DE2536809C2

DE2536809C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Rückstellen stromfadenbildender Speicherzellen

Info

Publication number: DE2536809C2
Application number: DE2536809A
Authority: DE
Inventors: William D. Troy Mich. Buckley
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1974-08-19
Filing date: 1975-08-19
Publication date: 1985-05-15
Also published as: US3922648A; JPS589517B2; GB1498110A; JPS5145937A; DE2536809A1

Description

oder
C =
und
D =
oder
D =

5 bis 60 Atom-%.
30 bis 90 Atom-%,

0 bis 10 Atom-%, wenn X Antimon oder Wismut ist.

0 bis 40 Atom-%. wenn X Arsen ist,

0 bis 10 Atom-%, wenn Y Schwefel ist.

0 bis 20 Atom-%, wenn Y Selen ist.

Verfahren und Vorrichtung zum Rückstellen stromfadenbildender Speicherzellen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rückstellen von Speicherzellen mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Speicherzellen (Speicherschaltvorrichtungen) dieser Art sind in der US-PS 32 71 591 beschrieben. Ihre wichtigste, jedoch nicht einzige Anwendungsmöglichkeit ist die Speicherung von Nachrichten in einer auf einem Halbleitersubstrat, ζ. b. nach der US-PS 36 99 543 integrierten Speicheranordnung.

Die Speicherschaltvorrichtungen, für die die Erfindung besonders nützlich ist, sind vorzugsweise aus einem amorphen Halbleitermaterial gebildet, das einen amorphen Film aus chalcogenidem Glas auf Tellurbasis der folgenden allgemeineil Formel gebildet ist:

worin:

A = 5bis60Atom-%
B = 30 bis 95 Atom-%

C = 0 bis 10 Atom-%, wenn X Antimo-. oder Wismut ist,

= 0 bis 40 Atom-%, wenn X Arsen ist,
= 0 bis 10 Atom-%, wenn Y Schwefel ist.

D = 0 bis 20 Atom-%, wenn Y Selen ist
Eine bevorzugte Zusammensetzung ist
Ge₂₄Te₇₂Sb₂S₂.

Solche Speicherschaltvorrichtungen sind insbesondere bistabile Vorrichtungen mit zwei Anschlüssen; der Film des Sp jicherhalbleitermaterials ist aus einem stabilen Zustand hohen Widerstandes in einen stabilen Zustand niedrigen Widerstandes umschaltbar, indem ein an den in einem Abstand voneinander befindlichen Anschlüssen bzw. Elektroden dieses Filmes angelegter rechteckiger oder schrägflankiger Einstellungsimpuls von verhältnismäßig langer Dauer (beispielsweise 1/2 bis 100 ms oder darüber) mindestens zu Beginn einen sogenannten Schwellenspannungswert überschreitet. Dieser Wert basiert auf einer kontinuierlichen Gleichspannung oder einer lai.gs^m ansteigenden Spannung. (Wenn ein Impuls mit steüen Flanken von sehr kurzer, in Mikrosekunden gemessener Dauer zur Wirkung gebracht wird, erfordert das Umschalten der Vorrichtung in einen Zustand niedrigen Widerstandes eine erheblich höhere Schaltspannung.) *ΞίΠ solcher Einstellspannungsimpuls bewirkt einen elektrischen Stromfluß innerhalb eines schmalen Pfades von im allgemeinen weniger als ΙΟμίτι Durchmesser. Der Einstellstromimpuls erhitzt das Halbleitermaterial bis über seine Glasübergangsund Kristallisationstemperatur, bei der unter der verhältnismäßig langen Dauer ausreichend Hitze angesammelt wird, um nach Beendigung oder langsamer, allmählicher Verminderung des Einstellstromimpulses ein langsames Kühlen des Matriais zu bewirken, so daß das Material im Pfad kristallisiert. Einstellstromimpulse haben im allgemeinen einen Wert von 0,5 bis ca. 15 mA, obwohl sie für die meisten Speicherschaltanwendungen im allgemeinen ziemlich unter 10 mA liegen. Die Größe des Einstellstromimpulses wird von der Amplitude des Einstellspannungsimpulses bei offenen? Stromkreis und vom gesamten Reihenwiderstand des Stromkreises einschließlich der Speichervorrichtung bestimmt
Ein kristallisierter fadenförmiger Pfad von geringem Widerstand bleibt unbegrenzt erhalten, auch wenn die angelegte Spannung und der Strom unterbrochen werden, bis der Pfad Ln seinen ursprünglichen amorphen Zustand hohen Widerstandes rückgestellt wird.

ίο Der eingestellte, kristallisierte Pfad kann im allgemeinen zerstört werden, indem ihm ein oder mehrere Rückstellstromimpulse von verhältnismäßig kurzer Dauer in der Größenordnung von 10 μ^ zugeführt werden. Ursprünglich nahm man an, daß zum vollständigen Rückstellen eines eingestellten kristallinen Pfades, der beispielsweise mittels eines Einstellstromimpulses von ca. 7 mA eingestellt wurde, ein oder mehrere Rückstellstromimpulse in der Größenordnung von 100 mA und darüber gebraucht werden, da nur so der ganze Pfad des Halbleitermaterials auf eine Temp^-atur oberhalb der KristaUisations- und Schmelztemperatur des Materials erhitzt werden könnte, bei denen mindestens der kristalline Pfad zum Schmelzen gebracht oder in anderer Weise zu der ursprünglichen amorphen Masse rückgebildet werden könnte.- Wenn ein solcher Rückstellstromimpuls beendet wird, kühlt das Material schnell ab und es bleibt eine allgemein amorphe Masse zurück, die der ursprünglichen gleicht Es bedarf mitunter einer Anzahl von Rückstellstromimpulsen, um einen vorher eingestellten Pfad in einen Zustand zurückzuführen, bei dem er vollends rückgestellt zu sein scheint.

Obwohl die Werte des Widerstandes und der Schwellenspanmung eines zurückgestellten Pfadbereiches darauf hindeuten, daß dieser mit Ausnahme einiger nicht rückstellbarer Kristalliten, die gewährleisten, daß spätere kristalline Pfade an der gleichen Stelle gebildet werden, vermutlich vollends in seinen ursprünglichen, amorphen Zustand zurückgestellt worden ist, wurde festgestellt, daß der zurückgestellte Pfad häufig inhomogen ist, indem kristallisierbare Elemente, wie Tellur, in verschiedenen Konzentrationsgraden vorhanden sind. Es wurde festgestellt, daß die amorphen Bereiche, die höheren Konzentrationen des kristallisierbaren Elementes oder der kristallisierbaren Elemente als normal enthalten, bei erhöhten Temperaturen innerhalb normaler Umgebungstemperaturbereiche (die üblicherweise 70⁰C oder mehr erreichen) fortschreitend kristallisieren könnten. Derartige erhöhte Temperaturen sind in verschiedenen Anwendungsfällen von Speicherschaltern

so nicht unüblich. Eine solche fortschreitende Kristallisation führt zu einer fortschreitenden Verschlechterung oder einem Verfall der Schwellenspannung des Halbleiterrr^tprials. Diese Schwierigkeit wurde teilweise dadurch überwunden, daß durch einen scheinbar voll rückgestellten Pfadbe;cich eine Anzahl zusätzlicher Rückstellstromimpulse geschickt wurde, die den Bereich (mit Ausnahme der erwähnten wenigen nicht-rückstellbaren Kristalliten) homogenisieren. Dabei wurden bei einerri Rückstellvorgang acht Rückstellstromimpulse von je 150 mA in Zeitabständen von 100 ms verwendet.

Gemäß der US-PS 36 99 543 ist eine Speicbranordnung in und auf einem Halbleitersubstrat oder -träger, beispielsweise einem Siliciumchip gebildet, das zur Bildung von in Abständen voneinander liegenden, parallele Y- oder X-Achsleitei bildenden Bereichen innerhalb des Körpers dotiert ist, die voneinander durch isolierende Bereiche entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps getrennt sind. Das Substrat ist ferner zur Bildung einer Isolier-

vorrichtung, beipielsweise eines Transistors oder einer Diode, an jedem aktiven Kreuzungspunkt dotiert, der durch den Punkt bestimmt ist, an dem ein an der isolierten Oberfläche des Substrates aufgetragener oder niedergeschlagener X- oder y-AchsIeiter quer zu einem dotierten Y- oder -Y-Achsleiter in dem Substrat verläuft. An jedem Kreuzungspunkt der Anordnung befinden sich Substratanschlüsse, die ursprünglich durch Öffnungen in einem äußeren Isolierfilm auf dem Substrat freiliegen, und die Speicheranordnung weist in ihrer bevorzugten Form über jedem Substratanschluß an jedem Kreuzungspunkt eine Speicherschaltvorrichtung einschließlich eines dünnen Filmes aus amorphem Speichyrhalbleitermatenal mit z. B. weniger als 2 μπι Dicke auf. Jeder Film aus Speicherhalbleitermaterial ist auf diese Weise mit der zugeordneten Isoliervorrichtung zwischen den betreffenden Y- oder X-Achsleitern in Reihe geschaltet. Die Kosten und die Gedrungenheit sünsr solchen S'^eichersnordnun⁰' HaH⁰Cn teilweise ^von der Anzahl der Isoliervorrichtungen und aufgetragenen E^:ilmspeichervorrichtungen je Flächeneinheit in bzw. auf dem Substrat ab. Die Strombelastbarkeitcn sind für die aufgetragenen Filmspeicherschaltvorrichtungen ,größer als für die dotierten Dioden und Transistoren in dem Substrat, und je kleiner die von dei >n dem das Substrat bildenden Siliciumchip gebildeten dotierten Dioden und Transistoren eingenommene Fläche ist, um so niedriger ist der Nennstrom.

Bei dem Ausführungsbeispiel sind typische Werte des Rückstellstromes mit über 100 mA angegeben. Die Notwendigkeit für so hohe Rückstellstromimpulse zum Rückstellen und Homogenisieren des Speicherhalbleitermaterials von Speicherschaltvorrichtungisn würde die praktischen Anwendungsmöglichkeiten von Speicherschaltvorrichtungen in Speicheranordnungen erheblich einschränken, wenn zur Vermeidung hoher Kosten und hohen Raumbedarfs Speicheranordnungen mit Siliciumchipsubstrat mit hoher Packungsdichte mit maximalen Nennstromstärken von weniger als 50 mA und insbesondere vorzugsweise weniger als 1OmA zu fordern wären. Es besteht also ein großes Bedürfnis nach der Möglichkeit, eine in solchen Speicheranordnungen verwendete Speicherschaltvorrichtung mit Rückstellstromimpulsen von weniger als 50 mA und vorzugsweise weniger als 10 mA in verläßlicher Weise zurückzustellen.

Ein Durchbruch bei der Beschäftigung mit der Schwierigkeit der Verminderung der Größe der Rückstellströme auf niedrige Pegel gelang dadurch, daß der kristalline Pfad in einer Speicherschaltvorrichtung vom beschriebenen Ty₁J durch Verwendung einer »Garbe« einer großen Anzahl von Rückstellstromimpulsen von je einer Amplitude zerstört werden kann, die nur als kleiner Bruchteil der Amplitude gilt, die bisher zur Erzielung des Rückstellen des gesamten fadenförmigen Strompfades für erforderlich gehalten wurde. Die bei der Durchführung dieser Rückstelltechnik vei-wendeten Rückstellstromimpulse wurden durch eine Quelle konstanten Stromes geliefert, die eine variable Spannung erzeugte, die auf einen Wert unterhalb der Schwellenspannung derjenigen vollständig zurückgestellten Speicherschaltvorrichtung beschränkt war, die die niedrigste erwartete Schwellenspannung hatte, so daß die Schwellenspannungswerte aller Speicherschaltvorrichtungen, an die die Stromquelle angelegt wurde, trotz der etwas variierenden Schwellenspannungswerte der verschiedenen einzelnen Speicherschaltvorrichtungen der Anordnung auf identische oder nahezu identische Werte stabilisieni wurden. Der Schwellenspannungswert eines Pfades der fortschreitend rückgestellt wird, nimmt mit dem Grad der erzielten Rückstellung allmählich zu. Wenn die Schwellenspannung des teilweise rückgestellten Pfades der in Rückstellung begriffenen Speicherschaltvorrichtung die maximal mögliche Lieferspannung der Rückstellstromquelle mit konstantem Strom überschreitet, die mit Absicht auf einem Wert unterhalb des maximal möglichen Wertes eingestellt ist, kann die Spcicherschaltvorrichtung nicht mehr durch irgendwelche später erzeugten Rücksiellspannungsimpulse leitend gemacht werden, und es ist also kein weiteres Rückstellen mehr möglich. Es gibt dann keine Möglichkeil, den Pfadbereich zu homogenisieren, um einen Schwellenverfall unter Bedingungen erhöhter Temperatur zu verhindern, da unter diesem Ruckstellvorgang die Vorrichtung niemals vollständig zurückgestellt wird und keine Rückstellstromimpulse erhält, die einen vollständig /uriirkgestellten pf_ac) homogenisieren. Wenn ferner bei einer solchen Rückstelltechnik mit beschränkter Spannung die maximale Lieferspannung der Quelle konstanter Stromstärke geringer ist als die mindeste Schwellenspannung sämtlicher rückzustellender Speichervorrichtungen, muß der Abstand der Rückstellstromimpulse derart sein, daß die Temperatur des teilweise rückgestelltcn Pfades im wesentlichen bis auf Raumtemperatur sinkein kann, bevor der nächste Rückstellstromimpuls auftritt, 'jamit die gewünschte Übereinstimmung der Schwellenspannungswerte erzielt werden kann.

Eine Technik des fortschreitenden Rückstellen laut obiger Beschreibung, bei der be· jedem Rückstellvorgang automatisch eine identische Schwellenspannung, unabhängig von der tatsächlichen Schwellenspannung der in voller Rückstellung begriffenen Speicherschaltvorrichtung hergestellt wird, würde anscheinend das Problem des Schwellenwertverfalles vollständig vermeiden. Es wurde jedoch unerwarteterweise festgestellt, daß die Schwellenspannung solcher teilweise rückgestellter Speicherschaltvorrichtungen eine fort-

schreitende Verschlechterung erfährt, wenn diese wiederholten Einstell- und Rückstellvorgängen des bisher durchgeführten Typs unterworfen werden. Die Größe diese:; Schweilenwertverfalles nimmt mit der Anzahl der hei jedem Rückstellvorgang verwendeten Rück-

Stellstromimpulse ab. Dieser Schwellenwertverfall bei wiedeTholtem Einstellen und Rückstellen tritt auch bei homogenisierten, vollständig rückgestellten Speicherschallvorrichtungen auf. Hier schafft also die Dicke eines Speicherhalbleiterfilms eine Schwellenspannung

von beispielsweise 14 V bei Raumtemperatur, wenn die Matrix frisch hergestellt ist und den üblichen Prüfungen unterzogen wird, bei denen die Speichervorrichtung ca. 20 bis 30mal eingestellt und rückgestellt wird, jedoch nimmt die Schwellenspannung nach weiterem 1 OOOmaligern Ein- und Rückstellen fortschreitend bis unter 8 V ab. Ein solcher Schwellenverfall verursacht ernsthafte Schwierigkeiten, wenn die Lesespannung eine so abgesunkene SchweUenspannung überschreitet, da dann die Lesespannung alle nicht-eingestellten Speichervorrich-

tungen, an die sie angelegt wird, einstellt und die in der betreffenden Matrix gespeicherte Binärschicht zerstört. Eine bisher typischerweise verwendete Ausgabespannung liegt in der Gegend von 5 V, und die dabei verwendete Einstellspannung liegt in der Gegend von 25 V.

Nun würde man nicht annehmen, daß der beschriebene Schwellenverfall ein ernstliches Problem darstellt, solange die SchweUenspannung der Filme 5 V (oder den sonstigen Pegel der Lesespannungen unter Berücksich-

tigung der auftretenden tolerierten Abweichungen) nicht erreichen. Eine Speichervorrichtung mit einer gegebenen ursprünglichen Schwellenspannung bei Raumtemperatur hat jedoch eine erheblich niedrigere Anfangsschwellenspannung bei wesentlich höheren Umgebungslemoraturen, so daß beispielsweise eine Speichervorrichtung mit einer Schwellenspannung von 8 V bei RauyrZemperatur eine Schwellenspannung von nur 5 V bei Umgebungstemperaturen von 100°C haben kann. Ein Schwellenverfall kann daher, bei Geräten, die bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden sollen oder für die bei solchen ein verläßlicher Betrieb garantiert werden soll, besonders gefährlich sein. (Es ist außerdem darauf hinzuweisen, daß Schwellenspannungen mit abnehmender Umgebungstemperatur steigen, so daß die Dicke eines Speicherhalbleiterfilmes durch die bei einem gegebenen System verwendeten genormten Einstellspannungen begrenzt ist.) In jedem Falle icuuniei ein, daß es wichtig m, dau die Speit her Vorrichtungen der erwähnten Speichermatrizen eine ziemlich stabilisierte Schwellenspannung für eine gegebene Bezugs- oder Raumtemperatur haben, damit die Verläßlichkeit der Matrix über eine sehr lange nutzbare Lebensdauer innerhalb breiter Temperaturbereiche, wie vonObis 100° C. gewährleistet werden kann.

Wie in der DE-OS 24 43 178 bereits vorgeschlagen, wurde eine merkliche Stabilisierung der Schwellenspannung einer Speicherschaltvorrichtung vom Pfadtyp nach einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Einstell- und Rückstellvorgängen (unter Verwendung von vollständig rückstellenden Rücksteilstromimpulsen beim Rückstellen) erreicht, wenn bei der Herstellung dieser Vorrichtungen mindestens eine der Elektroden einen Grenzflächenbereich zwischen Elektrode und Halbleiter mit einer wesentlichen Anreicherung (d. h. hohen Konzentration) des Elementes erhält, das sonst

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stellenden Pfad aus Halbleitermaterial zur Elektrode wandern würde. Bei dem Beispiel einer Germanium-Tellur-Masse als Speicherhalbleiter wird also ein Tellurbereich von weit höherer Konzentration als der in der amorphen Masse des Halbleitermaterials in der Nähe der positiven Elektrode mindestens an dem Punkt vorgesehen, an dem der aus kristallinem Tellur bestehende Pfad des Halbleitermaterials endet. Der Schwellenverfall dürfte durch Ionenwanderung (Elektromigraiion) von Tellur während des Fließens des Rückstellstromes verursacht werden, deren Ausmaß zu der jeweiligen Stromdichte in direkter Beziehung zu stehen scheint. Eine solche Elektromigration des Tellurs führt zum Aufbau einer fortschreitend größeren Dicke von kristallinem Tellur bei der einen der betreffenden Elektroden, wodurch die Schwellenspannung der Speicherschaltvorrichtung fortschreitend vermindert wird, bis zwischen der Wanderung der Telluratome während des Fließens des Rückstellstromes und einer Rückdiffusion in die allgemein amorphe Masse des rückgestellten Pfadbereiches nach Unterbrechung des Rückstellstromfiusses das Gleichgewicht erreicht ist. Die ursprüngliche Anreicherung mit Tellur in dem Bereich nächst der betreffenden Elektrode verminderte die Anzahl der Einstell- und Rückstellvorgänge, wie anscheinend zur Erzielung eines stabilen Gleichgewichtes der Elektromigration und der Diffusion erforderlich. Obwohl bei der Fertigung der erwähnten, verhältnismäßig wenigen geprüften Speicherschaltvorrichtungen eine vorteilhate anfängliche Schwellenstabilisierung mit einigen wenigen Einstell- und Rückstellvorgängen (unter Verwendung von Rücksteilstromimpulsen von 8 bis 150 mA und 6 μ5 Dauer in Abständen von 100μ5) erzielt werden konnte, hat sich nachher gezeigt, daß die beobachtete Schwellenspannungsstabilisierung bei den meisten geprüften Speichcrschaltvorrichtungen -nicht unbegrenzt erhalten blieb.

Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, auf einfache Weise für einen stabilisierten Schwellenspannungswert zu sorgen, der sowohl für sich wiederholende Einstell- und Rückslellvorgänge als auch für erhöhte Umgebungstemperaturen zuverlässig beibehalten wird.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen derselben beansprucht.

Die Erfindung basiert auf der unerwarteten Feststellung, daß ein Schwellenwertverfall unter wiederholtem Einstellen und Rückstellen einer Speicherschaltvorrichiung der ucschiieueficn Alt ifi'i wesentlichen däduiCn ausgeschaltet werden kann, daß eine Rückstelltechnik verwendet wird, bei der nacheinander eine Anzahl von teilweise oder vollständig rückstellenden Spannungsimpulsen, die sich auf dem zu erhitzenden Pfad als Stromimpulse auswirken, zugeführt wird, wobei in erster Linie der Abstand und in zweiter Linie die Dauer der bei jeder Rückstelltätigkeit verwendeten Rückstellimpulse gesteuert wird. Es wurde auch gefunden, daß aus praktischen Gründen die Anzahl der Rückstellimpulse in jeder Garbe solcher Impulse, die bei der Durchführung eines Rückstellens verwendet werden, nicht übermäßig groß sein sollte, selbst wenn ihre Anzahl ausreichen muß, um nicht nur den betreffenden Pfad vollständig rückzustellen, sondern auch bei Bedarf den vollständig rückgestellten Pfad zu homogenisieren. Dementsprechend wurde beispielsweise eine Schwellenwertverschlechterung vermieden, wenn jeder Rückstellvorgang aus einer

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als 100 Rücksteilstromimpulsen (beispielsweise 40 bis 60 Impulsen) bestand, von denen jeder weniger als 10 μ, beispielsweise 3 μ5, dauerte und deren Abstände im wesentlichen weniger als 10 μβ, beispielsweise 3 \is, betrugen, was weniger als das Doppelte und vorzugsweise ziemlich viel weniger als der einfache Wert der thermischen Zeitkonstante bzw. Erholungzeit der Vorrichtung ist.

Der betreffende Pfadbereich wird zwischen den Rückstellimpulsen noch nicht volltändig auf Raumtemperatur abgekühlt, sondern erreicht vielmehr eine Temperatur zwischen der Rückstell- und der Umgebungstemperatur. Wenn der Abstand der Impulse zu eng wird, tritt zwischen den Impulsen gar keine wesentliche Abkühlung auf, und die aufeinanderfolgenden Impulse wirken ähnlich einem einzigen Impuls, dessen Gesamtdauer dem von der Rückstellimpulsgarbe eingenommenen Zeitraum entspricht, und diese bewirken somit eher ein Einstellen als ein Rückstellen.

Das Auftreten eines Schwellenspannungsverfalls bei einer Garbe von Rückstellimpulsen der gewünschten Breite und den gewünschten Abständen, deren Anzahl sich jedoch der Zahl von 100 Impulsen nähert, ist in der Tat rätselhaft In ähnlicher Weise rätselhaft ist das Auftreten eines Schwellenspannungsverfalles bei Verwendung einer begrenzteren Anzahl von Impulsen in einwandfreien Abständen bei Impulsbreiten in der Gross Beiordnung von 10 u.s oder darüber.

Die Wichtigkeit eines engen Abstandes der Rückstellimpulse bei jeder Rückstellimpulsgarbe ist jedoch durch die Theorie erklärbar, daß der Schweilenwertverfall die

Folge eines Ungleichgewichtes zwischen der Ionenwanderung ζ. B. des Tellurs während des Fließens des Rückstellstromes und der Diffusion desselben in der anderen Richtung zwischen den Rückstellimpulsen ist. Für Rückstellstromimpulse in Abständen von weniger als der thermischen Zeitkonstanten des betreffenden amorphen Halbleiterfilmes ist der Pfadbereich noch heiß, wenn der nächste Rückstellimpuls eintrifft. Folglich besteht ein Bereich böherer Leitfähigkeit, und dies hat eine niedrigere maximale Stromdichte und eine Verminderung der Ionenwanderung zur Folge. Wenn die während des Fließens des Rückstellstromes bestehende Ionenwanderung derart vermindert ist, wird sie durch die Diffusion, die nach Beendigung jedes Rückstellimpulses besteht, ausgeglichen.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird die Erkenntnis der Wichtigkeit der Impulsbreite und des Impulsabstandes auf das fortschreitende Rückstellen der kristallinen Pfade bzw. »Fäden« der Speicherschaitvorrichtungen des beschriebenen Typs mit niedrigerer Stromstärke in einer Weise angewendet, die zu einer Homogenisierung nach vollständiger Rückstellung derselben führt und somit einen Schwellenwertverfall verhindert, wenn die Speicherschaltvorrichtung unter hohen Umgebungstemperaturen geschaltet wird. Hierzu kann das fortschreitende Rückstellen mit kleinen Rückstellstromimpulsen unter Verwendung einer Rückstellenergiequelle konstanter Stromstärke erzielt werden, die für jeden Rückstellvorgang eine Garbe von ca. 20 bis 80 Rückstellstromimpulsen in Abständen von nicht mehr als dem einfachen Wert der thermischen Zeitkonstante bzw. Erholungszeit des rückzustellenden Speicherhalbleitermaterials erzeugt und deren maximale Eingangsspannung auf einen Wert eingestellt ist, der höher ist als die höchste Schaltspannung aller rückzustellender Speicherschaltvorrichtungen. In einem solchen Falle werden Rückstellstromimpulsgarben den

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cherschaltvorrichtungen zugeführt, um eine vollständige Homogenisierung des Speicherhalbleitermaterials und einen stabilisierten Schwellenwert sowohl unter Bedingungen hoher Temperatur und bei wiederholtem Einstellen und Rückstellen derselben sicherzustellen.

Zusammenfassend kann ausgesagt werden: Die Anzahl der Einstell- und Rückstellvorgänge, bis zu welcher eine amorphe Speicherschaltvorrichtung vom Pfad ohne Schwellenwertverfall betrieben werden kann, ist, wie unerwarteterweise festgestellt wurde, eine Funktion der Breite sowie der Zahl der zur Durchführung jedes Rückstellvorganges verwendeten Rückstellstromimpulse sowie deren Abstand. In einem Falle wurde festgestellt, daß jeder Rucks teil Vorgang aus einer Garbe von mindestens ca. 10 und vorzugsweise ca. 40 bis 60 Rückstellstromimpulsen bestehen sollte, damit eine Homogenisierung des rückgesteilten Pfades bewirkt wird, und daß jeder Rückstellstromimpuls eine Breite von wesentlich weniger als 10 us haben sollte und die !mpulsabstände wesentlich geringer als die zur Wiederherstellung des Schwellenwertes der Speicherschaltvorrichtung erforderliche Zeitspanne und vorzugsweise weit geringer als 10 us sein sollten. Eine solche Garbe aus einer großen Anzahl von Rückstellstromimpulsen ist besonders nützlich beim Rückstellen von Speicherschaltvorrichtungen in Schaltungen mit sehr niedriger Nennstromstärke. In einem solchen Falle sind die RücksteUstromnnpulse in der einleitenden Gruppe Rüekstellstromimpulse niedriger Amplitude, den den faüenförmigen Pfad vollständig rückstellen; und die nachfolgenden Rückstellstromimpulse solche zum Homogenisieren des fadenförmigen Pfades.

F i g. 1 ist ein schematisches Diagramm, teilweise in Blockform zur Veranschaulichung einer Speicheranordnung mit einer Speicherschaltvorrichtung und einer Trennvorrichtung an jedem Kreuzungspunkt sowie Einstell-Rückstell- und Lesespannungsquellen und Schalteinrichtungen zum wahlweisen Anschließen einer der Spannungsquellen an die Anordnung zum Eingeben (Schreiben) und Ausgeben (Lesen) von Nachrichten sowie zum Rückstellen der Speicheranordnung (Löschen der Nachrichten):

F i g. 2 ist ein Schnitt durch eine Speicherschalt- und -Trennvorrichtung an einem Kreuzungspunkt einer bcvorzugten Ausführungform der Speicheranordnung, bei der die Erfindung eine ihrer wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten hat, in größerem Maßstab;

F i g. 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Strom-Spannungskurve der Speicherschaltvorrichtungendei AnuidriunggciTiSß Tig. S;

Fig.4 zeigt ein vereinfachtes Schema der Schaltung während des Einsteilens einer der Speicherschaltvorrichtungen der Speicheranordnung gemäß Fig. 1 und 2 in den Zustand niedrigen Widerstandes;

F i g. 5 zeigt ein vereinfachtes Diagramm des Schaltzustandes während des Rüekstcllcns einer der Speicherschaltvorrichtungen der Speicheranordnung gemäß F i g. 1 und 2 in einen Zustand hohen Widerstandes;
Fig.6 zeigt ein vereinfachtes Diagramm des Schaltzustandes wähend des Lesens von Nachrichten aus einem gewählten Kreuzungspunkt der Speicheranordnung gemäß F ig. 1;

Fig. 7A und Fig. 7B zeigen beispielsweise Wellenformen von Spannungs- und Stromimpulsen, die in der Schaltung der Speicheranordnung gemäß Fig. 1 während des Eingehens von Nachrichten in die Speicheranordnung gemäß Fig. 1, der Ausgabe von Nachrichten aus dieser und des Rückstellen^ derselben auftreten:
Fig.8 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung von

Einstell- und Rückstellvorgängen, die an einer Speicherschaltvorrichtung ähnlich der gemäß Fig.2 zur Wirkung gebracht werden müssen, um ihren Schwellenspannungswert fortschreitend von einem Anfangswert von 14 auf einen Endwert von 8 V zu verschlechtern, wenn jeder Rückstellvorgang durch eine Garbe von Rückstellimpulsen von 1 μ5 Dauer und einer wechselnden Anzahl sowie wechselnden Abständen herbeigeführt wird;
Fig.9 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Anzahl von Einstell- und Rückstellvorgängen, die an einer Speicherschaltvorrichtung ähnlich der gemäß F i g. 2 zur Wirkung gebracht werden müssen, um ihren Schwellenspannungswert fortschreitend von dem Anfangswert von 14 V auf 8 V zu verschlechtern, wenn jeder Rückstellvorgang durch eine Garbe von 10 Rückstellimpulsen in Abständen von 5 us bewirkt wird und die Impulsbreite fortschreitend variiert wird:

F i g. 10 zeigt Kurven zur Veranschau'ichung der Änderung des Schwellenspannungswertes einer Speicher-

schaltvorrichtung ähnlich jener gemäß F i g. 2 mit der Anzahl von Einstell- und Rückstellvorgängen und für Rückstellimpulse wechselnder Breite, wenn der Rückstellvorgang durch eine Garbe von 10 Rückstellstromimpulsen in Abständen von 5 μ5 bewirkt wird;

Fig. HA zeigt die Wellenform der Ausgangsspannüüg der Impu'squeüe für den RücksteHstrom, die für das Rückstellen einer ausgewählten Speicherschaltvorrichtung in der Speicheranordnung gemäß F i g. 1 betä-

tigbarist;

Fig. t IB veranschaulicht die Änderung der Schwellenspannucgswerte der Speicherschaltvorrichtung während ihrer fortschreitenden Rückstellung durch aufeinanderfolgenden Rückstellspannungsimpulse gemäß Fig. HAund

F i g. 1 IC zeigt die als Folge der Rückstellspannungsimpulse gemäß Fig. HA fließenden Rückstelistromimpulsc.

In F i g. 1 ist schematisch eine Speicheranordnung 2 dargestellt, die eine Gruppe von zueinander parallelen X-Achsleitern Xl. X2 ... Xn und eine Gruppe von zueinander parallelen Y-Achsleitern Vl, Y2... Ynaufweist, welch letztere sich quer zu den X-Achsleitern erstrecken, so daß Zeilen und Spalten von Kreuzungspunkten gebildet sind. An jedem Kreuzungspunkten zwischen einem .Y-Achsleiter und einem Y-Achsleiter sind zwischen diese eine Speicherschaltvorrichtung 4 der oben beschriebenen allgemeinen Ausbildung sowie eine Trennvorrichtung 6 geschaltet, die vorzugsweise ein pn-übergang oder eine Diode ist. Bei der wichtigsten Anwendung der Erfindung sind die Leiter der einen der genannten Gruppen, beispielsweise die Y-Achsleiter und die trennenden pn-Übergänge oder Dioden 6 unter Verwendung mehr oder weniger herkömmlicher Dotierungstechniken in ein Halbleitersubstrat, das ein Siliciumchip sein kann, integriert. Die V-Achsleiter und die Spcicherschaltvorrichtungen 4 sind vorzugsweise in einer noch eingehender zu beschreibenden und in F i g. 2 veranschaulichten Weise als auf das Substrat aufgetragene Filme gebildet

Obwohl es verschiedene Möglichkeiten gibt, verschiedene Spannungsquellen mit den X- und Y-Achsleitern zu verbinden, um das Eingeben (oder Einstellen), Rückstellen und Lesen bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung zu bewirken, geschieht dies hier mit Hilfe einer mehr oder weniger herkömmlichen X-Leiter-Bitauswahlschalteinheit 8 und einer Y-Leiter-Worlauswahlschalteinheit 10. Die A"-Leiter-Bitauswahlschalteinheit 8 hat eine Anzahl von Binärcodecingangsklemmen Bl₁ B2, ... Bn, und die V-Leiter-Wortauswahlschalteinheit 10 hat eine Anzahl von Binärcode-Eingangsklemmen IVl, W2,... Wn. Für jede nutzbare Kombination von binär codierten Signalen, die an den Binärcode-Eingangsklemmen B 1, B 2 Bn auftreten, ist eine Eingangsklemme 8a der Schalteinheit 8 mit einem anders bezeichneten X-Achsleiter verbunden. In ähnlicher Weise verbindet die Y-Lciter-Wortauswahlschalteinheit 10 je nach der Kombination der ihren Eingangsklemmen Wi, W2... Wnzugeführten Kombination von binär codierten Signalen eine ihrer Eingangsklemmen 10a mit einem ausgewählten V-Achsleiler. Wie dargestellt, ist die Erdungsklemme (Bezugsklemme) 12 mit der liingangsklemme 10a der Y-Leiter-Wortauswahlschalteinheit 10 verbunden, so daß der ausgewählte Y-Achs!eiter geerdet wird. Bei einem Einstell-Rückstell- oder Lesevorgang sind die Einstell-Rückstell- bzw. Lesestromquelle 14,20 bzw. 26 über ein zugeordnetes UND- und ODER-Gatter mit der Eingangsklemme 8a der Schalteinheit 8 verbunden.

Bei der besonderen in F i g. 1 dargestellten Speicheranordnungsschaltung ist die Einstellstrornquelie 14 mit einem der Eingänge 16a eines UND-Gatters 16 verbunden, dessen anderer Eingang 166 mit einer Einstell-Ansteuerleitung 18 verbunden ist, an der ein Signalimpuls auftritt wenn auf eine gewählte Speicherschaltvorrichtung 4 an einem bestimmten ausgewählten Kreuzungspunkt der Speicheranordnung 2 eine Nachricht geschrieben (eingegeben) werden soll. Der Ausgang lbc des UND-Gatters ,16 ist mit dem Eingang 32a eines ODER-Gatters 32 verbunden, dessen Ausgang 32b mit der obengenannten Eingangsklemme 8a der X-Leiter-Bitschalteinheit 8 verbunden ist. In ähnlicher Weise ist die Rückstellstromquelle 20 mit einem der üingänge 22a eines UND-Gatters 22 verbunden, dessen anderer Eingang 22b mit einer Rückstellansteuerleitung 24 verbunden ist, die einen Impuls erhält, wenn eine ausgewählte Speicherschaltvorrichtung an einem bestimmten Kreuzungspunkt der Speicheranordnung 2 rückgestellt werden soll. Der Ausgangs 22c des UND-Gatters 22 ist mit einem Eingang 32c des ODER-Gatters 32 verbunden.

Die Lesestromquelle 26 ist mit dem einen Eingang 28a eines UND-Gatters 28 verbunden, dessen anderer Eingang 286 mit einer Leseansteuerleitung 30 verbunden ist, die einen Impuls erhält, wenn aus der Speicheranordnung 2 eine Nachricht gelesen werden soll. Der Ausgangs 28c des UND-Gatters 28 ist mit dem einen Eingangs 32d des ODER-Gatters 32 verbunden. Der Eingang 40a einer Spannungsfühlschaltung 40 ist mit dem Ausgang eines UND-Gatters 38 verbunden, deren einer Eingang 38a mit dem Ausgang des UND-Gatters 28 verbunden ist, das der Lesestromquelle 26 zugeordnet ist. Der andere Eingang 3Sb des UND-Gatters 38 ist mit der Leseansteuerleitung 30 verbunden, so daß die Spannungsfühlschaitung 40 die Ausgangsgröße der Lesestromquelle erfaßt, wenn die Leseansteuerleitung 30 einen Impuls erhält.

Daraus dürfte einleuchten, daß je nach dem, an welcher der Ansteuerleitungen 18,24 oder 30 ein Ansteuerimpuls auftritt, einer der Ausgänge der Impulsquellen 14,20 oder 26 mit der Eingangsklemme 8a der X-Leiter-Bitauswahlschalteinheit 8 während des betreffenden Ansteuerimpulses verbunden wird. Jede Stromquelle 14, 20 und 26 und das zugeordnete UND-Gatter sowie die Ansteuerungseingangsklemme bilden eine Strornimpulsquelle.

F i g. 4, 5 bzw. 6 zeigen die gleichwertige Schaltung der aktiven und einiger inaktiver Teile der Speicheranordnung 2 während des an ihr vorgenommenen Einsteilens, Rückstellen und Lesens.
Die Einstell-Rückstell- und LesestromquelU.i 14, 20 bzw. 26 können je eine herkömmliche Quelle konstanter Stromstärke sein, die ihre Ausgangsspannung automatisch derart anpaßt, daß bis zu einer gegebenen Grenzspannung Stromimpulse einer unveränderlichen Amplitude geliefert werden. (Eine solche Quelle konstanter Stromstärke kann aus einer einstellbaren Gleichspannungsquelle 14a, 20a bzw. 26a bestehen, die mittels einer Stromstärkefühleinrichtung 146, 206 bzw. 26b eingestellt wird, die die Stromstärke erfaßt, indem sie den Spannungsabfall über einen Widerstand 14c, 20c bzw. 26c feststellt)

F i g. 2 zeigt bei 42 vollständig eine der auf einen Siliciumchip als Substrat integrierten Speicherschaltvorrichtungen 4. Einer, Yi, der Y-Achsleiter ist in dem Substrat 42 als η+ -Bereich unmittelbar unterhalb eines n-Bereiches 48 dargestellt, der seinerseits unmittelbar unter einem p-Bereich 50 liegt Der p—Bereich 50 und der n-Bereich 48 des Siliciumchips 42 bilden die Diode 6 an dem betreffenden Kreuzungspunkt und sind, zusammen mit der Speicherschaltvorrichtung 4, zwischen je einen zugeordneten der X- und Y-Achsleiter in Reihe geschaltet. Ein Teil einer Speicherschaltvorrichtung und der zugeordnete η+ -Bereich, der den benachbarten y-Achsleiter Y2 bildet, sind in F i g. 2 gezeigt Jedes

Paar benachbarter η+ -dotierter V-Actsleiter, wie Yl und Y2, sind durch einen p-Bereich 49 voneinander getrennt

Das erwähnte Siliciumchip 42 weist einen Film 42a aus einem Isoliermaterial, beispielsweise Siliciumdioxyd, auf. Dieser Siliciumdioxydfilm ist mit Öffnungen, wie 54, versehen, durch deren jede ursprünglich das Halbleitermaterial des Siliciumchips freiliegt, und Ober dieser Stelle soll eine Speicherschaltvorrichtung 4 angebracht werden. Ober jedem solchen freiliegenden Abschnitt des Siliciumchips wird eine geeignete Elektrodenschicht 55 selektiv (gezielt) aufgetragen, und diese kann eine Schicht aus Palladiumsilicid oder einem anderen geeigneten elektrodenbildenden Material sein. Jede Speicherschaltvorrichtung 4 wird aus einer Schicht aus amorphem Halbleitermaterial 56, vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung, über dem ganzen Isolierfilm 42a aufgetragen und dann durch eine Photoabdeckmaske hindurch weggeätzt, so daß getrennte Bereiche derselben übrigbleiben, die über den öffnungen 54 in dem Isolieriilm 42a zentriert sind, in die sich der Speicherhalbleiterfilm hinein erstreckt. Die Speicherh'.lbleiterschicht 56 ist, wie bereits angedeutet, im besonders bevorzugten Falle ein chalcogenides Material, das als vorweigende Elemente Tellur und Germanium enthält, obwohl die tatsächliche Zusammensetzung des für die Speicherhalbleiterjchicht 56 brauchbaren Speichernalbleitermaterials nach dem allgemeineren Erfindungsgedanken in weiten Grenzen abwandelbar ist.

Obwohl dies für solche Zwecke nicht unbedingt erforderlich ist, wird die Schwellenstabilisierung durch Bildung eines angereicherten Bereiches desjenigen Elementes, das normalerweise gegen die benachbarte Elektrode wandern würde, bei der vorliegenden Tellur-Germanium-Masse also eines mit Tellur angereicherten Bereiches, im Trennflächenbereich zwischen einer eine Barriere bildenden Elektrodenschicht 58 aus hitzebeständigem Metall wie Molybdän, und der Speicherhalbleiterschicht 56 unterstützt. (Die eine Barriere bildende Elektrodenschicht 58 verhindert ein Wandern von Metallionen aus der hochieitfähigen Elektrodenschicht 59 aus Aluminium o. dgl. in die Speicherhalbleiterschicht 56.) Unter einem mit Tellur angereicherten Bereich ist ein Bereich zu verstehen, in dem Tellur in größerer Konzentration vorhanden ist als in der betreffenden Halbleitermasse. Dies kann am besten dadurch erzielt werden, daß eine Schicht 57 aus kristallinem Tellur auf der ganzen Außenfläche der Speicherhalbleiterschicht 56 durch Kathodenzerstäubung aufgetragen wird. Die Tellurschicht 57 erstreckt sich im vorteilhaftesten Falle im wesentlichen über die ganze Außenfläche der Speicherhalbleiterschicht 56 und liegt an der Innenfläche der die Barriere bildenden Metallschicht 58 aus hitzebeständigem Metall an, so daß der Tellurbereich ohne Rücksicht darauf, wo in der Speicherhalbleiterschicht 56 ein fadenförmiger Strompfad 56a gebildet wird, am Ende dieses Strompfades liegt und infolgedessen mit der Schicht 58 aus hitzebeständigem Metall in einem ausgedehnten Bereich mit niedrigem Widerstand in Berührung steht. Die Tellurschicht 57 vermindert daher den Gesamtwiderstand der Speicherschaltvorrichtung 4 in deren leitfähigem Zustand. Über der inneren barrierenbildenden Schicht 58 aus hitzebeständigem Metall befindet sich die äußere, hochleitfähige Metallelektrodenschicht 59 aus Aluminium o. dgl., die, wie dargestellt, ein Teil eines durchgehenden Bandes aus leitfähigem Material, wie Aluminium, ist, das auf der Schicht aus hitzcbcständigem Metall aufgetragen ist und einen der X-Achs-

leiter bildet Durch Auftrag einer Tellurschicht 57 von ausreichender Dicke (eine Schicht aus solchem Tellur mit 0,7 μΐη Dicke reichte bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus, bei dem die Speicherhalbleiterschicht 16 mindestens 1,5 μπι dick war) wurde die Schwellenspannung der Speicherschaltvorrichtung 4 nach einer Verschlechterung von einem Ausgangswert nach ca. 10 bis 20maligem Einstellen und Rückstellen stabilisiert Wie jedoch aus dem folgenden hervorgeht, kann sich diese scheinbare stabilisierte Schwellenspannung nach mehrtausendmaligem Einstellen und Rückstellen möglicherweise fortschreitend weiter verschlechtern, wenn dieses weitere wiederholte Rückstellen nicht entsprechend der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.

Beispiele für die Ausgangsgrößen der Stromquellen für das Einstellen, Rückstellen und Lesen, 14,20, bzw. 26, sind in F i g. 7A dargestellt, und F i g. 7B zeigt unter den entsprechenden Spannungsimpulsen beispielsweise die von den Stromquellen erzeugten Stromstärken. Wie dargestellt ist die Ausgangsspannung der Einstellimpulsquelle 14 höher als der als Schwellengleichspannung (VT) der vollständig rückgestellten Speicherschaltvorrichtung 4 der Anordnung mit der höchsten Schwellenspannung bezeichnete Wert und kleiner als die Durch-Schlagspannung der isolierenden Dioden 6 oder der die V-Achsleiter isolierenden Bereiche 49 des Siliciumchipsubstrates 4Z Damit ein Einstellspannungsimpuls beim Einstellen einer Speicherschal ι vorrichtung 4 aus einem Ausgangszustand hohen Widerstandes in einen Zustand niedrigen Widerstandes möglichst wirksam ist, wird, wie oben beschrieben, eine Impulswellenform von allgemein langer Dauer in der Größenordnung von Millisekunden benötigt. Der von der Rückstellimpulsquelle 20 ausgehende Rückstellimpuls jedoch ist nur von kur7er Dauer, nämlich in der Größenordnung von Microsekunden anstatt von Millisekunden. (Es ist angenommen, daß im Zustand hohen Widerstandes einer Speichervorrichtung ihr Widerstand um so viel höher als jede mit ihr in Reihe geschaltete Impedanz ist, daß damit gerechnet werden kann, daß im wesentlichen die ganze angelegte Spannung an der Speichervorrichtung angelegt ist. bis diese in einen Zustand niedrigeren Widerstandes umgeschaltet wird, bei dem die an ihr wirksame Spannung auf einen ziemlich konstanten, sehr niedrigen Wert abfällt) In dem amorphen Ausgangszustand oder Rückstcllzustand einer Speicherschaltvorrichtung 4 ist deren Speicherhalbleiterschicht 56 meist ein durchwegs amorphes Material, das im wesentlichen als Isolator wirkt, so daß sich die Speichervorrichtung in einem Zustand sehr hohen Widerstandes befindet. Wenn hingegen an ihre Elektroden ein Einstellspannungsimpuls angelegt wird, der den Schaltspannungswert oder den als Gleichspannungsschwclle bezeichneten Wert der Speicherschaltvorrichtung überschreitet, beginnt in der amorphen Halbleiterschicht 56 derselben in einem fadenförmigen Pfad 56a (F i g. 2) ein Strom zu fließen, und dieser Pfad wird über seine Glasübergangstemperatur erhitzt. Der fadenförmige Pfad 56a hat im allgemeinen einen Durchmesser von unter 10 μΐη, und sein genauer Durchmesser hängt von der Stromstärke des hindurchfließenden Stromes ab. Die Stromstärke, die bei Anlegen eines Einstellspannungsimpulses von der betreffenden Quelle auftritt, beträgt im allgemeinen weniger als 10 mÄ. Nach Beendigung des Einstellspannungsimpülses kristallisieren in dem fadenförmigen Pfad ein oder mehrere Elemente der Masse, bei der beispielsweise oben angegebenen Zusammensetzung hauptsächlich Tellur, anscheinend wegen der Gesamterhitzung in dem fadenför-

migen Pfad 56a und dem umgebenden Material infolge der verhältnismäßig langen Dauer des Stromimpulses sowie wegen der Art der kristallisierbaren amorphen Masse der Schicht 56, beispielsweise der beschriebenen Germanium-Tellur-Massen. Dieses kristallisierte Material des fadenförmigen Pfades bildet einen Strompfad geringen Widerstandes, so daß nur eine verhältnismäßig geringe Ausgangsspannung einer Lereimpulsquelle 26 erforderlich ist, um durch den fadenförmigen Pfad 56a einer eingestellten Speicherschaltvorrichtung 4 einen Bezugsstrom hindurchzuschicken.

Fig.3 zeigt Kurven 64 und 66 der Änderung der Stromstärke eines durch eine Speicherschaltvorrichtung 4 fließenden Stromes in Abhängigkeit von der Änderung der angelegten Spannung in rückgestelltem Zustand verhältnismäßig hohen Widerstandes bzw. im eingestellten Zustand verhältnismäßig niedrigen Widerstandes der Speicherschaltvorrichtung. Wenn die Isoliervorrichtung 6 eine Diode ist, verursacht eine in opciTiCutiing ucr l/!uuC ungCiugiC kjpunnung lus zu uC-ren Durchschlagspannung einen nennenswerten Stromnuß durch die Sp^icherschaltvorrichtung. (Die Speicherschaltvorrichtung ist im übrigen eine zweiseitig richtende [bidirektionale] Vorrichtung).

Ein an der dargestellten Anordnung vorgenommener Lesevorgang besteht im Abfragen eines ausgewählten Kreuzungspunktes der Speicheranordnung, das durch Zuführen der Ausgangsgröße der Lesestromquelle 26 7¹J einem ausgewählten X-Achsleiter und gleichzeitiger Erdung des zugeordneten ausgewählten V-Achsleiters geschieht, so daß die Ausgangsgröße der Lesespannun^squelle 26 zwischen dem gewählten X- und Y-Achsleiter während einer vorzugsweise äußerst kurzen Zeitspanne erscheint, die nur einen kleinen Bruchteil der als maximale Anschaltverzögerungszeit einer Speicherschaltvorrichtung bezeichneten Zeitspanne beträgt. Diese Anschaltverzögerungszeit wird im folgenden noch eingehender beschrieben und definiert. Eine mögliche An der Feststellung, ob eine abgefragte Speicherschallvorrichtung an einem bestimmten Kreuzungspunkt sich in ihrem Zustand hohen oder niedrigen Widerstandes befindet, besteht darin, daß mittels der bereits erwähnten Spannungsfühlschaltung 40 die Größe der Ausgangsspannung der Lesestromquelle 26 festgestellt wird, während dem ausgewählten Kreuzungspunkt der Speicheranordnung ein Lesestromimpuls zugeführt wird. Die Spannungsgröße ist verhältnismäßig hoch, wenn die Lescstromquelle 26 bestrebt ist. durch eine rückgestellle Speicherschaltvorrichtung einen Strom konstanter Stromstärke hindurchzuschicken, und ist verhältnismäßig niedrig, wenn die Stromquelle Strom durcti <iinc eingestellte Speicherschaltvorrichtung mit niedrigem Widerstand hindurchschickt. Wichtig ist. daß die maximale Ausgangsspannung der Lesestromquelle 26 geringer ist als die Schaltspannung der betreffenden Vorrichtung, denn wenn ein Leseimpuls die betreffende Speicherschaltvorrichtung leitend machen würde, obwohl sie daduch nicht dauernd in ihren Zustand niedrigen Widerstandes versetzt würde, wäre es schwierig, den Unterschied zwischen einer eingestellten und einer rückgestellten Speicherschaltvorrichtung festzustellen, da die zum Hindurchschicken eines Stromes konstanter Stromstärke durch eine leitende, obwohl nicht permanent eingestellte, Speicherschaltvorrichtung erforderliche Spannung von ähnlicher Größenordnung ist wie die Spannung, die erforderlich ist, um einen Strom der gleichen Stromstärke durch eine vollständig und permanent eingestellte Speicherschaltvorrichtung hindurchzuschicken.

Es ist zu bemerken, daß natürlich andere Möglichkeiten der Feststellung des Zustandes hohen oder niedrigen Widerstandes der Speicherschaltvorrichtung an einem Kreuzungspunkt verwendet werden können. Wenn beispielsweise die Trenndiode 6 vom Emitter-Basis-Obergang eines in das Siliciumchipsubstrat 42 integrierten Transistors gebildet werden sollte, wird der Zustand hohen bzw. niedrigen Widerstandes einer eingestellten

ίο bzw. rückgestellten Speicherschaltvorrichtung aus dem Vorhandensein oder Fehlen eines bedeutenden Kollektorstromes in dem Transistor festzustellen sein.

Wie bereits angedeutet, beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß der Schwellenspannungsverfall von Speicherschaltvorrichtungen der beschriebenen Art, die Bedingungen hoher Umgebungstemperatur und wiederholtem Einstellen und Rückstellen ausgesetzt sind, durch einen Rückstellvorgang erzielt werden kann, bei dem eine Garbe von ungewöhnlich eng aufeinanderfolge gcndcn Strornimpüisen durch den rückzusteiiciiden Faden hindurchgeschickt wird, die den Faden sowohl vollständig rückstellen als auch homogenisieren. Die Abstände zwischen den Rückstellstromimpulsen werden genügend eng gehalten, daß die Temperatur des Fadens nur zu einem Teil gegen die Umgebungstemperatur abgekühlt wird, so daß er zwischen den Rückstellimpulsen verhältnismäßig heiß bleibt. Während die Größe jedes dieser Rückstellstromimpulse wünschenswerterweise sehr niedrig ist, wenn die Speicherschaltvorrichtungen in ein Siliciumchip integriert sind (F i g. 2), kann, wenn es auf eine niedrige Rückstellstromstärke nicht ankommt, jeder Stromimpuls von verhältnismäßig höherer Größe sein, die allein ausreicht, den Faden vollständig in den Zustand hohen Widerstandes rückzustellen. In einem solchen Falle wird zum Homogenisieren des Fadens immer noch eine Anzahl von Rückstellstromimpulsen benötigt, wenn, wie im Falle der zur Zeit gebräuchlichen Speicherhalbleitermaterialien das Material unter Bedingungen nicht ungewöhnlich hoher Umgebungstemperatür kristallisiert.

Zum Nachweis der Wichtigkeit, der Anzahl, der Breite und des Abstandes der Rückstellimpulse in jeder Rückstellimpulsgarbe für das Rückstellen wird nun auf die Diagramme und Kurven der F i g. 8 bis 10 hingewiesen. Die Fig. 8 bis 10 veranschaulichen den Grad des Schwellenspannungsverfalls, soweit ein solcher auftritt, für eine Speicherschaltvorrichtung ähnlich der gemäß Fi g. 2 bei wiederholtem Einstellen un/i Rückstellen unter Verwendung von Einstellstromimpulsen von 7,5 mA und Rückstellstromimpulsen von 150 mA bei Veränderung der Impulsbreite, des Impulsabstandes und der Impulszahl bei jeder Rückstellstromimpulsgarbe. Bei den untersuchten Speicherschaltvorrichtungen wurde ein Film aus amorphem Halbleitermaterial von ungefähr 1,5 μπι Dicke verwendet, die eine Schwellenspannung bei Raumtemperatur von ca. 14 bis 15 V ergab. Ein Schwellenverfall bis zu 8 V bei Raumtemperatur wird aus den oben erläuterten Gründen bisher allgemein als unbefriedigend betrachtet, und Fig. 8 und 9 zeigen die Zahl von Einstell- und Rückstellvorgängen für jedes der angegebenen Rückstellströmimpülsprofile, die an die zu prüfenden Speicherschaltvorrichtungen angelegt wurden, und gegebenenfalls den Punkt, an dem die Schwellenspannung auf 8 V gesunken ist.

F i g. 8 läßt erkennen, daß bei Verwendung von Garben von Rückstellimpulsen von 1 με Breite bei jedem Rückstellvorgang bei Garben von 2 bis 100 Impulsen keine erkennbare Schwellenstabilisierung erreicht wird,

In dem Falle, daß nur zwei Rückstellstromimpulse je Rückstellimpulsegarbe verwendet wurden, dürfte die Stabilisierung deshalb nicht erreicht worden sein, weil zwei impulse den betreffenden Faden nicht genügend vollständig rückzustellen vermögen. Bei 10 Impulsen je Garbe wurde jedoch eine erkennbare Spannungsstabilisierung erzielt, wenn der Rückstellstromimpulsabstand von 4 bis 6 U^ verändert wurde. Dies führt zu der Theorie, daß, wenn die Rückstellstromimpulse einander mit Abständen von nur 1 bis 2 us folgen, die Rückstellstromimpulse ein Rückstellen nicht einwandfrei bewirken können, da das Material keine Zeit hat, genügend abzukühlen und weil die aufeinanderfolgenden Rückstellstromimpulse wie ein Gesamtimpuls einer Dauer gleich der von den Impulsen in der betreffenden Impulsgarbe überspannten Zeit wirken. In einem solchen Falle treten globale Heizeffekte auf, wie im Falle des Einsteilens des Materials, und die Rückstelltätigkeit ist entweder gänzlich oder zum Teil wirkungslos. Wenn andererseits der Abstand zwischen den Impulsen bei dem dargestellten Beispiel 4 bis 6 μ5 überschreitet, tritt ein verhältnismäßiges Ungleichgewicht zwischen den Wirkungen des Ionentransports während des FHeßens des Rückstellstromes und die Wirkungen der Rückdiffusion zwischen den Rückstellstromimpulsen auf.

Gemäß F i g. 9 wurden der ideale Abstand von 5 jis und die Anzahl von 10 Impulsen je Garbe, wie gemäß F i g. 8 als zufriedenstellend gefunden wurde, den Untersuchungen zugrundegelegt, wobei die Variable die verwendete Rückstellstromimpuisbreite war. Fig.9 läßt erkennen, daß mit Rückstellstromimpulsbreiten von 1 bis 3 μ5 eine Schwellenstr.bilisiec Jig erzielt wird. Es ist nicht bekannt, warum ImpHse von wesentlich mehr als 3 μ5, beispielsweise von 6 μ^ und · srüber, zu einer unvollständigen Schwellenstabilisierung führen, obwohl diese Zeitspannen einen nur minimalen Bruchteil der normalen Einstellimpulsdauer von mehreren Millisekunden beträgt.

Fig. 10 veranschaulicht den fortschreitenden Verfall der Schwellenspannung bei Änderung der Impulsbreite. Die Impulse von 1 μ5 Breite führen zu einer nahezu vollkommenen Schwellenspannungsstabilisierung. D>;r Grund dafür, daß die Rückstellstromimpulse von 0,2 μ$ Breite zu einer ungenügenden Schwellenstabilisierung führen, kann auf der Grundlage erklärt werden, daß mit einer so geringen Breite 10 Impulse in einer Rückstellimpulsgarbe nicht ausreichen, um ein vollständiges Rückstellen des betreffenden Fadens zu bewirken.

Die von diesen Untersuchungen gemäß F i g. 8 bis 10 abgeleiteten Grundsätze gelten auch für einen Rückstellvorgang, bei dom jeder der Rückstellimpulse nur einen Bruchteil der verwendeten Impulse von 15OmA beträgt. Der genaue Punkt, an dem eine vollständige Schwellenstabilisierung erreicht wird, kann in Abhängigkeit von der Amplitude der Einstell- und Rückstellstromimpulse, der Dicke des betreffenden Halbleiterfilmes sowie anderen Variablen etwas schwanken. Auf jeden Fall muß der Abstand der Rückstellstromimpulse derart sein, daß die Impulse einen genügenden Abstand voneinander haben, damit aufeinanderfolgende Impulse keine Sümmenwirkung entsprechend der Wirkung eines durchgehenden Impulses erreichen, der im wesentlichen die gleiche Dauer wie die betreffenden Rückstcllslroniimpulse hat, und die Rückstellstromimpulse einander genügend dicht folgen, daß ihr Abstand vorzugsweise weniger beträgt als die thermische Zeitkonstante des betreffenden amorphen Halbleiterfilmes, so daß der rückzustellende Faden zwischen aufeinanderfolgenden Rückstellstromimpulsen zwar erhitzt bleibt, jedoch teilweise abgekühlt wird.

Die momentane vorübergehende Schwellenspannung einer Speicherschaltvorrichtung dar beschriebenen Art nach Beendigung jedes Rückstellstromimpuises ist entgegengesetzt zur Temperatur des Fadens veränderlich. Unmittelbar nach Beendigung eines Rückstellstromimpuises, der den Faden auf eine Temperatur sowohl oberhalb der Kristallisationstemperatur als auch der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials erhitzen dürfte, nimmt die Temperatur des rückgestellten Bereiches allmählich über eine Anzahl von thermischen Zeilkonstanten ab, und entsprechend der Abnahme dieser Temperatur steigt der momentane temporäre Wert der Schwellenspannung der Vorrichtung fortschreitend von einem Minimalwert bis zum stabilisierten Wert. Wenn ein zweiter Rückstellspannungsimpuls eintritt, bevor der momentane Schwellenspannungswert seinen stabilisierten Wert erreicht, kann der Halbleiterfilm durch eine Spannung in seinen leitfähigen Zustand umgeschaltet werden, die geringer ist als der Wert der stabilisierten Schwellenspannung. Die Zeitspanne, die erforderlich ist, um den Schwellenspannungswert vollständig auf den stabiiisierten Wert zu bringen, wird hier als Schwellenerholungszeit der Vorrichtung bezeichnet Eine andere Möglichkeit, den Abstand zwischen dert Impulsen in jeder Rückstellimpulagarbe zu definieren, besteht also darin, daß er bei einer Anwendung der vorliegenden Erfindung wesentlich geringer ist als die Schwellenerholungszeit der Speicherschaltvorrichtungen (worin »wesentlich geringer« in den meisten Fällen »nicht größer als etwa die Hälfte einer solchen Erholungszeit« bedeutet). In F i g. 7A und 7B wurden die folgenden Parameter für die Profile der Einstell- und Rückstellstromstärken und -spannungen für Speicherschaltvorrichtungen einer gemäß F i g. 2 aufgebauten Speicheranordnung verwendet:

/S =	3,5 mA
VT =	15 V
Ts =	2 ms
Td =	2 ms
Ir =	273 mA
Tr =	05 μ*
*To =*	35 μ*

Zahl der Rückstellämpulse = 50

worin

Is =	Einstellstrom;
Ir =	Rückstellstrom;
VT =	Schwellenspannung
Tr =	Impulsbreite;
Ts =	Einstellzeit;
Td =	Verzögerungszeit;
To =	Impulspause.

Unter den obigen Bedingungen wird der verläßlichste Betrieb der Vorrichtung dann erreicht, wenn die Lesc-Stromimpulse 1,5 mA nicht überschreiten. Jeder Rückstellimpuls von 27,5 mA in jeder Rückstcllstromimpulsgarbc bewirkt ein Rückstellen des Fadens nur zum Teil. F,in ähnlich wirksames Rückstellen der Spcichcrschaltvorrichtung kann bei einer Speicheranordnung mit weit niedrigeren Strombelastbarkeiten als der genannten von 27,5 mA erzielt werden, beispielsweise, indem jeder Rückstellstromimpuls eine Größe wesentlich unter 10 mA, beispielsweise von 5 mA hat. Ein anderes

Rückstellen omimpulsprofil, das bei in und auf einem Siliziumchipsubstrat mit einer Grenzstromstärke von 5 mA gebildeten Speicheranordnungen zum vollständigen Rücksteilen und Homogenisieren eines 1,5 μπι dikken Speicherhaibleiterfilms von Nutzen ist, der vorher mittels eines Einstellstromimpulses von 2 mA mit einem 5 ms langen ebenen oberen Abschnitt und einer 5 ms langen, allmählich abnehmenden Hinterflanke eingestellt worden war, ist ein solches, bei dem jede Rücksteliimpulsgarbe aus Rückstellstromimpulsen von 4 mA in Abständen von 5 ps und von 1,0 μ5 Dauer besteht

Fig. 11A, 11B und 1 IC veranschaulichen die Änderung des vorübergebenden Momentanwertes der Schwellenspannung einer durch eine Folge von Rückstellstomimpulsen in Abständen voneinander von we- is senllich weniger als der Erholungszeit in der beschriebenen Weise fortschreitend teilweise rückgestellten Speicherschaltvorrichtung. Die voll ausgezogenen und die in unterbrochenen Linien dargestellten Teile der Kurven Cl, C2, C3 usw. in Fig. HB veranschaulichen die fortschreitende Steigerung der Momentanwerte der Schwelienspannung der Speicherschaltvornchtung bei aufeinanderfolgender Einwirkung kleiner Rückstellstromimpuise, die einen ursprünglich kristallinen Faden nur teilweise rückstellen.

Da jeder der aufeinanderfolgenden Rückstallspannungsimpulse fortschreitend einen zusätzlichen Teilschritt des Rückstellens der Speicherschaltvorrichtung bewirkt, steigen der stabile Schwellenspannungswert VT der Vorrichtung und der vorübergehende Schwellenspannungswert bei dem jeder Rückstellspannungi impuls die Speicherschaltvorrichtung fortschreitend schaltet, auf Werte VTl, VT2, VT3 usw. bzw. Vl, V 2, V3 usw. und erreichen einen maximalen vorübergehenden Wert Vn bzw. einen stabilen Schwellenspannungswert VT. Wenn einander die Rückstellimpulse in Abständen folgen, die nur einen Bruchteil der Erholungszeiten (t 1,12.13 usw.) betragen, werden solche stabilen Schwellenrpannungswerte durch Rückstellspannungsimpulse hergestellt, die nur einen Bruchteil dieser stabilen Schwellenspannungswerte betragen, nämlich Vl, V 2. V 3 usw. Durch Zuführen einer großen Anzahl zusätzlicher Rückstellimpulse einer Stromstärke geringer Amplitude zusätzlich zu denjenigen, die erforderlich sind, um rte Vorrichtung in der durch das Rückstellverfahren mittels Stromimpulsen niedriger Amplitude gemäß F i g. ο ermöglichten Weise auf einen maximal möglichen Schwellenspannungswert vollständig rück-/uslcUcn. wird der scheinbar vollständig rückgestellte fadenförmige Pfad der Schaltvorrichtung homogenisiert. so diß ein Schwelle<iverfall vermieden wird, wenn die Schaltvorrichtung bei Bedingungen oberhalb der Raumtemperatur betrieben oder gelagert wird.

F.s kann zusammengefaßt werden, daß die vorliegende Erfindung eine wesentliche Schwellenstabilisierung sowohl bei Bedingungen hoher Umgebungstemperaturen als auch bei wiederholten Einstell- und Rückstellvorgängen ermöglicht, wodurch die Verläßlichkeit von Speicherschaltvorrichtungen erhebliche Verbesserung erfährt. Außerdem bedeutet die Erkenntnis, daß dieses verläßliche Rückstellen mit sehr niedrigen Stromstärken erzielbar ist, einen weiteren wichtigen Fortschritt in der Integrierung Von Schaltvorrichtungen zum Speichern in Halbleitersubstraten unter Bedingungen, bei denen eine Homogenisierung der Stromleitungsfäden erzielt werden kann.

Natürlich sind mannigfaltige Abwandlungen der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ohne Abv/eichen vom allgemeineren Erfindungsgedanken ohne weiteres möglich.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Rückstellen von Speicherzellen, die aus im wesentlichen amorphem, elektrisch nichtleitfähigem, zwischen Elektroden angeordnetem Halbleitermaterial bestehen und bei Anlegen eines Einstellspannungsimpulses oberhalb eines Schwellenspannungswertes an die Elektroden einen im wesentlichen kristallinen Pfad niedrigen elektrischen Widerstandes bilden, bei dem zum mindestens teilweisen Rückstellen dieses Pfades in den im wesentlichen amorphen Zustand eine Garbe mehrerer Rückstellspannungsimpulse an das Halbleitermaterial über die Elektroden angelegt wird, wobei die Impulsbreiten der Rückstellimpulse sich im Mikrosekundenbereich befinden, wodurch sich der Pfad auf eine Temperatur erhitzt, bei der die kristalline Struktur im wesentlichen zerstört wird; wobei die Impulspausen zwischen den Rückstellimpulsen genügend groß sind. d=3 der erhitzte Pfad nach Impulsende abkühlt und mindestens teilweise wieder die amorphe Struktur annimmt; und wobei die Anzahl der Rückstellimpulse so groß gewählt ist, daß ein im wesentlichen stabilisierter Schwellenspannungswert erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulspause zwischen den Rückstellimpulsen einer Garbe jeweils wesentlich kleiner gewählt wird als die Erholungszeit, innerhalb derer das Halbleitermaterial des Pfades nach dem jeweiligen Rückstellimpuis dr.Th Abkühlung auf Raumtemperatur einen vorübergehenden Schwellenspannungswert erreicht, und daß die Ir.ipulsbr--ite der Rückstellimpulse auf weniger als 10 μ*εΓ eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch ., dadurch gekennzeichnet, daß die Impulspausen nicht größer als die halbe Erholungszeit gewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Impulspausen weit weniger als 10 μϊζο lang gewählt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulspausen zwischen 4 und 6 μ5εΰ gewählt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite der Rückstellimpulse der Garbe jeweils wesentlich weniger als 10 μ$εο lang gewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite jeweils zwischen 1 und 3 μsec gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Rückstellimpulse pro Garbe wesentlich über der zum vollständigen Rückstellen der rückstellbaren Teile des Pfades in deren Zustand maximalen Wider-Standes erforderlichen Anzahl gewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 10 aber weniger als 100 RückstPllimpulse pro Garbe gewählt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden An-Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rückstellimpulse mit einer solchen Spannungsamplitude gewählt werden, die jeweils oberhalb des vorübergehenden Schwellenspannungswertes liegt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rückstellimpuls von so geringer Spannungsamplitude gewählt wird, daß er nur einen kleinen Bruchteil des Pfades von Halbleitermaterial in einen amorphen Zustand rückstellt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromamplitude jedes Rückstelnmpulses weniger als die Hälfte der Stromamplitude gewählt wird, die zum vollständigen RücksteJlen rückstellbarer Teile des Pfades erforderlich ist.

12 Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromamplitude der Rücknellimpulse kleiner als 50 mA gewählt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromampütude der Rückstellimpulse wesentlich kleiner als 10 mA gewählt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine große Anzahl zusätzlicher Rückstellimpulse als die zum Rückstellen sämtlicher rückstellbarer Teile des Pfades in dessen Zustand maximalen Widerstandes erforderlichen gewählt wird.

15. Rückstellvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Rückstellspannung und mit einer Schalteinrichtung zum Erzeugen der Garben von Rückstellimpulsen, die an von im Abstand voneinander liegende Elektroden der Speicherzellen legbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die RückstellspannungsqudIe/?O) eine Rückstellspannung oberhalb des jeweils vorübergehenden Schwellenwertes (Vi, V₂, V₃, Va, V_n) erzeugt und die Schalteinrichtung (22, 24) die Rücksteiümpulse erzeugt, deren Impulspausen (To) zwischen aufeinanderfolgenden Rückstellimpulsen innerhalb einer Garbe einem Bruchteil der jeweiligen Erholungszeit (tu I₂, ti) entsprechen (Fig. 1,Fig. HB).

16. Rückstellvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (22, 24) mindestens 10 Rückstellimpulse je Garbe mit Impulspausen (To) von nicht mehr als 6 usec und Impulsbreiten (Tr) von einem Bruchteil der Impulspausen (To) erzeugt

17. Verwendung einer Rückstellvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16 zum Stabilisieren des Schwellenspannungswertes bistabiler Speicherzellen, deren Halbleitermaterial der Formel Ge/TeeXc Yngenügt, worin