элемент памяти с механизмом управления энергией

Формула изобретения

1. Электрически управляемый элемент памяти, содержащий материал памяти с фазовым переходом, два разнесенных электрических контакта для подачи электрического сигнала в упомянутый материал памяти, средство управления тепловой энергией для управления энергетическим режимом по меньшей мере части материала памяти.

2. Элемент памяти по п. 1, отличающийся тем, что средство управления тепловой энергией содержит по меньшей мере один нагревательный слой, передающий тепловую энергию упомянутому материалу памяти.

3. Элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых нагревательных слоев размещен рядом с упомянутым материалом памяти.

4. Элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых нагревательных слоев имеет удельное электрическое сопротивление выше 110^-5 Омсм.

5. Элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых нагревательных слоев содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Na, W и их смесей или сплавов, и по меньшей мере два элемента, выбранные из группы, состоящей из В, С, N, О, Al, Si, P и S.

6. Элемент памяти по п. 1, отличающийся тем, что средство управления тепловой энергией содержит по меньшей мере один теплоизоляционный слой для уменьшения теплопереноса из упомянутого материала памяти.

7. Элемент памяти по п.6, отличающийся тем, что по меньшей мере один из теплоизоляционных слоев размещен над материалом памяти, под материалом памяти или вокруг боковой периферии материала памяти.

8. Элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что средство управления тепловой энергией содержит теплоизоляционный материал, по меньшей мере частично размещенный внутри материала памяти.

9. Элемент памяти по п.6, отличающийся тем, что по меньшей мере один теплоизоляционный слой содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из оксидов, нитридов, оксинитридов, карбонитридов, фторидов, сульфидов, хлоридов, карбидов, боридов, фосфидов и их смесей или сплавов.

10. Элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что материал памяти с фазовым переходом содержит по меньшей мере один халькоген.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к программируемому материалу памяти и к ячейке памяти, содержащей материал памяти, в частности к тонкопленочной ячейке памяти, имеющей средство для управления тепловым режимом содержащегося в ней материала памяти.

Уровень техники

Известно электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ) на элементах Овшинского (Ovshinsky), которое представляет собой новое, оригинальное, высокопроизводительное, энергонезависимое, тонкопленочное электронное запоминающее устройство. В число его преимуществ входят энергонезависимое хранение данных, возможность обеспечения высокой плотности разрядов информации, а отсюда и низкая стоимость, обусловленная его малой площадью основания и простой конфигурацией устройства с двумя выводами, долговечность при циклическом перепрограммировании, низкое потребление энергии на программирование и высокое быстродействие. ЭСППЗУ на элементах Овшинского способно хранить информацию как в аналоговой, так и цифровой форме. Цифровое хранение может быть как двоичным (один разряд на ячейку памяти), так и с большим количеством состояний (множество разрядов на ячейку). Для переключения между этими двумя цифровыми режимами требуется всего лишь незначительная модификация устройства. В контексте настоящего изобретения термины "элементы памяти" и "управляющие элементы" используются как синонимы.

Известные запоминающие устройства с электрическим фазовым переходом

Общая идея использования в электронике электрически записываемых и стираемых материалов с фазовым переходом (т.е. материалов, которые могут электрически переключаться между в основном аморфным и в основном кристаллическим состояниями) хорошо известна и раскрыта, например, в патентах США 3271591 и 3530441, выданных соответственно 06.09.1996 и 22.09.1970 на имя Овшинского, которые принадлежат правопреемнику настоящего изобретения и упоминаются здесь для сведения (в дальнейшем именуемые как патенты Овшинского).

Как описано в патентах Овшинского, такие материалы с фазовым переходом могут электрически переключаться между структурными состояниями с в основном аморфным и в основном кристаллическим местным порядком или между разными обнаружимыми состояниями местного порядка через весь спектр от полностью аморфного до полностью кристаллического состояния. Таким образом, в упомянутых патентах описывается, что электрическое переключение таких материалов не обязательно происходит между полностью аморфным и полностью кристаллическим состояниями, а может осуществляться в виде приращений, отражающих изменения местного порядка, что создает "серую шкалу", представленную множеством состояний местного порядка, охватывающих спектр между полностью аморфным и полностью кристаллическим состояниями. Известные материалы, описанные в патентах Овшинского, могут также при необходимости переключаться только между двумя структурными состояниями с в основном аморфным и в основном кристаллическим местным порядком для хранения и поиска единичных разрядов кодированной двоичной информации.

Электрически стираемые запоминающие устройства с фазовым переходом, описанные в патентах Овшинского, а также появившиеся в последующем электрические полупроводниковые запоминающие устройства имеют ряд недостатков, которые препятствуют их широкому использованию в качестве прямой и универсальной замены существующих носителей информации для вычислительных машин, таких как магнитная лента, гибкие диски, магнитные или оптические накопители на жестких дисках, полупроводниковая дисковая флэш-память, динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ), статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ) и флэш-память с разъемом. В частности, к их наиболее существенным недостаткам относятся: (i) относительная низкая скорость переключения (по современным стандартам), особенно при переключении в направлении более высокого местного порядка (в направлении увеличения кристаллизации); (ii) потребность в относительно высокой вводимой энергии, которая необходима для инициирования обнаружимого изменения в местном порядке, и (iii) относительно высокая стоимость из расчета на мегабайт хранимой информации (особенно в сравнении с современными носителями на жестких дисках).

Наиболее важным из этих недостатков является потребность в относительно высокой вводимой энергии, необходимой для обеспечения обнаружимых изменений в конфигурациях химической и/или электронной связи халькогенидного материала, для инициирования обнаружимого изменения в местном порядке. Большую важность также представляет время на переключение материалов электрической памяти, описанных в патентах Овшинского. В этих материалах обычно требуется время около нескольких миллисекунд на установление (т.е. время на переход материала из аморфного в кристаллическое состояние) и приблизительно микросекунда на возврат в исходное состояние (т.е. время на переход материала из кристаллического состояния обратно в аморфное состояние). Электрическая энергия, необходимая для переключения этих материалов, обычно составляет порядка одного микроджоуля.

Следует отметить, что это количество энергии должно поступать в каждый элемент памяти в полупроводниковой матрице, состоящей из рядов и столбцов ячеек памяти. Такие высокие уровни энергии выражаются в высоких потребностях переноса тока для адресных строк и для устройства изоляции/адресации ячеек, связанного с каждым отдельным элементом памяти. Учитывая эту энергетическую потребность при выборе элементов изоляции ячеек памяти, специалисты ограничены применением очень больших изолирующих устройств на монокристаллических диодах или транзисторах, а это делает невозможным использование микролитографии на микронном уровне и тем самым исключает возможность обеспечения высокой плотности размещения элементов памяти. Таким образом, низкая плотность разрядов в матрицах, выполненных из этого материала, обуславливает высокую стоимость из расчета на мегабайт хранимой информации.

Благодаря эффективному уменьшению различия в цене и производительности между архивной энергонезависимой массовой памятью и быстродействующей энергозависимой системной памятью предлагаемый элемент памяти позволяет получить новую неиерархическую "универсальную систему памяти". Практически вся память в этой системе может быть недорогой, архивной и быстродействующей. По сравнению с известными электрическими ЗУ с фазовым переходом на элементах Овшинского, предложенные материалы памяти обеспечивают уменьшение времени программирования на шесть порядков (менее 30 наносекунд) и использование чрезвычайно малой энергии на программирование (менее 0,1-2 наноджоуля) с выраженной долгосрочной устойчивостью и долговечностью при циклическом нагружении (более 10 триллионов циклов). Результаты экспериментов также показали, что дальнейшее уменьшение размера элементов может еще больше повысить скорость переключения и долговечность при циклическом нагружении.

Развитие и оптимизация класса халькогенидных материалов памяти не происходили с такой же скоростью, как это было с другими видами полупроводниковых электрических запоминающих устройств, которые на сегодняшний день имеют более высокую скорость переключения и значительно более низкую потребность в энергии на установление и возврат в первоначальное состояние. В некоторых применениях этих других форм запоминающих устройств обычно используется один или два полупроводниковых микроэлектронных схемных элемента на каждый разряд памяти (до трех или четырех транзисторов на разряд). Основными "энергонезависимыми" элементами памяти в таких полупроводниковых ЗУ, как ЭСППЗУ, обычно являются полевые транзисторные устройства с плавающим затвором, которые имеют ограниченную возможность перепрограммирования, и в которых заряд удерживается на затворе полевого транзистора для хранения каждого разряда памяти. Поскольку со временем может происходить утечка этого заряда, такое хранение информации не является действительно энергонезависимым, как в носителях с фазовым переходом, в которых информация сохраняется в результате изменений действительной атомной конфигурации или электронной структуры халькогенидного материала, из которого выполнены элементы памяти. В настоящее время такие материалы памяти получили признание на рынке.

В отличие от ДОЗУ, СОЗУ, ЭППЗУ, ЭСПЗУ и флэш-памяти, таких как структуры с плавающим затвором, в предложенных электрических запоминающих устройствах не требуется использовать полевые транзисторы. Фактически, предлагаемые электрически стираемые, прямо перезаписываемые элементы памяти представляют собой простейшие в изготовлении электрические запоминающие устройства, которые содержат только два электрических контакта с монолитным телом тонкопленочного халькогенидного материала и изолирующий полупроводниковый диод. В результате, для хранения разряда информации требуется очень миниатюрная микросхема, что позволяет создавать микросхемы памяти с очень высокой плотностью. Кроме того, при использовании многоразрядного хранения в каждой отдельной ячейке памяти можно дополнительно повысить плотность информации.

Чтобы завоевать рынок флэш-ЭСППЗУ и получить признание универсальных ЗУ, элементы памяти должны быть действительно энергонезависимыми. Это еще более важно, если заявляется, что элемент памяти обладает способностью многоразрядного хранения. Если установочное значение сопротивления теряется или даже значительно смещается со временем, то хранимая информация разрушается, и потребитель утрачивает доверие к архивным способностям такого запоминающего устройства.

Кроме устойчивости установочного сопротивления, другим очень важным фактором, необходимым для универсального ЗУ, является низкий ток переключения. Это особенно важно, когда ЭСППЗУ используют для массового архивного хранения. При таком использовании ЭСППЗУ могли бы заменить механические накопители на жестких дисках (такие как магнитные или оптические накопители на жестких дисках) в современных вычислительных системах. Одной из главных причин замены обычных накопителей на жестких дисках на ЭСППЗУ может быть стремление снизить относительно высокое энергопотребление механических систем. Это особенно важно для портативных компьютеров типа "лэптоп", так как механический накопитель на жестких дисках является одним из его самых энергопотребляющих компонентов. Поэтому было бы особенно целесообразно снизить эту энергетическую нагрузку, чтобы тем самым существенно увеличить рабочее время компьютера из расчета на одну зарядку элементов питания. Но если при замене механических накопителей на жестких дисках на ЭСППЗУ потребуется большая энергия на переключение (а значит, и высокое энергопотребление), то экономия энергии может быть неощутимой или в лучшем случае несущественной. Поэтому любое ЭСППЗУ, претендующее на использование в качестве универсальной памяти, должно использовать низкую энергию на переключение.

Еще одно требование к универсальному ЭСППЗУ заключается в обеспечении высокой теплоустойчивости хранящейся в нем информации. Современные вычислительные машины, особенно персональные компьютеры, обычно подвергаются воздействию высоких температур. Эти высокие температуры могут быть обусловлены внутренним вырабатываемым теплом, например, от источников питания или других вырабатывающих тепло внутренних элементов. Высокие температуры могут быть также вызваны факторами окружающей среды, например, при использовании компьютера в условиях жаркого климата или хранении его в среде, которая была прямо или косвенно нагрета выше нормальной температуры. Какова бы ни была причина повышения температуры, матрицы памяти в современных вычислительных машинах, особенно, "жесткая" или архивная память, должны быть теплостойкими даже при относительно высоких температурах. Отсутствие такой теплостойкости может приводить к потере данных, а значит, и к утрате доверия потребителя.

Еще одно требование, предъявляемое к универсальной памяти ЭСППЗУ, - это большая долговечность при циклических записи и стирании. В ЭСППЗУ, как в любой архивной памяти, долговечность при циклическом нагружении играет важную роль с точки зрения уверенности и приемлемости для потребителя. При малой долговечности ЗУ при циклическом нагружении потребитель будет избегать применения такого устройства из страха потерять ценные данные. Еще большую важность приобретает требование долговечности при циклическом нагружении, если планируется использовать ЭСППЗУ как замену оперативной памяти или видеопамяти в вычислительной машине, т.е. вместо ДОЗУ, СОЗУ или видеопамяти. Оперативная память и видеопамять являются наиболее часто записываемой и стираемой областью хранения данных в вычислительной машине. При каждой загрузке новой компьютерной программы часть оперативной памяти машины стирается и перезаписывается. Во время выполнения компьютерной программы часть оперативной памяти компьютера подвергается постоянному циклическому нагружению. При каждом изменении информации на дисплее монитора вычислительной машины части видеопамяти подвергаются циклическому нагружению. Если ЭСППЗУ, используемое вместо оперативной памяти и видеопамяти вычислительной машины, не имеет достаточной долговечности при циклическом нагружении, то оно требует чрезвычайно частой замены.

Сущность изобретения

В основу настоящего технического решения поставлена задача создания полупроводникового элемента памяти, обладающего пониженной потребностью в токе программирования. Целью изобретения также является создание средства для управления распределением электрической и тепловой энергии, по меньшей мере, в части объема материала памяти в элементе памяти. Изобретение также нацелено на создание средства управления передачей тепловой энергии, по меньшей мере, в часть объема материала памяти и из него.

Эти и другие задачи изобретения решаются в электрически управляемом, прямо перезаписываемом элементе памяти, содержащем объем материала памяти, имеющего два или более значения электрического сопротивления, причем материал памяти способен устанавливаться на одно из значений электрического сопротивления в ответ на избранный электрический входной сигнал, не требуя установки на определенное исходное или стертое значение электрического сопротивления; два разнесенных электрических контакта для подачи электрического входного сигнала, и средство управления энергией для управления энергетическим режимом, по меньшей мере, части объема материала памяти. Средство управления энергией может содержать средство терморегуляции для управления тепловым режимом, по меньшей мере, части объема материала памяти. Средство управления энергией может содержать электрическое средство управления для управления распределением тока, по меньшей мере, в части объема материала памяти.

Эти и другие задачи также решаются в электрически управляемой матрице памяти, содержащей множество электрически управляемых, прямо перезаписываемых элементов памяти, каждый из которых содержит объем материала памяти, имеющего одно или более значений электрического сопротивления. Объем материала памяти может устанавливаться на одно из значений электрического сопротивления в ответ на избранный электрический входной сигнал, не требуя установления на определенное исходное или стертое значение электрического сопротивления; два разнесенных электрических контакта для подачи электрического входного сигнала, и средство управления энергией для управления энергетическим режимом, по меньшей мере, части объема материала памяти. Средство управления энергией может включать в себя средство терморегуляции для управления тепловым режимом, по меньшей мере, части объема материала памяти. Средство терморегуляции может включать в себя теплоизолирующее средство для тепловой изоляции каждого из множества элементов памяти от всех остальных элементов памяти.

Каждый из множества элементов памяти может дополнительно содержать электроизолирующее устройство для электрической изоляции каждого из множества элементов памяти от всех остальных элементов памяти.

Эти и другие задачи изобретения также решаются с помощью способа программирования электрически управляемого элемента памяти, согласно которому обеспечивают элемент памяти, содержащий объем материала памяти, имеющего два или более значения электрического сопротивления, причем объем материала памяти способен устанавливаться на одно из упомянутых значений электрического сопротивления в ответ на избранный электрический входной сигнал, и два разнесенных электрических контакта для подачи электрического входного сигнала; подают электрический входной сигнал на контакты и регулируют электрический входной сигнал и энергетический режим объема материала памяти таким образом, чтобы снизить вязкость материала до значения ниже 10¹⁴ пуаз.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1a изображает стилизованный вид поперечного сечения одного элемента памяти, схематически изображающий нагревательные слои и теплоизоляционные слои,

фиг. 1b изображает стилизованный вид поперечного сечения одного элемента памяти, специально иллюстрирующий тепловую пробку,

фиг.2а изображает стилизованный вид сверху матрицы из множества элементов памяти, показывающий, каким образом элементы соединяются в набор адресных строк X-Y,

фиг.2b изображает стилизованный вид сбоку матрицы из множества элементов памяти, включающих тепловой канал для тепловой изоляции одного элемента памяти от всех остальных элементов памяти,

фиг. 3 представляет схематический вид матрицы элементов памяти, дополнительно иллюстрирующий, как изоляционные элементы, такие как диоды, соединены последовательно с элементами памяти для электрической изоляции каждого элемента памяти от других элементов, и

фиг.4 представляет схематический вид, иллюстрирующий монокристаллическую полупроводниковую подложку с матрицей памяти (т.е. матрицей элементов памяти) согласно изобретению, электрически связанную с интегральной микросхемой, к которой оперативно прикреплены адреса/драйверы/декодеры.

Подробное описание изобретения

В стираемых электрических запоминающих устройствах, выполненных из широкого класса халькогенидных материалов, используются структурные изменения, которые обеспечиваются массовым движением определенных видов атомов в материале, обеспечивающим фазовый переход при переключении материала из аморфного состояния в кристаллическое состояние. Например, в электрически программируемых халькогенидных сплавах из теллура и германия, в частности, содержащих 80-85% теллура и около 15% германия и небольшое количество других элементов, таких как сера и мышьяк, (один два процента каждого), более упорядоченное или кристаллическое состояние обычно характеризуется образованием нити из кристаллического Те с высокой электропроводностью внутри программируемой поры в материале памяти. Такой известный материал имеет типичный состав, например, Те, Ge, S₂As₂ или Те, Ge, S, Sb. Поскольку Те имеет высокую электропроводность в кристаллическом состоянии, на нити Те с более организованным или кристаллическим состоянием устанавливается очень низкое сопротивление, которое на несколько порядков ниже сопротивления поры с менее организованным или аморфным состоянием.

Однако для образования нити из кристаллического Те требуется, чтобы произошла массовая миграция атомов Те из их атомной конфигурации в аморфном состоянии в новую атомную конфигурацию с местной концентрацией в состоянии нити кристаллического Те. Аналогично, когда такой халькогенидный нитевидный материал программируется обратно в аморфное состояние, Те, выкристаллизовавшийся в виде нити, должен мигрировать в материале из формы с местной концентрацией в нити обратно в атомную конфигурацию в аморфном состоянии. Такая атомная миграция, диффузия или перераспределение между аморфным и кристаллическим состояниями в каждом случае требует относительно длительного времени выдержки, достаточного для осуществления миграции, а это обуславливает потребность в относительно большом времени и энергии на программирование.

Согласно изобретению предложен класс халькогенидных полупроводниковых материалов, которые требуют меньшую вводимую энергию. Эти халькогенидные материалы позволяют осуществлять программирование в диапазоне стабильных состояний при низкой вводимой энергии и с высокой скоростью.

В частности, электрически управляемый, прямо перезаписываемый элемент памяти согласно изобретению содержит объем материала памяти, имеющего, по меньшей мере, два значения электрического сопротивления. Материал памяти может быть установлен на одно из значений электрического сопротивления в ответ на избранный электрический входной сигнал без необходимости установления на определенное исходное или стертое значение сопротивления. Значения сопротивления материала памяти можно обнаруживать электрическим способом.

Материал памяти является энергонезависимым и будет сохранять целостность информации, хранящейся в ячейке памяти (с заданным пределом погрешности), не требуя периодических сигналов восстановления.

Материал памяти может быть выполнен из множества составляющих атомных элементов, каждый из которых присутствует по всему объему материала памяти. Предпочтительно, чтобы материал памяти содержал один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Те, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, О или их смесей или сплавов. Наиболее предпочтительно, чтобы материал памяти содержал один или более халькогенов. Материал памяти может дополнительно включать в себя один или более элементов переходных металлов. Термин "переходный металл" в данном контексте включает в себя элементы 21-30, 39-48, 57 и 72-80 периодической таблицы.

Предпочтительно, чтобы один или более халькогенов выбирался из группы, состоящей из Те, Se и их смесей или сплавов. Более предпочтительно, чтобы один или более халькогенов включал в себя смесь Те и Se.

Предпочтительно, один или более элементов переходных металлов выбирается из группы, состоящей из Cr, Fe, Ni, Nb, Pd, Pt и их смесей или сплавов. Более предпочтительно, переходным металлом является Ni. Приводимые в дальнейшем примеры таких многоэлементных систем относятся к системе Te:Ge:Sb, содержащей или не содержащей Ni и/или Se.

К конкретным полупроводниковым сплавам, используемым для изготовления запоминающих устройств, относятся халькогенидные элементы, в которых присутствуют "неподеленные пары" валентных электронов. Поэтому необходимо рассмотреть эффект этих неподеленных пар электронов в имеющихся конфигурациях химической связи. Неподеленная пара электронов представляет собой пару электронов в валентной оболочке атома, которая обычно не участвует в связи. Такие неподеленные пары электронов важны как структурно, так и химически. Они влияют на форму молекул и структуры кристаллической решетки, так как оказывают сильное отталкивающее действие на соседние пары электронов, участвующие в конфигурациях связи, а также на другие неподеленные пары. Поскольку неподеленные пары электронов не связаны с областью связи вторым ядром, они способны воздействовать на ниэкоэнергетические электронные переходы. Как было впервые отмечено Овшинским, неподеленные пары могут иметь связь с 1 и 3 центрами, и как доказали Кастнер, Адлер и Фритше, они могут вызвать образование пар с чередованием валентности.

В частности, описанные здесь сплавы теллура имеют валентную зону, состоящую из состояний неподеленных пар. Поскольку в Те присутствует четыре (4) электрона с оболочкой р-типа и атом Те химически связан этими связующими электронами в оболочке р-типа, то другие два внешних электрона (неподеленная пара) не используются для целей связи и поэтому существенно не изменяют атомную энергию системы. В этом отношении следует отметить, что максимально заполненной молекулярной орбитой является та орбита, которая содержит неподеленные пары электронов. Это важно, потому что в идеальном стехиометрическом кристалле атомов теллура и германия после приложения некоторого внутреннего напряжения к решетке, из которой образован кристаллит, валентная зона может расшириться и переместиться вверх к положению существующего на этот момент уровня Ферми. Однако кристаллы TeGe являются естественно самокомпенсирующимися, то есть кристалл стремится к тому, чтобы принять состав, богатый Те (приблизительно 52 процента Те и 48 процентов Ge). Этот стехиометрический кристалл является гранецентрированным кубом, однако при добавлении минимального количества энергии кристалл может принимать ромбоэдрическую структуру за счет увеличения числа вакансий Ge и/или Sb. Именно это образование вакансий в структуре кристаллической решетки, которое может уменьшить напряжение решетки в сплавах TeGe, вызывает снижение энергетического состояния материала и перемещает уровень Ферми в направлении валентной зоны.

Чтобы получить описательное, если не идеально прогнозирующее объяснение атомного поведения, можно наложить аморфную модель местного порядка на модель с местным порядком с коротким диапазоном. Рассматривая аморфную природу материала, следует отметить, что плотность дефектных состояний в зонном размытии максимальная у краев зоны, а глубина центров рекомбинации для несущих захваченного заряда увеличивается в направлении от краев зоны. Присутствие таких глубоких ловушек и размытых состояний дает возможное объяснение промежуточным устойчивым значениям сопротивления между положением уровня Ферми и краем зоны.

Кроме того, считается, что размер кристаллитов, которые существуют в массе полупроводникового материала памяти, относительно невелик, предпочтительно меньше около , более предпочтительно от около и наиболее предпочтительно порядка около Кроме того, эти кристаллиты, по всей вероятности, окружены аморфным скин-слоем, который может способствовать быстрому образованию множества положений уровня Ферми в материале, обнаружимых как разные сопротивления (проводимости), а также более низкой потребности в энергии для переходов между этими обнаружимыми значениями сопротивления, на которые можно надежно и многократно устанавливать материал.

Было также обнаружено, что изменением характеристик программирования полупроводниковых устройств с двумя или тремя выводами, выполненных из микрокристаллических материалов согласно изобретению, можно управлять таким образом, чтобы осуществлять многократную и обнаружимую установку значений сопротивления. Было обнаружено, что для быстрого установления предложенных материалов низкоэнергетическими входными сигналами на заданную проводимость (определяемую положением уровня Ферми) необходимо только, чтобы указанные материалы были способны на устойчивое (или долгосрочное метастабильное) существование в пределах, по меньшей мере, двух разных положений уровня Ферми, которые характеризуются практически постоянными запрещенными зонами, но разными электропроводностями. Как было отмечено выше, предполагается, что относительно малый размер кристаллита может ускорять переход между обнаружимыми значениями сопротивления.

Одним из существенных признаков предложенных полупроводниковых материалов является их тенденция к образованию большего количества кристаллитов меньшего размера на единицу объема. Было обнаружено, что размеры кристаллитов у самого широкого предпочтительного спектра предложенных материалов намного меньше и в целом меньше диапазона от около до около который характерен для известных материалов.

Размер кристаллитов определен здесь как диаметр кристаллитов, или их "характеристический размер", который эквивалентен диаметру, если кристаллиты не имеют сферической формы.

Было определено, что составы с высоко резистивным состоянием класса материалов Te, Ge, Sb, которые отвечают критериям настоящего изобретения, в основном характеризуются существенно сниженными концентрациями Те по сравнению с теми, которые имеют место в известных материалах электрически стираемой памяти. В одном составе, который обеспечивает существенно улучшенные характеристики электрического переключения, средняя концентрация Те в осажденных материалах ниже 70%, обычно ниже 60% и колеблется от около 23% до около 58%, наиболее предпочтительно от около 40% до около 58% Те. Концентрация Ge выше 5% и колеблется от 8% до около 30% в среднем по материалу, оставаясь в основном ниже 50%. Остальной принципиальный составной элемент этого состава - Sb. Приведенные выше проценты являются атомными процентами, и в сумме составляют 100% атомов составляющих элементов. Следовательно, этот состав можно охарактеризовать как Те_aGе_bSb_100-(a+b). Такие тройные сплавы Te-Ge-Sb являются полезными исходными материалами для разработки следующих материалов памяти, имеющих еще более высокие электрические характеристики.

Были приготовлены расплавы из разных смесей Те, Ge и Sb, которые сегрегировали в множество фаз после быстрого затвердевания. Анализ этих быстро затвердевших расплавов показал присутствие десяти разных фаз (не все присутствуют в одном быстро затвердевшем расплаве). Эти фазы включают в себя элементарные Те, Ge и Sb, бинарные соединения GeTe и Sb₂Те₃ и пять разных тройных фаз. Элементарные составы всех тройных фаз лежат на псевдобинарной линии GеТе-Sb₂Те₃.

Новые предложенные элементы памяти включают в себя объем материала памяти, предпочтительно содержащего, по меньшей мере, один халькоген и возможно включающего в себя один или более переходных металлов. Материалы памяти, которые включают в себя переходные металлы, являются элементарно измененными формами предложенных материалов памяти в тройной системе Те-Ge-Sb. Это значит, что элементарно измененные материалы памяти представляют собой модифицированные формы сплавов памяти Te-Ge-Sb. Такое элементарное изменение достигается путем введения переходных металлов в основную тройную систему Te-Ge-Sb с дополнительным халькогеном, таким как Se или без него. В общем, элементарно измененные материалы памяти делятся на две категории.

Первая категория - это материал памяти с фазовым переходом, который содержит Те, Ge, Sb и переходный металл, в соотношении (Te_aGe_bSb_100-(a+b))_сТМ_100-с, где индексы обозначают атомные проценты, в сумме составляющие 100%, при этом ТМ является одним или более переходным металлом, а и b означают основную тройную систему Te-Ge-Sb, а с означает от около 90% до около 99,99%. Переходным металлом предпочтительно является Cr, Fe, Ni, Nb, Pd, Pt и их смеси или сплавы.

Конкретными примерами материалов памяти с фазовым переходом, охватываемыми этой системой, являются:

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₅Ni₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₀Ni₁₀;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₅Сr₅; (Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₀Сr₁₀;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₅Fe₅; (Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₀Fe₁₀;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₅Pd₅; (Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₀Pd₁₀;

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₅Pt₅; (Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₀Pt₁₀;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₅Nb₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₀Nb₁₀;

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₀Ni₅Cr₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₀Ni₅Fe₅;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₀Cr₅Fe₅; (Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₀Pd₅Cr₅;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₀Ni₅Pd₅; (Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₉₀Pd₅Pt₅ и др.

Ко второй категории относится материал памяти с изменяемой фазой, который включает в себя Те, Ge, Sb, Se и переходный металл в соотношении (Те_аGе_bSb_100-(а+b))_cТМ_dSe_100-(c+d), где индексы являются атомными процентами, в сумме составляющими 100%, ТМ - один или более переходной металл, а и b обозначают упомянутую выше основную тройную систему Te-Ge-Sb, с - от около 90% до около 99,98% и d - от около 0,01% до около 10%. Переходным металлом предпочтительно может быть Cr, Fe, Ni, Pd, Pt, Nb и их смеси или сплавы. Конкретными примерами материалов памяти, охватываемыми этой системой являются:

(Те₅₆Се₂₂Sb₂₂)₉₀Ni₅Se₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₀Ni₁₀Se₁₀;

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₀Сr₅Sе₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₀Сr₁₀Sе₁₀;

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₀Fe₅Se₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₀Fe₁₀Se₁₀;

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₀Pd₅Se₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₀Pd₁₀Se₁₀;

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₀Pt₅Se₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₀Pt₁₀Se₁₀;

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₉₀Nb₅Se₅; (Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₈₀Nb₁₀Se₁₀;

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₅Ni₅Cr₅Se₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₀Ni₅Fe₅Se₅;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₈₅Cr₅Fe₅Se₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₅Ni₅Cr₅Se₅;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₈₀Ni₅Pd₅Se₁₀; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₅Ni₅Pt₅Se₅;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₈₅Ni₅Nb₅Se₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₀Pd₅Cr₅Se₁₀;

(Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₅Pd₅Pt₅Se₅; (Te₅₆Ge₂₂Sb₂₂)₈₅Pd₅Nb₅Se₅;

(Те₅₆Gе₂₂Sb₂₂)₈₅Pt₅Nb₅Se₅ и др.

Предложенные элементы памяти обладают практически энергонезависимыми установочными значениями сопротивления. Однако если значение сопротивления этих элементов памяти при некоторых обстоятельствах уходит от своего первоначально установленного значения, то можно использовать описанное ниже "изменение состава" для исключения такого смещения. Используемый в данном контексте термин "энергонезависимый" относится к состоянию, в котором установленное значение сопротивления остается по существу постоянным в течение времени архивного хранения. Конечно, можно использовать программное обеспечение (включая описанную ниже систему обратной связи) для гарантии, что абсолютно никакого ухода сопротивления не произойдет за пределы заданного предела погрешности. Поскольку уход значения сопротивления элементов памяти может, если его не удалить, ухудшить хранение информации в серой шкале, желательно свести такой уход к минимуму.

Понятие "изменение состава" в данном контексте подразумевает использование любого средства изменения состава объема материала памяти для получения практически стабильных значений сопротивления, включая добавление элементов, расширяющих запрещенную зону для увеличения собственного сопротивления материала. Одним из примеров изменения состава является включение плавно изменяющихся по толщине неоднородностей состава. Например, объем материала памяти может плавно изменяться от первого сплава Te-Ge-Sb до второго сплава Te-Ge-Sb с другим составом. Такое плавное изменение состава может быть реализовано в любой форме, которая позволяет снизить уход

установленного значения сопротивления. Например, плавное изменение состава не обязательно должно быть ограничено первым и вторым сплавом одной и той же системы сплава. Плавное изменение может быть реализовано более чем двумя сплавами. Это плавное изменение может быть равномерным и непрерывным, или неравномерным или прерывистым. Конкретным примером плавного изменения состава, которое обеспечивает уменьшение ухода значения сопротивления, является равномерное и непрерывное плавное изменение от Те₁₄Gе₂₉Sb₅₇ на одной поверхности до Te₂₂Ge₂₂Sb₅₆ на противоположной поверхности.

Другой способ применения плавного изменения состава для снижения ухода сопротивления состоит в послойной укладке объема материала памяти. Это значит, что объем материала памяти может быть сформирован из отдельных относительно тонких слоев с разным составом. Например, объем материала памяти может включать в себя одну или более пар слоев, каждый из которых выполнен из другого сплава Te-Ge-Sb. В этом случае, как и в плавно изменяющемся составе, можно использовать любую комбинацию слоев, которая обеспечит существенное снижение ухода значения сопротивления. Эти слои могут быть одинаковой или разной толщины. Можно использовать любое число слоев, и в объеме материала памяти может присутствовать множество слоев одного и того же сплава, примыкающих друг к другу или удаленных. Можно также использовать послойную укладку любого количества сплавов разного состава. В качестве примера послойной укладки сплавов разного состава можно привести объем материала памяти, который содержит чередующиеся пары слоев Ge₁₄Sb₂₈Te₅₈ и Ge₂₂Sb₂₂Te₅₆.

Еще одна форма неоднородности состава для снижения ухода сопротивления реализуется путем комбинации плавного изменения состава и послойной укладки разных составов. В частности, упомянутое плавное изменение состава может быть объединено с любым видом упомянутой выше послойной укладки для получения стабильного объема материала памяти. Примерные объемы материала памяти, в которых используется такая комбинация: (1) объем материала памяти, включающий в себя отдельный слой Ge₂₂Sb₂₂Te_56, за которым следует плавно изменяющийся состав Ge₂₄Sb₂₉Te₅₇ и Ge₂₂Sb₂₂Te₅₆; и (2) объем материала памяти, включающий в себя отдельный слой Ge₂₄Sb₂₉Te₅₇ и плавно изменяющийся состав Ge₂₄Sb₂₉Te₅₇ и Ge₂₂Sb₂₂Te₅₆.

На фиг.1а показан вид поперечного сечения примерного варианта выполнения элемента памяти согласно изобретению, сформированного на монокристаллической кремниевой полупроводниковой пластине 10. Элемент памяти 30 содержит материал памяти 36, который был описан выше.

Элемент памяти также содержит пару разнесенных электрических контактов для подачи электрического входного сигнала в материал памяти.

Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из разнесенных электрических контактов был тонкопленочным электрическим контактным слоем. В варианте, изображенном на фиг.1а, оба электрических контакта являются электрическим контактным слоем. Эти электрические контактные слои показаны на фиг. 1а как тонкопленочные слои 32 и 40.

Как правило, каждый из тонкопленочных электрических контактных слоев наносится достаточно тонкими, чтобы теплопроводящие свойства этих слоев не доминировали над тепловым режимом материала памяти. Предпочтительно, по меньшей мере один из электрических контактных слоев наносят толщиной от около Более предпочтительно, по меньшей мере, один из электрических контактных слоев наносят толщиной от около Наиболее предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из электрических контактных слоев был нанесен толщиной от около

Обычно каждый из электрических контактных слоев формируют из электропроводящего материала. Предпочтительно, по меньшей мере, один из электрических контактных слоев может состоять из одного или нескольких элементов из группы, состоящей из Ti, W, Мо и их смесей или сплавов. Более предпочтительно, по меньшей мере, один из электрических контактных слоев состоит из Ti и W. Наиболее предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из электрических контактных слоев состоял из соединения, содержащего от 5 до 30% титана и от 70 до 95% вольфрама.

В варианте, изображенном на фиг.1а, каждый из электрических контактных слоев 32 и 40 является слоем Ti-W, который предпочтительно наносят с помощью процесса осаждения методом распыления на постоянном токе. Электрический контактный слой Ti-W 32 и 40 имеет превосходные омические контактные свойства. Более того, он имеет барьерные свойства, необходимые для предотвращения электромиграции и диффузии инородного электродного материала в материал памяти.

При программировании предложенных запоминающих устройств электрическая энергия подается в импульсе тока. В течение многих лет ученые исследовали, каким точно образом импульс электрической энергии вызывает изменение в атомной структуре халькогенидного материала памяти, в результате чего было предложено несколько моделей. Некоторые ученые считают, что этот эффект имеет тепловую природу, в то время как другие полагают, что этот эффект является электронным. Были представлены экспериментальные данные, демонстрирующие, что при определенных условиях структурные изменения в этих материалах возникают в результате как термических, так электронных явлений. Вполне вероятно, что в программировании элемента памяти участвуют и термические, и электронные явления.

Независимо от механизма ясно, что необходимо ввести определенное количество энергии в материал памяти, чтобы вызвать эффект программирования. Было обнаружено, что существенным требованием для осуществления программирования является ввод в материал памяти энергии, достаточной для снижения его вязкости за период программирования до значения ниже около 110¹⁴ пуаз. Это понижение вязкости обеспечивает атомное перераспределение, которое приводит к программированию памяти.

Также было установлено, что при потере энергии в окружающую среду необходимо еще больше энергии для программирования. Таким образом, можно заметить, что любая потеря энергии в окружающую среду уменьшает энергию, использующуюся на снижение вязкости материала памяти.

В стремлении достичь более эффективного использования имеющейся энергии на программирование материала памяти усилия были сконцентрированы на средстве управления энергией для управления "энергетическим режимом", по меньшей мере, части материала памяти. В частности, средством управления энергией является любое устройство или механизм, который (1) управляет распределением либо электрической энергии, либо тепловой энергии, по меньшей мере, в части объема материала памяти, или (2) который управляет переносом тепловой энергии, по меньшей мере, в часть объема материала памяти или из него.

По меньшей мере, часть энергии, поступающей в объем материала памяти, имеет форму тепловой энергии. Часть этой тепловой энергии эффективно используется в программировании материала. Остальная часть "теряется" в окружающую среду. Следовательно, для достижения более эффективного использования тепловой энергии, которая вводится в материал памяти, необходимо сосредоточить внимание на путях управления тепловым режимом материала. Сюда входят, не ограничиваясь перечисленным, пути увеличения количества тепловой энергии, поступающей, по меньшей мере, в часть объема материала памяти, пути снижения потерь тепла из, по меньшей мере, части объема материала памяти и пути управления распределением тепловой энергии, по меньшей мере, с части объема материала памяти.

Средство управления энергией включает в себя средство терморегуляции для управления тепловым режимом, по меньшей мере, части объема материала памяти. Средство терморегуляции может быть любым устройством или механизмом, который управляет переносом тепловой энергии, по меньшей мере, в часть объема материала памяти, переносом тепловой энергии из, по меньшей мере, части объема материала памяти или распределением тепловой энергии, по меньшей мере, в части объема материала памяти.

Средство управления тепловой энергий включает в себя нагревательное средство для передачи тепловой энергии, по меньшей мере, в часть объема материала памяти. Указанное средство может быть выполнено в виде одного или нескольких нагревательных слоев. Нагревательные слои предпочтительно представляют собой тонкопленочные структуры. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из нагревательных слоев был нанесен рядом с объемом материала памяти. В варианте выполнения элемента памяти, изображенном на фиг. 1а, нагревательное средство состоит из двух нагревательных слоев, нанесенных рядом с объемом материала памяти, - первый нагревательный слой 34 нанесен снизу материала памяти 36, а второй нагревательный слой 38 нанесен сверху материала памяти 36. В изображенном варианте нагревательные слои 34, 38 также обеспечивают электрическую связь между электрическими контактными слоями 32, 40 и материалом памяти 36.

Когда электрический заряд движется через нагревательные слои 34 и 38, электрическая потенциальная энергия заряда передается как тепловая энергия в материал нагревательного слоя. На микроскопическом уровне это явление можно представить как столкновения между электронами и кристаллической решеткой материала, которые повышают амплитуду тепловых колебаний решетки. Этот эффект известен как нагрев джоулевой теплотой. Скорость перехода электрической энергии в тепловую энергию прямо пропорциональна электрическому удельному сопротивлению материала. Повышение электрического удельного сопротивления материала повышает скорость, с которой из электрической энергии вырабатывается тепловая энергия. Обычно выбирается удельное сопротивление нагревательных слоев, беспечивающее соответствующий нагрев джоулевой теплотой. Предпочтительно, по меньшей мере, один из нагревательных слоев имеет удельное сопротивление выше чем около 110 Омсм. Более предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из нагревательных слоев имел удельное сопротивление выше чем около 110 Oмсм. Наиболее предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из нагревательных слоев имел удельное сопротивление выше чем 110 Омсм.

Скорость, с которой энергия превращается в джоулеву теплоту, также прямо пропорциональна квадрату плотности тока на определенном участке материала. По меньшей мере, часть тепловой энергии, образовавшейся в нагревательных слоях в результате нагрева джоулевой теплотой, переходит, по меньшей мере, в часть объема материала памяти, нагревая тем самым материал памяти.

Положение и размер нагревательных слоев должны обеспечить оптимальный перенос тепловой энергии в материал памяти. Предпочтительно, по меньшей мере, один из нагревательных слоев наносят рядом с объемом материала памяти. Кроме того, нагревательные слои предпочтительно наносят достаточно тонкими, чтобы теплопроводящие свойства этих слоев не доминировали над тепловым режимом материала памяти. Предпочтительно, по меньшей мере, один из нагревательных слоев наносят толщиной от около Более предпочтительно, по меньшей мере, один из нагревательных слоев наносят толщиной от около Наиболее предпочтительно, по меньшей мере, один из нагревательных слоев наносят толщиной от около

Относительное расположение нагревательных слоев и электрических контактных слов также влияет на перенос тепловой энергии в материал памяти. В варианте, изображенном на фиг.1а, электрический контактный слой 32 и нагревательный слой 34 располагают горизонтально, чтобы обеспечить повышенную плотность тока в нагревательном слое 34 вблизи области контакта между материалом памяти 36 и нагревательным слоем 34 и тем самым уменьшить теплоперенос, по меньшей мере, в часть объема материала памяти. Горизонтальное расположение также увеличивает расстояние между электрическим контактным слоем 32 и материалом памяти 36, снижая влияние электрического контактного слоя 32 на тепловой режим материала памяти (т.е. уменьшая количество тепловой энергии, канализируемой из материала памяти в результате теплопроводности материала электрического контактного слоя).

Возможны также и другие конфигурации нагревательных слоев. Элемент памяти может содержать только один нагревательный слой, нанесенный рядом сверху или снизу материала памяти или удаленный от него. Нагревательные слои могут также располагаться сбоку от, по меньшей мере, части объема материала памяти.

По меньшей мере, один из нагревательных слоев может содержать один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Na, W и их смесей или сплавов, и два или более элементов, выбранных из группы, состоящей из В, С, N, О, Al, Si, P, S и их смесей или сплавов. Предпочтительно, по меньшей мере, один из нагревательных слоев содержит Ti, Al и N. Более предпочтительно, по меньшей мере один из нагревательных слоев включает в себя соединение, содержащее, в атомных процентах, приблизительно от 10 до 60% титана, от 5 до 50% алюминия и от 10 до 60% азота. В варианте, показанном на фиг.1а, каждый из нагревательных слоев 34 и 38 может содержать титано-алюминиевый нитрид.

В другом варианте, по меньшей мере, один из нагревательных слоев может содержать титановый карбонитрид. Предпочтительно, по меньшей мере, один из нагревательных слоев может включать соединение, содержащее, в атомных процентах, приблизительно 10-60% титана, 5-50% углерода и 10-60% азота. Кроме того, титановый карбонитрид может также включать в себя до 40% водорода.

В другом варианте, по меньшей мере, один из нагревательных слоев может содержать титано-кремниевый нитрид. Предпочтительно, по меньшей мере, один из нагревательных слоев может включать соединение, содержащее, в атомных процентах приблизительно 10-60% титана, 5-50% кремния и 10-60% азота. Титано-алюминиевый нитрид, титановый карбонитрид и титано-кремниеый нитрид имеют превосходные барьерные свойства, предотвращающие как диффузию, так и электромиграцию инородного материала в халькогенидный материал памяти.

Альтернативно, в другом варианте, по меньшей мере, один из нагревательных слоев может содержать аморфный углерод, аморфный кремний или двойную структуру из аморфного углерода и аморфного кремния.

Нагревательные слои могут наноситься такими методами, как физическое осаждение из паровой фазы, включая напыление, ионное осаждение, а также осаждение ионным распылением на постоянном токе или в ВЧ-разряде, химическое осаждение из паровой фазы и плазменное химическое осаждение из паровой фазы. Точный выбор метода зависит от множества факторов, одним из которых являются ограничения по температуре нанесения, налагаемые составом целевого халькогенидного материала.

Средство терморегуляции может также включать в себя теплоизоляционное средство для управления переносом тепловой энергии из, по меньшей мере, части материала памяти 36. Теплоизоляционное средство может быть реализовано в виде одного или нескольких теплоизоляционных слоев, которые частично заключают в себя материал памяти 36 и уменьшают перенос тепловой энергии из, по меньшей мере, части объема материала памяти. На фиг.1а показан вариант выполнения элемента 30 памяти с использованием двух теплоизоляционных слоев - первого теплоизоляционного слоя 31, нанесенного под материалом памяти 36 вдали от него, и второго теплоизоляционного слоя 41, нанесенного над материалом памяти 36 вдали от него. Как видно на фиг.1а, теплоизоляционный слой 41 соответствующим образом протравлен, чтобы обеспечить электрический контакт между электродом 42 и электрическим контактным слоем 40. В варианте, показанном на фиг. 1а, теплоизоляционный слой 41 протравлен таким образом, что электрод 42 горизонтально смещен от объема материала памяти вблизи области контакта между теплоизоляционным слоем 34 и материалом памяти 36. Такое горизонтальное смещение дополнительно уменьшает перенос тепла из, по меньшей мере, части объема материала памяти за счет уменьшения влияния теплопроводящих свойств слоя 42.

Возможны также и другие конфигурации расположения теплоизоляционных слоев. Обычно теплоизоляционные слои могут наноситься рядом с материалом памяти или вдали от него. Можно использовать один теплоизоляционный слой (нанесенный сверху или снизу материала памяти рядом с ним или на расстоянии). Теплоизоляционный материал может также наноситься вокруг, по меньшей мере, части боковой периферии материала памяти.

Обычно теплоизоляционные слои, по меньшей мере, частично заключают материал памяти в оболочку из теплоизоляционного материала. Эта изоляционная оболочка увеличивает количество тепловой энергии, задерживающейся, по меньшей мере, в части объема материала памяти 36. Она также уменьшает скорость теплопереноса из материала памяти, снижая тем самым скорость охлаждения материала памяти.

Выбираются теплоизоляционные слои с хорошими теплоизоляционными свойствами. Изоляционные свойства теплоизоляционных слоев зависят от удельной теплоемкости и теплопроводности их материала. Уменьшение удельной теплоемкости и/или теплопроводности материала повышает изоляционные свойства слоев, тем самым замедляя скорость потери тепла из объема материала памяти. Следовательно, манипулирование этими свойствами материала можно использовать как средство управления и оптимизации скорости охлаждения материала памяти.

Предпочтительно, по меньшей мере, один из теплоизоляционных слоев имеет теплопроводность ниже чем приблизительно 0,2 джоульсм на см²кельвинсек. Более предпочтительно, по меньшей мере, один из теплоизоляционных слоев имеет теплопроводность ниже чем приблизительно 0,01 джоульсм на см²кельвинсек. Наиболее предпочтительно, по меньшей мере, один из теплоизоляционных слоев имеет теплопроводность ниже чем приблизительно 0,001 джоульсм на см²кельвинсек.

Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один теплоизоляционный слой имел удельную теплоемкость ниже чем приблизительно 3 джоуля на см³кельвин. Более предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, един теплоизоляционный слой имел удельную теплоемкость ниже чем приблизительно 1 джоуль на см³кельвин. Наиболее предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один теплоизоляционный слой имел удельную теплоемкость ниже чем приблизительно 0,1 джоуля на см³кельвин.

По меньшей мере, один теплоизоляционный слой может включать в себя один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из оксидов, нитридов, оксинитридов, карбонитов, карбонитридов, фторидов, сульфидов, хлоридов, карбидов, боридов, фосфидов и их смесей или сплавов. Альтернативно, по меньшей мере, один теплоизоляционный слой может включать в себя органический диэлектрик.

К другим примерам материала теплоизоляционного слоя можно отнести нанесенное центрифугированием стекло и нанесенный центрифугированием полимер. Также примерами материалов для теплоизоляционного слоя могут быть диоксид кремния и алмаз.

Толщина каждого теплоизоляционного слоя влияет на изоляционные свойства этих слоев (а значит, и на скорость охлаждения материала памяти). Обычно увеличение толщины изоляционных слоев повышает изоляционные свойства и дополнительно замедляет охлаждение материала памяти. Предпочтительно, по меньшей мере, один из теплоизоляционных слоев имеет толщину приблизительно от Более предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из теплоизоляционных слоев имел толщину приблизительно от Наиболее предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из теплоизоляционных слоев имел толщину приблизительно от

Для обеспечения дополнительного регулирования теплового режима объема материала памяти средство терморегуляции может содержать объем теплоизоляционного материала, который, по меньшей мере, частично заключен в объеме материала памяти. Этот объем теплоизоляционного материала в дальнейшем именуется как "тепловая пробка". Тепловая пробка является средством управления распределением тепловой энергии в объеме материала памяти. Тепловая пробка может быть сформирована из тех же материалов, которые выбраны выше для теплоизоляционных слоев. На фиг.1b показан вариант выполнения элемента памяти с использованием тепловой пробки 45, заключенной в объеме материала памяти 36.

Слой материала памяти 36 может быть сформирован из многоэлементного полупроводникового материала, такого как предложенные халькогенидные материалы. Слой 36 может наноситься методами распыления, напыления или осаждения из химической фазы (ОХФ), которые можно дополнять плазменными методами, например, в тлеющем ВЧ разряде. Предложенные халькогенидные материалы памяти наиболее предпочтительно получают посредством высокочастотного ионного распыления и напыления.

Слой материала памяти 36 предпочтительно наносят толщиной приблизительно от 200 до более предпочтительно от 250 до и наиболее предпочтительно от

Понятие "диаметр поры", используемое в данном контексте, обычно означает среднее поперечное сечение наименьшей области контакта между материалом памяти 36 и слоями элемента памяти, прилегающими к материалу памяти 36. В варианте, показанном на фиг. 1а, диаметр поры представляет собой среднее поперечное сечение наименьшей области контакта между материалом памяти 36 и нагревательными слоями 34, 38. Диаметр поры материала памяти 36 меньше приблизительно одного-двух микрон или около этого, хотя практических ограничений для этого поперечного размера не существует. Было обнаружено, что диаметр действительного проводящего тракта в материале с высокой проводимостью значительно меньше микрона. Таким образом, диаметр поры может быть настолько мал, насколько позволяют пределы разрешающей способности литографии, и, фактически, чем меньше пора, тем ниже потребность в энергии для программирования.

Предпочтительно, чтобы диаметр поры выбирался таким образом, чтобы он практически совпадал с поперечным сечением материала памяти, сопротивление которого действительно изменяется, когда этот материал программируется на другое сопротивление. Поэтому предпочтительно, чтобы диаметр поры материала памяти 36 был меньше приблизительно одного микрона, так что объем материала памяти 36 ограничен, насколько это позволяет литография, действительно программируемым объемом материала 36.

В работе элементов памяти была замечена связь с диаметром поры. Во время испытаний устройства на пластине, в которой диаметры пор систематически колебались от приблизительно одного микрона до вообще закрытых, при использовании устройства в двоичном режиме было отмечено общее увеличение отношения сопротивления во включенном и выключенном состоянии. Если регулировать диаметр пор в рамках, например, от одного микрона до около одной шестой микрона, то есть возможность повысить производительность предложенных устройств. Поскольку для программирования этих устройств важны такие факторы, как плотность тока и плотность энергии, уменьшение объема устройства, обеспеченное уменьшением диаметра поры приведет к повышению его чувствительности и быстродействия. Чтобы уменьшить установочные энергию/ток/напряжение, можно использовать диаметры размером всего

Обсуждавшееся выше средство управления энергией может представлять собой электрическое средство управления для управления распределением электрического тока, по меньшей мере, в части объема материала памяти. В частности, электрическое средство управления может быть реализовано в виде одного или более резистивных слоев. Предпочтительно, по меньшей мере, один из резистивных слоев наносят рядом с объемом материала памяти. Каждый резистивный слой формируется из материала, имеющего электрическое удельное сопротивление, достаточное для распространения распределения тока, по меньшей мере, в части объема материала памяти, чтобы тем самым снизить электромиграцию в материале. Предпочтительно, по меньшей мере, один резиставный слой имеет удельное сопротивление выше чем около 110^-5 Oмсм. Более предпочтительно, по меньшей мере, один резистивный слой имеет удельное сопротивление выше чем около 110 Oмсм. Наиболее предпочтительно, по меньшей мере, один резистивный слой имеет удельное сопротивление выше чем около 110 Oмсм.

Предпочтительно, по меньшей мере, один резистивный слой может включать в себя один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Та, W и их смесей или сплавов, и два или более элемента, выбранных из группы, состоящей из В, С, N, О, Al, Si, P, S и их смесей или сплавов.

Материалы, из которых может быть сформирован, по меньшей мере, один из резистивных слоев, могут включать, не ограничиваясь перечисленным, титано-алюминиевый нитрид, титановый карбонитрид и титано-кремниевый нитрид. К другим материалам относятся аморфный углерод, аморфный кремний или двойная структура из аморфного углерода и аморфного кремния.

Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один резистивный слой наносился толщиной приблизительно от Более предпочтительно, по меньшей мере, один резистивный слой имеет толщину приблизительно от Наиболее предпочтительно, по меньшей мере, один резистивный слой имеет толщину приблизительно от

В варианте выполнения элемента памяти, показанном на фиг.1, функции резистивных слоев выполняют нагревательные слои 34, 38, имеющие требуемое удельное электрическое сопротивление.

Элемент памяти, изображенный на фиг.1а, может быть сформирован в ходе многоступенчатого процесса. Сначала наносятся слои 31, 32, 34 и 46 и вытравливается слой 46 для формирования поры. Затем наносятся слои 36, 38, 40, а после них теплоизоляционный слой 41. Затем весь набор слоев вытравливается до заданных размеров. Сверху всей конструкции наносится диэлектрик 39, такой как SiO₂ или Si₃N₄. После этого можно избирательно вытравить диэлектрик 39 и теплоизоляционный слой 41, чтобы обеспечить соответственное расположение электрода 42 относительно поры.

Конструкция 43 электродной сетки простирается перпендикулярно в направлении проводников 12 и обеспечивает соединение через сетку X-Y с отдельными элементами памяти. На всю интегральную конструкцию сверху наложен герметизирующий слой из подходящего герметика, такого как Si₃N₄, или пластика, такого как полиимид, герметизирующего конструкцию от влаги и других внешних воздействий, которые бы вызвали ухудшение и снижение производительности. Герметик Si₃N₃ может наноситься, например, с помощью низкотемпературного процесса плазменного осаждения. Полиимидный материал может осаждаться методом центрифугирования и обжигаться после осаждения известными методами, чтобы сформировать слой герметика.

Предложена также электрически управляемая матрица памяти, состоящая из множества элементов памяти, описанных выше. Одним из вариантов выполнения матрицы памяти является двухмерная матрица элементов памяти. Вид сверху этого варианта показан на фиг.2а. Как видно на чертеже, устройства образуют матрицу X-Y элементов памяти. Матрица памяти включает в себя электродную сетку X-Y адресных строк для избирательной установки и считывания с отдельных элементов памяти. Горизонтальные полоски 12 представляют группу Х электродной сетки X-Y, а вертикальные полоски 42 представляют группу Y адресных строк.

С каждым элементом памяти в матрице памяти связано электроизолирующее устройство, которое электрически изолирует каждый элемент памяти от всех других элементов в матрице памяти. На фиг.3 показана схема двухмерной матрицы памяти по фиг. 2а. На фиг.3 показано, как можно реализовать электрическую изоляцию с помощью диодов. Схема содержит сетку X-Y с элементами памяти 30, которые электрически последовательно связаны с изолирующими диодами 26. Адресные строки 12 и 42 соединены с внешней адресной схемой, как это известно специалистам. Цель электрических изолирующих устройств заключается в том, чтобы обеспечить считывание и запись в каждом отдельном элементе памяти, не влияя при этом на информацию, хранящуюся в любом другом элементе памяти в матрице.

Матрица памяти может также содержать теплоизоляционное средство для тепловой изоляции каждого элемента памяти от всех других элементов памяти. Вариант теплоизоляционного средства показан на фиг.2b, на котором изображен тепловой канал 60, содержащий теплопроводящий материал, который нанесен между каждым из отдельных элементов памяти. Тепловой канал 60 может быть выполнен из металла или любого другого материала, имеющего теплопроводность, достаточную для канализации тепла одного из элементов памяти от всех других элементов памяти. Предпочтительно тепловой канал 60 содержит материал с теплопроводностью выше чем приблизительно 0,5 джоульсм на см² кельвинсек. В варианте, показанном на фиг.2b, теплопроводный материал наносится в контакте с подложкой 10, чтобы тем самым канализировать тепло в подложку.

Возможны и другие конфигурации матрицы памяти. Одной из таких конфигураций является трехмерная многоуровневая матрица, имеющая множество послойных плоскостей элементов памяти и их соответствующих электроизолирующих устройств. Каждая плоскость элементов памяти организована в виде рядов и столбцов элементов памяти, чтобы позволить адресацию по X-Y. Помимо повышения плотности хранения, такое послойное расположение плоскостей обеспечивает дополнительную связь в измерении Z. Эта компоновка особенно полезна для моделирования нейтральной сети для действительно интеллектуального компьютера.

На фиг. 4 показана часть монокристаллической полупроводниковой подложки 50 с сформированной на ней матрицей 51 памяти. На той же подложке 50 сформирована адресная матрица 52, которая соответствующим образом соединена соединениями 53 интегральной схемы с матрицей 51 памяти. Адресная матрица 52 содержит средство формирования сигнала, которое задает и регулирует импульсы установки и считывания, подаваемые в матрицу 51 памяти. Конечно, адресная матрица 52 может быть интегрирована с полупроводниковой матрицей памяти 51 и сформирована одновременно с ней.

Эксперименты показали, что на величину динамического диапазона сопротивлений, абсолютные конечные сопротивления указанного динамического диапазона и на напряжения, необходимые для установки устройства на эти сопротивления, влияют такие факторы, как состав халькогенида, термическая подготовка (обжиг после осаждения), длительность импульса сигнала, наличие примесей, таких как кислород, присутствующий в составе, размер кристаллита и форма импульсного сигнала. Например, относительно толстые пленки из халькогенидов (т.е. около 4000 ) требуют более высокого установочного напряжения (а значит, и более высокой плотности тока в объеме материала памяти), а относительно тонкие слои халькогенида (т. е. около 250 ) требуют более низкого установочного напряжения (и плотности тока). Конечно, может иметь значение также размер кристаллита, а значит, и отношение числа поверхностных атомов к числу атомов в объеме.

Динамический диапазон сопротивлений также обеспечивает широкую серую шкалу и многоуровневое хранение аналоговой информации. Многоуровневое хранение информации осуществляется путем деления широкого динамического диапазона на множество поддиапазонов или уровней. Возможность непрерывного программирования сопротивления позволяет хранить множество разрядов двоичной информации в одной ячейке памяти. Такое многоуровневое хранение осуществляется посредством имитации множества разрядов двоичной информации в псевдоаналоговом виде и хранения этой аналоговой информации в одной ячейке памяти. Следовательно, за счет деления динамического диапазона сопротивлений на 2ⁿ аналоговых уровней можно хранить в каждой ячейке памяти n разрядов двоичной информации.

Использование предложенных оригинальных материалов и конфигураций устройств позволило создать электрически стираемый, прямо перезаписываемый элемент памяти, который имеет высокие скорости считывания и записи, приближающиеся к показателям устройств СОЗУ, энергонезависимость и возможность перепрограммирования ЭСППЗУ с произвольным доступом, а также значительно более низкую стоимость мегабайта хранения информации по сравнению с любой другой полупроводниковой памятью.

Предложен также способ программирования электрически управляемого элемента памяти, согласно которому обеспечивают элемент памяти, включающий в себя объем материала памяти, имеющего два или более значения электрического сопротивления, который способен устанавливаться на одно из значений электрического сопротивления в ответ на избранный входной электрический сигнал, и два разнесенных электрических контакта для подачи входного электрического сигнала.

Способ также заключается в том, что подают электрический входной сигнал на контакты. Согласно способу управляют входным электрическим сигналом и энергетическим режимом объема материала памяти таким образом, чтобы вязкость материала снизилась до значения ниже около 10¹⁴ пуаз.

Понятно, что представленное выше подробное описание вариантов изобретения имеет своей целью полное и исчерпывающее раскрытие изобретения, и его детали не должны истолковываться как ограничивающие действительный объем притязаний изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.