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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein programmierbare Metallisierungsstrukturen
und insbesondere eine programmierbare Unteroberflächenaggregationsmetallisierungsstruktur
(„PSAM"), die einen Ionenleiter,
eine Vielzahl von Elektroden und eine spannungsgesteuerte Metallstruktur
oder Dendriten, ausgebildet durch den Ionenleiter zwischen den Elektroden,
enthält.
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2. Beschreibung des verwandten
Stands der Technik
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Die
vorliegende Erfindung beansprucht den Vorzug der am 4. Dezember
1997 eingereichten vorläufigen
US-Anmeldung Nr. 60/067509.
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SPEICHERBAUSTEINE
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Speicherbausteine
werden in elektronischen Systemen und Computern zum Speichern von
Informationen in Form von binären
Daten verwendet. Diese Speicherbausteine können in verschiedene Arten kategorisiert
werden, wobei mit jeder Art verschiedene Vorteile und Nachteile
verbunden sind.
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Beispielsweise
ist der Direktzugriffsspeicher („RAM"), den man in Personal Computern findet,
ein flüchtiger
Halbleiterspeicher; mit anderen Worten gehen die gespeicherten Daten
verloren, wenn die Stromquelle abgeschaltet oder entfernt wird.
Der Dynamik-RAM („DRAM") ist besonders flüchtig, da
er alle paar Mikrosekunden „aufgefrischt" (d.h. wieder geladen)
werden muß,
um die gespeicherten Daten zu halten. Der Statik-RAM („SRAM") hält die Daten nach
einem Schreibvorgang, so lange wie die Stromquelle beibehalten wird;
wenn die Stromquelle jedoch abgeschaltet wird, gehen die Daten verloren.
Bei diesen Konfigurationen von flüchtigen Speichern werden somit
Informationen nur so lange gehalten, wie der Strom zu dem System
nicht abgeschaltet wird.
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Die
CD-ROM ist ein Beispiel für
einen nichtflüchtigen
Speicher. Die CD-ROM ist groß genug,
um längere
Audio- und Videosegmente
zu enthalten; jedoch können
Informationen nur von diesem Speicher gelesen, aber nicht zu diesem
Speicher geschrieben werden. Nachdem eine CD-ROM während der
Herstellung programmiert worden ist, kann sie somit nicht mit neuen
Informationen wiederprogrammiert werden.
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Andere
Speicherungseinrichtungen wie etwa magnetische Speicherungseinrichtungen
(d.h. Disketten, Festplatten und Magnetband) sowie andere Systeme
wie etwa optische Platten sind nichtflüchtig, weisen eine extrem hohe
Kapazität
auf und können mehrmals überschrieben
werden. Diese Speicherbausteine sind leider physisch groß, sind
gegenüber Schocks
und Schwingungen empfindlich, erfordern teure mechanische Laufwerke
und verbrauchen möglicherweise
relativ große
Strommengen. Durch diese negativen Aspekte sind diese Speicherbausteine
für stromarme
tragbare Anwendungen wie etwa Laptop- oder Palmtop-Computer und
PDAs (Personal Digital Assistants) nicht ideal.
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Aufgrund
der rapide wachsenden Anzahl von kompakten stromarmen tragbaren
Computersystemen, bei denen sich gespeicherte Informationen regelmäßig ändern, haben
Lese-/Schreib-Halbleiterspeicher breite Verwendung gefunden. Weil
diese tragbaren Systeme Datenspeicherung erfordern, wenn der Strom
abgeschaltet wird, ist weiterhin ein nichtflüchtiger Speicherungsbaustein
erforderlich. Die einfachsten programmierbaren nichtflüchtigen Halbleiter
Speicherbausteine in diesen Computern sind ein programmierbarer
Festwertspeicher („PROM"). Der grundlegendste
PROM verwendet ein Array aus schmelzbaren Verbindungen; ein PROM kann,
wenn er erst einmal programmiert worden ist, nicht wiederprogrammiert
werden. Dies ist ein Beispiel für
einen „WORM"-Speicher (Write-once read-many – einmal
schreiben – häufig lesen).
Der löschbare
PROM („EPROM") kann verändert werden,
doch muß jedem
Neuschreibschritt ein Löschschritt
vorausgehen, der die Belichtung mit Ultraviolettlicht beinhaltet.
Der elektrisch löschbare
PROM („EEPROM" oder „E2PROM")
ist vielleicht der idealste herkömmliche
nichtflüchtige
Halbleiterspeicher, da er viele Male beschrieben werden kann. Flash-Speicher,
eine weitere Art von EEPROM, weisen eine höhere Kapazität als die
traditionellen EEPROMs mit geringer Dichte auf, doch mangelt es
ihnen an Ausdauer. Bei EEPROMs besteht ein Hauptproblem darin, daß sie inhärent komplex
sind. Die Floating-Gate-Speicherungselemente,
die in diesen Speicherbausteine verwendet werden, sind schwierig
herzustellen und verbrauchen relativ große Halbleiterbodenfläche. Außerdem muß das Schaltungsdesign
den zum Programmieren des Bausteins erforderlichen hohen Spannungen
standhalten. Folglich sind die Kosten pro Bit an Speicherkapazität beim EEPROM
im Vergleich zu anderen Mitteln der Datenspeicherung extrem hoch.
Ein weiterer Nachteil von EEPROMs besteht darin, daß sie zwar
Daten halten können,
ohne daß die
Stromquelle angeschlossen ist, sie aber zum Programmieren relativ
große
Strommengen erfordern. Bei einem von einer Batterie betriebenen
kompakten tragbaren System kann diese Stromentnahme erheblich sein.
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Angesichts
der verschiedenen Probleme, die mit oben beschriebenen herkömmlichen
Datenspeicherbausteinen verbunden sind, ist es höchst wünschenswert, eine Lese-/Schreib-Speichertechnologie
und -baustein zu haben, der inhärent
einfach und preiswert herzustellen ist. Diese Speichertechnologie
sollte zudem die Anforderungen der neuen Generation von tragbaren
Computerbausteinen erfüllen,
indem sie mit einer geringen Spannung arbeitet, während sie
eine hohe Speicherungsdichte, Nichtflüchtigkeit und geringe Herstellungskosten
liefert.
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PROGRAMMIERBARE
PASSIVE UND AKTIVE KOMPONENTEN
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Elektronische
Schaltungen können
buchstäblich
millionen von Bestandteilen enthalten. Diese Bestandteile fallen
in zwei verschiedene Kategorien, nämlich passive Komponenten und
aktive Komponenten. Passiven Komponenten wie etwa Widerständen und
Kondensatoren sind elektrische Werte zugeordnet, die relativ konstant
sind. Andererseits sind einige elektrische Charakteristiken von
aktiven Komponenten wie etwa Transistoren so ausgelegt, daß sie sich
als Reaktion auf eine angelegte Spannung oder einen angelegten Strom ändern.
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Weil
diese beiden Arten von Komponenten weit verbreitet sind, ist es
höchst
wünschenswert,
einen preiswerten Baustein zu haben, der sowohl die Funktionen einer
passiven Komponente als auch einer aktiven Komponente ausführen kann.
Beispielsweise wäre
es höchst
wünschenswert,
einen Baustein zu haben, der als eine aktive Komponente wirkt, die
auf ein angelegtes Signal durch Ändern
ihres Widerstands und ihrer Kapazität reagiert und dennoch bei
einer alternativen Ausführungsform
als eine passive Komponente wirkt, die vorprogrammiert werden kann
(d.h., der Baustein „merkt" sich die Änderung nach
dem Abschluß der
Programmierung). Ein derartiger Baustein würde in vielen unterschiedlichen
Anwendungen von Schwingkreisen in Kommunikationsgeräten bis
zu Lautstärkereglern
in Audiosystemen verwendet werden.
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Weil
Bausteine wie etwa Speicherbausteine und programmierbare Widerstands-
und Kondensatorbausteine weit verbreitet sind, ist es sehr wünschenswert,
einen preiswerten und leicht herzustellenden Baustein zu haben,
der unter anderem in allen diesen verschiedenen Anwendungen implementiert werden
kann.
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US-A-4,312,046
(an Harris Corporation erteilt) beschreibt einen programmierbaren
integrierten Festwertspeicher-(PROM)-Schaltungsbaustein, der eine
vertikale Schmelzsicherungstechnik verwendet. Eine Diode wird durch
eine sehr dünne
Schicht als das schmelzbare Element auf dem Emitter eines nicht
isolierten Emitterfolgerarrays ausgebildet. Diese Dünnfilmschmelzsicherung
wird programmiert, indem eine ausreichende Spannung an sie angelegt wird,
um durch die vertikale Migration von Atomen aus Bitleitungskontaktmaterial
vertikal durch die dünne
Schicht in das Emittergebiet einen vertikalen Kurzschluß zu bilden.
Wenn Aluminium als das Bitleitungsmetall verwendet wird, kann das
schmelzbare Element eine Schottky-Diode sein, in der die dünne Schicht
ein Gebiet von N-Typ mit einer geringen Konzentration an Verunreinigungen
ist. Wenn die dünne Schicht
ein einkristallines P+-Gebiet mit hoher Konzentration an Verunreinigungen
ist, das auf einem N+-Emitter ausgebildet ist, dann ist das schmelzbare Element
eine Zener-Diode. Wenn die dünne
Schicht ein auf einem N-Emitter ausgebildetes polykristallines P-Material ist, ist
das schmelzbare Element eine PN-Diode.
Der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert auf dieser Offenbarung.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Struktur bereit, wie sie in Anspruch
1 detailliert wird. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in abhängigen Ansprüchen bereitgestellt.
Ein Verfahren zum Programmieren einer derartigen Struktur und zum
Ausbilden derartiger Strukturen wird ebenfalls bereitgestellt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
eine programmierbare Unteroberflächenaggregationsmetallisierungsstruktur
(„PSAM"-Struktur) mindestens
einen Ionenleiter wie etwa ein Chalcogenidglas, das Metallionen
enthält,
und mindestens zwei Elektroden (z.B. eine Anode und eine Kathode),
die jeweils ein elektrisch leitendes Material aufweisen und an gegenüberliegenden
Oberflächen
des Ionenleiters angeordnet sind. Zu Chalcogenidmaterialien, wie
sie hier erwähnt
werden, zählt
jede Verbindung, die Schwefel, Selen und/oder Tellur enthält. Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Ionenleiter eine Zusammensetzung, die aus einem Chalcogenid
und mindestens einem Metall der Gruppe I oder II ausgebildet ist
(ganz besonders bevorzugt Arsentrisulfidsilber). Die Anode und Kathode
werden jeweils aus einem beliebigen geeigneten leitenden Material
gebildet, und die Anode enthält
bevorzugt etwas Silber.
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Wenn
zwischen der Anode und der Kathode eine Spannung angelegt wird,
wächst
ein Metalldendrit von der Kathode durch den Ionenleiter zur Anode. Die
Wachstumsgeschwindigkeit des Dendriten kann gestoppt werden, indem
die Spannung abgeschaltet wird, oder der Dendrit kann zur Kathode
zurückgeholt werden,
indem die Spannungspolarität
an der Anode und der Kathode umgekehrt wird. Wenn eine Spannung über eine
ausreichende Zeitlänge
angelegt wird, wächst
ein kontinuierlicher Metalldendrit durch den Ionenleiter und verbindet
die Elektroden, wodurch der Baustein kurzgeschlossen wird. Der kontinuierliche
Metalldendrit kann dann durch Anlegen einer weiteren Spannung unterbrochen
werden. Die Unterbrechung in dem Metalldendriten kann durch Anlegen
noch einer weiteren Spannung wieder geschlossen werden. Änderungen
bei der Länge
des Dendriten oder das Vorliegen einer Unterbrechung in dem Dendriten
wirken sich auf den Widerstand, die Kapazität und die Impedanz des PSAM
aus.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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Der
Gegenstand der Erfindung wird in dem abschließenden Teil der Patentschrift
besonders hervorgehoben und deutlich beansprucht. Die Erfindung kann
jedoch durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibug in Verbindung
mit den Ansprüchen
und der beiliegenden Zeichnung, in der auf gleiche Teile durch gleiche
Zahlen Bezug genommen werden kann, verstanden werden. Es zeigen:
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1A eine
Perspektivansicht einer gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung konfigurierten beispielhaften
programmierbaren Unteroberflächenaggregationsmetallisierungsstruktur;
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1B eine
Querschnittsansicht von 1A entlang
der Linie 1-1;
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2A–2D Querschnittsansichten
einer gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung konfigurierten weiteren beispielhaften programmierbaren
Unteroberflächenaggregationsmetallisierungsstruktur;
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3A–3F Querschnittsansichten
verschiedener alternativer Konfigurationen der gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung konfigurierten programmierbaren
Unteroberflächenaggregationsmetallisierungsstrukturen;
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4A eine
graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Strom und Zeit
in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4B eine
graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen angelegter Spannung
und Zeit zum Kurzschließen
in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4C eine
graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Strom und Spannung
in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5A eine
Querschnittsansicht eines beispielhaften Speicherbausteins gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung;
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5B eine
Querschnittsansicht eines Teils einer alternativen Konfiguration
des in 5A dargestellten beispielhaften
Speicherbausteins;
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5C ein
Schemadiagramm eines Netzes von Speicherbausteinen gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Querschnittsansicht durch noch einen weiteren beispielhaften Speicherbaustein
gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
Querschnittsansicht eines beispielhaften programmierbaren Widerstands-/Kapazitätsbausteins
gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
Querschnittsansicht noch eines weiteren beispielhaften programmierbaren
Widerstands-/Kapazitätsbausteins
gemäß verschiedenen Aspekten
der vorliegenden Erfindung;
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9 eine
Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften programmierbaren
Widerstands-/Kapazitätsbausteins
gemäß verschiedenen Aspekten
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die
folgenden Beschreibungen sind lediglich Ausführungsbeispiele und sollen
nicht den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder Konfiguration der
Erfindung auf irgendeine Weise beschränken. Die folgende Beschreibung
liefert vielmehr eine zweckmäßige Veranschaulichung
für das
Implementieren von Ausführungsbeispielen
der Erfindung. In dieser Hinsicht können an der Funktion und Anordnung
von in den Ausführungsbeispielen
beschriebenen Elementen verschiedene Änderungen vorgenommen werden,
ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen,
wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
sind.
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Unter
Bezugnahme auf die 1A und 1B wird
eine programmierbare Unteroberflächenaggregationsmetallisierungsstruktur
(„PSAM") 100 gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung enthält
die PSAM-Struktur 100 bevorzugt einen Ionenleiter 110 und
eine Vielzahl von Elektroden 120 und 130, die
auf den Oberflächen
des Ionenleiters 110 angeordnet sind.
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Der
Ionenleiter 110 der PSAM-Struktur 100 kann einen
festen Elektrolyten, ein Metallionen enthaltendes Glas, einen Metallionen
enthaltenden amorphen Halbleiter, ein Chalcogenidglas, das Metallionen
enthält,
oder dergleichen enthalten. Im umfassendsten Sinne enthält gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung ein Chalcogenidmaterial eine
beliebige Verbindung, die Schwefel, Selen und/oder Tellur enthält, seien
es ternäre,
quaternäre
oder höhere
Verbindungen. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der Ionenleiter 110 aus einem Chalcogenidglas ausgebildet,
das eine Metallionenzusammensetzung enthält, während das Metall unter verschiedenen
Metallen aus der Gruppe I oder Gruppe II ausgewählt sein kann (bevorzugt Silber,
Kupfer, Zink oder eine Kombination davon).
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Der
Ionenleiter 110, der eine Metallionenzusammensetzung enthält, kann
unter Verwendung eines beliebigen zweckmäßigen Verfahrens erhalten werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise der Ionenleiter 110 unter
Verwendung von Fotoauflösung
aus Arsentrisulfidsilber („As2S3-Ag") ausgebildet. Das
Silber wird geeigneterweise in das As2S3 integriert, indem ein dünner Silberfilm und die As2S3-Schicht mit Licht entsprechender
Wellenlänge
beleuchtet wird, wie etwa einer Wellenlänge von unter etwa 500 Nanometern
(nm). Die Silber- und As2S3-Doppelschicht
werden unter dem Licht so lange belichtet, bis ein entsprechender
Sättigungspegel
erreicht ist, etwa 45 Atomprozent Silber zu As2S3. Die Dicke des Ionenleiters 110 kann
von einigen wenigen Nanometern bis zu einigen wenigen hunderten
von Nanometern variieren.
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Die
Elektroden 120 und 130 sind auf den Oberflächen des
Ionenleiters 110 auf geeignete Weise voneinander getrennt
angeordnet. Die Elektroden 120 und 130 können aus
einem beliebigen elektrisch leitenden Material ausgebildet sein,
das ein elektrisches Feld für
den Transport von Metallionen im Ionenleiter 110 produziert.
Bei einem Ausführungsbeispiel
werden die Elektroden 120 und 130 aus silberhaltigem
Material ausgebildet.
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Wenn
zwischen den Elektroden 120 und 130 eine entsprechende
Spannung angelegt wird, wächst ein
Metalldendrit 140 durch den Ionenleiter 110 von der
Elektrode 120 aus (d.h. der Kathode, die mit dem negativen
Pol der Stromversorgung verbundene Elektrode) in Richtung der Elektrode 130 (d.h.
der Anode). Es sei angemerkt, daß die Polarität der Elektroden 120 und 130 vor
dem Wachstum des Metalldendriten 140 umgekehrt werden kann,
wobei der Metalldendrit 140 dann von der Elektrode 130 (nun der
Kathode) in Richtung der Elektrode 120 (nun der Anode)
wächst.
Wie unten ausführlicher
erörtert
wird, zieht sich der Metalldendrit 140 zurück zur Elektrode 120,
wenn die Polarität
der Elektroden 120 und 130 umgekehrt wird, wenn
der Metalldendrit 140 bereits von der Elektrode 120 (der
Kathode) zur Elektrode 130 (der Anode) zu wachsen begonnen
hat.
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Dem
Metalldendriten 140 kann gestattet werden, ganz durch den
Ionenleiter 110 hindurchzuwachsen, bis er die Elektrode 130 trifft,
wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Alternativ kann der Metalldendrit 140 durch
Anhalten der angelegten Spannung angehalten werden, bevor er die
Elektrode 130 erreicht. Solange der Metalldendrit 140 die
Elektrode 130 nicht berührt,
kann sein Wachstum leicht angehalten und er kann zurückgezogen
werden, indem die angelegte Spannung an den Elektroden 120 und 130 umgekehrt
wird.
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Außerdem ist
die Wachstumsgeschwindigkeit des Metalldendriten 140 eine
Funktion der angelegten Spannung, der Bausteingeometrie und der Zeit;
geringe Spannungen führen
somit zu einem relativ langsamen Wachstum, wohingegen höhere Spannungen
zu einem relativ schnellen Wachstum führen. Das Wachstum und die
Längenänderungen des
Metalldendriten 140, die oben beschrieben sind, wirken
sich auf die elektrische Charakteristik (z.B. den Widerstand, die
Kapazität
und dergleichen) der PSAM-Struktur 100 aus, was dann unter
Verwendung einer zweckmäßigen Detektionsschaltung
geeignet detektiert werden kann. Nachdem der Metalldendrit 140 auf
eine bestimmte Länge
gewachsen ist, bleibt der Metalldendrit 140 intakt, wenn
die Spannung von den Elektroden 120 und 130 entfernt
wird. Die Änderung
bei der elektrischen Charakteristik der PSAM-Struktur 100,
die sich aus Längenänderungen des
Metalldendriten 140 ergibt, ist ebenfalls nichtflüchtig.
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Nachdem
die Grundstruktur eines möglichen Ausführungsbeispiels
beschrieben worden ist, wird durch die folgende Beschreibung und
die verwandten Figuren die Funktionsweise eines weiteren möglichen
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung eingehender beschrieben und dargestellt.
Unter Bezugnahme auf die 2A bis 2D wird
eine programmierbare Unteroberflächenaggregationsmetallisierungsstruktur
(PSAM") 200 gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Bei einem Ausführungsbeispiel
enthält die
PSAM-Struktur 200 bevorzugt einen zwischen Elektroden 220 und 230 angeordneten
Ionenleiter 210.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 2A wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung ein Aufbereitungsimpuls mit einem hohen Spannungssollwert
und einer niedrigen Stromgrenze zwischen den Elektroden 220 und 230 der PSAM-Struktur 200 angelegt.
Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die Elektroden 220 und 230 auf geeignete
Weise als eine Kathode bzw. eine Anode konfiguriert. Somit wächst ein
nichtflüchtiger
Metalldendrit 240 von der Elektrode 220 (Kathode)
durch den Ionenleiter 210 in Richtung der Elektrode 230 (Anode).
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 2B wächst gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung der nichtflüchtige Metalldendrit 240 völlig durch
den Ionenleiter 220 hindurch und kontaktiert die Elektrode 230,
wenn der Aufbereitungsimpuls über
einen ausreichend langen Zeitraum hinweg an die Elektrode 220 der
PSAM-Struktur 200 angelegt wird. Der erforderliche Zeitraum
hängt teilweise von
der Spannung des Aufbereitungsimpulses und der Geometrie der PSAM-Struktur 200 ab.
Wenn beispielsweise die Dicke t2 des Ionenleiters 210 gering ist,
etwa 10 nm bis etwa 50 nm, und der Aufbereitungsimpuls etwa 1 V
beträgt,
dann werden etwa 50 μs
benötigt,
damit der nichtflüchtige
Metalldendrit 240 ganz durch den Ionenleiter 220 hindurchwächst. Wenn
jedoch der Aufbereitungsimpuls etwa 5 V beträgt, dann werden etwa 2 μs benötigt, damit
der nichtflüchtige
Metalldendrit 240 ganz durch den Ionenleiter 220 hindurchwächst. Es
versteht sich, daß verschiedene
Spannungen, Abmessungen und deshalb erforderliche Zeiträume möglich sind.
Eine Spannungsgrenze wird auf geeignete Weise zwischen Elektrode 220 und
Elektrode 230 der PSRM-Struktur 200 angelegt.
Der Löschimpuls
ist in Durchlaßrichtung
vorgespannt, was bedeutet, daß die
Polarität
der Elektrode 220 und der Elektrode 230 nicht
umgekehrt werden müssen.
Der Löschimpuls unterbricht
den Metalldendrit 240, was zu einer Lücke im Metalldendriten 240 führt. Die
Existenz der Lücke im
Metalldendriten 240 ändert
die elektrischen Charakteristiken (z.B. Impedanz) der PSAM-Struktur 200.
Impulse mit sehr kleinen Spannungen (z.B. unter etwa 300 mV) fördern in
der Regel nicht das Dendritenwachstum; deshalb kann der Zustand
des Dendriten auf geeignete Weise unter Verwendung eines kurzen
Schwachstromimpulses detektiert (gelesen) werden.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 2D wird ein Schreibimpuls mit
einem relativ hohen Spannungssollwert und einer relativ niedrigen
Stromgrenze auf geeignete Weise an die Elektroden 220 und 230 der
PSAM-Struktur 200 angelegt, um die Lücke im Metalldendriten 240 wieder
zu schließen.
Somit kann die PSRM-Struktur 200 gelöscht, gelesen und beschrieben
werden, indem verschiedene unipolare Spannungsimpulse auf geeignete
Weise angelegt werden. Alternativ kann die PSAM-Struktur 200 auch in verschiedenen
Richtungen gelöscht,
gelesen und beschrieben werden, wodurch man eine erhebliche Flexibilität beim Arbeiten
erhält.
Beispielsweise kann die PSAM-Struktur 200 mit einem Durchlaßvorspannungsimpuls
gelöscht,
mit einem Umkehrvorspannungsimpuls gelesen, dann mit einem Durchlaßvorspannungsimpuls
beschrieben werden oder verschiedene andere Kombinationen.
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Bei
der obigen Beschreibung wurden Impulse mit hohen oder niedrigen
Spannungssollwerten und hohen oder niedrigen Stromgrenzen beschrieben.
Es versteht sich, daß spezifische
hohe und niedrige Pegel der Spannungssollwerte und Stromgrenzen
je nach der spezifischen Konfiguration und den spezifischen Abmessungen
der PSAM-Struktur stark variieren können. Allgemein bezieht sich
ein niedriger Spannungssollwert auf Spannungssollwerte, die ausreichend
niedrig sind, um das Wachstum eines Metalldendriten zu verhindern.
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Dementsprechend
bezieht sich ein hoher Spannungssollwert auf Spannungssollwerte,
die das Wachstum eines Metalldendriten fördern. Eine hohe Stromgrenze
bezieht sich auf Stromgrenzen, die ausreichend hoch sind, um eine
Lücke in
einem Metalldendriten auszubilden, der zwischen den Elektroden gewachsen
ist. Dementsprechend bezieht sich eine niedrige Stomgrenze auf Stromgrenzen,
die ausreichend niedrig sind, um den Metalldendriten intaktzuhalten.
Die spezifische Stromgrenze, bei der eine Lücke in dem Metalldendriten
ausgebildet werden kann, hängt
teilweise von der Dicke des Metalldendriten ab. Beispielsweise kann
eine Lücke
in einem dünnen Metalldendriten
mit einer Stromgrenze von einigen wenigen Nanoampere ausgebildet
werden, wohingegen eine Lücke
in einem dicken Metalldendriten mit einer Stromgrenze von einigen
wenigen Mikroampere ausgebildet werden kann.
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Wenngleich
die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung bisher so beschrieben und gezeigt worden
sind, daß sie
im wesentlichen eine vertikale Konfiguration aufweisen, sind verschiedene alternative
Konfigurationen und Anordnungen möglich, ohne daß vom Gedanken
und Schutzbereich der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise
werden nunmehr unter Bezugnahme auf 3A bis 3F verschiedene
alternative Konfigurationen der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Insbesondere enthält
unter Bezugnahme auf 3A bei einer alternativen Konfiguration
eine PSAM-Struktur 300 bevorzugt einen Ionenleiter 302 und
Elektroden 304 und 306. Gemäß dieser Konfiguration sind
die Elektroden 304 und 306 bevorzugt kleiner als
der Ionenleiter 302. Unter Bezugnahme auf 3B enthält bei einer
weiteren alternativen Konfiguration eine PSAM-Struktur 310 bevorzugt
einen Ionenleiter 312 und Elektroden 314 und 316.
Gemäß dieser
Konfiguration weisen die Elektroden 314 und 316 bevorzugt
im wesentlichen die gleiche Größe wie der
Ionenleiter 312 auf. Unter Bezugnahme auf 3C enthält bei noch
einer weiteren Konfiguration der vorliegenden Erfindung eine PSAM-Struktur 320 bevorzugt
einen Ionenleiter 322 und mehrere Paare von Elektroden 324, 326, 328 und 329.
Unter Bezugnahme auf 3D enthält bei einer noch weiteren
Konfiguration der vorliegenden Erfindung eine PSAM-Struktur 330 bevorzugt
einen Ionenleiter 332 und Elektroden 334 und 336.
Bei dieser Konfiguration sind die Elektroden 334 und 336 auf
geeignete Weise entlang einer horizontalen Orientierung auf dem
Ionenleiter 332 angeordnet. Unter Bezugnahme auf 3E enthält bei noch
einer weiteren alternativen Konfiguration der vorliegenden Erfindung
eine PSAM-Struktur 340 bevorzugt einen Ionenleiter 342 und
mehrere Paare von Elektroden 344, 346 und 348, 349,
geeigneterweise in einer Vielzahl von Abmessungen auf dem Ionenleiter 342.
Unter Bezugnahme auf 3F enthält bei noch einer weiteren
alternativen Konfiguration der vorliegenden Erfindung eine PSAM-Struktur 350 bevorzugt
einen kugelförmigen
Ionenleiter 352 und Elektroden 354 und 356.
Wenngleich der Ionenleiter 352 bei dieser Konfiguration
als kugelförmig
dargestellt ist, kann der Ionenleiter 352 mit verschiedenen
anderen nichtkonventionellen Geometrien konfiguriert sein. Es ist
außerdem
zu verstehen, daß die
oben beschriebenen alternativen Konfigurationen alle auf dreidimensionale
Strukturen erweitert werden können.
Beispielsweise kann ein Ionenleiter als ein Block konfiguriert sein, wobei
eine Vielzahl von Elektroden an einigen oder allen der Flächen angebracht
sind.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf die 4A und 4B zeigen
graphische Darstellungen die Beziehung bei einer experimentellen
PSAM-Struktur zwischen Spannung und Zeit bzw. angelegter Spannung
und Zeit zum Kurzschließen.
Die zum Erhalten dieser Ergebnisse verwendete PSAM-Struktur weist eine
Ionenleiterdicke von etwa 120 nm auf und ist im wesentlichen ähnlich zu
der in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsform
konfiguriert. Es sei jedoch angemerkt, daß die hier beschriebenen spezifischen
Ausführungsformen
lediglich beispielhaft sind und daß die vorliegende Erfindung
nicht auf irgendeine bestimmte Konfiguration beschränkt ist. Unter
Bezugnahme auf 4A stellt eine Kurve 410 die
Beziehung zwischen Spannung und Zeit bei der PSAM-Struktur dar. Wenn
eine Spannung von 5 V angelegt wird, schließt die PSAM-Sruktur in etwa
2 μs kurz.
Unter Bezugnahme auf 4B stellt eine Kurve 420 die
Beziehung zwischen angelegter Spannung und Zeit zum Kurzschließen der
PSAM-Struktur dar. Die Zeitdauer, die erforderlich ist, damit ein
Dendrit vollständig
durch den Ionenleiter hindurchwächst und
die Elektroden verbindet, wodurch die PSAM-Struktur kurzgeschlossen
wird, nimmt mit abnehmender angelegter Spannung zu. Nunmehr unter Bezugnahme
auf 4C stellt eine Kurve 430 die Beziehung
zwischen Strom und Spannung einer nicht kurzgeschlossenen PSAM-Struktur
dar. Die Kleinsignal-„Butler-Volmer"-Charakteristik des
Bausteins zeigt an, daß bei
einer sehr geringen Vorspannung ein sehr kleiner faradayscher Strom
fließt;
bei einer Vorspannung von unter 10 mV liegt somit wenig Dendritenwachstum
vor. Diese Charakteristik der PSAM-Struktur gestattet, den Zustand des
Dendriten unter Verwendung eines unipolaren Impulses zu lesen, ohne
den Zustand des Dendriten zu stören.
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Eine
PSAM-Struktur gemäß verschiedener Aspekte
der vorliegenden Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung
in Verbindung mit Speicherbausteinen wie etwa programmierbaren Festwertspeicherbausteinen
(„PROM"), elektrisch löschbaren
PROM-Bausteinen („EEPROM") und dergleichen.
Die vorliegende Erfindung eignet sich außerdem insbesondere zur Verwendung
in Verbindung mit programmierbaren Widerstands- und Kapazitätsbausteinen.
Infolgedessen werden Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unten in diesem Kontext beschrieben.
Es ist jedoch zu erkennen, daß eine
derartige Beschreibung nicht als eine Einschränkung hinsichtlich der Verwendung
oder Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung gedacht ist, sondern
stattdessen vorgelegt wird, um eine vollständige und komplette Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
zu ermöglichen.
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METALLDENDRITENSPEICHER
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Wie
oben beschrieben kann eine PSAM-Struktur dazu verwendet werden,
verschiedene unterschiedliche Technologien wie etwa Speicherbausteine
zu implementieren. Dementsprechend wird unter Bezugnahme auf 5A ein
Metalldendritenspeicher („MDM") 500 gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
der MDM 500 bevorzugt ein Substrat 510, das dem
physischen Träger
für die
Speicherzelle oder den Speicherbaustein liefert. Wenn das Substrat 510 nicht
isoliert oder auf andere Weise mit den im MDM 500 verwendeten
Materialien inkompatibel ist, wird ein Isolator 520 auf
geeignete Weise auf dem Substrat 510 angeordnet, um den
aktiven Teil des MDM 500 vom Substrat 510 zu isolieren.
Als nächstes
wird eine Bodenelektrode 530 auf geeignete Weise auf dem
Substrat 510 (oder der isolierenden Schicht 520, falls
ein Isolator verwendet wird) auf geeignete Weise abgeschieden und
strukturiert. Als nächstes
wird ein Ionenleiter 540 auf geeignete Weise über der
Bodenelektrode 530 und dem Substrat 510 (oder
der isolierenden Schicht 520, wenn ein Isolator verwendet wird)
abgeschieden und strukturiert. Als nächstes wird ein dielektrischer
Film 550 bevorzugt über
dem Ionenleiter 540 abgeschieden, und Kontaktlöcher werden über einem
Teil der Schichten aus Ionenleiter 540 und der Bodenelektrode 530 geöffnet. Schließlich wird
eine Deckelektrode 560 auf geeignete Weise in den Kontaktlöchern abgeschieden
und strukturiert. Geeignete Interconnects zur Bodenelektrode 530 und
zur Deckelektrode 560 werden unter Verwendung eines beliebigen
zweckmäßigen Verfahrens,
das beispielsweise in der Industrie der integrierten Halbleiterschaltungen
wohlbekannt ist, bereitgestellt.
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Wenn
eine entsprechende Spannung zwischen der Deckelektrode 560 (Kathode)
und der Bodenelektrode 530 (Anode) angelegt wird, wächst ein nichtflüchtiger
Metalldendrit 570 durch den Ionenleiter 540 in
Richtung der Bodenelektrode 530 (Anode). Analog zu den
oben beschriebenen PSAM-Strukturen wirken sich das Wachstum und
die Längenänderungen
des nichtflüchtigen
Metalldendriten 570 auf die elektrischen Charakteristiken
(z.B. den Widerstand, die Kapazität und dergleichen) des MDM 500 aus.
Wie unten ausführlicher
beschrieben wird, kann der MDM 500 auf diese Weise wie
verschiedene Speicherbausteine verwendet werden.
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Der
MDM 500 kann auch entsprechend strukturiert werden, um
eine Isolierung von mehreren benachbarten MDM-Bausteinen bereitzustellen. Beispielsweise
kann unter Bezugnahme auf 5B eine
geeignete amorphe Siliziumdiode 562, wie etwa eine Schottky-
oder pn-Sperrschichtdiode
zwischen der Bodenelektrode 560 und den Ionenleiter 540 konfiguriert
werden. Außerdem
kann dann ein dielektrischer Film über der Deckelektrode 560 abgeschieden
werden, und die ganze Struktur kann wiederholt werden. Somit können unter
Bezugnahme auf 5C Reihen und Spalten aus MDM-Bausteinen 500 zu
einer hochdichten Konfiguration zusammengebaut werden, damit man
extrem große
Speicherungsdichten erreicht. Die größte Speicherungsdichte der
Speicherbausteine kann im allgemeinen durch die Größe und Komplexität der Spalten-
und Zeilendecodiererschaltung begrenzt werden. Der MDM-Speicherungsstapel
kann jedoch auf eine geeignete Weise so hergestellt werden, daß er über einer
integrierten Schaltung liegt, wobei die ganze Halbleiterchipfläche Zeilen-/Spaltendecodier-, Meßverstärker- und
Datenmanagementschaltungen (nicht gezeigt) gewidmet ist, da die
MDM-Elemente keine Siliziumbodenfläche verwenden. Auf diese Weise
können
mit MDM-Bausteinen Speicherungsdichten von vielen Gb/cm2 erzielt
werden. Der MDM ist bei Verwendung auf diese Weise im wesentlichen eine
additive Technologie, die der existierenden Technologie der integrierten
Siliziumschaltungen Fähigkeit
und Funktionalität
hinzufügt.
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Es
ist zu erkennen, daß es
verschiedene alternative Konfigurationen oder Verfahren zum Konstruieren
eines MDM-Bausteins gemäß der vorliegenden
Erfindung gibt. Beispielsweise wird unter Bezugnahme auf 6 bei
einer alternativen Konfiguration gemäß verschiedenen Aspekten der
vorliegenden Erfindung ein MDM 600 dargestellt, bei dem
ein dielektrischer Film 650 bevorzugt über einer Bodenelektrode 630 und
einem Substrat 610 (oder einer isolierenden Schicht 620,
wenn ein Isolator verwendet wird) abgeschieden wird. Kontaktlöcher können über einem
Teil der Bodenelektrode 630 geöffnet werden. Ein Ionenleiter 640 kann
dann über
der Bodenelektrode 630 in den Kontaktlöchern abgeschieden und strukturiert
werden. Als nächstes
kann eine Deckelektrode 660 in den Kontaktlöchern abgeschieden und
strukturiert werden.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 7 ähnelt der dargestellte Baustein
der Speicherzelle oder der Metalldendritspeicherzelle der 5A und 6,
doch sind zusätzliche
Elektroden vorgesehen. Genauer gesagt enthält ein MDM 700 einen
Ionenleiter 710 und Elektroden 720 und 730,
die an der Oberfläche
des Ionenleiters 710 angeordnet sind. Wenn eine entsprechende
Spannung an die Elektrode 720 (Kathode) angelegt wird,
wächst
ein Dendrit 740 durch den Ionenleiter 710 in Richtung
der Elektrode 730 (Anode).
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält der MDM 700 auch
zwei zusätzliche Elektroden 760 und 770.
Die Elektroden 760 und 770 sind durch ein Material 750,
das entweder ein dielektrisches oder Widerstandsmaterial sein kann,
von dem Ionenleiter 710 getrennt. Im Fall eines dielektrischen
Materials weist der MDM 700 eine programmierbare Kapazität zwischen
den verschiedenen Elektroden auf. Bei einem Widerstandsmaterial
weist der MDM 700 programmierbare Widerstände zwischen
den verschiedenen Elektroden auf. Die programmierbaren Kapazitäten oder
Widerstände
zwischen den verschiedenen Elektroden werden bevorzugt durch das
Ausmaß des
Wachstums des Metalldendriten 740 programmiert.
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Der
MDM 700 liefert im Vergleich zum MDM 500 und MDM 600,
die in 5A und 6 mit zwei Elektroden
konfiguriert gezeigt sind, verschiedene Vorteile. Ein derartiger
Vorteil besteht beispielsweise darin, daß außer den Elektroden 720 und 730 eine Spannung
an alle Kombinationen der Elektroden angelegt werden kann, ohne
die Länge
des Metalldendriten 740 und deshalb die Kapazität und/oder
den Widerstand des Bausteins zu verändern. Dies hat wichtige Implikationen
für die
Verwendung des MDM 700 in Speicherarrays und anderen elektronischen Schaltungsanwendungen.
Diese gleichen Überlegungen
und Vorteile gelten für
einen Baustein, der statt vier Elektroden drei Elektroden aufweist.
Es sei angemerkt, daß bei
diesem besonderen Ausführungsbeispiel
der Metalldendrit 740 zwischen den Elektroden 720 und 730 und
nicht zwischen beliebigen der anderen Elektroden wächst. Deshalb
sind die Elektroden 720 und 730 die Programmieranschlüsse des
MDM 700, wobei die anderen Elektroden die Ausgangsanschlüsse des
MDM 700 sind.
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Die
beispielhaften MDMs der 5A, 6 und 7 stellen
eine signifikante Abweichung von der herkömmlichen Mikroelektronik auf
Siliziumbasis dar. Tatsächlich
ist für
die Funktionsweise des MDM kein Silizium erforderlich, es sei denn,
eine Steuerelektronik soll in den gleichen Chip integriert werden. Außerdem ist
der Herstellungsprozeß eines
MDM insgesamt erheblich einfacher als selbst die grundlegendsten
Halbleiterverarbeitungstechniken. Wenn einfache Verarbeitungstechniken
mit vernünftigen Materialkosten
gekoppelt werden, liefert der MDM einen Speicherbaustein, der mit
niedrigeren Produktionskosten als andere Speicherbausteine hergestellt werden
kann.
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1. PROM und
Anti-Fuse-Anwendungen
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 5A kann gemäß verschiedenen Aspekten der
vorliegenden Erfindung ein MDM-Baustein als ein Speicherbaustein
vom PROM-Typ verwendet werden. Die meisten herkömmlichen PROMs verwenden schmelzbare
Verbindungen, die während
der Programmierung unterbrochen oder durchgeschmolzen werden. Nachdem
eine Verbindung unterbrochen worden ist, kann sie nicht wiederhergestellt
werden. Durch den MDM-Baustein der vorliegenden Erfindung erhält man die
Fähigkeit,
eine Verbindung herzustellen und sie danach zu unterbrechen. Dies
ist wünschenswerter,
da man dadurch mehr Spielraum und Flexibilität erhält; sogar wenn beispielsweise eine
falsche Verbindung (d.h. ein Dendrit) hergestellt worden ist, kann
diese Verbindung immer wie eine herkömmliche Schmelzsicherung durchgeschmolzen werden.
Außerdem
können
die Dendriten des MDM-Bausteins viele Schließungs-/Öffnungszyklen aushalten; somit
sind viele Wiederprogrammierungszyklen möglich.
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Der
MDM-Baustein der vorliegenden Erfindung kann auch in programmierbaren
Logikarrays („PLAs") verwendet werden.
Bei PLAs sind Blocks von Logikelementen wie etwa Gatter oder Addierer ausgebildet,
aber nicht verbunden. Die Verbindungen werden so hergestellt, daß sie einer
entsprechenden niedervolumigen Anwendung entsprechen (z.B. eine Anwendung,
die ein kundenspezifisches Chipdesign nicht rechtfertigen würde). Die
letzten Verbindungen zwischen den verschiedenen Logikelementen werden
traditionellerweise an der Produktionsstelle ausgeführt. Der
MDM-Baustein würde
jedoch gestatten, daß solche
PLA-Bausteine „frei
programmierbar" sind,
da es relativ leicht ist, harte Verbindungen zwischen Abschnitten
auf dem Chip mit den Metalldendriten elektrisch zu definieren.
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Anti-Fuses
findet man außerdem
in integrierten Schaltungen, bei denen Redundanztechniken dazu verwendet
werden, prozeßinduzierte
Defekte und Ausfälle
bei Gebrauch zu bekämpfen.
Beispielsweise weisen komplexe hochdichte Schaltungen wie etwa ein
64 Mbyte-DRAM mehr
Speicher auf dem Chip auf, als tatsächlich verwendet wird. Wenn
ein Abschnitt des Chips während
der Verarbeitung beschädigt
wird oder bei Gebrauch ausfällt,
kann zum Kompensieren Reservespeicher verfügbar gemacht werden. Dieser
Prozeß wird
in der Regel durch Logikgatter auf dem Speicherchip gesteuert und
erfordert ein konstantes Selbsttesten und eine elektrische Umkonfiguration.
Ein MDM-Baustein gemäß der vorliegenden
Erfindung kann in solche Speicherchips integriert werden, um gegebenenfalls
innerhalb des Chips neue Verbindungen entsprechend auszubilden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung können Daten zu einem als PROM
konfigurierten MDM-Baustein („MDM-PROM") geschrieben werden,
indem eine konstante oder gepulste Aufbereitungsvorspannung an die
Elektroden des MDM-Bausteins angelegt wird, um das Dendritenwachstum
zu fördern.
Den Metalldendriten läßt man die
Anode erreichen, um eine niederohmige Anti-Fuse-Verbindung auszubilden. Diese Verbindung ändert sowohl
den Widerstand als auch die Kapazität des Speichersystems. Der
MDM-PROM-Baustein kann dann leicht „gelesen" werden, indem ein kleiner Strom (d.h.
ein Strom, der klein genug ist, daß er den Dendriten nicht beschädigt) durch
die Dendritenverbindung geschickt wird. Die „Löschung" des MDM-PROM-Bausteins erfolgt dadurch,
daß durch den
Dendriten ein Strom geschickt wird, der ausreichend groß ist, den
Dendriten und deshalb die Verbindung zu unterbrechen. Indem an die
Elektroden des MDM-Bausteins eine weitere Konstante oder gepulste
Vorspannung angelegt wird, kann die Unterbrechung in dem Dendriten
geschlossen werden.
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Bei
dem MDM-PROM-Baustein kann die elektrische Änderung zwischen den beiden über einen
Dendriten verbundenen Elektroden so groß gemacht werden, daß an den
MDM-Zellen keine
Transistoren erforderlich sind. Somit wird die Speicherelementgröße lediglich
eine Funktion der Geometrie der Anode/des Ionenleiters/der Kathode.
Durch diese Geometrie kann der Speicher der vorliegenden Erfindung
kompakter sein als typische Floating-Gate- oder ferroelektrische Speicher, bei
denen Transistoren Teil ihrer Speicherungselemente sein müssen. Außerdem können die
MDM-Bausteine auf so gut wie jedem chemisch und mechanisch stabilen
Substratmaterial ausgebildet werden; falls für zusätzliche Schaltungen Silizium
erforderlich ist, können
die MDM-Bausteine einfach auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet
werden.
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2. EEPROM-Anwendungen
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 5A gestattet
die Fähigkeit,
eine nichtflüchtige Änderung
in einem elektrischen Parameter wie etwa Widerstand oder Kapazität herzustellen
und zu steuern, daß der MDM
der vorliegenden Erfindung in vielen Anwendungen verwendet wird,
die ansonsten traditionelle EEPROM- oder FLASH-Technologien verwenden würden. Zu
Vorteilen, die die vorliegende Erfindung im Vergleich zu dem gegenwärtigen EEPROM-
und FLASH-Speicher liefert, zählen
unter anderem geringere Produktionskosten und die Fähigkeit
zur Verwendung flexibler Herstellungstechniken, die sich leicht
an eine Vielzahl von Anwendungen anpassen lassen. MDMs sind insbesondere
in Anwendungen vorteilhaft, bei denen die Kosten der Hauptfaktor
ist, wie etwa Smartcards und elektronische Lagerbestandsetiketten.
Außerdem
stellt die Fähigkeit
zur direkten Ausbildung des Speichers auf einer Kunststoffkarte
bei diesen Anwendungen einen Hauptvorteil dar, da dies bei allen
anderen Halbleiterspeichern im allgemeinen nicht möglich ist.
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Gemäß dem MDM-Baustein
der vorliegenden Erfindung können
zudem Speicherelemente auf eine Größe unter einigen wenigen Quadratmikrometern
skaliert werden, wobei der aktive Teil des Bausteins kleiner ist
als ein Mikrometer. Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitertechnologien,
bei denen jeder Baustein und sein zugeordneter Interconnect bis zu
mehreren zig Quadratmikrometern benötigen kann, erhält man dadurch
einen signifikanten Vorteil.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Durchlaßtransistoren
in den als EEPROM konfigurierten MDMs („MDM-EEPROMs") verwendet, um EEPROM-Bausteine
mit Dichten vom DRAM-Typ bereitzustellen. Alternativ können die
Materialien der MDM-Bausteine oder getrennte Dioden oder Dünnfilmtransistoren
(„TFTs") anstelle der Durchlaßtransistoren
aus Silizium verwendet werden, um in einem Array mit einer Vielzahl von
Bausteinen Kurzschlüsse
zwischen den Zellen zu verhindern. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung können
Daten in den MDM-EEPROM-Baustein geschrieben werden, indem eine konstante
oder gepulste Vorspannung an die Elektroden des MDM-EEPROM-Bausteins
angelegt wird, um das Dendritenwachstum zu fördern. Wie oben beschrieben ändert das
Wachstum des Dendriten sowohl den Widerstand als auch die Kapazität des Bausteins,
was beides unter Verwendung eines beliebigen zweckmäßigen Verfahrens
detektiert werden kann.
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Da
der MDM-EEPROM-Baustein höchst nichtflüchtige Charakteristiken
aufweist und da die Dendritenposition (und somit Widerstand und
Kapazität)
teilweise eine Funktion der Größe und Dauer der
angelegten Spannung sind, ist auch eine Logikspeicherung mit mehreren
Zuständen
oder n Zuständen
möglich.
Bei diesem Speicherungsverfahren können in jeder Speicherungszelle
zwei Pegel (d.h. binär)
gehalten werden; somit wird die Gesamtspeicherungsdichte stark erhöht. Beispielsweise
gestattet die 4-Zustands-Speicherung (durch die Verwendung von vier
Dendritenpositionen möglich)
eine Verdoppelung der Speicherkapazität pro Flächeneinheit bei der gleichen
Speicherungszellengröße. Gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung kann der MDM-EEPROM-Baustein
deshalb in der Lage sein, ein Kontinuum von analogen statt digitalen Größen zu speichern.
Die Speicherung von analogen Werten in herkömmlichen Speichertechnologien
ist, wenn nicht unmöglich,
so doch extrem schwierig.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der MDM-EEPROM-Baustein „aufbereitet" werden, indem eine
aufbereitende Vorspannung mit einer geeignet niedrigen Stromgrenze
angelegt wird. Die aufbereitende Vorspannung wird über eine
ausreichende Zeitlänge
angelegt, damit das Wachstum eines nichtflüchtigen Metalldendriten die
Elektroden des MDM-EEPROM-Bausteins verbinden kann. Eine kurze Löschvorspannung
mit einer geeignet hohen Stromgrenze wird angelegt, um den Metalldendriten
zu unterbrechen und dadurch den MDM-EEPROM-Baustein „zu löschen". Eine Lesevorspannung mit einer ausreichend
niedrigen Spannungsgrenze zum Verhindern des Dendritenwachstums
wird angelegt, um den MDM-EEPROM-Baustein „zu lesen". Eine Schreibvorspannung mit einer
niedrigen Stromgrenze wird angelegt, um die Unterbrechung im Dendriten
zu schließen
und dadurch den MDM-EEPROM-Baustein „wiederzubeschreiben".
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Der
MDM-EEPROM-Baustein kann gelöscht,
gelesen und beschrieben werden, indem je nach den betrieblichen
Anforderungen verschiedene Vorspannungen mit den gleichen oder verschiedenen
Polaritäten
angelegt werden. Beispielsweise kann der MDM-EEPROM-Baustein mit
einer Durchlaßvorspannung
gelöscht,
mit einer Umkehrvorspannung gelesen und mit einer Durchlaßvorspannung beschrieben
werden, oder mit verschiedenen anderen Kombinationen.
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3. Militärische und
Raumfahrtanwendungen
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Die
vorliegende Erfindung weist viele Attribute auf, die zu anderen
potentiellen Verwendungsfeldern führen. Elektronische Lese-/Schreibspeicher basieren
im allgemeinen auf dem Prinzip einer Ladungsspeicherung. Beispielsweise
wird in DRAMs die Ladung für
einige wenige Mikrosekunden gespeichert, in EEPROMs kann die Ladung über Jahre
hinweg gespeichert werden. Leider gibt es verschiedene Prozesse,
die diese Ladung ändern
können,
wie etwa ionisierende Strahlung. Bei militärischen und Raumfahrtanwendungen
beispielsweise hinterlassen Alphateilchen beim Durchtritt durch
einen typischen Halbleiterbaustein eine geladene Spur, die die Ladung
in dem Halbleiterbaustein ändert.
Bei Speichertechnologien führt
dies oftmals zu weichen Fehlern und zur Verfälschung von Daten. Die vorliegende
Erfindung andererseits hängt
nicht von der Ladungsspeicherung ab, sondern von einer physischen Änderung
der Materialien, wobei sich relativ große Strahlungsdosen nicht auf
dieses Material auswirken. Mit anderen Worten ist die vorliegende
Erfindung strahlungshart. Dadurch erhält man erhebliche Vorteile
für militärische und
Raumfahrtsysteme sowie viele hochintegrierte kommerzielle Systeme
wie etwa Luftfahrt- und Navigationssysteme.
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4. Synthetische neuronale
Systeme
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Eine
weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung ist in synthetischen
neuronalen Systemen („SNS"). SNS-Bausteine basieren
auf der Funktionsweise des menschlichen Gehirns und sind dafür bestimmt,
die nächste
Generation von Rechen- und Steuerbausteine zu werden. SNS-Bausteine
basieren auf der Fähigkeit,
Verbindungen zwischen Elementen als Teil eines „Lernprozesses" herzustellen. Verbindungen
werden zwischen den aktivsten Schaltungsknoten gebildet (d.h. jenen
Knoten, an denen die meiste Zeit Signale anliegen). Das „Trainieren" der Systeme durch
das Anlegen einer Eingabe führt zu
einer Form von festverdrahteter Logik. Mit herkömmlichen Bausteinen auf Siliziumbasis
jedoch läßt sich
diese Art von System extrem schwierig erzielen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
andererseits SNS-Systeme mit MDM-Bausteinen
konfiguriert werden. Wie oben beschrieben hängt bei MDM-Bausteinen die
Ausbildung eines Dendriten von dem Vorliegen eines Spannungssignals
ab, weshalb Verbindungen auf natürliche
Weise zwischen den aktivsten Knoten entstehen, wenn die Dendriten
in Richtung der Elektroden wachsen, an denen Spannungen angelegt
sind. Außerdem
hängt die
Stärke
der Verbindung, die von ihrer Kapazität gesteuert wird, von der Stärke der
Eingabe ab. Dieser lenkbare analoge Speichereffekt ist ein weiterer
signifikanter Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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III. Programmierbare Widerstands-/Kapazitätsbausteine
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Wie
oben beschrieben kann eine PSAM-Struktur dazu verwendet werden,
zahlreiche verschiedene Technologien zu implementieren, wie etwa
programmierbare Widerstands- und Kapazitätsbausteine („PR/C"). Unter Bezugnahme
auf 8 wird dementsprechend ein PR/C-Baustein 800 gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel
enthält
der PR/C-Baustein 800 bevorzugt ein Substrat 810,
das den physischen Träger für den PR/C-Baustein 800 liefert.
Wenn das Substrat 810 nicht isoliert oder auf andere Weise
mit den in dem PR/C-Baustein 800 verwendeten Materialien
inkompatibel ist, kann auf dem Substrat 810 ein Isolator 820 angeordnet
werden, um den aktiven Teil des PR/C-Bausteins 800 vom Substrat 810 zu
isolieren. Als nächstes
kann eine Bodenelekrode 830 auf dem Substrat 810 (oder der
isolierenden Schicht 820, wenn ein Isolator verwendet wird)
abgeschieden und strukturiert werden. Als nächstes wird ein Ionenleiter 840 bevorzugt über der
Bodenelektrode 830 und dem Substrat 810 (oder der
isolierenden Schicht 820, wenn ein Isolator verwendet wird)
abgeschieden und strukturiert. Als nächstes kann ein dielektrischer
Film 850 über
dem Ionenleiter 840 abgeschieden werden, und Kontaktlöcher werden über einen
Teil der Schichten aus Ionenleiter 840 und Bodenelektrode 830 geöffnet. Schließlich wird
eine Deckelektrode 860 bevorzugt in den Kontaktlöchern abgeschieden
und strukturiert. Geeignete Interconnects zur Bodenelektrode 830 und
zur Deckelektrode 860 werden unter Verwendung eines beliebigen
zweckmäßigen Verfahrens hergestellt.
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Wenn
eine entsprechende Spannung zwischen der Deckelektrode 860 (Kathode)
und der Bodenelektrode 830 (Anode) angelegt wird, wächst ein nichtflüchtiger
Metalldendrit 870 durch den Ionenleiter 840 in
Richtung der Bodenelektrode 830 (Anode). Ähnlich den
oben beschriebenen PSAM-Strukturen wirken sich das Wachstum und Änderungen
bei der Länge
des nichtflüchtigen
Metalldendriten 870 auf die elektrischen Charakteristiken
(z.B. den Widerstand, die Kapazität und dergleichen) des PR/C-Bausteins 800 aus.
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Der
PR/C-Baustein 800 kann auch entsprechend strukturiert werden,
um für
eine Isolierung gegenüber
mehreren benachbarten PR/C-Bausteinen zu sorgen. Außerdem kann
ein dielektrischer Film über
der Deckelektrode 860 abgeschieden werden, und die ganze Struktur
kann wiederholt werden. Somit können
Zeilen und Spalten von PR/C-Bausteinen zu einer hochdichten Konfiguration
zusammengebaut werden, damit man extrem große Dichten erhält.
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Es
sei angemerkt, daß gemäß der vorliegenden
Erfindung verschiedene mögliche
Konfigurationen oder Verfahren zum Konstruieren eines PR/C-Bausteins
verwendet werden können.
Beispielsweise wird unter Bezugnahme auf 9 bei einem
PR/C-Baustein 900 ein dielektrischer Film 950 bevorzugt über einer
Bodenelektrode 930 und einem Substrat 910 (oder
einer isolierenden Schicht 920, wenn ein Isolator verwendet
wird) abgeschieden. Kontaktlöcher
können über einem
Teil der Bodenelektrode 930 geöffnet werden. Ein Ionenleiter 940 kann über der
Bodenelektrode 930 in den Kontaktlöchern abgeschieden und strukturiert
werden. Als nächstes
kann eine Deckelektrode 960 in den Kontaktlöchern abgeschieden
und strukturiert werden.
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Wie
weiter oben in Verbindung mit 7 erörtert, enthalten
MDM-Bausteine gemäß einiger
Ausführungsformen
der Erfindung eine Elektrode oder Elektroden zusätzlich zu den beiden Elektroden,
mit denen das Dendritenwachstum programmiert wird, die als „Ausgänge" der Bausteine verwendet
werden können.
Die gleichen Strukturen, wie sie in 7 dargestellt
sind, lassen sich zur Bereitstellung von programmierbaren Kapazitäts- und
Widerstandselementen in anderen Kontexten als Speicherelemente und
für eine
entsprechende Anwendung überall
dort anwenden, wo Kapazitäts-
und Widerstandselemente verwendet werden.
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Die
PR/C-Bausteine der vorliegenden Erfindung sind in der Regel so konstruiert,
daß sie
physisch größer sind
als die MDM-Bausteine der 5A, 6 und 7,
so daß man
eine größere parametrische
Variabilität
erzielen kann. Die PR/C-Bausteine der vorliegenden Erfindung können geeignet „programmiert" werden, wobei eine Gleichspannung
mit relativ hohen Strompegeln verwendet wird; folglich würde sich
eine kleine Signalwechselspannung oder -gleichspannung mit relativ
niedrigen Strompegeln nicht auf den Dendritenzustand auswirken,
weshalb der Widerstand oder die Kapazität nicht variieren würden. Diese
programmierbaren Bausteine können
allgemein als Schwingkreise (z.B. Frequenzauswahl in Kommunikationssystemen,
Tonsteuerungen und Audiosystemen, spannungsgesteuerten Filterschaltungen),
spannungsgesteuerten Oszillatoren („VCOs"), Signalpegel (z.B. Lautstärkesteuerungen),
automatischen Verstärkungssteuerungen
(„AGC") und dergleichen
verwendet werden.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 8 stellen die beispielhaften
PR/Cs eine signifikante Abweichung von der herkömmlichen Mikroelektronik auf
Siliziumbasis dar. Tatsächlich
wird für
den Betrieb des PR/C Silizium noch nicht einmal benötigt. Außerdem ist
der Herstellungsprozeß insgesamt
erheblich einfacher als selbst die grundlegendsten Halbleiterverarbeitungstechniken.
Durch die einfachen Verarbeitungstechniken zusammen mit vernünftigen
Materialkosten erhält
man einen Baustein mit geringen Produktionskosten.
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IV. Schlußfolgerung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung erhält man
somit einen preiswerten, gut herstellbaren Baustein, der in einer
Vielzahl von Anwendungen wie etwa Speicherbausteine, programmierbare
Widerstands- und Kondensatorbausteine und dergleichen eingesetzt
werden kann.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung hier im Kontext der beigefügten Zeichnungsfiguren
dargelegt wird, versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die
gezeigten spezifischen Formen beschränkt ist. Zahlreiche andere
Modifikationen, Abwandlungen und Verbesserungen bei Design, Anordnung
und Implementierung beispielsweise der PSAM-Struktur, wie hier dargelegt,
können
vorgenommen werden, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zudem erkennt der Fachmann,
daß zusätzlich zu
den angegebenen spezifischen Beispielen verschiedene andere Anwendungen
und Einsatzmöglichkeiten
für die PSAM-Struktur
existieren.