dynamic RAM
  • the memory property is bistable or multistable. If the memory property can be changed continuously as a function of the strength of the write signal, then analog measured values for further processing in an analog circuit can be temporarily stored, for example, without the information being lost as a result of the discrimination in an analog-to-digital converter.
  • a method for storing information in a memory with a tunnel barrier and for reading out the stored information has been developed.
  • This method is characterized in that, for storing the information, the level of the conduction band edge in the tunnel barrier and / or the spatial division of the tunnel barrier into a plurality of subbranches are changed.
  • To read the information will measured a measure that is a measure of the tunneling probability through the tunnel barrier, such as a tunneling current.
  • the level of the conduction band edge in the tunnel barrier is advantageously changed by a change in an electric field presented at an edge of the tunnel barrier.
  • This electric field can be, for example, the field of ions which are introduced at an interface of the tunnel barrier or subtracted from it.
  • the ions may, for example, be bound in a memory layer adjacent to the tunnel barrier in such a way that they only leave their position occupied when the information is stored until they have been subjected to an opposite write signal.
  • the memory is traversed for storing information with a write current and for reading the information with a read current, wherein the write current is greater than the read current. Then both the storage and the readout can be done with the same drive circuit, wherein only at one point the power must be changed.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of an embodiment of the memory according to the invention.
  • This memory has a tunnel barrier 1 and metal electrodes (2 a, 2 b) as contacting means for conducting a current through the tunnel barrier 1.
  • the tunnel barrier 1 is in contact with a storage material 3.
  • This memory material 3 is an electrochemically active layer in which the position of ions is variable by a voltage applied between the metal electrodes (2a, 2b) as a write signal.
  • the interface 4a of the memory material 3 to the tunnel barrier 1 and the interface 4b of the memory material 3 to the metal electrode 2b are designed as impermeable diffusion and / or migration stops for ions.
  • FIG. 2 shows the schematic structure of a modified embodiment of the memory according to the invention.
  • the memory material 3 is here a second tunnel barrier, in which a metal layer 3 a is embedded.
  • This metal layer 3 a can be moved as a whole by a voltage applied between the metal electrodes (2 a, 2 b) as a write signal in the direction of the tunnel barrier 1 or in the direction of the metal electrode 2 b.
  • the tunnel barrier 1 and the memory material 3 taken together form a single tunnel barrier, which is composed of two separated by the metal layer 3a partial barriers:
  • the first sub-barrier extends from the metal electrode 2a to the metal layer 3a
  • the second sub-barrier extends from the metal layer 3a to the metal electrode 2b.
  • the total resistance of the series connection of the two sub-barriers is lowest, if the metal layer 3 a is located at the interface between memory material 3 and tunnel barrier 1. In contrast, the total resistance is greatest when the metal layer 3a is located at the interface between the memory material 3 and the metal electrode 2b.
  • a multiplicity of units (cells) of the memory according to the invention can advantageously be arranged in a "cross-bar array" in order to store large amounts of information,
  • Such an array consists of an arrangement of parallel word lines, which as a rule reside on On the word lines are, preferably in Periodically, applied units of the memory according to the invention.
  • bit lines are applied to the memory units, which are perpendicular to the word lines and interconnect memory units.

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  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

Die Erfindung stellt einen resistiven Speicher zur Verfügung, der eine Tunnelbarriere enthält. Die Tunnelbarriere steht mit einem Speichermaterial in Kontakt, das eine durch ein Schreibsignal veränderliche Speichereigenschaft aufweist. Eine Änderung der Speichereigenschaft greift auf Grund der exponentiellen Abhängigkeit des Tunnelwiderstands von den Parametern der Tunnelbarriere stark auf den Tunnelwiderstand durch, wodurch die im Speichermaterial gespeicherte Information ausgelesen werden kann. Als Speicherschicht ist beispielsweise ein Festkörperelektrolyt (Ionenleiter) geeignet, dessen Ionen durch das Schreibsignal relativ zur Grenzfläche mit der Tunnelbarriere bewegt werden können. Die Speicherschicht kann aber auch beispielsweise eine weitere Tunnelbarriere sein, deren Tunnelwiderstand durch das Schreibsignal veränderlich ist, beispielsweise durch Verschiebung einer in dieser Tunnelbarriere vorhandenen Metallschicht. Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Speichern und Auslesen von Information in einem Speicher zur Verfügung.

Description

B e s c h r e i b u n g
SPEICHER MIT TUNNELBARRIERE SOWIE VERFAHREN ZUM SCHREIBEN UND AUSLESEN VON INFORMATION IN DIESEM SPEICHER
Die Erfindung betrifft einen Speicher sowie ein Verfahren zum Schreiben und Auslesen von Information in einem Speicher.
Stand der Technik
Die Miniaturisierung herkömmlicher dynamischer Arbeitsspeicher (DRAM) stößt an Grenzen. Die Information ist in Form von Ladungen gespeichert, die mit abnehmender Größe der Speicherzellen immer geringer werden. Wird ein Bit durch weniger als etwa 100-1000 Elementarladungen repräsentiert, ist es technisch nicht mehr verlässlich möglich, zwischen den beiden Zuständen 0 und 1 zu unterscheiden.
Daher wird derzeit an resistiven Speichern (RRAM) geforscht, in die die Information durch eine Widerstandsänderung des Speichermaterials eingeschrieben wird. Diese Speicher versprechen eine wesentlich höhere Datendichte als DRAMs und bieten die Perspektive eines Universalspeichers, der auch den Massenspeicher ersetzt, weil sie sich prinzipiell auch nicht flüchtig ausgestalten lassen. Einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung gibt das Heft Nature Materials, Vol. 6, Issue 12 (2008).
Nachteilig streuen die bisher bekannten resistiven Speicher stark in ihren Widerstandswerten, und ihre Herstellung ist nur schwer reproduzierbar. Daher konnte die Technologie, obwohl sie bereits seit den 1960er Jahren bekannt ist und diskutiert wird, bislang noch nicht kommerzialisiert werden.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen resistiven Speicher zur Verfügung zu stellen, bei dem die Widerstandswerte weniger stark streuen und dessen Herstellung reproduzierbar ist als bei resistiven Speichern nach dem Stand der Technik.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäß gelöst durch einen Speicher gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Speicher für Information entwickelt. Dieser Speicher umfasst eine Tunnelbarriere und elektrische Kontaktierungsmittel zur Führung eines Stroms durch die Tunnelbarriere.
Erfindungsgemäß steht die Tunnelbarriere mit einem Speichermaterial in Kontakt, welches eine Speichereigenschaft aufweist. Diese Speichereigenschaft ist durch ein Schreibsignal veränderlich. Auf Grund des Kontakts mit der Tunnelbarriere führt eine Änderung der Speichereigenschaft zu einer Änderung des Tunnelwiderstands für den durch die Tunnelbarriere fließenden Strom.
Das Schreibsignal, auf das das Speichermaterial mit einer Änderung seiner Speichereigenschaft reagiert, kann beispielsweise eine vorgelegte elektrische Spannung oder ein vorgelegter elektrischer Strom sein. Es kann aber beispielsweise auch in einer optischen Anregung durch Bestrahlung mit Licht, wie beispielsweise Laserlicht, oder in einer Temperaturerhöhung bestehen.
Die Veränderung der Speichereigenschaft auf Grund des Schreibsignals ist vorteilhaft reversibel, so dass der Speicher als Arbeitsspeicher (RAM) oder als Massenspeicher verwendet werden kann. Ist die Veränderung nicht reversibel, kann der Speicher als Nur-Lese-Speicher (ROM), als einmal beschreibbarer Speicher (PROM) oder als programmierbares logisches Array (PLA) verwendet werden.
Der Begriff des Kontakts ist nicht auf Anordnungen beschränkt, in denen Tunnelbarriere und Speichermaterial voneinander unterscheidbare Schichten sind, die aneinander angrenzen. Ein Kontakt ist beispielsweise auch dann gegeben, wenn das Speichermaterial in Form von Einschlüssen in der Tunnelbarriere vorliegt.
Es wurde erkannt, dass sich der erfindungsgemäße Speicher im Vergleich zu resistiven Speichern nach dem Stand der Technik reproduzierbarer und mit geringerer relativer Streuung in den Widerstandswerten herstellen lässt.
Verantwortlich hierfür ist, dass im Gegensatz zu den klassischen resistiven Speichern nach dem Stand der Technik erfmdungsgemäß der quantenmechanische Tunnelwiderstand ausge- nutzt wird. Dieser hängt exponentiell von der effektiven Dicke der Tunnelbarriere, von der Ladungsdichte und Bandstruktur an den Grenzflächen der Tunnelbarriere sowie von der effektiven Masse der tunnelnden Elektronen ab. Es wurde erkannt, dass durch eine geringe und damit wohldefiniert realisierbare Änderung der Speichereigenschaft der Speicherschicht der Tunnelwiderstand über einen viel größeren Dynamikbereich geändert werden kann als dies in klassischen resistiven Speichern möglich ist. Vor diesem Dynamikbereich verblassen die unvermeidlichen Schwankungen im Herstellungsprozess zu einer viel geringeren relativen Streuung der Widerstandswerte als bislang nach dem Stand der Technik realisierbar. Damit ist eine wesentliche Anforderung erfüllt, die an einen Speicher gestellt wird, der in einem Array aus einer Vielzahl nominell identischer Speicherzellen eingesetzt werden soll.
Die Reproduzierbarkeit der Herstellung wird zusätzlich dadurch gesteigert, dass an der Tunnelbarriere selbst, deren Aufbau und reproduzierbare Herstellung bereits technisch optimiert sind, nicht notwendigerweise Veränderungen vorgenommen werden müssen. Es kann beispielsweise eine kommerziell erhältliche Tunnelbarriere mit einem Speichermaterial belegt oder auf andere Weise in Kontakt mit diesem Speichermaterial gebracht werden, um den erfindungsgemäßen Speicher herzustellen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Speichermaterial eine Speichereigenschaft auf, deren Änderung zu einer Änderung des Niveaus des Leitungsbands in der Tunnelbarriere führt. Dies kann beispielsweise mit einem Speichermaterial bewirkt werden, in dem die Position von Ionen als Speichereigenschaft durch Anlegen einer elektrischen Spannung (und damit eines elektrischen Feldes) als Schreibsignal veränderlich ist. Dabei sollten die Ionen im Speichermaterial sich durch geringere elektrische Spannungen von ihren Gitterplätzen verschieben lassen als Ionen in der Tunnelbarriere. Da der Tunnelwiderstand exponentiell von der durch die Ionen bewirkten Ladungsdichte und elektrischen Feldstärke an der Grenzfläche zwischen Speichermaterial und Tunnelbarriere abhängt, müssen die Ionen nur um eine sehr kurze Strecke (wenige Nanometer) bewegt werden, um eine große Änderung des Tunnelwiderstands zu bewirken; dementsprechend kann das Speichermaterial als sehr dünne Schicht (zwischen 0,5 nm und 20 nm) ausgestaltet sein. Das Speichermaterial kann vorteilhaft als Matrixmaterial ausgestaltet sein, damit die Ionen sich darin bewegen können. Die effektive Höhe der Tunnelbarriere, von der der Tunnelwiderstand exponentiell abhängt, ist eine Funktion der Austrittsarbeit zwischen der Tunnelbarriere und dem an sie angrenzenden Material. Diese Austrittsarbeit wird bestimmt durch den Unterschied in den Fermi- Niveaus zwischen der Tunnelbarriere einerseits und dem angrenzenden Material andererseits. Dieser Unterschied, und damit auch der Tunnelwiderstand, kann durch das Vorlegen oder Entfernen von Ionen an der Grenzfläche zwischen Tunnelbarriere und Speichermaterial geändert werden. Hiermit wird die Barrierenhöhe verändert und damit auch der Tunnelstrom. Die Barrierenhöhe wird maßgeblich durch die elektronischen Eigenschaften (Bandstruktur) an der Grenzfläche bestimmt. Die An- bzw. Abwesenheit von Ionen an der Grenzfläche ist gleich bedeutend mit einer Änderung der Materialeigenschaften und somit auch der Barrierenhöhe. Durch das Vorlegen von Ionen an der Grenzfläche des Speichermaterials wird dessen Bandstruktur lokal an dieser Grenzfläche verändert. Die Bandstrukturen der Tunnelbarriere und des Speichermaterials wiederum gleichen sich lokal an dieser Grenzfläche aneinander an.
Als treibende Kraft für eine solche Bewegung über wenige Nanometer reicht ein viel schwächeres elektrisches Feld aus, als es bislang zum Einschreiben von Information in resistive Speicher mit einer Dicke in der Größenordnung Mikrometer erforderlich war, und das Schreiben lässt sich auf Grund des kurzen Weges schneller bewerkstelligen. Da Ionen im Speichermaterial mit Geschwindigkeiten der Größenordnung m/s bewegt werden können, reicht es vorteilhaft aus, das elektrische Feld für eine Dauer von 10 ns oder weniger, bevorzugt für eine Dauer von 5 ns oder weniger, vorzulegen. Das Schreiben in konventionelle Flash-Speicher oder resistive Speicher benötigt dagegen Zeiten in der Größenordnung μs bis ms.
Vorzugsweise reicht es aus, über das Speichermaterial eine Schreibspannung zwischen 0,1 V und 3 V anzulegen. Beim Einschreiben in bisherige resistive Speicher waren typischerweise Spannungen von 10 V und mehr erforderlich. Durch die geringere erforderliche Schreibspannung wird es zudem möglich, die Position der Ionen entlang der gesamten Grenzfläche zwischen Speichermaterial und Tunnelbarriere zu ändern.
Ist das Speichermaterial so beschaffen, dass diese Änderung reversibel ist, so sind wesentlich mehr Schaltzyklen möglich als in resistiven Speichern gemäß Stand der Technik. Die beim Einschreiben von Information in resistive Speicher erforderliche hohe Schreibspannung bewirkt, dass das aktive Material entlang weniger Kanäle elektrisch durchbricht und dabei in seinen Eigenschaften verändert wird. Wo genau im Material sich diese Kanäle bilden, ist we- der vorhersehbar noch steuerbar. Beim Löschen des resistiven Speichers können diese Veränderungen daher nicht mehr vollständig rückgängig gemacht werden. Das Material degeneriert irreversibel, was die Zahl der möglichen Schreibzyklen begrenzt und ein aufwändiges Defektmanagement für die nach und nach ausfallenden Speicherzellen erforderlich macht.
Vorteilhaft umfasst das Speichermaterial einen Festelektrolyten (Ionenleiter). Dies ist ein Material, das im Festkörper bei der im jeweiligen Anwendungsfall vorliegenden Temperatur und elektrischen Feldstärke Ionen leitet. Diese Ionenleitfähigkeit ist immer mit einem Massentransport innerhalb des Festkörpers verbunden.
Nicht nur die Ionenleitfähigkeit eines jeden Materials, sondern auch die physikalischen Eigenschaften der Tunnelbarriere sind temperaturabhängig, wobei allerdings in der Regel die Temperaturabhängigkeit der Ionenleitfähigkeit dominiert. Der Fachmann wird vor die Aufgabe gestellt, für eine vorgegebene Einsatztemperatur den Speicher zu realisieren. So sind etwa beim Einsatz im Weltraum die Temperaturen sehr tief, beim Einsatz in oder an einem Motor oder einer Brennstoffzelle dagegen sehr hoch. Da sowohl das Temperaturverhalten von Tunnelbarrieren aus verschiedenen Materialien als auch das Temperaturverhalten von Ionenleitern gut erforscht und dokumentiert sind, kann er eine Vorauswahl von Kombinationen aus bei der gewünschten Einsatztemperatur funktionsfähigen Tunnelbarrieren und Ionenleitern treffen. Mit der zusätzlichen Randbedingung, dass Tunnelbarriere und Ionenleiter zueinander kompatibel sein müssen, verbleiben für den konkreten Anwendungsfall nur noch wenige mögliche Kombinationen, die der Fachmann in einer zumutbaren Anzahl von Versuchen testen kann. Dabei wird die Funktionsfähigkeit keine Ja-Nein-Eigenschaft, sondern eine graduelle Eigenschaft sein, so dass der Fachmann die Auswertung von Fehlschlägen als zusätzliches Hilfsmittel zur Erreichung des Erfolgs heranziehen kann.
Für den Einsatz bei Raumtemperatur kann beispielsweise ein Material wie Ag2S, AgS, Ag2O, Ag2Se, Ag, GeSbSe, CuO2 oder Pb4Cu17 CIj3, als Festkörperelektrolyt eingesetzt werden. Diese Materialien sind mit gängigen Tunnelbarrieren aus beispielsweise SiO2, GaN, Al2O3, MgO, SrTiO3 und Si3N4 kompatibel. Speziell hervorzuheben sind die besonders gute Kompatibilität von Ag2O mit Si3N4 sowie von AgGeSbSe mit Si3N4 oder SiO2.
Vorteilhaft sind die Grenzflächen des Speichermaterials zur Tunnelbarriere und zu den elektrischen Kontaktierungsmitteln inert. Das heißt, durch die Grenzflächen treten keine Ionen hindurch, und es findet keine chemische Reaktion des Speichermaterials mit angrenzenden Materialien statt. Eine solche inerte Grenzfläche lässt sich beispielsweise durch eine Materialkombination aus einer Tunnelbarriere und einem Speichermaterial realisieren, in der die Tunnelbarriere im Wesentlichen nur Defekte aufweist, die für Ionen aus dem Speichermaterial nicht zugänglich sind. Beispielsweise können die Materialien so aufeinander abgestimmt sein, dass die Defekte in der Tunnelbarriere kleiner sind als die Ionenradien im Speichermaterial. Die Grenzflächen können aber auch auf andere Weise als Diffusions- und/oder Migrationsbarrieren für die Ionen im Speichermaterial ausgestaltet sein. Die Potentialverhältnisse und die Defektdichte sollten so beschaffen sein, dass Ionen weder durch thermische Effekte noch durch ein elektrisches Feld in die Tunnelbarriere eindringen können.
Vorteilhaft umfasst die Tunnelbarriere ein amorphes Material. In einem amorphen Material wirken Defekte nur lokal; da kein regelmäßiges Gitter vorhanden ist, gibt es für Ionen keine Mobilität entlang von Gitterachsen. Daher können die Ionen aus dem Speichermaterial, wenn überhaupt, nur schwer in eine Tunnelbarriere aus einem amorphen Material eindringen.
Nitride oder andere Verbindungen, die keinen Sauerstoff enthalten, sind chemisch sehr stabil und daher gut geeignet, um als Materialien für Tunnelbarrieren mit vielen Ionenleitern kompatibel zu sein.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Speichermaterial eine weitere Tunnelbarriere, deren Tunnelwiderstand als Speichereigenschaft durch das Schreibsignal veränderlich ist. Dies kann beispielsweise bewirkt werden durch eine durch das Schreibsignal verschiebbare Metallschicht in der weiteren Tunnelbarriere. Es wurde erkannt, dass auch diese durch das Schreibsignal vermittelte Änderung in der Speichereigenschaft einen exponentiellen Einfluss auf den Tunnelwiderstand hat: Grenzen etwa beide Tunnelbarrieren aneinander an und bilden somit eine große Tunnelbarriere, so bestimmt die durch ein elektrisches Feld als Schreibsignal verschiebbare Metallschicht die räumliche Aufteilung dieser Gesamtbarriere auf zwei Teilbarrieren. Da der Tunnelwiderstand exponentiell von der effektiven Barrierendicke abhängt, ist der Tunnelwiderstand am geringsten, wenn die Gesamtbarriere durch die Metallschicht genau hälftig unterteilt ist. Dagegen ist der Tunnelwiderstand um Größenordnungen höher, wenn die Metallschicht an eines der elektrischen Kontak- tierungsmittel angrenzt und somit jedes tunnelnde Elektron die Länge der Gesamtbarriere in einem Stück durchqueren muss. Zwischen diesen beiden Extremen liegt eine Verschiebung der Metallschicht um nur wenige Nanometer, die sich bereits mit, im Vergleich zu den bislang für resistive Speicher verwendeten Schreibfeldern, schwachen Feldern schnell und reversibel einstellen lässt. Tunnelbarrieren sind typischerweise zwischen 0,2 nm und 10 nm dick.
Die Speichereigenschaft des Speichermaterials sollte so beschaffen sein, dass sie nach dem Wegfall des Schreibsignals noch mindestens 100 ns stabil bleibt. Diese Zeit reicht bereits aus, damit der Speicher analog zu heutigem dynamischem RAM (DRAM) als flüchtiger Speicher eingesetzt werden kann, der regelmäßig aufgefrischt wird. DRAM wird typischerweise in Intervallen von 1 ms aufgefrischt. Ist die Speichereigenschaft über längere Zeit (5.000, bevorzugt 50.000 Stunden) stabil, so kann er auch als nichtflüchtiger Speicher eingesetzt werden. Er kann dann als Universalspeicher fungieren, der sowohl den bisherigen Arbeitsspeicher als auch den bisherigen Massenspeicher ersetzt.
Vorteilhaft weist das Speichermaterial eine bistabile oder multistabile Speichereigenschaft auf. Das heißt, dass seine Speichereigenschaft einen von zwei oder mehreren möglichen diskreten Zuständen annehmen kann. Mit einer bistabilen Speichereigenschaft lassen sich die beiden binären logischen Zustände 0 und 1 speichern. Je mehr Zustände möglich sind, desto größer ist die Informationsdichte pro Speicherzelle. So lassen sich bei 8=23 möglichen Zuständen in einer Speicherzelle bereits drei Bits speichern. Je größer die Anzahl der Zustände ist, desto geringer ist allerdings der energetische Abstand zwischen benachbarten Zuständen. Damit steigt das Risiko des „Umkippens" aus einem Zustand in einen benachbarten Zustand auf Grund von Alterung des Speichers oder durch Umwelteinflüsse.
Es ist aber nicht für alle Anwendungen notwendig, dass die Speichereigenschaft bistabil oder multistabil ist. Lässt sich die Speichereigenschaft als Funktion der Stärke des Schreibsignals kontinuierlich ändern, so können damit beispielsweise analoge Messwerte für die Weiterverarbeitung in einer analogen Schaltung zwischengespeichert werden, ohne dass durch die Dis- kretisierung in einem Analog-Digital- Wandler ein Informationsverlust auftritt.
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Speichern von Information in einem Speicher mit einer Tunnelbarriere sowie zum Auslesen der gespeicherten Information entwickelt. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Speichern der Information das Niveau der Leitungsbandkante in der Tunnelbarriere und/oder die räumliche Aufteilung der Tunnelbarriere in mehrere Teilbarrieren geändert werden. Zum Auslesen der Information wird eine Messgröße gemessen, die ein Maß für die Tunnelwahrscheinlichkeit durch die Tunnelbarriere ist, wie beispielsweise ein Tunnelstrom.
Es wurde erkannt, dass sowohl bei der Änderung des Niveaus der Leitungsbandkante als auch bei der Änderung der räumlichen Aufteilung der Tunnelbarriere in mehrere Teilbarrieren ein kleiner, durch das die Information tragende Schreibsignal vermittelter Eingriff einen großen Durchgriff auf den Tunnelwiderstand hat, weil dieser exponentiell sowohl von der effektiven Barrierendicke als auch vom Niveau der Leitungsbandkante abhängt. Diese kleinen Eingriffe können wohldosiert vorgenommen werden. Zudem ist es einfacher, die durch kleine Eingriffe bewirkten Veränderungen rückstandsfrei wieder zu beseitigen und somit immer wieder neue Information zu speichern. Der große Durchgriff auf den Tunnelwiderstand und damit auf die gemessene Tunnelwahrscheinlichkeit wiederum bewirkt ein sehr gutes Signal-Rausch- Verhältnis beim Auslesen der Information. Insbesondere fallen herstellungsbedingte Unterschiede zwischen mehreren nominell identischen Speicherzellen im Vergleich zu der großen durch die Speicherung der Information bewirkten Änderung der Tunnelwahrscheinlichkeit nur noch schwach ins Gewicht, so dass in einem Array aus vielen Speicherzellen die Zellen im Rahmen gewisser Toleranzen als identisch angesehen werden können.
Das Niveau der Leitungsbandkante in der Tunnelbarriere wird vorteilhaft durch eine Änderung eines an einem Rand der Tunnelbarriere vorgelegten elektrischen Feldes geändert. Dieses elektrische Feld kann beispielsweise das Feld von Ionen sein, die an einer Grenzfläche der Tunnelbarriere vorgelegt oder von ihr abgezogen werden. Dabei können die Ionen beispielsweise in einer an die Tunnelbarriere angrenzenden Speicherschicht derart gebunden sein, dass sie ihre beim Speichern der Information eingenommene Position erst bei Beaufschlagung mit einem gegenteiligen Schreibsignal wieder verlassen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Speicher zum Speichern von Information mit einem Schreibstrom und zum Auslesen der Information mit einem Lesestrom durchsetzt, wobei der Schreibstrom größer ist als der Lesestrom. Dann können sowohl das Speichern als auch das Auslesen mit der gleichen Ansteuerschaltung erfolgen, wobei nur an einer Stelle der Strom geändert werden muss. Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speichers. Dieser Speicher weist eine Tunnelbarriere 1 sowie Metallelektroden (2a, 2b) als Kontaktierungsmittel zur Führung eines Stroms durch die Tunnelbarriere 1 auf. Die Tunnelbarriere 1 steht mit einem Speichermaterial 3 in Kontakt. Dieses Speichermaterial 3 ist eine elektrochemisch aktive Schicht, in der die Position von Ionen durch eine zwischen den Metallelektroden (2a, 2b) angelegte elektrische Spannung als Schreibsignal veränderlich ist. Die Grenzfläche 4a des Speichermaterials 3 zur Tunnelbarriere 1 sowie die Grenzfläche 4b des Speichermaterials 3 zur Metallelektrode 2b sind als Diffusions- und/oder Migrationsstopps für Ionen undurchlässig ausgestaltet.
Figur 2 zeigt den schematischen Aufbau einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speichers. Das Speichermaterial 3 ist hier eine zweite Tunnelbarriere, in die eine Metallschicht 3 a eingebettet ist. Diese Metallschicht 3 a kann als Ganzes durch eine zwischen den Metallelektroden (2a, 2b) angelegte elektrische Spannung als Schreibsignal in Richtung der Tunnelbarriere 1 oder in Richtung der Metallelektrode 2b bewegt werden. Die Tunnelbarriere 1 und das Speichermaterial 3 bilden zusammengenommen eine einzige Tunnelbarriere, die zusammengesetzt ist aus zwei durch die Metallschicht 3a voneinander getrennten Teilbarrieren: Die erste Teilbarriere erstreckt sich von der Metallelektrode 2a zur Metallschicht 3 a, die zweite Teilbarriere erstreckt sich von der Metallschicht 3 a zur Metallelektrode 2b. Da der Tunnel widerstand jeder Teilbarriere exponentiell von deren Länge abhängt, ist der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung beider Teilbarrieren am geringsten, wenn die Metallschicht 3 a sich an der Grenzfläche zwischen Speichermaterial 3 und Tunnelbarriere 1 befindet. Dagegen ist der Gesamtwiderstand am größten, wenn die Metallschicht 3a sich an der Grenzfläche zwischen Speichermaterial 3 und Metallelektrode 2b befindet.
Eine Vielzahl von Einheiten (Zellen) des erfindungsgemäßen Speichers kann vorteilhaft in einem „cross-bar array" angeordnet sein, um größere Mengen an Information zu speichern. Ein solches Array besteht aus einer Anordnung paralleler Wortleitungen (word lines), die in der Regel auf einem Substrat angeordnet sind. Auf den Wortleitungen sind, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen, Einheiten des erfindungsgemäßen Speichers aufgebracht. Auf den Speichereinheiten wiederum sind Bitleitungen (bit lines) aufgebracht, die senkrecht zu den Wortleitungen verlaufen und Speichereinheiten miteinander verbinden. Zwischen einer gegebenen Wortleitung und einer gegebenen Bitleitung befindet sich nun genau eine Speichereinheit. Durch Anlegen einer Schreibspannung zwischen dieser Wortleitung und dieser Bitleitung kann diese Speichereinheit mit Information beschrieben werden. Durch Abfrage des Widerstands zwischen dieser Wortleitung und dieser Bitleitung kann die Information aus dieser Speichereinheit ausgelesen werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Speicher für Information, umfassend eine Tunnelbarriere und elektrische Kontaktie- rungsmittel zur Führung eines Stroms durch die Tunnelbarriere, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarriere mit einem Speichermaterial in Kontakt steht, welches eine Speichereigenschaft aufweist, welche durch ein Schreibsignal veränderlich ist, wobei eine Änderung der Speichereigenschaft zu einer Änderung des Tunnelwiderstands für den durch die Tunnelbarriere fließenden Strom führt.
2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial eine Speichereigenschaft aufweist, deren Änderung zu einer Änderung des Niveaus des Leitungsbands in der Tunnelbarriere führt.
3. Speicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speichermaterial die Position von Ionen als Speichereigenschaft durch das Schreibsignal veränderlich ist.
4. Speicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial einen Festkörperelektrolyten umfasst.
5. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen des Speichermaterials zur Tunnelbarriere und zu den elektrischen Kon- taktierungsmitteln inert sind.
6. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarriere ein amorphes Material umfasst.
7. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial eine weitere Tunnelbarriere umfasst, deren Tunnelwiderstand als Speichereigenschaft durch das Schreibsignal veränderlich ist.
8. Speicher nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine durch das Schreibsignal verschiebbare Metallschicht in der weiteren Tunnelbarriere.
9. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereigenschaft des Speichermaterials so beschaffen ist, dass sie nach dem Wegfall des Schreibsignals noch mindestens 100 ns stabil bleibt.
10. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial eine bistabile oder multistabile Speichereigenschaft aufweist.
11. Verfahren zum Speichern von Information in einem Speicher umfassend eine Tunnelbarriere sowie zum Auslesen der gespeicherten Information, dadurch gekennzeichnet, dass zum Speichern der Information das Niveau der Leitungsbandkante in der Tunnelbarriere und/oder die räumliche Aufteilung der Tunnelbarriere in mehrere Teilbarrieren geändert werden sowie zum Auslesen der Information eine Messgröße gemessen wird, die ein Maß für die Tunnelwahrscheinlichkeit durch die Tunnelbarriere ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Niveau der Leitungsbandkante in der Tunnelbarriere durch eine Änderung eines an einem Rand der Tunnelbarriere vorgelegten elektrischen Feldes geändert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher zum Speichern von Information mit einem Schreibstrom und zum Auslesen der Information mit einem Lesestrom durchsetzt wird, wobei der Schreibstrom größer ist als der Lesestrom.
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