DD251225A1

DD251225A1 - DISCONNECTED ARRANGEMENT AMORPHER MEMORY ELEMENTS

Info

Publication number: DD251225A1
Application number: DD29261886A
Authority: DD
Inventors: Joerg Troeltzsch; Norbert Schettler
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1986-07-18
Publication date: 1987-11-04

Abstract

Die entkoppelte Anordnung amorpher Speicherelemente findet zur nichtfluechtigen Informationsspeicherung in der Elektronik und in der Informationsverarbeitung Anwendung. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, die Entkopplung nichtfluechtiger Speicherelemente fuer Matrixanordnungen auf einem isolierenden Substrat zu realisieren und gleichzeitig Moeglichkeiten fuer eine Erhoehung der Integrationsdichte zu schaffen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem das Entkopplungselement aus einem Schwellwertschalter auf der Basis amorpher Halbleiter besteht und Entkopplungselement und Speicherelement in Form duenner Schichten stapelfoermig uebereinander angeordnet und in geeigneter Weise zu einer Matrix zusammengefuegt sind.The decoupled arrangement of amorphous memory elements is used for non-volatile information storage in electronics and in information processing. The aim and the object of the invention is to realize the decoupling of non-volatile memory elements for matrix arrangements on an insulating substrate and at the same time to create possibilities for an increase of the integration density. According to the invention, the object is achieved in that the decoupling element consists of a threshold value switch based on amorphous semiconductors and decoupling element and storage element in the form of thin layers are arranged in stacked relation to one another and suitably combined to form a matrix.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Festkörperbauelement zur Informationsspeicherung, welches in der Elektronik und Informationsverarbeitung Anwendung findet.The invention relates to an electronic solid state device for information storage, which finds application in electronics and information processing.

Characteristic of the known technical solutions

Speicherelemente auf der Basis amorpher Halbleiter sind im Ausgangszustand hochohmig und schalten bei Anlegen einer Schwellfeldstärke in den niederohmigen Ein-Zustand um. In diesem Zustand kommt es aufgrund thermischer Prozesse zur Auskristallisation eines Stromkanals, wodurch das Element im niederohmigen Zustand verbleibt. Zum Rücksetzen in den hochohmigen Zustand wird das Element mit kurzen hohen Impulsen beaufschlagt, so daß die Temperatur im Glashalbleiter über die Schmelztemperatur ansteigt und die Schmelze beim raschen Abkühlen glasartig erstarrt und in ihren hochohmigen Zustand zurückkehrt.In the initial state, memory elements based on amorphous semiconductors have a high resistance and switch to the low-impedance on state when a threshold field strength is applied. In this state, due to thermal processes, crystallization of a current channel occurs, whereby the element remains in the low-resistance state. For resetting in the high-resistance state, the element is subjected to short high pulses, so that the temperature in the glass semiconductor rises above the melting temperature and the melt freezes glassy upon rapid cooling and returns to its high-resistance state.

Diese nichtflüchtigen Speicherelemente müssen bei einer Anordnung im Matrixverband durch zusätzliche Elemente voneinander entkoppelt werden. Hierfür sind verschiedene Elemente bekannt. Erstens kann die Entkopplung durch eine Reihenschaltung von Speicherelement und einer Diode bzw. einem Transistor erfolgen, wie in der DE-OS 2536809 beschrieben. Die Entkopplungselemente werden dabei ins Si-Substrat integriert. Zweitens sind bestimmte Schaltungen mit Dünnschichtwiderständen bekannt, die eine vollständige Dünnschichtlösung darstellen (US-PS 3827033). Nachteile der bekannten technischen Lösungen bestehen darin, daß entweder ein Vielfaches der Fläche des Speicherelements für das Entkopplungselement benötigt wird oder zusätzliche Leitungen für die Ansteuerung der Speicherzelle notwendig sind.These nonvolatile memory elements must be decoupled from each other in an array arrangement in the matrix by additional elements. For this purpose, various elements are known. First, the decoupling can be done by a series circuit of memory element and a diode or a transistor, as described in DE-OS 2536809. The decoupling elements are integrated into the Si substrate. Second, certain thin-film resistor circuits are known which constitute a complete thin film solution (US Pat. No. 3,827,033). Disadvantages of the known technical solutions are that either a multiple of the surface of the memory element is required for the decoupling element or additional lines for driving the memory cell are necessary.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Entkopplung von nichtflüchtigen amorphen Speicherelementen mit geringem Flächenbedarf zu lösen, um dadurch den Integrationsgrad zu erhöhen.The aim of the invention is to solve the decoupling of non-volatile amorphous memory elements with low space requirement, thereby increasing the degree of integration.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine entkoppelte Anordnung amorpher Speicherelemente mit geringem Flächenbedarf in Dünnschichttechnik herzustellen.The invention has for its object to produce a decoupled arrangement of amorphous memory elements with low space requirement in thin-film technology.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem das Entkopplungselement aus einem Schwellwertschalter auf der Basis amorpher Halbleiter besteht und die dünnen Schichten von Entkopplungselement und Speicherelement stapeiförmig übereinander angeordnet und in geeigneter Weise zu einer Matrix zusammengefügt sind.According to the invention, the object is achieved in that the decoupling element consists of a threshold value switch based on amorphous semiconductors and the thin layers of decoupling element and storage element are arranged in the form of a stack in the form of a stack and joined together in a suitable manner to form a matrix.

Die Anordnung Substrat-Entkopplungselement-Speicherelement bietet weiterhin den Vorteil, daß die Temperatur an den Elektroden des Speicherelements höher werden können, als die des Substrats, wodurch die vollständige Auskristallisation des Kanals begünstigt und die Zuverlässigkeit des niederohmigen Zustandes erhöht wird.The arrangement substrate-decoupling element storage element further has the advantage that the temperature at the electrodes of the storage element can be higher than that of the substrate, whereby the full crystallization of the channel is favored and the reliability of the low-resistance state is increased.

Zur thermischen Stabilisierung der Speicherzelle werden für das Entkopplungselement und das Speicherelement unterschiedliche Chalkogenidgläser eingesetzt. Für das Entkopplungselement sollte dabei ein Glas mit einer höheren Transformationstemperatur im Vergleich zum Speichermaterial verwendet werden. Bei Einsatz des gleichen Chalkogenidglases für Entkopplungselement und Speicherelement, was die technologische Realisierung vereinfacht, kann die thermische Stabilität und die Funktion des Speicherelements durch den Aufbau der Speicherzelle und die Schichtdicken der Chalkogenidgläser realisiert werden.For thermal stabilization of the memory cell, different chalcogenide glasses are used for the decoupling element and the memory element. For the decoupling element, a glass with a higher transformation temperature should be used in comparison to the storage material. When using the same chalcogenide glass for decoupling element and memory element, which simplifies the technological realization, the thermal stability and the function of the memory element can be realized by the structure of the memory cell and the layer thicknesses of the chalcogenide glasses.

Beim Einschreiben eines bestimmten Bits wird an die entsprechende Zeile und Spalte eine Spannung angelegt, die größer, als die Summe der Schwellspannungen von Speicherelement und Entkopplungselement ist, was bewirkt, daß beide Elemente zum Einschalten gebracht werden und der Programmierprozeß durchgeführt werden kann.When writing a particular bit, a voltage greater than the sum of the threshold voltages of the memory element and the decoupling element is applied to the corresponding row and column, which causes both elements to be turned on and the programming process to be performed.

Um jedes Bit eindeutig auszuwählen, muß die Schwellspannung des Speicherelements geringer als der doppelte Wert der Schwellspannung des Entkopplungselements sein. Die unterschiedlichen Schwellspannungen lassen sich über die Dicken der entsprechenden Chalkogenidglasschichten einstellen.To uniquely select each bit, the threshold voltage of the memory element must be less than twice the threshold voltage of the decoupling element. The different threshold voltages can be adjusted via the thicknesses of the corresponding chalcogenide glass layers.

Zum Auslesen der Information wird an die Speicherzelle eine Spannung angelegt, die größer als die Schwellspannung des Entkopplungselements und kleiner als die Summe der Schwellspannungen von Entkopplungs- und Speicherelement ist. Bei hochohmigem Speicherelement bleibt die Speicherzelle hochohmig und über einem in Reihe geschalteten Lastwiderstand fällt eine geringe Spannung ab. Bei niederohmigem Speicherelement wird das Entkopplungselement in den elektronischen Ein-Zustand versetzt und die Speicherzelle ist niederohmig, so daß über dem Lastwiderstand eine hohe Spannung abfällt, die zur Informationsgewinnung ausgewertet wird,To read the information, a voltage is applied to the memory cell which is greater than the threshold voltage of the decoupling element and smaller than the sum of the threshold voltages of decoupling and memory element. In the case of a high-resistance memory element, the memory cell remains highly resistive and a low voltage drops across a load resistor connected in series. In the case of a low-resistance memory element, the decoupling element is put into the electronic on state and the memory cell is low-resistance, so that a high voltage drops across the load resistor, which is evaluated for information acquisition.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. Show it

Fig. 1: den Querschnitt durch eine Speicherzelle undFig. 1: the cross section through a memory cell and

Fig. 2: das elektrische Ersatzschaltbild der Speicherzelle im Matrixverband.Fig. 2: the electrical equivalent circuit diagram of the memory cell in the matrix association.

In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht das Entkopplungselement 1OFn Fig. 1 aus einer Grundelektrode 2 aus Molybdän mit einer Dicke von 200nm, einer amorphen Halbleiterschicht 4 aus Te₄₈As₃₀Si₁₂Ge₁₀ mit einer Dicke von 300 nm und einer Transformationstemperatur T_g = 520K, einer Zwischenelektrode 5 aus Molybdän mit einer Dicke von 200 ηm und einer zwischengelagerten Isolatorschicht 3 aus SiO₂, die eine Dicke von 100nm hat und in welche eine Öffnung mit einem Durchmesser d·! = 30μ,ιη zur Definition des aktiven Bereichs geätzt wurde.In a first exemplary embodiment, the decoupling element 10Fn consists of a base electrode 2 of molybdenum with a thickness of 200 nm, an amorphous semiconductor layer 4 of Te ₄₈ As ₃₀ Si ₁₂ Ge ₁₀ with a thickness of 300 nm and a transformation temperature T _g = 520K, an intermediate electrode 5 of molybdenum with a thickness of 200 μm and an interposed insulator layer 3 of SiO ₂ , which has a thickness of 100 nm and into which an opening with a diameter d. = 30μ, ιη was etched to define the active region.

Diese und die weiteren Schichten wurden mittels Hochfrequenzkatodenzerstäubung abgeschieden, fotolithografisch strukturiert und naßchemisch geätzt.These and the other layers were deposited by means of high-frequency cathode sputtering, photolithographically patterned and etched wet-chemically.

Das Speicherelement 9 in Fig. 1 besteht aus einer Zwischenelektrode 5, einer amorphen Halbleiterschicht 7 aus Ge₁₅Te₃₁S₂Sb₂ mit einer Dicke von 500nm und einer Transformationstemperatur T₉ = 415K, der Deckelelektrode 8, die aus Molybdän einer Dicke von 200 nm und Aluminium einer Dicke von 1 μΐη besteht, sowie einer Isolatorschicht 6 aus SiO₂ mit einer Dicke von 80 nm in die eine Öffnung mit einem Durchmesser d₂ = ΙΟμ,ηη geätzt wurde, um den aktiven Bereich zu begrenzen. Der Durchmesser d₂ ist kleiner als der Durchmesser d,,um Kantenprobleme in der Speicherzelle zu vermeiden.The memory element 9 in FIG. 1 consists of an intermediate electrode 5, an amorphous semiconductor layer 7 made of Ge ₁₅ Te ₃₁ S ₂ Sb ₂ with a thickness of 500 nm and a transformation temperature T ₉ = 415K, the cover electrode 8 made of molybdenum having a thickness of 200 and an aluminum of a thickness of 1 μΐη, and an insulator layer 6 of SiO ₂ with a thickness of 80 nm into which an opening with a diameter d ₂ = ΙΟμ, ηη was etched in order to limit the active area. The diameter d ₂ is smaller than the diameter d ,, to avoid edge problems in the memory cell.

Ein zweites Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten dadurch, daß für Speicherelement 9 und Entkopplungselement 10 ein amorpher Halbleiter Zusammensetzung Ge₁₅Te₃₁S₂Sb₂ eingesetzt wurde. Die Dicke der amorphen Halbleiterschicht 4 des Entkopplungselements 10 beträgt 400 ηm und die Dicke der amorphen Halbleiterschicht 7 des Speicherelements 9 700 ηm. Das elektrische Ersatzschaltbild in Fig. 2 zeigt, wie die Speicherelemente 9 und die Entkopplungselemente 10 zu einer matrixförmigen Anordnung zusammengeschaltet werden. Die Speicherzellen befinden sich an den Kreuzungspunkten der Zeilenleitungen 11 und der Spaltenleitungen 12.A second embodiment differs from the first in that an amorphous semiconductor composition Ge ₁₅ Te ₃₁ S ₂ Sb _{2 was} used for memory element 9 and decoupling element 10. The thickness of the amorphous semiconductor layer 4 of the decoupling element 10 is 400 .mu.m and the thickness of the amorphous semiconductor layer 7 of the memory element 9 is 700 .mu.m. The electrical equivalent circuit diagram in Fig. 2 shows how the memory elements 9 and the decoupling elements 10 are interconnected to form a matrix-shaped arrangement. The memory cells are located at the crossing points of the row lines 11 and the column lines 12.

Claims

1. decoupled arrangement of amorphous memory elements, consisting of an amorphous memory element and a decoupling element, characterized in that the decoupling element (10) consists of a threshold on the basis of amorphous semiconductor and decoupling element (10) and memory element (9) in the form of thin layers stacked one above the other arranged and joined together in a suitable manner to a matrix.

2. Decoupled arrangement according to claim 1, characterized in that the memory element (9) consists of a glass semiconductor, preferably germanium telluride of a composition Ge ₁₅ Te ₈ iS ₂ Sb ₂ and the decoupling element (10) of a glass semiconductor, preferably with a composition Te ₄₈ As ₃₀ Si ₁₂ GeI ₀ exists.

3. Decoupled arrangement according to claim 1, characterized in that the memory (9) and decoupling element (10) consist of the same amorphous semiconductor and the thickness of the amorphous semiconductor layer of the decoupling element (10) is 300 nm to 500 nm and the thickness of the amorphous semiconductor layer of Memory element (9) is 500nm to 1 000nm.

4. Decoupled arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that decoupling element (10) and memory element (9) are arranged as a thin-film structure on an insulating or semiconductive substrate (1).

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