Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
NON-VOLATILE, INTEGRATED MEMORY CELL, AND METHOD FOR WRITING OR READING INFORMATION INTO/OUT OF THE MEMORY CELL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/081944
Kind Code:
A1
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.

Inventors:
PROELL MANFRED (DE)
SCHROEDER STEPHAN (DE)
STAVROU EVANGELOS (DE)
VAN DER ZANDEN KOEN (DE)
Application Number:
PCT/DE2004/000456
Publication Date:
September 23, 2004
Filing Date:
March 09, 2004
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
INFINEON TECHNOLOGIES AG (DE)
PROELL MANFRED (DE)
SCHROEDER STEPHAN (DE)
STAVROU EVANGELOS (DE)
VAN DER ZANDEN KOEN (DE)
International Classes:
G11C11/34; G11C11/56; G11C13/00; G11C16/02; G11C16/12; H01L27/24; H01L29/68; H01L29/86; H01L45/00; (IPC1-7): G11C11/34
Foreign References:
US3922648A1975-11-25
US4177475A1979-12-04
Attorney, Agent or Firm:
Epping, Hermann Fischer Patentanwaltsgesellschaft Mbh (München, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche :
1. Nichtflüchtige, integrierte Speicherzelle (4), umfassend eine Wortleitung (20), eine Bitleitung (10), welche die Wortleitung (20) kreuzt und an einem Kreuzungspunkt oberoder unterhalb der Wort leitung angeordnet ist, eine Schicht (40) umfassend ein Phasenwechselmaterial, die zwischen der Bitleitung und der Wortleitung angeordnet und einen elektrischen Widerstand (R. x) zwischen der Wort (20) und der Bitleitung (10) bildet, wobei das Phasenwechselmaterial eine Übergangstemperatur (Tkrit) aufweist, a) oberhalb welcher das Phasenwechselmaterial eine amorphe Struktur aufweist und b) unterhalb welcher das Phasenwechselmaterial in Abhängig keit von der Geschwindigkeit einer Abkühlung ausgehend von der Übergangstemperatur (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.
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, daS die Übergangstemperatur (Tkrit) des Phasenwechselmaterials we niger als 600 ° Celsius beträgt.
3. Speicherzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangstemperatur (Tkrit) des Phasenwechselmaterials we niger als 400 ° Celsius beträgt.
4. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenwechselmaterial eine binäre, eine ternäre, eine quaternäre oder eine pseudobinäre Legierung umfaßt.
5. Speicherzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Legierung Germanium, Antimon und Tellur umfaßt.
6. Speicherzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 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 Phasen wechselschicht (40) einzuprägen.
7. Speicherzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit zum Messen eines zwischen der ersten und der zweiten Spannungsquelle fließenden Stromes zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes (Rx) der Schicht.
8. Halbleiterspeicher mit einer Vielzahl von nichtflüchtigen, integrierten Speicherzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeweils an den Kreuzungspunkten der sich überschneiden den Wort (20) und Bitleitungen (10) eine Schicht (40) umfas send das Phasenwechselmaterial zwischen der Wort (20) und der Bitleitung (10) angeordnet ist.
9. Verfahren zum Einschreiben einer Information in die nicht flüchtige, integrierte Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend Anlegen einer Spannung mit einem ersten Wert 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 einem elektrischen Widerstand (Rx) fließt, Umwandeln einer Leistung (Pw) des Stromes (Ix) in eine Er wärmung der Schicht, so daß die Übergangstemperatur (Tkrit) in der Schicht (40) überschritten wird, wobei das Phasen wechselmaterial 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, oder 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 Phasenwechselma terial der Schicht (40) in der amorphen Phase verbleibt.
10. Verfahren zum Auslesen einer Information aus der nicht flüchtigen, integrierten Speicherzelle (4) nach einem der An sprüche 1 bis 7, umfassend 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 Pha senwechselmaterial fließenden Stromes (Ix) durch die Aus werteeinheit, Vergleich der gemessenen Stärke des Stromes (Ix) mit einem Referenzwert, Zuordnen eines logischen Wertes ("0","1") in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis.
Description:
Beschreibung Nicht-flüchtige, integrierte Speicherzelle und Verfahren zum Einschreiben oder Auslesen einer Information in die/aus der Speicherzelle 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) Speicher- zelle.

Informationen werden in Halbleiterspeicherbausteinen typi- scherweise in Zellen gespeichert, in denen der logische In- halt der Information durch eine elektrische Ladung repräsen- tiert ist. Im Falle von wiederbeschreibbaren Speicherzellen werden oftmals dynamische Speicher eingesetzt, mit welchen eine hohe Packungsdichte der Zellen auf einer Substratober- fläche realisiert werden kann. Bei dynamischen Speicherzellen werden die elektrischen Ladungen in Kondensatoren, beispiels- weise Grabenkondensatoren, die in dem Substrat gebildet sind, gespeichert. Ein Nachteil dieses dynamischen Speicherkonzep- tes 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.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Herstellungspro- zeß eine Vielzahl von lithographischen Schritten mit Abschei- deprozessen sehr unterschiedlicher Materialien erforderlich macht. Der Herstellungsprozeß wird dadurch kostenintensiver.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die dynamischen Speicherzellen empfindlich gegen von außen einwirkende Strah- lung reagieren.

Eine Lösung des Problems besteht darin, das Konzept der dyna- mischen, aber flüchtigen Ladungsspeicherung durch die Bereit- stellung von nicht-flüchtigen Speicherzellen zu ersetzen. Da- zu wurden sogenannte magnetische Speicher, auch MRAM (Mag- netic Random Access Memory) genannt, vorgeschlagen. Bei die- sem 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 Schicht- stapel weist üblicherweise zwei ferromagnetische Schichten auf, die durch eine dünne Oxidschicht z. B. als Tunnelschicht getrennt sein können.

Die magnetische Ausrichtung der einen ferromagnetischen Schicht ist im allgemeinen statisch, d. h. während eines Spei- cher-oder Lesevorgangs unveränderlich, vorgegeben. Die mag- netische Ausrichtung der anderen ferromagnetischen Schicht kann eine dazu parallele oder antiparallele Richtung einneh- men. Ein Speichervorgang wird in dieser anderen Schicht er- möglicht, wenn sich das durch einen Stromfluß in der Wort- beziehungsweise 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 paralle- len in einen antiparallelen Zustand-oder umgekehrt-umge- dreht werden, so daß eine geänderte Speicherinformation in der magnetischen Speicherzelle vorliegt.

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 Magneti- sierungsrichtung zu bewirken. Auf diese Weise kann nur eine bestimmte magnetische Speicherzelle in einem Speicherzellen-

feld beschrieben werden, die an dem Kreuzungspunkt einer ak- tivierten Wort-und Bitleitung angeordnet ist.

Beim Auslesevorgang der gespeicherten Information wird ein unterkritischer Strom erzeugt, der auf zwischen einer Wort- leitung und der Bitleitung angelegten Spannung durch den mag- netischen 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 elektri- sche Strom gemessen werden. Somit sind die Spannung und der Stromfluß bekannt, so daß hieraus der Widerstand der magneti- schen Speicherzelle festgestellt werden kann. Die Wider- standsänderung in Abhängigkeit von dem Magnetisierungszustand wird auf den tunnel- (TMR) oder giant-magnetoresistiven (GMR) Effekt zurückgeführt.

Durch das MRAM-Konzept können Speicherzellen mit nicht- flüchtigem Speicherinhalt realisiert werden, deren Herstel- lung einen vergleichsweise geringen technologischen Aufwand erfordert.

Allerdings liegen bei diesem Speicherkonzept Nachteile vor.

So gibt es beispielsweise eine herstellungsbedingte Streuung von Koerzitivfeldstärken, d. h. Feldstärken, welche für das Umschalten der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht einer jeweiligen Speicherzelle wenigstens erforder- lich sind. Die magnetischen elektrischen Eigenschaften basie- ren 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 Oxidzwi- schenschicht in dem Schichtstapel von einem Sollwert.

Des weiteren ist im Falle einer hohen Speicherdichte, d. h. einem großen Miniaturisierungsgrad, ein Übersprechen von Schreibvorgängen benachbarter Speicherzellen auf andere Spei- cherzellen durchaus möglich. Dieser Effekt wird bei besonders

geringen Abständen zwischen benachbarten Speicherzellen auf- grund der magnetischen Dipolwechselwirkung der betreffenden Schichten verstärkt.

Daher muß auch die weitere Miniaturisierung von Speicherbau- steinen 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.

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 Wechsel- wirkungen hervorruft. Es ist eine besondere Aufgabe der vor- liegenden Erfindung eine Speicherzelle anzubieten, deren nicht-flüchtiger Speicherinhalt durch Messung eines elektri- schen Stromes auswertbar ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine nicht-flüchtige, integ- rierte Speicherzelle, umfassend : eine Wortleitung, eine Bit- leitung, welche die Wortleitung kreuzt und an einem Kreu- zungspunkt 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 Über- gangstemperatur aufweist, oberhalb welcher das Phasenwechsel- material eine amorphe Struktur aufweist und unterhalb welcher das Phasenwechselmaterial 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 elektrische Widerstand unter- schiedlich sind.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst, durch einen Halbleiterspei- cher, mit einer Vielzahl der genannten nicht-flüchtigen, in- tegrierten Speicherzellen. Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Einschreiben und zum Auslesen einer Information in der nicht-flüchtigen, integrierten Speicher- zelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen 9 und 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 gilt Pw ~ I2XRx wobei Pw die Wärmeleistung, Ix der durch die Schicht fließen- de 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.

Werden auf diese Weise konventionelle Materialien erhitzt, die bei Raumtemperatur beispielsweise eine kristalline Pha- senstruktur 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.

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 Phasen- zustand nach dem Unterschreiten einer kritischen Übergangs- temperatur von der Geschwindigkeit der Temperaturabnahme ab.

Sie können demnach beispielsweise bei Raumtemperatur zwei un- terschiedliche Phasenzustände einnehmen. Für die Erfindung wird dabei ausgenutzt, daß die Geschwindigkeit der Tempera- turabnahme durch eine gezielte Kontrolle des die Schicht durchfließenden Stromes gesteuert werden kann. Beispielsweise kann bei einer Temperaturabnahme die größer als ein Material- abhängiger Grenzwert ist, ein amorpher Phasenzustand, und bei einer Temperaturabnahme, die kleiner als der materialabhängi- ge Grenzwert ist, ein kristalliner Zustand für das Phasen- wechselmaterial eingestellt werden.

Liegen bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Halblei- terspeichers 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 einge- stellt werden, so werden durch die Erfindung sogar Speicher mit ternärer Logik oder noch höherer Ordnung möglich.

Der Speichervorgang besteht in dem Überschreiten der Über- gangstemperatur, d. h. derjenigen Temperatur, aus der heraus im Wege einer Abkühlung wenigstens zwei unterschiedliche Pha- senzustände 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.

Das Phasenwechselmaterial der vorliegenden Erfindung besitzt noch eine weitere Eigenschaft, die zum Auslesen der gespei-

cherten Informationen notwendig ist : der spezifische Wider- stand 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- schen 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 ins- besondere auch von dem Widerstand der Phasenwechselschicht ab. Es ist vorgesehen, mit einer Auswerteeinheit bei vorgege- bener Spannung zwischen Wort-und Bitleitung die Stromstärke zu messen, um eine Information über den Phasenzustand der Speicherschicht zu erhalten.

Die Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien sind beispiel- weise in Wamwangi, D., Walter, N., Wuttig, M. in"Crystalli- zation kinetics of GeaSblTe5", Abstracts der Sitzung HL 35, Vortrag HL 35.4, der DPG-Frühjahrstagung 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).

Die erfindungsgemäßen Phasenwechselmaterialien besitzen eine Übergangstemperatur von höchstens 600°C, vorzugsweise weniger als 400°C. Mit diesen Materialien wird ein den gesamten Halb- leiterspeicherbaustein schonender Betrieb ermöglicht. Insbe- sondere werden die die Leiterbahnen aus Titannitrid oder Wolframsilizid ummantelnden Glasschichten nicht zum Verflie- ßen gebracht. Besonders vorteilhafte Ergebnisse können er- zielt werden, wenn künftig Phasenwechselmaterialien gefunden werden, deren kritische Übergangstemperatur weniger als 200°C beträgt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen als Phasenwechselmaterial eine binäre oder eine ternäre (pseudo-

binäre) Legierung zu verwenden. Diese weist eine besonders große Langzeitstabilität auf.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen für die ternäre Legierung ein Material um- fassend Germanium, Antimon oder Tellur zu verwenden. Diese Materialien haben sich in verschiedenen Mengenverhältnissen als besonders stabil erwiesen. Beispielhaft kann Ge4Sb1Te5 eingesetzt werden.

Der kurzfristige Erwärmungs-und Abkühlprozeß bewirkt, daß die Wechselwirkung benachbarter Speicherzellen in einem Halb- leiterspeicher umfassend eine Vielzahl der erfindungsgemäßen nicht-flüchtigen integrierten Speicherzellen besonders gering ist. Durch das lediglich lokale Erhitzen wird ein Überspre- chen 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.

Des weiteren wirken sich herstellungsbedingt ergebende Streu- ungen 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 er- gibt. Dazu dem erfindungsgemäß ein Schichtstapel umfassend Stapelmaterialien nicht notwendig ist, obwohl der Fall einge- schlossen sein soll, kann der erfindungsgemäße Speicher tech- nologisch wesentlich einfacher realisiert werden als der nicht-flüchtige MRAM-Speicher.

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 : Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von magne- torresistiven Speicherzellen gemäß dem Stand der Technik, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des Phasenwechselspeichers gemäß der vorliegenden Erfindung, Figur 3 ein Diagramm mit einer zeitlich gesteuerten Strom- stärke sowie der sich daraus ergebenden Temperatur zum Einspeichern einer Information in die erfin- dungsgemäße Speicherzellen.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines magneti- schen Speichers mit vielen nicht-flüchtigen Speicherzellen 3- 31''. 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 Speicher- zustand"1"wird beispielsweise durch die antiparallele Aus- richtung der Magnetisierungsrichtungen 37 und 38 der beiden magnetischen Schichten repräsentiert. Die Magnetisierungs- richtung 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.

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 Schich- ten umfassend ein Phasenwechselmaterial angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel umfaßt die Schicht eine ternäre Legierung

aus Ge4Sb1Te5. Eine Temperung dieses Materials oberhalb der Phasenübergangstemperatur Tkrit bewirkt eine Widerstandsände- rung von 200 Qcm auf 3. 1 10-3 Qcm. Die Widerstandsänderung entspricht einer Phasenänderung von einem amorphen Phasenzu- stand in einem kristallinen Steinsalz-Phasenzustand.

Die Wortleitung 20 sowie die Bitleitungen 10-12 sind je- weils an einer Spannungsquelle U1 bzw. U2 angeschlossen. Des weiteren sind sie über Abschlußwiderstände Rt an ein Grundpo- tential angeschlossen. Die Bitleitungen 10, 11,12 sind au- ßerdem mit Auswerteeinheiten 50,51, 52 zum Auswerten des Stromstärkesignals verbunden.

In dem in Figur 2 dargestellten Zustand sind die Speicherzel- len 4, 4''durch einen amorphen Zustand der Phasenwechsel- schicht 40, und die Speicherzellen 4'durch einen kristalli- nen 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 beschrie- ben.

Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der für einen Ein- schreibvorgang in die Wortleitung eingeprägten Stromstärke.

In dem Ausführungsbeispiel wird mit Vorteil die Spannung U1 gleich dem negativen Betrag der Spannung U2 eingestellt. Dies kann beispielsweise durch einen Spannungsinverter realisiert werden. Der zeitliche Verlauf der Stromstärke wird durch ge- strichelte Linien in Figur 3 dargestellt. Es soll zunächst die logische"0"durch eine logische"1"überschrieben wer- den, d. h. der kristalline Zustand ist in eine amorphe Phase zu überführen. Zum Zeitpunkt t, wird über die Wortleitung 20 durch die Speicherschicht 40 zu der Bitleitung 11 zwischen dem Spannungspotential U1 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 Übergangstem- peratur Tkrit in 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 tu-tri be- trägt 6,5 ns (Nanosekunden). Zum Zeitpunkt t2 wird die Ver- bindung der Wortleitung 20 und der Bitleitung 11 zu den Span- nungsquellen U1 und U2 geöffnet, d. h. der Strom wird abge- schaltet.

In Folge dessen kühlt sich die Temperatur der Phasenwechsel- schicht 40 ab. Da überhaupt keine Wärmequelle mehr zur Verfü- gung 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 T1 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 einge- speichert worden.

Zu einem Zeitpunkt t4 soll nun wieder die logische"0"in die Speicherzelle 4 eingeschrieben werden, d. h. es ist ein kri- stalline Phase in dem Phasenwechselmaterial zu bilden. Wieder werden die Spannungsquellen U1 und U2 mit der Wort-bezie- hungsweise 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 Bitlei- tung 11 getrennt, sondern vielmehr auf das Grundpotential ge- schaltet. Die Spannungsdifferenz zwischen der Spannungsquelle U1 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 Phasen- wechselschicht 40.

Nach einem Zeitpunkt t6 ist die Phasenwechselschicht 40 somit auf eine Temperatur T2 abgekühlt, die oberhalb der Temperatur T1 liegt, welche nach dem Abkühlvorgang bei dem ersten Spei- chern erreicht wurde. Die Abkühlrate ist somit geringer als im ersten Fall und liegt außerdem unterhalb einer kritischen Abkühlrate. Infolgedessen rekristallisiert das Phasenwechsel- material der Schicht 40. Nach einem Zeitpunkt tg wird auch der Reststrom abgeschaltet, so daß ein weiterer Einschreib- oder Auslesevorgang gestartet werden kann. Aufgrund der kri- stallinen Phase der Phasenwechselschicht 40 wird nun wieder eine logische"0"eingespeichert.

Ein Auslesevorgang wird vorgenommen, in dem eine der beiden Spannungsquellen U1 oder U2 wiederum auf Grundpotential ge- schaltet 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 niedri- ger 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 Aus- werteeinheit durch einen Komparator gegen einen Referenzstrom realisiert.

Bezugszeichenliste 3, 3', 3''MRAM-Speicherzellen (Stand derkTechnik) 4, 4', 4 Phasenwechsel-Speicherzellen 10-12 Bitleitung 20,21 Wortleitung 50-52 Auswerteinheiten Rx elektrischer Widerstand des Phasenwechselmediums Tkrit Übergangstemperatur des Phasenwechselmediums