WO2004081944A1 - Non-volatile, integrated memory cell, and method for writing or reading information into/out of the memory cell - Google Patents

Non-volatile, integrated memory cell, and method for writing or reading information into/out of the memory cell Download PDF

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WO2004081944A1
WO2004081944A1 PCT/DE2004/000456 DE2004000456W WO2004081944A1 WO 2004081944 A1 WO2004081944 A1 WO 2004081944A1 DE 2004000456 W DE2004000456 W DE 2004000456W WO 2004081944 A1 WO2004081944 A1 WO 2004081944A1
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WO
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layer
phase change
change material
memory cell
bit line
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PCT/DE2004/000456
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Manfred Pröll
Stephan Schröder
Evangelos Stavrou
Kön VAN DER ZANDEN
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Infineon Technologies Ag
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Definitions

  • the invention relates to a non-volatile, integrated memory cell, a semiconductor memory having a multiplicity of non-volatile, integrated memory cells and a method for writing and reading information into / from the non-volatile, integrated memory cell ,
  • information is typically stored in cells in which the logical content of the information is represented by an electrical charge.
  • dynamic memories are often used, with which a high packing density of the cells can be achieved on a substrate surface.
  • the electrical charges are stored in capacitors, for example trench capacitors, which are formed in the substrate.
  • refresh processes have to be carried out at periodic intervals in order to refresh the charge content in the capacitor. This causes a loss of time and also requires circuitry to enable refreshing.
  • MRAM magnetic random access memory
  • the magnetic orientation of the one ferromagnetic layer is generally static, i.e. unchangeable during a save or read operation.
  • the magnetic orientation of the other ferromagnetic layer can take a direction parallel or anti-parallel.
  • a storage process is made possible in this other layer if the magnetic field resulting from a current flow in the word or write line is superimposed on the magnetic field which is formed by a current flowing simultaneously in the bit line. If the superposition of the two magnetic fields exceeds a critical value, the direction of magnetization can be rotated u from a parallel to an antiparallel state - or vice versa - so that changed storage information is present in the magnetic storage cell.
  • a subcritical current is generated which flows through the magnetic layer stack at a voltage applied between a word line and the bit line.
  • This electrical current can be measured with an evaluation unit. The voltage and the current flow are thus known, so that the resistance of the magnetic memory cell can be determined from this.
  • the change in resistance depending on the magnetization state is attributed to the tunnel (TMR) or giant magnetoresistive (GMR) effect.
  • the MRAM concept enables memory cells with non-volatile memory content to be produced, the production of which requires a comparatively low technological outlay.
  • the magnetic electrical properties are based on the scattering of the thicknesses of individual layers in the layer stack. Even small deviations in the thickness of the intermediate oxide layer in the layer stack from a desired value are particularly critical.
  • the object of the present invention to provide a non-volatile memory which can be produced with little technological effort and which avoids the aforementioned disadvantages.
  • the task is to offer a memory in which the storage process in adjacent memory cells does not cause any interactions. It is a particular object of the present invention to offer a memory cell whose non-volatile memory content can be evaluated by measuring an electrical current.
  • a non-volatile, integrated memory cell comprising: a word line, a bit line which crosses the word line and is arranged at a crossing point above or below the word line, a layer comprising a phase change material which is between the bit line and the word line and an electrical resistance between the word and the bit line, wherein the phase change material has a transition temperature above which the phase change material has an amorphous structure and below which the phase change material either an amorphous structure with a first electrical resistance or a crystalline
  • the object is also achieved by means of a semiconductor memory with a multiplicity of the non-volatile, integrated memory cells mentioned.
  • the object is achieved by a method for writing and reading out information in the non-volatile, integrated memory cell according to independent claims 9 and 10.
  • the method enables information to be stored on the basis of a phase state of a layer.
  • the change of a phase state i.e. a storage process is achieved by a change in temperature.
  • the heat absorption required for the temperature change is achieved by a current which flows through the storage layer between the word and bit lines.
  • R x is the resistance formed by the layer.
  • the resistance R x also depends on the cross-sectional area of the layer. R x ⁇ 1 / A applies, where A is the cross-sectional area.
  • phase structure can be changed by the targeted heating due to the current flowing between the word line and the bit line.
  • the material can assume an amorphous phase state, for example.
  • phase change materials with special properties known as phase change materials.
  • the phase state after falling below a critical transition temperature depends on the rate of temperature decrease. You can therefore assume two different phase states at room temperature, for example.
  • the rate of temperature decrease can be controlled by a targeted control of the current flowing through the layer. For example, with a decrease in temperature that is greater than a material-dependent limit, an amorphous phase state, and with a decrease in temperature that is smaller than the material-dependent limit, a crystalline state can be set for the phase change material.
  • the invention even makes ternary memories Logic or higher order possible.
  • the storage process consists in exceeding the transition temperature, ie the temperature from which at least two different phase states can be achieved by cooling, and the specifically controlled cooling process.
  • the transition temperature can be exceeded by applying a sufficiently high voltage to the bit and word lines so that the current intensity exceeds a corresponding value or by choosing the cross-sectional area A of the phase change layer to be sufficiently small so that the resistance R x is a for the corresponding power consumption P w exceeds the corresponding value.
  • the phase change material of the present invention has yet another property that is used to read out the stored information is necessary: the specific resistance of the material depends on the internal phase structure.
  • a second voltage which is lower than that of the voltage applied for the storage, is now applied between the word and bit lines.
  • phase change materials are described, for example, in Wamwangi, D., Walter, N., Wuttig, M. in "Crystallization kinetics of Ge 4 Sb ⁇ Te 5 ", abstracts of the meeting HL 35, lecture HL 35.4, the DPG spring conference in Dresden, March 24th - March 28th, 2003 (http://dpg.rz.uni-ulm.de/prog/html/hl_35.html)
  • Such materials are known for example in connection with the use in rewritable optical storage media such as DVD ( Digital video discs).
  • phase change materials according to the invention have a transition temperature of at most 600 ° C., preferably less than 400 ° C. These materials enable operation that is gentle on the entire semiconductor memory component.
  • the glass layers encasing the conductor tracks made of titanium nitride or tungsten silicide are not made to flow. Particularly advantageous results can be achieved if future phase change materials are found whose critical transition temperature is less than 200 ° C.
  • Phase change material a binary or a ternary (pseudo- binary) alloy to use. This has a particularly high long-term stability.
  • a material comprising germanium, antimony or tellurium for the ternary alloy.
  • germanium, antimony or tellurium for the ternary alloy.
  • These materials have proven to be particularly stable in various proportions.
  • Ge 4 Sb ⁇ Te 5 can be used.
  • the short-term heating and cooling process has the effect that the interaction of adjacent memory cells in a semiconductor memory comprising a large number of the non-volatile integrated memory cells according to the invention is particularly low. Due to the local heating only, crosstalk during a write process from one cell to the next is very unlikely, even with the highest integration density. This enables higher integration densities than, for example, an MRAM memory.
  • manufacturing-related scattering of the layer thicknesses does not have the disadvantageous effect that is the case with the MRAM.
  • the electrical resistance of the phase change layer varies at best linearly with the layer thickness, while an exponential relationship arises, for example, in the case of the tunnel magnetoresistive effect.
  • a stack of layers comprising stacking materials is not necessary, although the case is to be included, the memory according to the invention can be implemented in a technologically much simpler manner than the non-volatile MRAM memory.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an arrangement of magnetoresistive memory cells according to the prior art
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the phase change memory according to the present invention
  • FIG. 3 shows a diagram with a time-controlled current intensity and the temperature resulting therefrom for storing information in the memory cells according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a magnetic memory with many non-volatile memory cells 3- 3 "".
  • the memory cells 3-3 "" are arranged between word lines 20, 21 and bit lines 10, 11 as a layer stack.
  • the memory cell 3 comprises, for example antiferromagnetic layer 30, a ferromagnetic layer 32 and an oxide layer 31 arranged between them.
  • a storage state "1" is represented, for example, by the antiparallel orientation of the magnetization directions 37 and 38 of the two magnetic layers
  • the magnetic memory shown in Figure 1 is a non-volatile memory according to the prior art.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a semiconductor memory according to the invention with three memory cells 4, 4 ', 4''shown in sections.
  • Layers comprising a phase change material are arranged between a word line 20 (and for example a word line 21 (not shown), etc.) and bit lines 10, 11, 12.
  • the layer comprises a ternary alloy from Ge 4 Sb ⁇ Te 5 . Tempering this material above the phase transition temperature T kr t causes a change in resistance from 200 ⁇ cm to 3.1 • 10 "3 ⁇ cm. The change in resistance corresponds to a phase change from an amorphous phase state in a crystalline rock salt phase state.
  • the word line 20 and the bit lines 10 - 12 are each connected to a voltage source U x or U 2 . Furthermore, they are connected to a basic potential via terminating resistors R t .
  • the bit lines 10, 11, 12 are also connected to evaluation units 50, 51, 52 for evaluating the current signal.
  • the memory cells 4, 4 ′′ are characterized by an amorphous state of the phase change
  • Layer 40, and the memory cells 4 ' are characterized by a crystalline state.
  • the amorphous state represents the logical "1" and the crystalline state represents the logical "0".
  • a write-in and read-out process on the memory cells 4 ' is described by way of example below.
  • FIG. 3 shows the time course of the current intensity impressed into the word line for a write-in process.
  • the voltage Ui is advantageously set equal to the negative amount of the voltage U 2 . This can be achieved, for example, by a voltage inverter.
  • the course of the current over time is shown by broken lines in FIG. 3.
  • the logical "0" should first be overwritten by a logical "1", ie the crystalline state must be converted into an amorphous phase.
  • the word line 20 switches through the memory layer 40 to the bit line 11 between the voltage potential Ui and the voltage potential U 2 .
  • the potentials are dimensioned such that a sufficiently strong current flows through the memory layer 40 only of the memory cell 4 '.
  • Heating takes place in such a way that the transition temperature T kri t n of the phase change layer 40 is skipped, as can be seen in the figure in the solid line.
  • the phase change to the amorphous phase is completed at the latest after a time t 2 .
  • the time difference t 2 - t x is 6.5 ns (nanoseconds).
  • the connection of word line 20 and bit line 11 to voltage sources Ui and U 2 is opened, ie the current is switched off.
  • the temperature of the phase change layer 40 cools down. Since there is no longer any heat source at all, the cooling rate assumes a value that is above a critical cooling rate. As a result, the phase change material maintains its amorphous phase. After a time interval of approximately 25 ns, the temperature has dropped to a value Ti. The entry cycle is completed after time T 3 and a subsequent writing or reading process can take place. The memory cell 4 'is now in the amorphous phase, ie the logical "1" has been stored.
  • the logical “0” is now to be written into the memory cell 4 ′ again, ie a crystalline phase is to be formed in the phase change material.
  • the voltage sources Ui and U 2 are connected to the word or bit line 20, 11 in order to generate a maximum current.
  • the phase change layer 40 is thereby amorphized.
  • the voltage source U 2 is now not disconnected from the bit line 11, but rather switched to the basic potential.
  • the voltage difference between the voltage source Ui and the voltage source U 2 now bears only half of the maximum voltage difference. A current is still flowing, which generates residual heat in the phase change layer. This is not enough for the temperature above However, keeping the critical transition temperature for the amorphization causes the phase change layer 40 to cool down more slowly.
  • the phase change layer 40 is thus cooled to a temperature T 2 , which is above the temperature Ti, which was reached after the cooling process in the first storage.
  • the cooling rate is therefore lower than in the first case and is also below a critical cooling rate.
  • the phase change material of layer 40 recrystallizes.
  • the residual current is also switched off, so that a further write-in or read-out process can be started. Due to the crystalline phase of the phase change layer 40, a logic "0" is now stored again.
  • a readout process is carried out in which one of the two voltage sources Ui or U 2 is in turn switched to ground potential, so that a subcritical current flows through the storage layer 40.
  • the strength of this current signal can be evaluated with the evaluation unit 51. If there is an amorphous phase, the resistance is comparatively high and there is therefore a low current flow for a given voltage difference. If, in turn, there is a crystalline phase, the resistance is comparatively low and a large current is determined.
  • the evaluation unit is implemented by a comparator against a reference current. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The invention relates to a non-volatile, integrated memory cell (4) comprising a word line (20), a bit line (10) which crosses the word line (20) and is arranged on a point of intersection above or below the word line, and a layer (40) consisting of a phase change material which is arranged between the bit line and the word line and forms an electrical resistance (Rx) between the word line (20) and the bit line (10). The phase change material has a transition temperature (Tcrit) above which it is amorphous, and below which it is either amorphous with a first electrical resistance or crystalline with a second electrical resistance. The first and second electrical resistances are different. Logical states ('0', '1') can be stored by heating the layer (40) by means of a targeted current flow (Ix) and then cooling said layer in a controlled manner by means of a reduced current flow (Ix). According to the strength of the current flow (Ix), an amorphous state is obtained when the layer is cooled rapidly and a crystalline state is obtained when the layer is cooled slowly. Said state can be determined by measuring the electrical resistance (Rx) in order to read the logical information.

Description

Beschreibungdescription
Nicht-flüchtige, integrierte Speicherzelle und Verfahren zum Einschreiben oder Auslesen einer Information in die / aus der SpeicherzelleNon-volatile, integrated memory cell and method for writing or reading information into / from the memory cell
Die Erfindung betrifft eine nicht-flüchtige, integrierte Speicherzelle, einen Halbleiterspeicher mit einer Vielzahl von nicht-flüchtigen, integrierten Speicherzellen sowie ein Verfahren zum Einschreiben und zum Auslesen einer Information in die / aus der nicht-flüchtige (n) , integrierte (n) Speicherzelle .The invention relates to a non-volatile, integrated memory cell, a semiconductor memory having a multiplicity of non-volatile, integrated memory cells and a method for writing and reading information into / from the non-volatile, integrated memory cell ,
Informationen werden in Halbleiterspeicherbausteinen typischerweise in Zellen gespeichert, in denen der logische Inhalt der Information durch eine elektrische Ladung repräsentiert ist. Im Falle von wiederbeschreibbaren Speicherzellen werden oftmals dynamische Speicher eingesetzt, mit welchen eine hohe Packungsdichte der Zellen auf einer Substratoberfläche realisiert werden kann. Bei dynamischen Speicherzellen werden die elektrischen Ladungen i Kondensatoren, beispielsweise Grabenkondensatoren, die in dem Substrat gebildet sind, gespeichert. Ein Nachteil dieses dynamischen Speicherkonzeptes besteht darin, daß aufgrund von Ladungsverlusten in Form von Leckströmen in periodischen Abständen sogenannte Refresh- Vorgänge zum Wiederauffrischen des Ladungsinhaltes in dem Kondensator durchgeführt werden müssen. Dies verursacht einen Zeitverlust und erfordert zudem einen schaltungstechnischen Aufwand um das Wiederauffrischen zu ermöglichen.In semiconductor memory chips, information is typically stored in cells in which the logical content of the information is represented by an electrical charge. In the case of rewritable memory cells, dynamic memories are often used, with which a high packing density of the cells can be achieved on a substrate surface. In dynamic memory cells, the electrical charges are stored in capacitors, for example trench capacitors, which are formed in the substrate. A disadvantage of this dynamic storage concept is that, due to charge losses in the form of leakage currents, so-called refresh processes have to be carried out at periodic intervals in order to refresh the charge content in the capacitor. This causes a loss of time and also requires circuitry to enable refreshing.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Herstellungsprozeß eine Vielzahl von lithographischen Schritten mit Abscheideprozessen sehr unterschiedlicher Materialien erforderlich macht. Der Herstellungsprozeß wird dadurch kostenintensiver. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die dynamischen Speicherzellen empfindlich gegen von außen einwirkende Strahlung reagieren. Eine Lösung des Problems besteht darin, das Konzept der dynamischen, aber flüchtigen Ladungsspeicherung durch die Bereitstellung von nicht-flüchtigen Speicherzellen zu ersetzen. Da- zu wurden sogenannte magnetische Speicher, auch MRAM (Mag- netic Random Access Memory) genannt, vorgeschlagen. Bei diesem Konzept werden, wie in Figur 1 zu sehen ist, zwischen den die Speicherzellen definierenden Kreuzungspunkten von Wort- und Bitleitungen Schichtstapel aus dünnen magnetischen Schichten angeordnet. Logische Zustände "1" und "0" werden dabei durch den magnetischen Zustand der Schichten des Schichtstapels relativ zueinander repräsentiert. Der Schichtstapel weist üblicherweise zwei ferromagnetische Schichten auf, die durch eine dünne Oxidschicht z.B. als Tunnelschicht getrennt sein können.Another disadvantage is that the manufacturing process requires a large number of lithographic steps with deposition processes of very different materials. This makes the manufacturing process more expensive. Another disadvantage is that the dynamic memory cells are sensitive to external radiation. One solution to the problem is to replace the concept of dynamic but volatile charge storage with the provision of non-volatile memory cells. So-called magnetic memories, also called MRAM (magnetic random access memory), have been proposed for this purpose. In this concept, as can be seen in FIG. 1, layer stacks of thin magnetic layers are arranged between the crossing points of word and bit lines that define the memory cells. Logical states "1" and "0" are represented by the magnetic state of the layers of the layer stack relative to one another. The layer stack usually has two ferromagnetic layers, which can be separated by a thin oxide layer, for example as a tunnel layer.
Die magnetische Ausrichtung der einen ferromagnetischen Schicht ist im allgemeinen statisch, d.h. während eines Speicher- oder Lesevorgangs unveränderlich, vorgegeben. Die mag- netische Ausrichtung der anderen ferromagnetischen Schicht kann eine dazu parallele oder antiparallele Richtung einnehmen. Ein Speichervorgang wird in dieser anderen Schicht ermöglicht, wenn sich das durch einen Stromfluß in der Wortbeziehungsweise Schreibleitung ergebende Magnetfeld mit dem- jenigen Magnetfeld überlagert, das durch einen gleichzeitig in der Bitleitung fließenden Strom gebildet wird. Übersteigt die Überlagerung der beiden Magnetfelder einen kritischen Wert, so kann die Magnetisierungsrichtung von einem parallelen in einen antiparallelen Zustand - oder umgekehrt - u ge- dreht werden, so daß eine geänderte Speicherinformation in der magnetischen Speicherzelle vorliegt.The magnetic orientation of the one ferromagnetic layer is generally static, i.e. unchangeable during a save or read operation. The magnetic orientation of the other ferromagnetic layer can take a direction parallel or anti-parallel. A storage process is made possible in this other layer if the magnetic field resulting from a current flow in the word or write line is superimposed on the magnetic field which is formed by a current flowing simultaneously in the bit line. If the superposition of the two magnetic fields exceeds a critical value, the direction of magnetization can be rotated u from a parallel to an antiparallel state - or vice versa - so that changed storage information is present in the magnetic storage cell.
Fließt hingegen nur durch eine der beiden Leitungen, entweder der Wortleitung oder der Bitleitung ein Strom, so ist das in- duzierte Magnetfeld zu schwach um eine Änderung der Magnetisierungsrichtung zu bewirken. Auf diese Weise kann nur eine bestimmte magnetische Speicherzelle in einem Speicherzellen- feld beschrieben werden, die an dem Kreuzungspunkt einer aktivierten Wort- und Bitleitung angeordnet ist.However, if a current only flows through one of the two lines, either the word line or the bit line, the induced magnetic field is too weak to cause a change in the direction of magnetization. In this way, only a certain magnetic memory cell in a memory cell field are described, which is arranged at the intersection of an activated word and bit line.
Beim Auslesevorgang der gespeicherten Information wird ein unterkritischer Strom erzeugt, der auf zwischen einer Wortleitung und der Bitleitung angelegten Spannung durch den magnetischen Schichtstapel fließt. Dabei wird Effekt ausgenutzt, daß der elektrische Widerstand der magnetischen Speicherzelle von der gegenseitigen Ausrichtung der Magnetisierungsrichtun- gen abhängt. Mit einer Auswerteeinheit kann dieser elektrische Strom gemessen werden. Somit sind die Spannung und der Stromfluß bekannt, so daß hieraus der Widerstand der magnetischen Speicherzelle festgestellt werden kann. Die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von dem Magnetisierungszustand wird auf den tunnel- (TMR) oder giant-magnetoresistiven (GMR) Effekt zurückgeführt .When the stored information is read out, a subcritical current is generated which flows through the magnetic layer stack at a voltage applied between a word line and the bit line. This exploits the effect that the electrical resistance of the magnetic memory cell depends on the mutual alignment of the magnetization directions. This electrical current can be measured with an evaluation unit. The voltage and the current flow are thus known, so that the resistance of the magnetic memory cell can be determined from this. The change in resistance depending on the magnetization state is attributed to the tunnel (TMR) or giant magnetoresistive (GMR) effect.
Durch das MRAM-Konzept können Speicherzellen mit nichtflüchtigem Speicherinhalt realisiert werden, deren Herstel- lung einen vergleichsweise geringen technologischen Aufwand erfordert .The MRAM concept enables memory cells with non-volatile memory content to be produced, the production of which requires a comparatively low technological outlay.
Allerdings liegen bei diesem Speicherkonzept Nachteile vor. So gibt es beispielsweise eine herstellungsbedingte Streuung von Koerzitivfeidstärken, d.h. Feldstärken, welche für dasHowever, there are disadvantages with this storage concept. For example, there is a manufacturing-related spread of coercive field strengths, i.e. Field strengths, which for the
Umschalten der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht einer jeweiligen Speicherzelle wenigstens erforderlich sind. Die magnetischen elektrischen Eigenschaften basieren dabei in Abhängigkeit von der Streuung der Dicken einzel- nen Schichten in dem Schichtstapel. Besonders kritisch sind dabei schon geringe Abweichungen in der Dicke der Oxidzwischenschicht in dem Schichtstapel von einem Sollwert.Switching the direction of magnetization of the magnetic layer of a respective memory cell are at least necessary. The magnetic electrical properties are based on the scattering of the thicknesses of individual layers in the layer stack. Even small deviations in the thickness of the intermediate oxide layer in the layer stack from a desired value are particularly critical.
Des weiteren ist im Falle einer hohen Speicherdichte, d.h. einem großen Miniaturisierungsgrad, ein Übersprechen vonFurthermore, in the case of a high storage density, i.e. a large degree of miniaturization, a cross talk of
Schreibvorgängen benachbarter Speicherzellen auf andere Speicherzellen durchaus möglich. Dieser Effekt wird bei besonders geringen Abständen zwischen benachbarten Speicherzellen aufgrund der magnetischen Dipolwechselwirkung der betreffenden Schichten verstärkt .Writes from adjacent memory cells to other memory cells are quite possible. This effect is particularly at small distances between adjacent memory cells due to the magnetic dipole interaction of the layers concerned.
Daher muß auch die weitere Miniaturisierung von Speicherbausteinen im Falle des MRAM-Konzeptes sehr kritisch betrachtet werden. Für magnetische Materialien mit besonders geringen Abmessungen existiert zudem die sogenannte superparamagneti- sche Grenze, unterhalb welcher die Speicherung einer Informa- tion in Form einer Magnetisierungsrichtung nicht mehr möglich ist .Therefore, the further miniaturization of memory chips in the case of the MRAM concept must also be viewed very critically. For magnetic materials with particularly small dimensions there is also the so-called superparamagnetic limit, below which it is no longer possible to store information in the form of a magnetization direction.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen nicht-flüchtigen, mit geringem technologischen Aufwand her- stellbaren Speicher zur Verfügung zu stellen, durch welchen die vorgenannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere ist es die Aufgabe, einen Speicher anzubieten, bei welchem der Speichervorgang in benachbarten Speicherzellen keine Wechselwirkungen hervorruft. Es ist eine besondere Aufgabe der vor- liegenden Erfindung eine Speicherzelle anzubieten, deren nicht-flüchtiger Speicherinhalt durch Messung eines elektrischen Stromes auswertbar ist.It is therefore the object of the present invention to provide a non-volatile memory which can be produced with little technological effort and which avoids the aforementioned disadvantages. In particular, the task is to offer a memory in which the storage process in adjacent memory cells does not cause any interactions. It is a particular object of the present invention to offer a memory cell whose non-volatile memory content can be evaluated by measuring an electrical current.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine nicht-flüchtige, integ- rierte Speicherzelle, umfassend: eine Wortleitung, eine Bitleitung, welche die Wortleitung kreuzt und an einem Kreuzungspunkt ober- oder unterhalb der Wortleitung angeordnet ist, eine Schicht umfassend ein Phasenwechselmaterial , die zwischen der Bitleitung und der Wortleitung angeordnet und einen elektrischen Widerstand zwischen der Wort- und der Bit- leitung bildet, wobei das Phasenwechselmaterial eine Übergangstemperatur aufweist, oberhalb welcher das Phasenwechselmaterial eine amorphe Struktur aufweist und unterhalb welcher das Phasenwechselmaterial entweder eine amorphe Struktur mit einem ersten elektrischen Widerstand oder eine kristallineThe object is achieved by a non-volatile, integrated memory cell, comprising: a word line, a bit line which crosses the word line and is arranged at a crossing point above or below the word line, a layer comprising a phase change material which is between the bit line and the word line and an electrical resistance between the word and the bit line, wherein the phase change material has a transition temperature above which the phase change material has an amorphous structure and below which the phase change material either an amorphous structure with a first electrical resistance or a crystalline
Struktur mit einem zweiten elektrischen Widerstand aufweist, wobei der erste und der zweite elektrische Widerstand unterschiedlich sind.Having a structure with a second electrical resistance, the first and second electrical resistance being different.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst, durch einen Halbleiterspeicher, mit einer Vielzahl der genannten nicht-flüchtigen, integrierten Speicherzellen. Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Einschreiben und zum Auslesen einer Information in der nicht-flüchtigen, integrierten Speicherzelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen 9 und 10.The object is also achieved by means of a semiconductor memory with a multiplicity of the non-volatile, integrated memory cells mentioned. In addition, the object is achieved by a method for writing and reading out information in the non-volatile, integrated memory cell according to independent claims 9 and 10.
Durch das Verfahren wird eine Speicherung von Informationen aufgrund eines Phasenzustandes einer Schicht ermöglicht. Die Änderung eines Phasenzustandes, d.h. ein Speichervorgang wird durch eine Temperaturänderung erreicht . Die für die Tempera- turänderung notwendige Wärmeaufnahme wird durch einen Strom erzielt, der zwischen der Wort- und Bitleitung durch die Speicherschicht hindurchfließt. Dabei giltThe method enables information to be stored on the basis of a phase state of a layer. The change of a phase state, i.e. a storage process is achieved by a change in temperature. The heat absorption required for the temperature change is achieved by a current which flows through the storage layer between the word and bit lines. The following applies
p ~ T T?p ~ T T?
wobei Pw die Wärmeleistung, Ix der durch die Schicht fließende Strom und Rx der durch die Schicht gebildete Widerstand ist . Neben den Materialeigenschaften hängt der Widerstand Rx auch von der Querschnittsfläche der Schicht ab. Es gilt Rx ~ 1/A, wobei A die Querschnittsfläche ist.where P w is the thermal output, I x is the current flowing through the layer and R x is the resistance formed by the layer. In addition to the material properties, the resistance R x also depends on the cross-sectional area of the layer. R x ~ 1 / A applies, where A is the cross-sectional area.
Werden auf diese Weise konventionelle Materialien erhitzt, die bei Raumtemperatur beispielsweise eine kristalline Phasenstruktur aufweisen, so kann durch die gezielte Erwärmung aufgrund des zwischen der Wort- und der Bitleitung fließenden Stromes eine Änderung der Phasenstruktur erreicht werden. Das Material kann beispielsweise einen amorphen Phasenzustand einnehmen.If conventional materials are heated in this way, which, for example, have a crystalline phase structure at room temperature, the phase structure can be changed by the targeted heating due to the current flowing between the word line and the bit line. The material can assume an amorphous phase state, for example.
Kühlt nach dem Abschalten des Stromes die Schicht wieder ab, so tritt üblicherweise der ursprüngliche Phasenzustand wieder ein. Im Rahmen der Erfindung ist es nun vorgesehen, Materia- lien mit besonderen Eigenschaften vorzusehen, die als Phasen- wechselmaterialien bekannt sind. Bei ihnen hängt der Phasenzustand nach dem Unterschreiten einer kritischen Übergangstemperatur von der Geschwindigkeit der Temperaturabnahme ab. Sie können demnach beispielsweise bei Raumtemperatur zwei unterschiedliche Phasenzustände einnehmen. Für die Erfindung wird dabei ausgenutzt, daß die Geschwindigkeit der Temperaturabnahme durch eine gezielte Kontrolle des die Schicht durchfließenden Stromes gesteuert werden kann. Beispielsweise kann bei einer Temperaturabnahme die größer als ein Materialabhängiger Grenzwert ist, ein amorpher Phasenzustand, und bei einer Temperaturabnahme, die kleiner als der materialabhängige Grenzwert ist, ein kristalliner Zustand für das Phasenwechselmaterial eingestellt werden.If the layer cools down again after the current is switched off, the original phase state usually occurs again. Within the scope of the invention it is now provided that materials lien with special properties known as phase change materials. With them, the phase state after falling below a critical transition temperature depends on the rate of temperature decrease. You can therefore assume two different phase states at room temperature, for example. For the invention, use is made of the fact that the rate of temperature decrease can be controlled by a targeted control of the current flowing through the layer. For example, with a decrease in temperature that is greater than a material-dependent limit, an amorphous phase state, and with a decrease in temperature that is smaller than the material-dependent limit, a crystalline state can be set for the phase change material.
Liegen bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Halbleiterspeichers für das betreffende Phasenwechselmaterial der Schicht zwischen der Wort- und Bitleitung materialabhängig drei oder noch mehr stabile Phasenzustände vor, die in Abhän- gigkeit von der Geschwindigkeit der Temperaturabnahme eingestellt werden, so werden durch die Erfindung sogar Speicher mit ternärer Logik oder noch höherer Ordnung möglich.If at a given operating temperature of the semiconductor memory for the phase change material in question of the layer between the word and bit lines, depending on the material, there are three or even more stable phase states which are set as a function of the rate of temperature decrease, then the invention even makes ternary memories Logic or higher order possible.
Der Speichervorgang besteht in dem Überschreiten der Über- gangstemperatur, d.h. derjenigen Temperatur, aus der heraus im Wege einer Abkühlung wenigstens zwei unterschiedliche Phasenzustände erzielbar sind, sowie aus dem gezielt gesteuerten Abkühlvorgang. Die Übergangstemperatur kann überschritten werden, indem an die Bit- und Wortleitung eine hinreichend hohe Spannung angelegt wird, so daß die Stromstärke einen entsprechenden Wert übersteigt oder in dem die Querschnitts- fläche A der Phasenwechselschicht hinreichend klein gewählt wird, so daß der Widerstand Rx eine für die entsprechende Leistungsaufnahme Pw entsprechenden Wert übersteigt.The storage process consists in exceeding the transition temperature, ie the temperature from which at least two different phase states can be achieved by cooling, and the specifically controlled cooling process. The transition temperature can be exceeded by applying a sufficiently high voltage to the bit and word lines so that the current intensity exceeds a corresponding value or by choosing the cross-sectional area A of the phase change layer to be sufficiently small so that the resistance R x is a for the corresponding power consumption P w exceeds the corresponding value.
Das Phasenwechselmaterial der vorliegenden Erfindung besitzt noch eine weitere Eigenschaft, die zum Auslesen der gespei- cherten Informationen notwendig ist: der spezifische Widerstand des Materials hängt von der inneren Phasenstruktur ab. Es wird nun nämlich eine zweite Spannung, die geringer als jene der für das Einspeichern angelegten Spannung ist, zwi- sehen Wort- und Bitleitung angelegt. Vorausgesetzt, es wird aufgrund der niedrigen Spannung ein Strom eingeprägt, der zu gering ist, als daß er einen Phasenwechsel bewirken könnte, so hängt die Stromstärke Ix gemäß der Beziehung Ix = U/Rx insbesondere auch von dem Widerstand der Phasenwechselschicht ab. Es ist vorgesehen, mit einer Auswerteeinheit bei vorgegebener Spannung zwischen Wort- und Bitleitung die Stromstärke zu messen, um eine Information über den Phasenzustand der Speicherschicht zu erhalten.The phase change material of the present invention has yet another property that is used to read out the stored information is necessary: the specific resistance of the material depends on the internal phase structure. A second voltage, which is lower than that of the voltage applied for the storage, is now applied between the word and bit lines. Provided that a current is impressed due to the low voltage which is too low to cause a phase change, the current intensity I x depends in particular on the resistance of the phase change layer according to the relationship I x = U / R x . It is provided to measure the current strength with an evaluation unit at a predetermined voltage between the word and bit lines in order to obtain information about the phase state of the memory layer.
Die Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien sind beispielweise in Wamwangi, D., Walter, N. , Wuttig, M. in „Crystalli- zation kinetics of Ge4SbιTe5" , Abstracts der Sitzung HL 35, Vortrag HL 35.4, der DPG-Frü jahrstagung in Dresden, 24.03.- 28.03.2003 (http://dpg.rz.uni-ulm.de/prog/html/hl_35.html) beschrieben. Solche Materialien sind beispielsweise bekannt im Zusammenhang mit der Verwendung in wiederbeschreibbaren optischen Speichermedien wie DVD (Digital Video Discs) .The properties of phase change materials are described, for example, in Wamwangi, D., Walter, N., Wuttig, M. in "Crystallization kinetics of Ge 4 SbιTe 5 ", abstracts of the meeting HL 35, lecture HL 35.4, the DPG spring conference in Dresden, March 24th - March 28th, 2003 (http://dpg.rz.uni-ulm.de/prog/html/hl_35.html) Such materials are known for example in connection with the use in rewritable optical storage media such as DVD ( Digital video discs).
Die erfindungsgemäßen Phasenwechselmaterialien besitzen eine Übergangstemperatur von höchstens 600 °C, vorzugsweise weniger als 400°C. Mit diesen Materialien wird ein den gesamten Halbleiterspeicherbaustein schonender Betrieb ermöglicht. Insbesondere werden die die Leiterbahnen aus Titannitrid oder Wolframsilizid ummantelnden Glasschichten nicht zum Verflie- ßen gebracht. Besonders vorteilhafte Ergebnisse können erzielt werden, wenn künftig Phasenwechselmaterialien gefunden werden, deren kritische Übergangstemperatur weniger als 200°C beträgt .The phase change materials according to the invention have a transition temperature of at most 600 ° C., preferably less than 400 ° C. These materials enable operation that is gentle on the entire semiconductor memory component. In particular, the glass layers encasing the conductor tracks made of titanium nitride or tungsten silicide are not made to flow. Particularly advantageous results can be achieved if future phase change materials are found whose critical transition temperature is less than 200 ° C.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen alsAccording to an embodiment of the invention it is provided as
Phasenwechselmaterial eine binäre oder eine ternäre (pseudo- binäre) Legierung zu verwenden. Diese weist eine besonders große Langzeitstabilität auf.Phase change material a binary or a ternary (pseudo- binary) alloy to use. This has a particularly high long-term stability.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen für die ternäre Legierung ein Material umfassend Germanium, Antimon oder Tellur zu verwenden. Diese Materialien haben sich in verschiedenen Mengenverhältnissen als besonders stabil erwiesen. Beispielhaft kann Ge4SbιTe5 eingesetzt werden.According to a further embodiment of the present invention, it is provided to use a material comprising germanium, antimony or tellurium for the ternary alloy. These materials have proven to be particularly stable in various proportions. For example, Ge 4 SbιTe 5 can be used.
Der kurzfristige Erwärmungs- und Abkühlprozeß bewirkt, daß die Wechselwirkung benachbarter Speicherzellen in einem Halbleiterspeicher umfassend eine Vielzahl der erfindungsgemäßen nicht-flüchtigen integrierten Speicherzellen besonders gering ist. Durch das lediglich lokale Erhitzen wird ein Übersprechen bei einem Schreibvorgang von einer Zelle auf die nächste auch bei höchster Integrationsdichte sehr unwahrscheinlich. Es sind somit höhere Integrationsdichten als beispielsweise bei einem MRAM-Speicher möglich.The short-term heating and cooling process has the effect that the interaction of adjacent memory cells in a semiconductor memory comprising a large number of the non-volatile integrated memory cells according to the invention is particularly low. Due to the local heating only, crosstalk during a write process from one cell to the next is very unlikely, even with the highest integration density. This enables higher integration densities than, for example, an MRAM memory.
Des weiteren wirken sich herstellungsbedingt ergebende Streuungen der Schichtdicken nicht so nachteilhaft aus, wie es bei dem MRAM der Fall ist. Der elektrische Widerstand der Phasen- wechselschicht variiert hier allenfalls linear mit der Schichtdicke, während sich beispielsweise bei dem tunnel- magnetorresistiven Effekt ein exponentieller Zusammenhang ergibt . Dazu dem erfindungsgemäß ein Schichtstapel umfassend Stapelmaterialien nicht notwendig ist, obwohl der Fall eingeschlossen sein soll, kann der erfindungsgemäße Speicher tech- nologisch wesentlich einfacher realisiert werden als der nicht-flüchtige MRAM-Speicher.Furthermore, manufacturing-related scattering of the layer thicknesses does not have the disadvantageous effect that is the case with the MRAM. The electrical resistance of the phase change layer varies at best linearly with the layer thickness, while an exponential relationship arises, for example, in the case of the tunnel magnetoresistive effect. For this purpose, according to the invention a stack of layers comprising stacking materials is not necessary, although the case is to be included, the memory according to the invention can be implemented in a technologically much simpler manner than the non-volatile MRAM memory.
Des weiteren liegen für den erfindungsgemäßen Speicher keine physikalischen Grenzen vor, die eine weitere Miniaturisierung verhindern würden. Es wird daher sowohl eine Kostenreduktion als auch ein weithin skalierbarer Halbleiterspeicher erzielt. Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert werden. Darin zeigen:Furthermore, there are no physical limits for the memory according to the invention that would prevent further miniaturization. Both cost reduction and a largely scalable semiconductor memory are therefore achieved. The invention will now be explained in more detail using an exemplary embodiment with the aid of a drawing. In it show:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von magne- torresistiven Speicherzellen gemäß dem Stand der Technik,FIG. 1 shows an embodiment of an arrangement of magnetoresistive memory cells according to the prior art,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des Phasenwechselspeichers gemäß der vorliegenden Erfindung,FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the phase change memory according to the present invention,
Figur 3 ein Diagramm mit einer zeitlich gesteuerten Stromstärke sowie der sich daraus ergebenden Temperatur zum Einspeichern einer Information in die erfindungsgemäße Speicherzellen.FIG. 3 shows a diagram with a time-controlled current intensity and the temperature resulting therefrom for storing information in the memory cells according to the invention.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines magnetischen Speichers mit vielen nicht-flüchtigen Speicherzellen 3- 3" ' . Die Speicherzellen 3-3' ' ' sind zwischen Wortleitungen 20, 21 und Bitleitungen 10, 11 als Schichtstapel angeordnet. Die Speicherzelle 3 umfaßt beispielsweise eine antiferro- magnetische Schicht 30, eine ferromagnetische Schicht 32 und eine zwischen ihnen angeordnete Oxidschicht 31. Ein Speicherzustand "1" wird beispielsweise durch die antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen 37 und 38 der beiden magnetischen Schichten repräsentiert. Die Magnetisierungsrichtung der antiferromagnetischen Schicht 30 ist fixiert und wird bei Speichervorgängen nicht geändert. Der in Figur 1 dargestellte magnetische Speicher ist ein nicht-flüchtiger Speicher gemäß dem Stand der Technik.Figure 1 shows a schematic representation of a magnetic memory with many non-volatile memory cells 3- 3 "". The memory cells 3-3 "" are arranged between word lines 20, 21 and bit lines 10, 11 as a layer stack. The memory cell 3 comprises, for example antiferromagnetic layer 30, a ferromagnetic layer 32 and an oxide layer 31 arranged between them. A storage state "1" is represented, for example, by the antiparallel orientation of the magnetization directions 37 and 38 of the two magnetic layers The magnetic memory shown in Figure 1 is a non-volatile memory according to the prior art.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterspeichers mit ausschnittsweise dargestellten drei Speicherzellen 4, 4', 4''. Zwischen einer Wortleitung 20 (und beispielsweise einer nicht dargestellten Wortleitung 21, etc.) und Bitleitungen 10, 11, 12 sind dabei jeweils Schichten umfassend ein Phasenwechselmaterial angeordnet . In dem Ausführungsbeispiel umfaßt die Schicht eine ternäre Legierung aus Ge4SbιTe5. Eine Temperung dieses Materials oberhalb der Phasenübergangstemperatur Tkr t bewirkt eine Widerstandsänderung von 200 Ωcm auf 3.1 • 10"3 Ωcm. Die Widerstandsänderung entspricht einer Phasenänderung von einem amorphen Phasenzu- stand in einem kristallinen Steinsalz-Phasenzustand.FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a semiconductor memory according to the invention with three memory cells 4, 4 ', 4''shown in sections. Layers comprising a phase change material are arranged between a word line 20 (and for example a word line 21 (not shown), etc.) and bit lines 10, 11, 12. In the embodiment, the layer comprises a ternary alloy from Ge 4 SbιTe 5 . Tempering this material above the phase transition temperature T kr t causes a change in resistance from 200 Ωcm to 3.1 • 10 "3 Ωcm. The change in resistance corresponds to a phase change from an amorphous phase state in a crystalline rock salt phase state.
Die Wortleitung 20 sowie die Bitleitungen 10 - 12 sind jeweils an einer Spannungsquelle Ux bzw. U2 angeschlossen. Des weiteren sind sie über Abschlußwiderstände Rt an ein Grundpo- tential angeschlossen. Die Bitleitungen 10, 11, 12 sind außerdem mit Auswerteeinheiten 50, 51, 52 zum Auswerten des Stromstärkesignals verbunden.The word line 20 and the bit lines 10 - 12 are each connected to a voltage source U x or U 2 . Furthermore, they are connected to a basic potential via terminating resistors R t . The bit lines 10, 11, 12 are also connected to evaluation units 50, 51, 52 for evaluating the current signal.
In dem in Figur 2 dargestellten Zustand sind die Speicherzel- len 4, 4' ' durch einen amorphen Zustand der Phasenwechsel-In the state shown in FIG. 2, the memory cells 4, 4 ″ are characterized by an amorphous state of the phase change
Schicht 40, und die Speicherzellen 4' durch einen kristallinen Zustand gekennzeichnet. Der amorphe Zustand repräsentiert die logische "1" und der kristalline Zustand repräsentiert die logische "0". Im folgenden wird ein Einschreib- und Aus- lesevorgang an der Speicherzellen 4 ' beispielhaft beschrieben.Layer 40, and the memory cells 4 'are characterized by a crystalline state. The amorphous state represents the logical "1" and the crystalline state represents the logical "0". A write-in and read-out process on the memory cells 4 'is described by way of example below.
Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der für einen Einschreibvorgang in die Wortleitung eingeprägten Stromstärke. In dem Ausführungsbeispiel wird mit Vorteil die Spannung Ui gleich dem negativen Betrag der Spannung U2 eingestellt. Dies kann beispielsweise durch einen Spannungsinverter realisiert werden. Der zeitliche Verlauf der Stromstärke wird durch gestrichelte Linien in Figur 3 dargestellt. Es soll zunächst die logische "0" durch eine logische "1" überschrieben werden, d.h. der kristalline Zustand ist in eine amorphe Phase zu überführen. Zum Zeitpunkt ti wird über die Wortleitung 20 durch die Speicherschicht 40 zu der Bitleitung 11 zwischen dem Spannungspotential Ui und dem Spannungspotential U2 ge- schaltet. Die Potentiale sind dabei so dimensioniert, daß ein hinreichend starker Strom durch die Speicherschicht 40 nur der Speicherzelle 4' fließt. Es findet eine Erwärmung derart statt, daß die Übergangstemperatur Tkrit n der Phasenwechselschicht 40 übersprungen wird, wie in Figur in der durchgezogenen Linie zu sehen ist. Spätestens nach einem Zeitpunkt t2 ist der Phasenwechsel in die amorphe Phase vollzogen. Der Zeitunterschied t2 - tx beträgt 6,5 ns (Nanosekunden) . Zum Zeitpunkt t2 wird die Verbindung der Wortleitung 20 und der Bitleitung 11 zu den Spannungsquellen Ui und U2 geöffnet, d.h. der Strom wird abge- schaltet.FIG. 3 shows the time course of the current intensity impressed into the word line for a write-in process. In the exemplary embodiment, the voltage Ui is advantageously set equal to the negative amount of the voltage U 2 . This can be achieved, for example, by a voltage inverter. The course of the current over time is shown by broken lines in FIG. 3. The logical "0" should first be overwritten by a logical "1", ie the crystalline state must be converted into an amorphous phase. At time ti, the word line 20 switches through the memory layer 40 to the bit line 11 between the voltage potential Ui and the voltage potential U 2 . The potentials are dimensioned such that a sufficiently strong current flows through the memory layer 40 only of the memory cell 4 '. Heating takes place in such a way that the transition temperature T kri t n of the phase change layer 40 is skipped, as can be seen in the figure in the solid line. The phase change to the amorphous phase is completed at the latest after a time t 2 . The time difference t 2 - t x is 6.5 ns (nanoseconds). At time t 2 , the connection of word line 20 and bit line 11 to voltage sources Ui and U 2 is opened, ie the current is switched off.
In Folge dessen kühlt sich die Temperatur der Phasenwechselschicht 40 ab. Da überhaupt keine Wärmequelle mehr zur Verfügung steht, nimmt die Abkühlrate einen Wert an, der oberhalb einer kritischen Abkühlrate liegt. Infolgedessen behält das Phasenwechselmaterial seine amorphe Phase bei . Nach einem Zeitintervall von etwa 25 ns ist die Temperatur auf einen Wert Ti abgesunken. Der Eintragzyklus ist nach dem Zeitpunkt T3 abgeschossen und ein nachfolgender Einschreib- oder Ausle- seprozeß kann stattfinden. Die Speicherzelle 4' befindet sich nun in der amorphen Phase, d.h. die logische "1" ist eingespeichert worden.As a result, the temperature of the phase change layer 40 cools down. Since there is no longer any heat source at all, the cooling rate assumes a value that is above a critical cooling rate. As a result, the phase change material maintains its amorphous phase. After a time interval of approximately 25 ns, the temperature has dropped to a value Ti. The entry cycle is completed after time T 3 and a subsequent writing or reading process can take place. The memory cell 4 'is now in the amorphous phase, ie the logical "1" has been stored.
Zu einem Zeitpunkt t soll nun wieder die logische "0" in die Speicherzelle 4' eingeschrieben werden, d.h. es ist ein kristalline Phase in dem Phasenwechselmaterial zu bilden. Wieder werden die Spannungsquellen Ui und U2 mit der Wort- beziehungsweise Bitleitung 20, 11 verbunden um eine maximale Stromstärke zu erzeugen. Die Phasenwechselschicht 40 wird da- durch amorphisiert . Nach einem Zeitpunkt von wiederholt 6,5 ns wird die Spannungsquelle U2 nun aber nicht von der Bitleitung 11 getrennt, sondern vielmehr auf das Grundpotential geschaltet. Die Spannungsdifferenz zwischen der Spannungsquelle Ui und der Spannungsquelle U2 trägt nun lediglich die Hälfte der maximalen Spannungsdifferenz. Es fließt damit immer noch ein Strom, welcher eine Restwärme in der Phasenwechselschicht erzeugt. Diese reicht zwar nicht aus die Temperatur oberhalb der kritischen Übergangstemperatur für die Amorphisierung zu halten, bewirkt jedoch ein langsameres Abkühlen der Phasenwechselschicht 40.At a point in time t, the logical “0” is now to be written into the memory cell 4 ′ again, ie a crystalline phase is to be formed in the phase change material. Again, the voltage sources Ui and U 2 are connected to the word or bit line 20, 11 in order to generate a maximum current. The phase change layer 40 is thereby amorphized. After a time of 6.5 ns repeatedly, the voltage source U 2 is now not disconnected from the bit line 11, but rather switched to the basic potential. The voltage difference between the voltage source Ui and the voltage source U 2 now bears only half of the maximum voltage difference. A current is still flowing, which generates residual heat in the phase change layer. This is not enough for the temperature above However, keeping the critical transition temperature for the amorphization causes the phase change layer 40 to cool down more slowly.
Nach einem Zeitpunkt t6 ist die Phasenwechselschicht 40 somit auf eine Temperatur T2 abgekühlt, die oberhalb der Temperatur Ti liegt, welche nach dem AbkühlVorgang bei dem ersten Speichern erreicht wurde. Die Abkühlrate ist somit geringer als im ersten Fall und liegt außerdem unterhalb einer kritischen Abkühlrate . Infolgedessen rekristallisiert das Phasenwechselmaterial der Schicht 40. Nach einem Zeitpunkt t6 wird auch der Reststrom abgeschaltet, so daß ein weiterer Einschreiboder Auslesevorgang gestartet werden kann. Aufgrund der kristallinen Phase der Phasenwechselschicht 40 wird nun wieder eine logische "0" eingespeichert.After a time t 6 , the phase change layer 40 is thus cooled to a temperature T 2 , which is above the temperature Ti, which was reached after the cooling process in the first storage. The cooling rate is therefore lower than in the first case and is also below a critical cooling rate. As a result, the phase change material of layer 40 recrystallizes. After a time t 6 , the residual current is also switched off, so that a further write-in or read-out process can be started. Due to the crystalline phase of the phase change layer 40, a logic "0" is now stored again.
Ein Auslesevorgang wird vorgenommen, in dem eine der beiden Spannungsquellen Ui oder U2 wiederum auf Grundpotential geschaltet wird, so daß ein unterkritischer Strom durch die Speicherschicht 40 fließt. Mit der Auswerteeinheit 51 kann die Stärke dieses Stromsignals ausgewertet werden. Liegt eine amorphe Phase vor, so ist der Widerstand vergleichsweise groß und bei gegebener Spannungsdifferenz liegt somit ein niedriger Stromfluß vor. Liegt im Gegenzug eine kristalline Phase vor, so ist der Widerstand vergleichsweise gering und es wird eine große Stromstärke festgestellt. Technisch wird die Auswerteeinheit durch einen Komparator gegen einen Referenzstrom realisiert . BezugszeichenlisteA readout process is carried out in which one of the two voltage sources Ui or U 2 is in turn switched to ground potential, so that a subcritical current flows through the storage layer 40. The strength of this current signal can be evaluated with the evaluation unit 51. If there is an amorphous phase, the resistance is comparatively high and there is therefore a low current flow for a given voltage difference. If, in turn, there is a crystalline phase, the resistance is comparatively low and a large current is determined. Technically, the evaluation unit is implemented by a comparator against a reference current. LIST OF REFERENCE NUMBERS
3,3',3" MRAM-Speicherzellen (Stand- der > Technik)3,3 ', 3 "MRAM memory cells (state of the art)
4, 4 ',4' ' Phasenwechsel-Speicherzellen4, 4 ', 4' 'phase change memory cells
10-12 Bitleitung10-12 bit line
20, 21 Wortleitung20, 21 word line
50-52 Auswerteinheiten50-52 evaluation units
Rx elektrischer Widerstand des PhasenwechselmediumsR x electrical resistance of the phase change medium
Trit Übergangstemperatur des Phasenwechselmediums T r it transition temperature of the phase change medium

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Nichtflüchtige, integrierte Speicherzelle (4), umfassend1. Non-volatile, integrated memory cell (4), comprising
- eine Wortleitung (20) , - eine Bitleitung (10) , welche die Wortleitung (20) kreuzt und an einem Kreuzungspunkt ober- oder unterhalb der Wort- leitung angeordnet ist,- a word line (20), - a bit line (10) which crosses the word line (20) and is arranged at a crossing point above or below the word line,
- eine Schicht (40) umfassend ein Phasenwechselmaterial, die zwischen der Bitleitung und der Wortleitung angeordnet und einen elektrischen Widerstand (Rx) zwischen der Wort- (20) und der Bitleitung (10) bildet,a layer (40) comprising a phase change material which is arranged between the bit line and the word line and forms an electrical resistance (R x ) between the word line (20) and the bit line (10),
- wobei das Phasenwechselmaterial eine Ubergangstemperatur- The phase change material being a transition temperature
(Tkrit) aufweist, a) oberhalb welcher das Phasenwechselmaterial eine amorphe Struktur aufweist und b) unterhalb welcher das Phasenwechselmaterial in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit einer Abkühlung ausgehend von der Ubergangstemperatur (Tkrit) entweder eine amorphe Struktur mit einem ersten elektrischen Widerstand oder eine kristalline Struktur mit einem zweiten elektrischen Widerstand aufweist, wobei der erste und der zweite e- lektrische Widerstand unterschiedlich sind.(Tkrit), a) above which the phase change material has an amorphous structure, and b) below which the phase change material, depending on the rate of cooling based on the transition temperature (T kr i t ), either an amorphous structure with a first electrical resistance or one has a crystalline structure with a second electrical resistance, the first and the second electrical resistance being different.
2. Speicherzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ubergangstemperatur (Tkrit) des Phasenwechselmaterials weniger als 600 ° Celsius beträgt.2. Memory cell according to claim 1, characterized in that the transition temperature (T kr i t ) of the phase change material is less than 600 ° Celsius.
3. Speicherzelle nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ubergangstemperatur (Tkrit) des Phasenwechselmaterials weniger als 400 ° Celsius beträgt.3. Memory cell according to claim 2, characterized in that the transition temperature (T kr i t ) of the phase change material is less than 400 ° Celsius.
4. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Phasenwechselmaterial eine binäre, eine ternäre, eine quaternäre oder eine pseudobinäre Legierung umfaßt . 4. Memory cell according to one of claims 1 to 3, characterized in that the phase change material comprises a binary, a ternary, a quaternary or a pseudobinary alloy.
5. Speicherzelle nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die ternäre Legierung Germanium, Antimon und Tellur umfaßt .5. Memory cell according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the ternary alloy comprises germanium, antimony and tellurium.
6. Speicherzelle nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine erste Spannungsquelle, welche mit der Wortleitung (20) verbunden ist, und eine zweite Spannungsquelle, die mit der Bitleitung (10) verbunden ist, um einen Strom in die Phasenwechselschicht (40) einzuprägen.6. The memory cell of claim 1, a first voltage source connected to the word line (20) and a second voltage source connected to the bit line (10) to inject a current into the phase change layer (40).
7. Speicherzelle nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Auswerteeinheit zum Messen eines zwischen der ersten und der zweiten Spannungsquelle fließenden Stromes zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes (Rx) der Schicht .7. Memory cell according to claim 1, characterized by an evaluation unit for measuring a current flowing between the first and the second voltage source for determining the electrical resistance (R x ) of the layer.
8. Halbleiterspeicher mit einer Vielzahl von nichtflüchtigen, integrierten Speicherzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeweils an den Kreuzungspunkten der sich überschneidenden Wort- (20) und Bitleitungen (10) eine Schicht (40) umfassend das Phasenwechselmaterial zwischen der Wort- (20) und der Bitleitung (10) angeordnet ist.8. Semiconductor memory with a plurality of non-volatile, integrated memory cells according to one of claims 1 to 7, wherein in each case at the intersection of the overlapping word (20) and bit lines (10) a layer (40) comprising the phase change material between the word ( 20) and the bit line (10) is arranged.
9. Verfahren zum Einschreiben einer Information in die nichtflüchtige, integrierte Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend9. A method for writing information into the non-volatile, integrated memory cell according to one of claims 1 to 7, comprising
- Anlegen einer Spannung mit einem ersten Wert zwischen der Wortleitung (20) und der Bitleitung (10) , so daß ein Strom- Applying a voltage with a first value between the word line (20) and the bit line (10), so that a current
(Ix) zwischen der Wort- (20) und der Bitleitung (10) durch die Schicht (40) mit einem elektrischen Widerstand (Rx) fließt,(I x ) flows between the word (20) and the bit line (10) through the layer (40) with an electrical resistance (R x ),
- Umwandeln einer Leistung (Pw) des Stromes (Ix) in eine Er- wärmung der Schicht, so daß die Ubergangstemperatur (Tkrit) in der Schicht (40) überschritten wird, wobei das Phasenwechselmaterial in eine amorphe Phase übertritt, - zum Speichern eines ersten logischen Wertes ("0") in der Schicht (40) Reduzieren der Spannung auf einen zweiten Wert, welcher kleiner als der erste Wert ist, um die Schicht langsam abzukühlen, wobei das Phasenwechselmaterial der Schicht (40) von der amorphen Phase in eine kristalline Phase übertritt, oderConverting a power (P w ) of the current (I x ) into a heating of the layer so that the transition temperature (T kr i t ) in the layer (40) is exceeded, the phase change material changing into an amorphous phase, - to store a first logic value ("0") in the layer (40) reducing the voltage to a second value which is less than the first value in order to slowly cool the layer, the phase change material of the layer (40) being different from the amorphous phase changes into a crystalline phase, or
- zum Speichern eines zweiten logischen Wertes ("1") in der Schicht (40) Reduzieren der Spannung auf einen dritten Wert, welcher kleiner ist als der zweite Wert, um die Schicht (40) schnell abzukühlen, wobei das Phasenwechselmaterial der Schicht (40) in der amorphen Phase verbleibt.- for storing a second logic value ("1") in the layer (40) reducing the voltage to a third value, which is smaller than the second value, in order to cool the layer (40) rapidly, the phase change material of the layer (40 ) remains in the amorphous phase.
10. Verfahren zum Auslesen einer Information aus der nichtflüchtigen, integrierten Speicherzelle (4) nach einem der An- Sprüche 1 bis 7, umfassend10. A method for reading information from the non-volatile, integrated memory cell (4) according to one of claims 1 to 7, comprising
- Anlegen einer Spannung zwischen der Wortleitung (20) und der Bitleitung (10) , so daß ein Strom (Ix) zwischen der Wort- (20) und der Bitleitung (10) durch die Schicht (40) mit dem Phasenwechselmaterial fließt, - Messen der Stärke des durch die Schicht umfassend das Phasenwechselmaterial fließenden Stromes (Ix) durch die Auswerteeinheit ,- applying a voltage between the word line (20) and the bit line (10) so that a current (I x ) between the word (20) and the bit line (10) flows through the layer (40) with the phase change material, Measuring the strength of the current (I x ) flowing through the layer comprising the phase change material through the evaluation unit,
- Vergleich der gemessenen Stärke des Stromes (Ix) mit einem Referenzwert , - Zuordnen eines logischen Wertes ("0", "1") in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis. - Comparison of the measured strength of the current (I x ) with a reference value, - Assignment of a logical value ("0", "1") depending on the comparison result.
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