Электрически стираемая память

Электрически стираемая память

Реферат

 

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: электрически стираемая память с изменением фазы, применяющая стехиометрически сбалансированный материал. Одна из реализаций данного изобретения содержит воплощение этой памяти в интегральном исполнении в конфигурации с высокой бытовой плотностью, в которой стоимость изготовления существенно понижена, a параметры характеристик еще более улучшены. Техническим результатом изобретения является создание элемента электрически стираемой памяти с возможностью прямой перезаписи, который обладает более высокими скоростями переключения при меньших энергетических уровнях, чем в известных аналогах. 2 с. и 26 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Общая концепция применения электрически стираемых материалов с изменением фазы (т. е. материалов, которые могут электрически переключаться между, вообще говоря, аморфным, и, вообще говоря, кристаллическим состояниями) в приложениях электронной памяти, хорошо известна в технике и раскрыта, например, в патенте США 3271591 - Овчинского, выданном 6 сентября 1966 г., и в патенте США 3530441 - Овчинского от 22 сентября 1970 г., оба патента переуступлены тому же патентовладельцу, что и данное изобретение.

Наиболее близким техническим решением является патент США N 3530441, выданный на имя Овчинского (Ovshinksky). В нем описан элемент электрически стираемой памяти, в котором использованы материалы, содержащие теллур и германий в концентрации около 85 ат.% теллура и около 15 ат.% германия.

Как раскрыто в вышеназванных патентах Овчинского, такие материалы с изменением фазы могут электрически переключаться между двумя различными структурными состояниями от, вообще говоря, аморфного и до, вообще говоря, кристаллического локального порядка или между различными определяемыми состояниями локального порядка по всему спектру значений между полностью аморфным и полностью кристаллическим состояниями. Это означает, что переключение таких материалов не обязательно должно иметь место между полностью аморфным и полностью кристаллическим состояниями, а скорее может быть выполнено инкрементными шагами изменений местного порядка для того, чтобы обеспечить "шкалу серого", представленную множеством условий местного порядка по всему спектру значений от полностью аморфного до полностью кристаллического состояний. Описываемые материалы также могут переключаться только между двумя структурными состояниями - в общем случае аморфным, и в общем случае, кристаллическим состояниями локального порядка с тем, чтобы приспособить их к запоминанию и поиску цифровой информации.

Эта электрически стираемая память Овчинского была вполне адекватна для многих приложений в то время, когда она была впервые предложена, и нашла применение в ряде приложений. Однако поскольку дальнейшее развитие этой ранней технологии было невозможно из-за отсутствия необходимых ресурсов для продолжения работы, последующее развитие техники в других областях твердотельной электронной памяти и других видов памяти, вообще, таких как устройства памяти, использующие магнитную и оптическую среды, постепенно вытеснило эту раннюю технологию электрически стираемой памяти с изменением фазы.

В результате указанного отсутствия средств для обеспечения работ по развитию в настоящее время имеются некоторые ограничения приложений этой электрически стираемой памяти материалов с изменением фазы Овчинского, которые помешали их широкому распространению в устройствах электрически стираемой памяти с изменением фазы. Одним из этих ограничений была сравнительно низкая (по современным стандартам) скорость электрического переключения, которой обладали эти материалы известного уровня техники и, особенно, в направлении большего локального порядка или в направлении повышения степени кристаллизации. Другим ограничением была относительно высокая энергия, необходимая для инициирования фазового изменения между одним и другим состоянием.

Например, времена переключения материалов с изменением фазы известного уровня техники обычно не выходили за пределы диапазона в несколько милисекунд для времени установки из аморфного состояния в кристаллическое состояние и, возможно, микросекунд, или около этого для времени сброса из кристаллического состояния обратно в аморфное состояние. Электрическая энергия, необходимая для переключения таких материалов известного уровня техники, обычно замерялась в диапазоне значений, близком к одному микроДжоулю.

Концепция применения таких материалов с изменением фазы Овчинского в нестираемых или нереверсируемых, электрически программируемых устройствах постоянной памяти также хорошо известна в технике прежнего уровня. Такой тип электрически программируемой памяти с изменением фазы раскрывается, например, в патентах США 4499557 - Холмберг и другие, выданном 18 февраля 1985 г. и 4599705 - Холмберг и другие, выданном 8 июля 1986 г. и переуступленных тому же патентовладельцу, что и данное изобретение. Вышеуказанные патенты Холмберга и др. содержат химически связанные четырехгранные материалы, такие как углерод, кремний и германий, и сплавы из них, как материалы с изменением фазы, которые применяются в нереверсируемом или в несбрасываемом в исходное состояние режиме.

Такие материалы описываются как материалы, имеющие, например, характеристики, которые требуют пороговых значений напряжений установки до 10 В, токов - до 25 мА и времени установки - до 100 мкс. Таким образом, энергия, необходимая для их установки, достигает 250 мВт при временах установки до 100 мкс.

Соответственно из-за отсутствия средств на развитие, эти материалы не получили широкого распространения в приложениях реверсируемой или электрически стираемой памяти, в которых другие типы памяти обеспечивают существенно более низкие значения времен переключения и энергий. Вместо этого другие формы твердотельной электронной памяти разрабатывались и получили ограниченное применение в этих приложениях. Такие устройства памяти обычно используют несколько твердотельных микроэлектронных схемных элементов для каждого бита памяти, например, от трех до пяти транзисторов на бит, в некоторых приложениях памяти. Главными элементами памяти в таких твердотельных устройствах памяти обычно являются полевые транзисторы с плавающим затвором, которые удерживают заряд на затворе полевого транзистора, чтобы сохранить бит памяти. Так как этот заряд подвержен утечке с течением времени, такое запоминание информации не является истинно нестираемым, поскольку оно имеет место в среде с изменением фазы, в которой информация запоминается благодаря изменениям в действительной структуре этого материала.

Такие твердотельные электронные устройства памяти, которые используются в настоящее время, также относительно дороги в производстве и стоимость их обычно на один бит, вдвое превышает стоимость памяти на магнитном диске. С другой стороны, эти твердотельные устройства памяти имеют определенные преимущества перед памятью на магнитном диске, заключающиеся в том, что твердотельная память не содержит движущихся частей, легко транспортируется и хранится, а также более универсальна с точки зрения ее адаптации для использования в портативных ЭВМ и других портативных электронных устройствах. Кроме того, такие твердотельные устройства памяти обычно являются истинными системами произвольного доступа в противоположность типам дисковой памяти, которые требуют физического передвижения головки диска к соответствующей дорожке данных для доступа к нужному местоположению памяти.

Однако несмотря на такие преимущества твердотельной, электрически стираемой памяти, их существенно более высокая стоимость не позволила им овладеть значительной частью рынка, на которой доминируют системы типа дисковой памяти. Хотя твердотельные устройства памяти на базе материалов с изменением фазы обнаруживали потенциал для производства их с пониженной стоимостью, параметры характеристик, доступные для таких систем на известном уровне техники, не были адекватными, чтобы позволить их широкое распространение в качестве замены для систем дисковых типов, или же других твердотельных систем памяти, описанного выше типа.

В основу изобретения положена задача создания элемента электрически стираемой памяти с возможностью прямой перезаписи, который обладает более высокими скоростями переключения при меньших энергетических уровнях, чем известные аналоги. Предложенные элементы памяти обладают способностью реверсивного переключения между по меньшей мере двумя электрически обнаруживаемыми состояниями. Первое состояние имеет локальный атомный порядок, который является обнаруживаемо менее упорядоченным, чем локальный атомный порядок второго состояния. Элемент памяти выполнен из материала с изменением фазы, содержащего множество элементов, организованных композиционно и стехиометрически таким образом, что они распределены в материале в первом обнаруживаемом состоянии и переходят во второе обнаруживаемое состояние практически с той же средней локальной плотностью распределения составляющих элементов.

Данное изобретение представляет новую твердотельную, стираемую электронную память, применяющую уникальные материалы с изменением фазы в новых и специально адаптированных конфигурациях, которые демонстрируют на несколько порядков более высокую величину скоростей переключения при уровнях энергии, в огромной степени пониженных, по сравнению с теми, которые достижимы при известном уровне техники. Эта новая память имеет стабильные и действительно нестираемые структурные состояния, которые могут быть выбраны из двух переключаемых структурных состояний обнаруживаемо разного локального уровня для применения в типовых цифровых системах или которые могут быть выбраны из ряда промежуточных структурных состояний обнаруживаемо разного местного уровня с целью обеспечить шкалу "серого" доступных состояний установки памяти. Величина улучшения во временах переключения и в энергиях переключения воистину огромна, лежит в диапазоне нескольких порядков по сравнению со старым значением и не является инкрементальной по своей природе; эта величина по своему значению совершенно неожиданна и превышает все, что считалось возможным при известном уровне техники и при известных материалах.

В одной из реализаций данного изобретения применяется электрически переключаемый материал такого состава и стехиометрии, что элементы этого материала распределены внутри материала в аморфном состоянии и существенно полно абсорбированы в единице объема этого материала, в одной или более стабильных кристаллических фаз, в кристаллическом состоянии. Предпочтительнее, чтобы эти элементы также были абсорбированы в одной или более кристаллических фаз с существенно такой же локальной атомной плотностью составляющих элементов, как и плотность, которая присутствует в аморфном состоянии. Миграция этих элементов внутри материала в процессе переходов переключения таким образом минимизирована, а времена переключения и уровни энергии весьма существенно понижены по сравнению с теми, которые достижимы при известном уровне техники в системах электрически стираемой памяти с изменением фазы.

В другой реализации эти характеристики электрически переключаемых параметров генерируются по отношению к параметрам переходов материала так, что обеспечиваются оптимальные переходы переключения, еще больше улучшая качество по сравнению с достижимым при известном уровне техники.

В еще одной реализации приводится конфигурация памяти, применяющая новые материалы данного изобретения, в которой битовая плотность этой памяти значительно повышена и улучшена по сравнению с конфигурациями известного уровня техники, и в которой параметры характеристики еще более улучшены.

Другие реализации и особенности данного изобретения, также как и другие преимущества и цели этого, будут четко сформулированы и станет ясным подробное описание, которое следует, принимаемое вместе с сопровождающими чертежами.

На фиг. 1 представлен фрагментарный вид в разрезе части конфигурации электрически стираемой памяти с изменением фазы на интегральных схемах, реализующей данное изобретение; на фиг. 2 представлен фрагментарный вид в разрезе части конфигурации электрически стираемой памяти с изменением фазы на интегральных схемах, иллюстрирующий другую реализацию данного изобретения; на фиг. 3 представлен вид сверху части конфигурации на интегральных схемах фиг.1 и 2; на фиг. 4 представлена неполная принципиальная схема части электрической схемы конфигурации на интегральных схемах фиг.1 и 2; на фиг. 4А представлена схематическая иллюстрация части однокристалльной подложки полупроводника с интегральной памятью и матрицами адресации, реализующая данное изобретение; на фиг. 5 приведено графическое представление данных, полученных на образцах электрически стираемых материалов с изменением фазы, реализующих данное изобретение и демонстрирующих сопротивление в кристаллическом состоянии после переключения из аморфного состояния в зависимости от энергии переключения; на фиг. 6 приведено графическое представление данных о сопротивлении устройства в зависимости от энергии переключения для различных длительностей импульса; на фиг. 7 приведено графическое представление данных о сопротивлении устройства в состоянии "Включено" как функции от числа импульсов установки, последовательно прикладываемых к устройству, и иллюстрирующее способность к воспроизведению шкалы серого; на фиг. 8 приведено графическое представление данных о сопротивлении устройства в состоянии "Включено", как функции от сопротивления нагрузки, которое управляет потоком тока после запуска устройства.

Установлено, что пока электрически стираемая память с изменением фазы известного уровня техники основывалась на изменениях местного структурного порядка, она также обычно приспосабливала такие структурные изменения путем атомного движения определенных групп внутри материала, чтобы обеспечить разделение фаз, когда этого материал переключается из аморфного состояния в многофазное кристаллическое состояние. Например, для случая электрически переключаемых сплавов "Чалкогенида" (Chalcogenide), сформированных из теллура и германия, таких как сплавы, содержащие от 80 до 85% теллура и около 15% германия, наряду с некоторыми другими элементами в малых количествах, от одного до двух процентов каждый, как например, сера и мышьяк; более упорядоченное или кристаллическое состояние обычно характеризовалось формированием в высшей степени электропроводной нити из кристаллического теллура, расположенной внутри переключаемой скважины из материала этой памяти. Типовым составом такого материала известного уровня техники мог бы быть, например Te₈₁Ge₁₅S₂As₂. Другим примером такого материала известного уровня техники является Te₈₁Ge₁₅S₂Sb₂. Благодаря исключительно высокой проводимости теллура в его кристаллическом состоянии создались условия, при которых нить из кристаллического теллура обладает очень низким сопротивлением, имеющим величину, в несколько порядков меньшую, чем сопротивление этой скважины в менее упорядоченном или аморфном состоянии.

Однако формирование проводящей теллуровой нити в кристаллическом состоянии потребовало миграции атомов теллура из их атомной конфигурации в аморфном состоянии в новую, локально сконцентрированную атомную конфигурацию, в кристаллическом состоянии теллуровой нити. Подобно этому, когда этот материал переключался обратно к своему аморфному состоянию, теллур, который осаждался на кристаллическую нить, должен был мигрировать из этого материала в его локально концентрированной форме на поверхности нити обратно к его атомной конфигурации в аморфном состоянии.

Заявитель нашел, что эта атомная миграция, диффузия или преобразование между аморфным и кристаллическим состоянием требовала в каждом случае времени удержания или успокоения, необходимого для выполнения этой миграции, делая тем самым время переключения и энергии относительно высокими по сравнению с другими типами стираемой полупроводниковой памяти. В настоящее время мы открыли определенные новые принципы, которые позволяют получить исключительные улучшения как во времени переключения, так и в величине энергии для этого типа электрически стираемой памяти с изменением фазы.

Одной из простых форм материала, который удовлетворяет критерию отбора данного изобретения, является усредненный на атомный процент состав Te₅₂Ge₂₄Sb₂₄, который распределен по всему материалу в аморфном состоянии и который кристаллизуется в две кристаллические фазы, приблизительно имеющие составы Te₅₂Ge₁₈Sb₃₀ для одной фазы и Te₅₂Ge₃₀Sb₁₈ - для другой фазы примерно в равных атомных фракциях, но в такой пропорции по отношению друг к другу, что все атомы элементов, присутствующие в аморфном состоянии, абсорбированы в указанных двух кристаллических фазах этого кристаллического состояния. Таким образом, имеются доступные, легко сформированные многоэлементные кристаллические фазы, которые абсорбируют или поглощают существенно все элементы, присутствующие в аморфном состоянии, препятствуя тем самым выделению из решетки каких-либо отдельных элементов, которые не являются существенно полно абсорбированными в этих легко сформированных главных кристаллических фазах.

Вследствие отсутствия какой-либо существенной атомной миграции, ассоциированной с изменениями фаз между аморфной и кристаллической структурами, фазовые переходы происходят быстро и при высокой степени стабильности обоих аморфного и кристаллического состояний.

Дальнейшим критерием другой реализации данного изобретения является то, что полупроводниковая ширина запрещенной зоны этого материала будет существенно снижена при переходе из аморфного в кристаллическое состояние, или даже то, что она существенно или даже полностью разрушится, и зона проводимости, и валентная зона окажутся близко друг к другу или перекроются. Если ширина запрещенной зоны очень мала в кристаллическом состоянии относительно аморфного состояния, термически генерируемые носители при нормальных рабочих условиях обеспечат хорошую проводимость и низкое сопротивление в кристаллическом состоянии по сравнению с аморфным состоянием.

Другим составом, который отвечает критерию данного изобретения, является Te₅₁Ge₄₀Sb₉, формирующий единственную кристаллическую фазу существенно такого же состава, что и элементы в аморфном состоянии. Таким образом, этот материал композиционно является существенно таким же в аморфном состоянии и в единственной кристаллической фазе, которая формируется, когда этот материал электрически переключается в кристаллическое состояние. Этот материал демонстрирует дальнейшие преимущества в соответствии с другим, вышеупомянутым критерием данного изобретения, состоящие в том, что его электронная запрещенная зона вынужденно разрушается при переходе из аморфного состояния, а его кристаллическая зона такова, что он больше не является полупроводником, а скорее металлом или полуметаллом. Это значит, что его запрещенная зона разрушается, а зона проводимости и валентная зона перекрываются в кристаллическом состоянии, обеспечивая тем самым очень высокую электрическую проводимость и демонстрируя существенно металлическую форму электрического сопротивления. Это дает очень высокую величину отношения сопротивлений между состояниями "Включено" и "Выключено" или "Установка" или "Сброс".

Этот переход вышеупомянутого материала в полуметаллическое состояние был определен путем измерения температурной зависимости электрической проводимости этого материала. В полупроводнике электрическая проводимость возрастает с ростом температуры. Вместо этого обнаружено, что электрическая проводимость вышеупомянутого материала в действительности слегка понижалась при повышении температуры, продемонстрировав этим свойства материала, в котором валентная зона и зона проводимости реально перекрываются.

Было определено, что другими доступными кристаллическими фазами для этих элементов должны обладать Te₅₂Ge₄₃Sb₅ и Te₂₀Ge₂₀Sb₆₀. Подобные предпочтительные кристаллические фазы могут быть определены для других комбинаций элементов в соответствии с доктриной настоящего изобретения таким образом, чтобы формирование доступных, многоэлементных кристаллических фаз существенно абсорбировало бы все элементы, присутствующие в аморфном состоянии.

Эти элементы стираемого переключаемого сплава выбираются так, чтобы все элементы в его составе были распределены в аморфном состоянии и были бы существенно абсорбированы в единичном объеме этого материала в стабильных кристаллических фазах при переходе из аморфного состояния в кристаллическое состояние. Результатом является материал, который может очень быстро переключаться между двумя состояниями при очень низких уровнях энергии, а именно при временах переключения и уровнях энергии, которые значительно ниже тех, что были достижимы или даже считались возможными для материалов электрически стираемой памяти известного уровня техники.

Композиционная стехиометрия составляющих элементов в этом материале такова, что все составляющие элементы существенно полно абсорбируются в единичном объеме материала в одной или более кристаллических фазах, которые формируются в кристаллическом состоянии. Кроме этого, предпочтительно, чтобы эти составляющие элементы абсорбировались в одну или более, кристаллических фаз с существенно одинаковой средней локальной атомной плотностью распределения, т.е. с той же средней локальной концентрацией составляющих элементов, что и та, которая имеется в аморфном состоянии. Таким образом, этот материал полностью кристаллизован в единичном объеме и локальная атомная плотность составляющих элементов только минимально нарушается путем переходов между аморфным и кристаллическим состояниями. Следовательно, атомная миграция внутри материала во время фазовых переходов таким образом минимизируется, а электрическая скорость переключения и энергия в огромной степени снижаются, на величину в несколько порядков меньшую той, которую имели известные устройства электрически стираемой памяти с изменением фазы.

Элементы этого материала обычно бывают существенно равномерно распределены внутри материала как при первоначальном осаждении, но они могут в некоторой степени локально концентрироваться в определенных областях материала, сообразуясь с местоположениями кристаллических фаз и концентрациями атомов в матрице. Однако при переходе из кристаллического состояния в аморфное состояние материал осаждается и имеет место диффузия, которая стремится распределить атомы в какой-то степени равномерно в объеме этого материала. Однако такое равномерное распределение в аморфном состоянии не является необходимым для того, чтобы материал функционировал в соответствии с данным изобретением. Таким образом, здесь были описаны элементы материала с изменением фазы, как распределенные по всему материалу в аморфном состоянии, но следует понимать, что такое распределение может содержать некоторые локализованные концентрации некоторых или всех элементов, которые могут появиться при переключениях туда и обратно между аморфным и кристаллическим состояниями.

Конечно необходимо помнить, что локальные атомные плотности составляющих элементов не могут быть абсолютно одинаковыми в обоих этих аморфном и кристаллическом состояниях. В этой локальной атомной структуре необходимы некоторые приспособления, которые позволили бы производить изменения в структурном порядке между аморфным и кристаллическим состояниями. Однако чего следует избегать в применении принципов данного изобретения, это то, что мы сегодня понимаем как большое искажение в локальной атомной плотности и что было характерно для устройств электрически стираемой памяти с изменением фазы известного уровня техники. Фразу "распределение с существенно одинаковой средней локальной атомной плотностью", таким образом, следует интерпретировать, как позволяющее в разумных пределах ре-преобразование и результирующую вариацию в локальной атомной плотности между аморфным и кристаллическим состояниями, что все-таки дает качественные преимущества в соответствии с концепцией данного изобретения.

Термины "существенно аморфный" и "аморфный" в том смысле, как они используются в тексте, означают состояние, которое является относительно атомно менее упорядоченным или более неупорядоченным, и имеют своим результатом обнаружимо различающиеся электрические характеристики, такие как, например, более низкая электрическая проводимость. Термины "существенно кристаллический" и "кристаллический" означает состояние, которое является атомно более упорядоченным, и имеют своим результатом обнаружимо различающиеся электрические характеристики, такие, например, как более высокая электрическая проводимость.

Было установлено, что в одной из реализаций данного изобретения материал формирует многоэлементную и многофазовую структуру в кристаллическом состоянии и что эти кристаллические фазы в этом состоянии имеют температуры кристаллизации, которые относительно близки друг к другу. Например, в материале с изменением фазы, имеющем состав Te₅₂Ge₂₄Sb₂₄ в аморфном состоянии, который кристаллизуется в две кристаллические фазы, как это было описано, определено, что одна из этих двух фаз кристаллизуется при 155^oC, а другая - при 172^oC. Считают, что эта многофазная кристаллическая структура с кристаллическими фазами, которые формируют температуры, близкие друг к другу, является предпочтительной формой кристаллического материала данного изобретения, потому что такой материал должен быть более просто переключаемым из кристаллического состояния в аморфное состояние, а также быть более стабильным в аморфном состоянии.

Если материал имеет только одну кристаллическую фазу (иногда в тексте он называется материал "с единственной кристаллической фазой"), но с другой стороны, удовлетворяет критерию данного изобретения, он может быть полностью удовлетворительным для одних приложений и менее оптимальным для других, потому что он может оказаться настолько стабильным в кристаллическом состоянии, что станет более трудно переключить его обратно в кристаллическое состояние, и менее стабильным в аморфном состоянии, будучи однажды переключенным обратно в это состояние. Однако такие свойства могут оказаться более легко адаптируемыми к определенным приложениям данного изобретения и могут обеспечить свойства, реально предпочтительные для некоторых других приложений. В любом случае такой материал с единственной кристаллической фазой обычно демонстрирует значительно повышенную скорость и низкую энергию переключения данного изобретения.

Кроме этого, поскольку одна или более кристаллических фаз являются стабильными и легко формируемыми фазами, этот переход осуществляется надежно и обеспечиваются два истинно нестираемых состояния.

Однако одним из важных принципов данного изобретения является то, чтобы существенно все элементы, присутствующие в аморфном состоянии, были бы полностью абсорбированы в кристаллической фазе или фазах, когда этот материал переключится в кристаллическое состояние. Этим значительно минимизируется атомная миграция и обеспечивается возможность того, что переключение между фазами происходит быстро и при низкой энергии переключения. Считают также, как указано выше, что в случае многофазовых кристаллических формаций, температуры кристаллизации различных кристаллических фаз должны быть преимущественно близки друг к другу, чтобы приспособить формирование множественных фаз к одной и той же общей температурной зоне.

Далее считается, что относительно малые размеры кристаллита в кристаллической фазе или фазах могут внести дальнейший вклад в быстрое формирование кристаллической фазы или фаз и понизить уровни энергии для переходов между аморфным и кристаллическим состояниями.

В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения заявитель нашел, что характеристики переключения таких материалов могут контролироваться с целью достижения оптимальных переходов переключения. Было установлено, что для того, чтобы материалы данного изобретения функционировали на существенно повышенных уровнях качества по сравнению с параметрами характеристик, достижимых устройствами памяти известного уровня техники, не требуется точной композиционной стехиометрии, так как решетка этого материала обычно выдерживает определенный уровень постороннего атомного материала без существенной деградации качества характеристик этого материала. Слово "существенно", поэтому используемое здесь, должно означать тот уровень соответствия принципам стехиометрии, объясненный выше, который позволит достигнуть улучшений параметров характеристик по сравнению с известными устройствами памяти с электрическим стиранием, обеспечиваемый данным изобретением.

Как указано выше, считается, что относительно малый диапазон размеров кристаллита этих кристаллических фаз может способствовать быстрым переходам между кристаллическим и аморфным состояниями. Мы постулировали, что кристаллическая структура, которая приближается к микрокристаллической решетке, переключается более быстро между аморфным и кристаллическим состояниями, потому что микроструктура требует меньшей атомной подгонки для приспособления переходов между аморфным и кристаллическим состояниями. В то же время многофазовая природа кристаллического состояния еще более улучшает и стабилизирует переход в аморфное состояние.

Одной из характеристик материалов с изменением фазы данного изобретения является то, что, как оказалось, они имеют тенденцию образовывать больше кристаллитов меньшего размера в единице объема этого материала. Размеры кристаллитов, представляющих материалы, реализующие данное изобретение, имеют длины малых кристаллитов в диапазоне значений от 100 до 500 ангстрем и в общем случае меньше, чем диапазон от 1000 до 5000 ангстрем, характерный для материалов известного уровня техники. Под размером кристаллита в том смысле, как он понимается здесь, подразумевается диаметр кристаллитов или "характерная размерность", эквивалентная диаметру, когда эти кристаллиты не имеют сферической формы. Следовательно, термин "характерная размерность" означает среднее расстояние между кристаллитами; отсюда происходит выражение: либо диаметр, либо его эквивалент.

Было определено, что состав в аморфном состоянии материалов класса TeGeSb, который удовлетворяет критерию данного изобретения, должен характеризоваться существенно пониженными концентрациями теллура, которые ниже тех, что присутствовали в материалах известного уровня техники, использовавшихся в качестве электрически стираемых материалов с изменением фазы. В материалах такого класса, которые были найдены способными обеспечить существенно улучшенное качество характеристик электрического переключения, средние концентрации теллура в аморфном состоянии были значительно ниже 70%, обычно ниже 60%, и изменялись в диапазоне значений от 23% до примерно 56% Te. Концентрации Ge были выше 15% и изменялись в диапазоне значений от около 17% и до 44% в среднем в аморфном состоянии, оставаясь в общем ниже 50% Ge; остатком принципиальных составляющих элементов этого класса является Sb. Приведенные процентные данные являются атомными процентами, которые представляют все 100% атомов составляющих элементов. Таким образом, этот класс материалов может быть охарактеризован формулой Te_aGe_bSb_100(a+b), где a равно или меньше чем примерно 70%, предпочтительно равно или меньше чем примерно 60%; b - больше 15% и меньше чем 50%, предпочтительно между примерно 17% и примерно 44%; и все остальное Sb.

Для случая класса материалов TeGeSb было найдено, что следующие кристаллические фазы должны присутствовать либо по отдельности, либо в комбинации в различных формах кристаллического состояния для различных приближенных составов, находящихся в пределах вышеуказанных диапазонов аморфного состояния (см. таблицу).

Среднее значение содержания этих элементов в одном образце составляло: 53% Te, 21% Ge и 26% Sb.

На фиг. 1 представлен вид в разрезе части структуры электрически стираемой памяти с изменением фазы, реализующей данное изобретение. Эта структура памяти сформирована на однокристалльной кремниевой полупроводниковой пластине 10, которая легирована акцепторной примесью (p-doped) и которая формирует подложку с электропроводностью p-типа для осаждения остающихся иллюстрируемой конфигурации.

На этой подложке 10 p-типа сформированы каналы 12n+, которые могут быть сформированы методом диффузии, хорошо известным в технике. Эти каналы n+ проходят через кристалл в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, и формируют один набор электродов, в данном случае набор y, сетки электродов x - y, предназначенной для адресации индивидуальных элементов памяти.

На вершине этой сеточной структуры n+ сформирован легированный донорной примесью (n-doped) кристаллический эпитаксиальный слой 14 также методами, хорошо известными в технике. Этот эпитаксиальный слой n-типа 14 может, например, иметь толщину около 5000 ангстрем. С использованием известных методов маскирования и легирования затем в эпитаксиальном слое 14 n-типа формируются каналы изоляции 16, легированные акцепторной примесью p-типа. Эти каналы 16 p-типа проходят весь путь вниз к подложке 10 p-типа, как показано на фиг. 1, а также полностью обходят вокруг подложки и изолируют, и определяют островки 18 эпитаксиального слоя 14 n-типа. Эти островки 18 более ясно показаны на виде сверху фиг. 2, где эти каналы изоляции p-типа показаны, как формирующие сетку изоляции, определяющую и изолирующую островки 18 эпитаксиального материала n-типа. Вместо каналов изоляции p-типа для изоляции этих островков могут быть использованы изолирующие канавки SiO₂. Методы формирования таких изолирующих канавок SiO₂ хорошо известны в технике.

Слой 20 термически выращиваемого SiO₂ затем формируется на структуре, которая была только что описана, и вытравливается с целью сформировать апертуру 22 на островках 18. Диффузионные области 14 материала p+ затем формируются в областях, определенных апертурой 22, как показано на фиг. 1. Полупроводниковые переходы областей P+ и эпитаксиального слоя n-типа формируют диоды 26 переходов p-n последовательно с каждой из областей эпитаксиального слоя n-типа, экспонируемых через апертуры 22 слоя 20 SiO₂.

Затем элементы памяти 30 осаждаются в области 24 p+ в индивидуальном омическом электрическом последовательном соединении с диодами 26. Эти элементы памяти 30 состоят из расположенных на дне тонких контактных слоев молибдена 32, слоя памяти 36, сформированного, как описано выше, и верхних тонких слоев 38 углерода и 40 молибдена. Контактные слои 32, 34, 38 и 40 из углерода и молибдена формируют превосходные электрические контакты со слоями памяти 36, а также формируют диффузионные барьеры, которые эффективно блокируют диффузию элементов в направлении слоев памяти 36 и из них.

Слои углерода 34 и 38 имеют относительно высокое электрическое сопротивление, их труднее травить, и поэтому предпочтительнее их делать относительно тонкими, обычно в диапазоне от 100 до 1000 ангстрем или около этого. Молибденовые слои 32 и 40 должны быть толще, скажем, в диапазоне от 1000 до 2000 ангстрем или около этого, чтобы они могли действовать как эффективные диффузионные барьеры для слоев памяти 30.

Слой памяти 36 сформирован из многоэлементного материала с изменением фазы, как описано выше. Предпочтительнее слой 36 осаждать методом распыления в существенно аморфном состоянии, но он может быть сформирован и другими способами, такими, например, как испарение в вакууме или химическим осаждением паров, последнее может быть улучшено за счет п