DE3141967A1

DE3141967A1 - Programmierbare speicherzelle

Info

Publication number: DE3141967A1
Application number: DE19813141967
Authority: DE
Inventors: Richard A. 48063 Rochester Mich. Flasck; Scott H. 48084 Milford Mich. Holmberg
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1980-10-28
Filing date: 1981-10-22
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE3141967C2; IT8124732A0; AU553561B2; US4499557A; KR890004383B1; IT1139571B; IE53027B1; MX153275A; JPS57100693A; IE812515L; ZA817391B; FR2493022A1; KR830008399A; AU7679981A; CA1181848A; FR2493022B1; GB2086654B; NL8104834A; BE890866A; SE454307B

Description

Patentanwälte ....

Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Müller (f. »? 1 4 I

DipL-Chem. Dr.Gerhard ßchupfner Dipl.-Ing. Hans-Peter Gauger Lucile-GraJin-Str. 38 - D 8000 München 80

Energy Conversion Devices, Ine, 1675 West Maple Road Troy, Michigan 48084 V. St. A.

Programmierbare Speicherzelle

3U1967

Programmierbare Speicherzelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte programmierbare Speicherzelle zum Einsatz in programmierbaren elektronischen Speicheranordnungen wie PROM-Einheiten, Logikanordnungen, Gate-Anordnungen und Chip-Verbindungsanordnungen. Insbesondere weist jede Zelle eine Speicherzone aus einem phasenänderbaren Werkstoff auf, die aus einem hoch-nichtleitfähigen Zustand in einen hochleitfähigen Zustand setzbar und nichtrücksetzbar ist. Die Erfindung bezieht sich auf die Speicherung von Information mit phasenänderbaren Schaltelementen (ζ. Β. gemäß der US-PS 3 271 591).

Bisher wurden verschiedene Speichersysteme vorgeschlagen, die in mehrere Typen unterteilt sind. Einer davon ist der serielle Speichertyp, wobei die Information im Speichersystem seriell erhalten wird und die Lesezeit zum Lesen eines bestimmten Informationsbits im Speicher davon abhängt, wo das Bit im Speicher positioniert ist. Dies resultiert in langen Lesezeiten bei der Ausgabe von Information aus dem Speicher. Solche Speichertypen umfassen Speicherelemente wie ein Magnetband oder eine Magnetscheibe, etwa eine Diskette, sowie Magnetblasen-Elemente.

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Ein weiterer Speiehersystemtyp ist der Direktzugriffsspeicher (RAM), wobei die Lesezeit für jedes Bit im wesentlichen die gleiche wie für jedes andere Bit ist»

Während die gespeicherte Information in Blasenspeicher-Einheiten die Größe und die Kosten von Speichersystemen erheblich verringert und eine hohe Informations-Packungsdichte ermöglicht, d. h. einen geringen Mittenabstand zwischen benachbarten Speicherzonen, in denen die Informationsbits gespeichert sind, sind solche Blasensysteme auf das serielle Lesen von Information beschränkt und ermöglichen kein schnellen Direktzugriff zu der gespeicherten Information.

Bisher war ferner eine kurzzeitige Datenspeicherung durch RAM-Speicher möglich, die Transistoren oder Kondensatoren an den Kreuzungspunkten der X- und Y-Achse-Leiter enthielten. Ein solcher Speicher kann in einen von zwei Betriebszuständen gesetzt werden. Diese Speicher ermöglichen eine relativ hohe Packungsdichte, d. h. einen geringen Mi-tenabstand zwischen Speicherplätzen. Ein großer Nachteil besteht jedoch darin, daß diese Speicher flüchtige Speicher sind, da ihnen ständig eine Spannung zugeführt werden muß, wenn die gespeicherten Daten aufrechterhalten werden sollen. Solche Kurzzeit-Datenspeicher werden häufig als flüchtige Schnelllese- und -schreib-Speichersysteme bezeichnet.

Ein Schnellese-Speichersystem ist ein Festwertspeicher (ROM), der Transistoren und Gleichrichter, die in Halbleitersubstraten gebildet sind, verwendet, die ständig geöffnete oder ständig geschlossene Kontaktpunkte für die Speicherung von Informationsbits haben. Ein solcher ROM wird während der

Fertigung programmiert und hat eine kurze Lesezeit sowie eine relativ hohe Packungsdichte.und ist außerdem nichtflüchtig. Aber der offensichtliche Nachteil eines ROM-Systems ist, daß die gespeicherten Daten vom Anwender nicht geändert werden können. Infolgedessen werden ROM-Speicher nach Spezifikation z. B. für die Speicherung des Grundarbeitsprogramms eines Datenverarbeitungssystems oder für andere vom Anwender nicht änderbare Information hergestellt.

Ein weiteres Speichersystem ist ein programmierbares Festwert-Speichersystem (PROM), das einmal vom Anwender programmierbar ist und in diesem Zustand verbleibt. Nachdem das PROM-System programmiert ist, arbeitet es in identischer Weise wie ein ROM-System gleicher Konfiguration.

Das am häufigsten eingesetzte PROM-System enthält Schmelzbrücken, die an jedem Kreuzungspunkt einer X-Y-Leitermatrix vorgesehen sind. Die Speicherung von Information (einer logischen "1" oder "0") wird erreicht, indem die Schmelzbrücken gemäß einem vorbestimmten Muster zum Durchbrennen gebracht werden. Diese Schmelzbrücken verlaufen seitlich auf einem Substrat und nicht vertikal zwischen Kreuzungsleitern, und infolgedessen erfordern die Schmelzbrücken eine große Fläche. Die Fläche einer typischen Speicherzelle oder -zone mit einer Schmelzbrücke beträgt ca. 0,0254-0,0406 mm².

Der zum Durchbrennen der Schmelzbrücke zwecks Programmierung erforderliche Strom ist relativ hoch, weil die Schmelzbrücke vollständig durchbrennen muß und wegen der dem Material der Schmelzbrücke innewohnenden hohen Leitfähigkeit. Typische Ströme sind 50 mA, und die erforderliche Leistung beträgt

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ca. 250-400 mW. Ferner muß die Schmelzbrücke, die ein schmaler Abschnitt eines Leiters ist, der auf einem Substrat abgeschieden ist, eine präzise Abmessung haben, um ein vollständiges und programmierbares Durchbrennen sicherzustellen. Dabei ist es bei den zur Herstellung einer solchen Schmelzbrücke angewandten fotolithografischen und Ätzverfahren notwendig, daß eine solche Schmelzbrücke innerhalb sehr kritischer Fertigungstoleranzen in bezug auf Breite, Länge und Dicke hergestellt wird.

Ein weiteres großes Problem in Verbindung mit PROM-Systemen, die Schmelzbrücken verwenden, besteht darin, daß der kleine Zwischenraum in der durchgebrannten Schmelzbrücke aufgrund einer Ansammlung von Leitermaterial, das angrenzend an den Spalt verbleibt, infolge von Diffusion oder anderweitig geschlossen wird.

Die Schmelzbrücken-Technologie wird auch in anwenderprogrammierbaren logischen Anordnungen, Gate-Anordnungen und Chipverbindungsanordnungen eingesetzt. Diese Anordnungen dienen dazu, dem Benutzer integrierter Schaltungen eine Option zwischen den großvolumigen, kostengünstigen Standard-Logikanordnungen und den sehr teuren, nach Kundenspezifikation von Hand hergestellten integrierten Schaltungen zu bieten. Diese Anordnungen ermöglichen es einem Anwender, die kostengünstige Anordnung für den anwenderspezifischen Verwendungszweck mit erheblich verringerten Kosten gegenüber den Kosten für eine nach Kundenspezifikation hergestellte Anordnung zu programmieren.

Ein PROM-Schaltelement ist in der US-PS 4 146 902 angegeben. Die US-PS zeigt einen polykristallinen Siliziumwiderstand. Dieser wird durch ein chemisches Aufdampfverfahren bei hoher Temperatur von ca. 700 C gebildet. Ein solches Verfahren

bzw. die damit hergestellten Widerstände sind mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Wenn eine Platinsilizid-Diode verwendet wird, wird diese durch die Verarbeitung des Widerstands bei 7OO C entweder zerstört oder schwer beschädigt. Zweitens hat ein polykristallines Gefüge von vornherein sehr viele und verschiedene Korngrenzen und andere Fehlerstellen. Dies resultiert in einer breiten Verteilung der Schaltpegel, da jeder Widerstand andere Korngrenzen und Fehlerstellen und somit unterschiedliche Schaltkennlinien aufweist. Drittens ist das Polysiliziumgefüge von Natur aus stärker leitfähig als eine amorphe Legierung und ist somit zu stark leitfähig, um mit MOS-Elementen eingesetzt zu werden, die gegen hohe Strompegel nicht beständig sind. Die höhere Leitfähigkeit des polykristallinen Widerstands resultiert ferner in einem relativ engen Dotierbereich und damit spezifischen Widerstand, so daß die Schaltparameter des Widerstands nicht ausreichend flexibel sind.

Es wurde ferner bereits vorgeschlagen, ein EEPROM-Bauelement (EEPROM = elektrisch lösbarer programmierbarer Festwertspeicher) vorzusehen, nämlich eine vertikal angeordnete Speicherzone oder -zelle in einer Speicherschaltung, die in einer Speichermatrix vertikal an und zwischen einen oberen Y-Achse-Leiter und einen unteren X-Achse-Leiter gekoppelt ist. Ein solches EEPROM-System resultiert in einer relativ hohen Packungsdichte (vgl. z. B. die US-PS'en 3 699 543 und 4 177 475) .

In den genannten US-PS'en sind EEPROM-Bauelemente mit einer Matrix von X- und Y-Achse-Leitern gezeigt, wobei ein Speicherschaltkreis mit einer Speicherzone und einem Trennelement an jedem Kreuzungspunkt positioniert ist und im we-

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sentlichen vertikal zu den sich kreuzenden Leitern verläuft, wodurch eine relativ hohe Packungsdichte erzielt wird.

Die in solchen EEPROM-Systemen verwendeten Speicherzonen werden typischerweise aus einem Chalkogenid-Material auf Tellurbasis, insbesondere einem amorphen Material wie amorphem Germanium und Tellur, gebildet. Andere Materialien mit relativ hochreversiblen Speicherzonen umfassen ein

Ge Te, , mit a = zwischen 5 und 70 Atom-% und b = zwischen a b

30 und 95 Atom-%. Einige dieser Materialien weisen auch andere Elemente in verschiedenen Anteilen zwischen 0 und Atom-% auf, z. B. Antimon, Wismut, Arsen, Schwefel und/oder Selen.

Amorphe Materialien der angegebenen Art haben eine gute Umschaltbarkeit und eine ausreichende thermische Stabilität, so daß sie unter den üblichen Temperaturbedingungen, unter denen sie verwendet werden, keinen Schaden leiden. Der kristalline Zustand wird durch einen hohen Rücksetzstrom in seinen amorphen Zustand rückgesetzt.

Ein bevorzugtes EEPROM-Material hat a) gute Reversibilität von bis zu 10 Zyklen oder mehr, b) eine maximale Arbeitstemperatur von ca. 2OO °C, c) eine maximale Speichertemperatur von ca. 100 ⁰C, d) eine Schwellenspannung von 8 V,

e) einen Setz-Widerstand von 300 JTL und f) einen Sperr-

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Widerstand (bei 175 C) von mindestens ca. 10 XL.

Ferner ist es bereits bekannt, Isolier- oder Trennelemente vorzusehen, die mit einer Speicherzone oder -zelle zwischen den Kreuzungsleitern in Reihe gekoppelt sind; diese Trennelemente wurden bisher typischerweise dadurch gebildet, daß

verschiedene Dotierstoffe in ein Einkristall-Siliziumsubstrat eindiffundiert wurden zur Bildung eines Gleichrichters, Transistors oder MOS-Elements, z. B. eines Feldeffekttransistors. Ein solches Diffusionsverfahren resultiert in einer seitlichen Diffusion des dotierten Materials in das Substratmaterial, und infolgedessen sind die Speicherzellen-Packungsdichten solcher bekannter Speichersysteme begrenzt durch das Ausmaß der seitlichen Diffusion der Dotierstoffe und durch den für die Maskenausrichtung erforderlichen FehlerSpielraum.

Es wurde bereits eine Nur-Dünnschicht-EEPROM-Schaltung vorgeschlagen (US-PS 3 629 863). Diese Nur-Dünnschicht-Speicherschaltung verwendet durch Filmabscheidung hergestellte bidirektionale Trennelemente vom Schwellentyp.

Dabei wird für jedes Trennelement ein Einrichtungs-Trennelement wie etwa ein Gleichrichter oder Transistor verwendet, der eine Trennung oder Isolation durch einen pn-übergang hoher Impedanz in eine Stromflußrichtung bewirkt, so daß sich ein sehr hoher Sperr-Widerstand ergibt.

Es wurde bereits vorgeschlagen, einen pn-übergang durch Vakuumaufdampfen entweder eines n- oder eines p-leitfähigen amorphen Halbleiterfilms auf ein entgegengesetzt dotiertes Siliziumchip-Substrat zu bilden. In dieser Beziehung wird auf die US-PS 4 062 034 verwiesen, die einen derartigen Dünnschicht-Transistor mit einem pn-übergang zeigt. Es wurde jedoch nicht vorgeschlagen, eine solche amorphe Halbleiter-Dünnschicht für die Bildung eines Trennelements in einem Speicherschaltkreis zu verwenden, der auch eine Speicherzone in einer programmierbaren Matrix umfaßt.

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Ferner wurde bereits vorgeschlagen, in einer Solarzelle, die im Grund ein lichtempfindlicher Gleichrichter ist, Silizium- und Fluor-Materialien zu verwenden (vgl. z. B. die US-PS-en 4 217 374 und 4 226 898).

Die verbesserte programmierbare Speicherzelle nach der Erfindung mit amorphem Zellenkörper ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenkörper wenigstens einen Teil mit einer dotierten amorphen Siliziumlegierung, der setzbar und nichtrücksetzbar ist, aufweist, wobei der Legierungsteil einen hoch-nichtleitfähigen Zustand hat, der in einen hochleitfähigen Zustand setzbar ist.

Eine programmierbare elektronische Speichermatrix nach der Erfindung mit einer Mehrzahl von amorphen Zellenkörpern ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zellenkörper wenigstens einen Teil mit einer amorphen Siliziumlegierung, der setzbar und nichtrücksetzbar ist, aufweist, wobei der Legierungsteil einen hoch-nichtleitfähigen Zustand hat, der in einen hochleitfähigen Zustand setzbar ist.

Gemäß der Erfindung werden die Nachteile des Stands der Technik überwunden durch Bereitstellung einer programmierbaren Speicherzelle oder Antischmelzzelle mit einem nichtflüchtigen hoch-nichtleitfähigen Zustand, der in einen nichtflüchtigen hochleitfähigen Zustand setzbar und nichtrücksetzbar ist. Die Speicherzellen sind einsetzbar anstelle der Schmelzbrücken in programmierbaren Matrizen wie PROM-Einrichtungen, logischen Anordnungen, Gate- und Chipverbindungs-Anordnungen zur Verbesserung der Programmier-Zuverlässigkeit und der Packungsdichte, während gleichzeitig die Gesamtkosten der Anordnungen erheblich verringert werden.

Die Speicherzellen haben einen nichtleitfähigen Zustand oder Sperr-Widerstand von IO OOO-l 000 000 XL. oder höher. Die Speicherzellen sind in den leitfähigen Zustand durch eine Schwellenspannung von 8-20 V oder weniger, einen Progranunierstrom von ca- 10-25 mA für bipolare Anwendungen und eine Programmierzeit von 1-100 ,us oder weniger setzbar. Im Fall von MOS-Bauelementen kann die Dotierung und damit der Programmierstrom der Elemente so genutzt werden, daß sich ein Bereich von 10-1000/UA ergibt. Die Speicherzellen haben eine maximal zulässige Arbeitstemperaturtoleranz von 4OO-5OO ⁰C oder höher.

Die Speicherzellen sind für eine hohe Verarbeitungstemperatur, Herstellungs- und Betriebszuverlässigkeit und einfache Herstellung einschließlich einfache Prüfung ausgelegt. Die Verbesserung dieser erwünschten Charakteristiken gegenüber den Chalkogenid-Materialien vom EEPROM-Typ wird dadurch erreicht, daß die Reversibilität in den Speicherzellen beseitigt wird. Im Gegensatz zu der Reversibilität von 10 Zyklen in undotierten EEPROM-Bauelementen und Speicherzellen, die im allgemeinen eine Reversibilität von 10-100 Zyklen oder weniger haben, sind die verbesserten Speicherzellen nach der vorliegenden Erfindung nicht rücksetzbar in einer normalen Arbeitsumgebung.

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Die Speicherzellen werden aus dotierten Silizium- und Wasserstoff-Legierungen gebildet, die Fluor sowie einige Verunreinigungen, ζ. Β. Sauerstoff oder Kohlenstoff, enthalten können. Die Speicherzellen werden mit Standard-Dotierstoffen, ζ. Β. Phosphor oder Bor, so dotiert, daß sie ca. 0,1-5 % Dotierstoff enthalten. Die Speicherzellen sind durch Zerstäubung, chemisches Aufdampfen bei Niedrigtemperatur, Verdampfen (z. B. Elektronenstrahl-Epitaxie) oder durch Plasmaabscheidungsverfahren herstellbar. Hinsichtlich solcher Abscheidungsverfahren wird auf die US-PS"en 4 217 374 und 4 226 898 verwiesen.

Jede Speicherzelle bzw. jedes Antischmelzelement wird in einer Gruppe mit einem Trennelement und zugehörigen Adreß-Schaltkreisen aufgebracht. Die Trennelemente und die Adreß-Schaltkreise können bipolare oder MOS-Elemente oder Dünnschicht-Dioden oder -Transistoren in MOS- oder V-MOS-Konfiguration oder Kombinationen dieser Konfigurationen sein. Die Speicherzellen haben

2 eine Zellenfläche von weniger als 0,0254 mm , so daß sich eine hohe Speicherzellen-Packungsdichte in den Gruppen oder Matrizen ergibt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teildraufsicht auf die Abscheidungs-

film-Seite eines Siliziumchipsubstrats eines programmierbaren Feldes, etwa einer Speichermatrix eines bekannten Schmelzbrücken-PROM-Bauelements ;

Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine Speicherschaltung und Schmelzbrücke des PROM-Bauelements nach Fig. 1, längs der Schnittlinie 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Teils des PROM-Bauelements nach Fig. 1;

Fig. 4 eine Teildraufsicht auf die Abscheidungsfilm-Seite eines programmierbaren Felds, etwa eines PROM-Bauelements, entsprechend der Erfindung, wobei das programmierbare Feld auf einem Siliziumchipsubstrat abgeschieden ist und eine Mehrzahl Speicherschaltungen mit jeweils einer nichtschmelzbaren Zelle bzw. Speicherzone, die mit einer einer im Substrat gebildeten isolierenden Schottky-Diode reihengeschaltet ist, aufweist;

Fig. 5 eine Schnittansicht durch eine Zelle oder Speicherzone und ein Isolierelement eines Speicherglieds nach Fig. 4 längs der Schnittlinie 5-5 von Fig. 4;

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild eines Teils des PROM-Bauelements nach Fig. 4;

Fig. 7 eine Teildraufsicht auf die AbscheidungsfiIm-Seite eines Siliziumchipsubstrats, das eine Zelle eines programmierbaren Felds nach der Erfindung bildet, wobei das Feld eine Mehrzahl

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Speicherglieder mit jeweils einer nicht schmelzbaren Zelle oder Speicherzone in Reihe mit einem im Substrat gebildeten Trennelement vom FET-Typ aufweist;

Fig. 8 eine Schnittansicht 8-8 eines Speicherglieds des Felds nach Fig. 7;

Fig. 9 ein schematisches Schaltbild eines Teils des Felds nach Fig. 7, wobei ein Speicherglied des PROM-Bauelements gezeigt ist;

Fig. 10 eine Teildraufsicht auf die Abscheidungsfilmseite eines Substrats eines Felds, das eine Mehrzahl Feldglieder mit jeweils einer Zelle oder Speicherzone und ein Trennelement aufweist, die gemäß der Erfindung durch Dünnfilmabscheidungsverfahren gebildet sind;

Fig. 11 eine Schnittansicht 11-11 durch das Feld nach Fig. 10;

Fig."12 ein schematisches Schaltbild der Feldschaltglieder nach den Fig. 10 und 11;

Fig. 13 eine Schnittansicht einer vollständig durch Dünnfilmabscheidung gebildeten Feldzelle mit einem Schaltglied mit einer Zelle und einem Dünnschicht-FET-Trennelement gemäß der Erfindung;

Fig. 14 ein schematisches Schaltbild einer Mehrzahl Schaltglieder nach Fig. 13;

Fig. 15 eine Draufsicht auf ein Substrat oder einen Teil desselben, auf dessen einer Seite Feldschaltglieder abgeschieden sind, z. B. Speicherglieder, die sämtlich durch Dünnfilmabscheidung gebildet sind, Speicherzonen und Trennelemente, zusammen mit Adreßgliedern, die durch Dünnfilmabscheidung gebildet sind;

Fig. 16 eine Draufsicht auf einen Siliziumchip oder einen Teil desselben, wobei die Feldschaltglieder sämtlich oder teilweise durch Dünnfilmabscheidung gebildete Speicherzonen und Trennelemente sind, zusammen mit Adreßgliedern, die durch Dünnfilmabscheidungsverfahren gebildet sind.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Teil eines bekannten programmierbaren Feldes, etwa eine PROM-Vorrichtung 10 mit einer X-Y-Speichermatrix, die auf der X-Achse befindliche Aluminiumleiter 12 und auf der Y-Achse liegende η -dotierte Siliziumleiter 14 aufweist. Der η -dotierte Y-Achse-Siliziumleiter 14 ist von benachbarten Y-Achse-Leitern 14 durch Trennkanäle 16 isoliert. Der X-Achse-Aluminiumleiter 12 hat kurze Schenkel 18, die in Y-Richtung verlaufen und . mit einer Seite einer metallischen Schmelzbrücke 20 Kontakt bilden.

Nach Fig. 2 ist die Schmelzbrücke 20 auf einer Siliziumoxidschicht 22 abgeschieden, die ihrerseits auf eine Schicht

23 aus n-leitfähigem epitaxialem Material abgeschieden oder aufgewachsen ist, in der der Trennkanal 16 gebildet ist. Die Schicht 23 ist auf einem p-leitfähigen Siliziumsubstrat

24 gebildet, und der η-dotierte Y-Achse-Leiter 14 ist dazwischen gebildet.

Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, verläuft jede Schmelzbrücke 20 seitlich und weist einen Abschnitt 26 mit verringerter Breite auf, der kritische Abmessungen (Dicke und Breite) haben muß, um eine Schmelzbrücke zu bilden, die mit einer vorbestimmten Strommenge durchbrennbar ist. Die andere Seite der Schmelzbrücke 20 auf der Schicht 22 aus SiO₃ weist einen darauf abgeschiedenen Aluminiumleiter 28 auf. Die

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SiO^-Schicht wurde zuerst ausgeschnitten, so daß auf einer freiliegenden Oberfläche der Siliziumsubstratschicht 24 eine Aluininium-Silizium-Schottkydiode 30 gebildet werden kann. Dann wird der Aluminiumleiter 28 auf der Siliziumoxidschicht 22 und über der Aluminium-Silizium-Schottkydiode 30 abgeschieden zur Bildung einer leitenden Bahn von einer Seite der Schmelzbrücke 20 zu der Schottkydiode 30, die mit dem η -dotierten Y-Achse-Leiter 14 elektrisch gekoppelt ist. Die Schmelzbrücke 20 und die Diode 30 bilden einen Gruppenschaltkreis 32, im vorliegenden Fall einen Speicherschaltkreis.

Jedes der kristallinen Siliziumsubstrate und der darauf gebildeten Bauelemente ist unter Anwendung konventioneller lithografischer Verarbeitungsschritte hergestellt, wenn nichts anderes gesagt ist. Z. B. ist in Fig. 2 auf dem p-leitfähigen Substrat 24 der X-Leiter bzw. die überdeckte Schicht 14 unter Anwendung der Fotolithografie zum Freilegen der erwünschten Bereiche abgeschieden. Die Schicht 14, die typischerweise Arsen oder Phosphor ist, kann während der Herstellung durch Wärme diffundiert werden, oder sie kann durch Ionenimplantation gebildet werden. Dann wird die epitaxiale η-leitende Schicht 23 auf dem Substrat 24 über den Leitern 14 durch Aufwachsen erzeugt. Die Trennkanäle 16 können Sperrschicht- oder Oxidkanäle sein. Im Fall eines Sperrschichtkanals wird die Schicht 23 abgedeckt, und pleitfähiges Material wird auf die Schicht 23 abgeschieden und in sie diffundiert bis zum Substrat 24. Im Fall eines Oxidkanals werden die Kanäle maskiert und dann teilweise in die Schicht 23 eingeätzt und anschließend durch Wärmeeinwirkung oxidiert, so daß die Kanäle bis hinunter zum Substrat 24 wachsen.

Für andere Bauelemente der Gruppe oder des Felds wird dann eine Trägerschicht, typischerweise eine p-leitfähige Schicht, in die Schicht 23 zwischen die Kanäle 16 diffundiert zur

ί Bildung einer Diode oder eines Transistors, z. B. für die Adreßschaltkreise oder andere programmierbare Elemente. Dann wird ein Widerstandsdiffusionsschritt ausgeführt. Zur Bildung eines Transistors wird ein Emitterschritt ausgeführt, indem ein Teil der Trägerschicht-Diffusionsbereiche abgedeckt wird und typischerweise n-leitfähiges Material hineindiffundiert wird. Dann wird die Oxidschicht 22 über der Gesamtschicht 23 einschließlich der Diffusionsbereiche abgeschieden. Dann wird mittels Fotolithografie durch jeden Teil der Oxidschicht 23, wo ein Kontakt mit den Dioden, Transistoren etc. erwünscht ist, ein Oxidausschnitt, z. B. für die Diode 30, gebildet. Auf die Oxid- und die freiliegenden Siliziumbereiche wird dann Platin, Palladium oder Aluminium durch Kathodenzerstäubung oder Aufdampfen abgeschieden, das dann für 30 min bei ζ. Β. 45Ο ⁰C wärmebehandelt wird. Dadurch wird eine Metallsiliziddiode mit dem Silizium gebildet, es erfolgt jedoch keine Änderung des Metalls auf der Oxidschicht 23. Ein Ätzmittel, z. B. Königswasser, wird zum Wegätzen des Platins von der Oxidschicht eingesetzt, aber die Metallsilizide werden dadurch nicht beeinträchtigt.

Dann werden die Schmelzbrücken 20 in einem bestimmten Muster auf der Oxidschicht 23 gebildet. Die Schmelzbrücken mit ca. 200 A sind in Vertikalrichtung ausgelegt und kritisch bemessen. Dann werden die Muster für die Leiter 12 und 28 aufgebracht und die Leiter auf dem Oxid 22, den Schmelzbrücken 20 und den Dioden 30 vorgesehen. Eine Oxidschicht (nicht gezeigt) wird dann über dem gesamten Feld abgeschieden und dann ätzbehandelt, um den Kontakt mit den Leitern (Erstmetall) an den erwünschten Stellen herzustellen. Dann wird ein zweites

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Metall (nicht gezeigt) in einem bestimmten Muster auf das Oxid und die Öffnungen aufgebracht. Dann wird über dem zweiten Metall eine weitere Oxidschicht gebildet, die bis zum zweiten Metall hinab geätzt wird zur Bildung der Gruppen-Anschlußstreifen in konventioneller Weise.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild des bekannten Gruppen-Bauelements 10.

Aus der vorstehenden Erläuterung der bekannten Anordnung bzw. der PROM-Vorrichtung 10 nach den Fig. 1-3 und bei Betrachtung der Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß sich durch die seitliche Anordnung der Schmelzbrücken 20, das Erfordernis von Trennkanälen 16 und die seitliche Anordnung der Schottkydiode 30 Beschränkungen hinsichtlich der Packungsdichte der Speicherschaltkreise (Speicherzellen) 32 ergeben, die durch jede Schmelzbrücke 20 und Diode 30 gebildet sind und die an den X-Y-Überkreuzungsstellen liegen und zwischen den Leitern 12 und 14 an jeder Überkreuzungsstelle verlaufen. Wie ersichtlich, ist der Mittenabstand zwischen benachbarten Speicherzellen 32 typischerweise 40 ,um bei Anwendung eines 5 um-Lithografieverfahrens, Die Packungsdichte und damit die Gesamtzellengröße ist äußerst wichtig, weil die Kosten der Zellenabschnitte der Felder in exponentieller Beziehung zu der Zellenfläche stehen. Eine Größenverminderung um einen Faktor 2 ist eine tatsächliche Kostenverminderung um einen Faktor 5 oder 6·

Die Fig. 4 und 5 zeigen einen Teil eines programmierbaren Feldes bzw. einer Gruppe 50, die ebenfalls eine PROM-Vorrichtung sein 'kann, mit einer Mehrzahl von Verbindungs- oder Speicherschaltkreisen 52, die gemäß der Erfindung auf einem p-leitfähigen Siliziumsubstrat 54 gebildet sind. Nach Fig. verläuft jeder Schaltkreis 52 zwischen einem η -Y-Achse-Leiter 56 im Substrat 54 und einem metallischen X-Achse-Leiter 58, der aus einem geeigneten Metall wie Aluminium bestehen kann.

Der Schaltkreis 52 umfaßt eine Diode, z. B. eine Platinsilizid-Schottkydiode 60, zwischen Trennkanälen 62 in einer epitaxialen N-leitfähigen Schicht 64, die auf der Oberfläche des p-leitfähigen Siliziumsubstrats 54 gebildet ist. Über der epitaxialen Schicht 64 ist eine Schicht aus Isolationsmaterial 66 vorgesehen, die Siliziumdioxid sein kann und die durch chemisches Bedampfen, Vakuumabseheidung oder Thermooxidation gebildet sein kann. Ein Teil der Schicht aus Isolationsmaterial 66 ist über der Platin-Silizid-Schottkydiode 60 ausgeschnitten, und eine Schicht eines phasenveränderlichen amorphen Materials ist in dem offenen Raum abgeschieden zur Bildung einer nichtschmelzenden Zelle oder Speicherzone 68 des Schaltkreises 52. Über der Zelle 68 ist eine dünne leitfähige Sperrschicht 70, die bevorzugt aus einem feuerbeständigen Metall oder einer solchen Metallegierung, z. B. Ti-W, besteht, vorgesehen. Über dieser dünnen leitfähigen Sperrschicht ist die Schicht aus hochleitfähigem Metall, z. B. Aluminium, vorgesehen, die den X-Achse-Leiter 58 bildet.

Der Abschnitt des Feldes 50 von Fig. 4 und 5 ist, wie erläutert, auf einem selektiv dotierten kristallinen Halbleitersubstrat 54, das ein Siliziumchip sein kann, gebildet. Wie erwähnt, ist das gezeigte Substrat 54 ein p-leitfähiges Siliziumsubstrat mit der epitaxialen Schicht 64 aus nleitfähigem Silizium, die auf dem Substrat 54 gebildet ist. Durch die epitaxiale Schicht 64 erstrecken sich zwei Trennkanäle 62, und zwar jeweils ein Paar für jede Reihe von Schaltkreisen 52, so daß die epitaxiale Schicht 64 in elektronisch isolierte Bereiche unterteilt ist, zwischen denen die epitaxiale Schicht 64 einen Teil der Y-Achse-Leiter 56 der Gruppe bildet.

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Anschlüsse mit niedrigem Widerstand werden an den Enden der η -Y-Achse-Leiter 56 in bekannter Weise dadurch hergestellt, daß η -Zonen in die Epitaxialschicht direkt über den unteren η -Zonen eindiffundiert werden. Leiter (nicht gezeigt) können über Isolationsschichten, die über den Abschnitten nach den Fig. 4 und 5 abgeschieden sind, zusätzlich vorgesehen werden, wobei leitende Finger Verbindungen mit beabstandeten η -diffundierten Zonen (nicht gezeigt) zwischen den verschiedenen Zellen in jeder Vertikalreihe von Zellen nach Fig. 4 herstellen. Dieses zusätzliche Vorgehen zur Reduktion des Widerstands der Verbindungen mit den η -Y-Achse-Leitern 56 ist nicht dargestellt, um die Zeichnung nicht komplizierter zu machen.

Die seitliche Erstreckung jedes Speicherschaltkreises, die die Packungsdichte verringert, ist ein Grund dafür, weshalb eine nur aus Abscheidungsschichten bestehende Speichermatrix aus Speicherschaltkreises, wie sie in Verbindung mit Fig. 11 erläutert wird und die einen Dünnfilmgleichrichter oder ein Transistortrennelement nach den Fig. 13 und 14 verwendet, eine wesentlich größere Packungsdichte aufweist, als sie mit der Anordnung nach den Fig. 4 und 5 relativ leicht erzielbar ist. In dieser Beziehung beträgt der Mittenabstand zwischen benachbarten Schaltkreisen oder Zellen 52 30 ,um, was allerdings weniger als die 40 ,um Mittenabstand der Zellen der bekannten Vorrichtung nach den Fig. 1-3 ist, wobei für jede Vorrichtung die gleichen lithografischen Verfahren angewandt werden.

Bezüglich der Bildung des Speicherschaltkreises 52 nach Fig. 5 wird die Schicht Isolationsmaterial 66 durch chemisches Bedampfen, Kathodenzerstäubung, Plasmaabscheidung oder Thermooxidation in einer Öffnung 72 unterhalb der Speicherzone 68 gebildet, die durch konventionelle Maskierung mit Fotolack und Ätzverfahren gebildet wird.

Die Sperrschicht 70 hat die Funktion, die Ionenwanderung aus der den X-Achse-Leiter 58 bildenden Aluminiumschicht zu begrenzen, die die Gefahr mit sich bringt, das nichtrücksetzbare amorphe Material der Zelle 68 sowie exponierte Dioden 60 an anderen Stellen der Anordnung zu verschlechtern. Auf diese Weise stellen Aluminiumbänder, die die X-Achse-Leiter 58 bilden, elektrische Anschlüsse durch die darunterliegenden Bänder der Sperrschicht 70 her zum elektrischen Kontakt mit den Zellen 68 der verschiedenen Schaltkreise 52. Die Sperrschicht 70 ermöglicht ferner eine höhere Herstellungstemperatur hinsichtlich der Zellen 68.

Setz- oder Lesestromsignale werden durch ausgewählte Schaltkreise 52 geleitet, indem an die X- und Y-Achse-Leiter und 56 geeignete Schwellenspannungen positiver Polarität angelegt werden, so daß Strom in einer Richtung geringen Widerstands durch die Schottkydiode 60 fließt, die an der Grenzfläche zwischen der zugehörigen Platinsilizid-Zone und der darunter befindlichen epitaxialen Schicht gebildet ist.

Bei dem vorstehend erläuterten Aufbau eines Schaltkreises 52 ist die Packungsdichte der Schaltkreise 52 durch die Beabstandung der Trennkanäle 7O begrenzt, die gemäß Fig. ca. 30,um beträgt. Dieser Abstand zwischen den Trennkanälen ist auch der Mittenabstand zwischen benachbarten Schaltkreisen 52 in der Gruppe. Es ist zu beachten, daß dieser Abstand kleiner als der 40_/um-Abstand zwischen den Trennkanälen der konventionellen Vorrichtung 10 ist, die eine seitliche Schmelzbrücke auf einem bipolaren Substrat verwendet (vgl. die Fig. 1-3).

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Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die nichtschmelzbare oder Speicherzone 68 aus einem setzbaren, nichtrücksetzbaren phasenveränderlichen Material mit erwünschten thermischen und elektrischen Eigenschaften. Plasma- oder Glimmentladungs-Siliziumlegierungen, die aus Mischgasen wie Silan, Siliziumtetrafluorid und Wasserstoff gebildet sind, sind als ein Ausführungsbeispiel des phasenänderbaren Materials einsetzbar· Solche Legierungsmaterialien, die bei Temperaturen unterhalb 400 C niedergeschlagen werden, ergeben gemäß den Lehren der US-PS'.en 4 217 374 und 4 226 898 amorphe Zellen mit den erwünschten PROM-Eigenschaften.

Es wurde gefunden, daß die amorphen Siliziumlegierungszellen durch Dotierung mit konventionellen Dotiermitteln verbesserbar sind. Bei einem Plasmaabscheidungssystem kann das Gemisch z. B. 20-150 000 ppm Phosphin (PH ) oder Diboran (B„H,) in einem Argonträger oder -Verdünner, mit Silan (SiH.) oder Siliziumtetrafluorid (SiF.) und Wasserstoff sein. Typischerweise werden ca. 15 000 ppm des Dotiermittels mit Argon vermischt, und dieses Gemisch bildet ca. 50 % des Gasgemischs. Ein bevorzugtes Gasgemisch für bipolare Anwendungen besteht aus 1 % Phosphin, 49 % Argon und 50 % Silan, was eine Legierung mit ca. 2 % Phosphor, 93 % Silizium und 5 % Wasserstoff ergibt.

Der Zusatz des Dotierstoffs vermindert den spezifischen Widerstand der Zellenlegierung. Der spezifische Widerstand

4 der dotierten Legierung beträgt ca. 10 .n_ cm. Außerdem verringert der Dotierstoff den optischen und elektrischen Bandabstand der Zellenlegierung, und zwar typischerweise um ca. 10 %. Diese Verringerung vermindert die Größe des Durchbruchsfelds der Zellenlegierung. Das niedrigere Feld ermöglicht eine größere Abscheidungsdicke der Zellenlegierung, ohne die Durchbruchs- oder Schwellenspannung der resultierenden Zellenlegierung zu erhöhen.

Die dickeren Zellen können eine geringere Defektstellendichte aufweisen, d. h. die Ausbeute an arbeitsfähigen Zellen wird erhöht. Die dickeren Zellen ergeben ferner eine gleichmäßigere Anordnung von Schwellenspannungen, d. h. jede Zelle bricht innerhalb eines engeren Spannungsbereichs durch. Die undotierten Siliziumlegierungszellen werden mit einer Dicke von 500-1500 A abgeschieden und brechen bei einer Schwellenspannung von 10-20 V oder weniger durch, während die dotierten Zellen mit Dicken von 1000-2000 A abgeschieden werden und die gleichen Durchbruchsspannungen haben.

Der geringere spezifische Widerstand der dotierten Siliziumlegierungszellen resultiert in einer Steigerung des Restoder Vorschaltstroms, der durch die Zellen fließen kann. Dies scheint zwar nachteilig zu sein, ermöglicht aber im Gegenteil wesentliche Vorteile bei der Prüfung und Anwendung der Zellenvorrichtungen. Durch jede Zelle 68 kann ein Strom zwischen ca. O,l und 1,0 itiA geschickt werden, um zu prüfen, daß die Schaltkreise und Zellen funktionsfähig sind. Unter Bezugnahme auf das Schaltdiagramm von Fig. 6 umfaßt dies eine Prüfung der Leitungen 56 und 58 hinsichtlich eines Ausschaltzustands und das Schicken eines Sperrstroms durch die Zellen 68 zur Prüfung der Zellen und der Dioden 60.

Die Dotierpegel für Zellen, die mit MOS-Bauelementen verwendet werden, sind niedriger als diejenigen für bipolare Bauelemente, so daß die Größe des Schaltstroms auf den erwünschten Bereich von 10-lOOOyuA verringert wird.

Bei der Herstellung der Felder oder Gruppen wird ferner das mögliche Vorschalten der Zellen aufgrund von statischer Elektrizität, der sie ausgesetzt sind, im wesentlichen beseitigt .

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Die dotierten Siliziumzellenlegierungen stellen ferner Ohmschen Kontakt mit Metallen und Metallsiliziden her, und damit ist der Widerstand der programmierten Bauelemente niedriger und gleichmäßiger.

Durch Zugabe eines Dotiermittels wie Phosphor zu der Siliziumlegierung wird ferner die Legierung biegsamer, so daß während der anschließenden Hochtemperaturverarbeitung eine geringere Bruchgefahr besteht.

Bei der Bildung der Zelle 68 wird die Öffnung 72 zuerst mit einem konventionellen Fotolack maskiert. Dann wird die amorphe, phasenänderbare Legierung in die Öffnung bis zur erwünschten Dicke abgeschieden. Die Abscheidungsverfahren können denjenigen nach den US-PS'en 4 217 374 und 4 226 entsprechen. Ein beispielsweises Abscheidungsverfahren ist eine Plasmaabscheidung aus SiH., das ein Verdünnungsgas wie Argon in einem Verhältnis von ca. 1:1 enthalten kann. Das Substrat wird auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur des Fotolacks erwärmt, z. B. auf weniger als 150 °C.

Zwischen lOOO und 2000 A Zellenlegierung wird mit einer Arbeitsfrequenz von ca. 30 kHz abgeschieden, wobei ca. 8OO A eine Schwellenspannung von 8 V erzeugen. Dann wird der Fotolack abgezogen, und die Sperrschicht 70 wird in der erläuterten Weise aufgebracht. Eine Änderung der Dicke der Zelle 68 bewirkt eine Änderung der Schwellenspannung, die erforderlich ist, um das phasenänderbare Material in den leitfähigen Zustand zu setzen, wie bereits erörtert wurde.

Das Einstellen der die Zelle 68 bildenden amorphen Legierung in den kristallinen leitfähigen Zustand wird typischerweise dadurch erreicht, daß ein Strom durch das Material geschickt wird, der eine Größe von zwischen ca. 10 ,uA und 25 mA hat,

wobei eine Schwellenspannung von ca. 8-10 V während einer Dauer von 1-100 ,us angelegt wird.

Die vorstehend erläuterten Legierungen resultieren in Zellen- oder Speicherbereichs-Materialien, die einen stabilen, hochleitfähigen Zustand und einen stabilen, hochnichtleitfähigen Zustand haben. Der nichtleitfähige Zustand ist in nichtrücksetzbarer Weise in den stabilen, hochleitfähigen Zustand dadurch umschaltbar, daß ein strombegrenzter Spannungsimpuls oder ein spannungsbegrenzter Stromimpuls an die Zellenzone angelegt wird, der einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Die Zelle bleibt auch dann im hochleitfähigen Zustand, wenn keine Spannung oder kein Strom mehr angelegt wird, und auch unter allen Betriebsbedingungen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer programmierbaren Anordnung 100. Diese umfaßt Schaltkreise 102, deren jeder eine Zelle 104 aus amorphem Legierungsmaterial der vorstehend erläuterten Art und ein Trennelement 105 aufweist, das ein Feldeffekttransistor-Bauelement 105 vom MOS-Typ ist, das in einem p-leitfähigen Siliziumsubstrat 1O6 gebildet ist, auf dem Schaltkreise 102 gebildet sind.

Die Anordnung oder Gruppe 100 umfaßt einen X-Achse-Aluminiumleiter 108, der mit einer Seite der Zelle oder Speicherzone 104 verbunden ist. Die andere Seite der Zelle ist an eine η -diffundierte Kollektorzone 110 im Substrat 106 angeschlossen. Das Substrat 106 weist einen Y-Achse-Leiter 111 auf dem Substrat über einer in das Substrat·106 eindiffundierten Quellenzone 112 des FET 105 auf. Zusätzlich ist ein als Gate wirkender Y-Achse-Leiter 114 auf einer Isolierschicht 116 auf dem Substrat 106 vorgesehen.

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- yr -

Bei dem Aufbau der Anordnung 100 mit der Zelle 104 ist der MOS-FET 105 in dem Substrat 106 gebildet. In die obere Zone des Substrats 106 sind beabstandete parallele η -Leitungsbänder 110 und 112 eindiffundiert, so daß jeweils parallele quellenbildende Zonen 112 und kollektorbildende Zonen 110 für das MOS-Bauelement gebildet sind, deren jede gemeinsam mit einem Schaltkreis 102 verwendet wird.

Bei der weiteren Bildung des Schaltkreises 102 werden auf dem Substrat 106 parallele Gate-Isolierzonen, z. B. die Gate-Isolierschicht 116, gebildet. Eine solche Isolierschicht kann Siliziumoxid oder Siliziumnitrid sein.

Unter Verwendung eines geeigneten Fotolackabdeck- und Ätzverfahrens wird der Y-Achse-Leiter 111 gebildet zur Herstellung des elektrischen Anschlusses an die Quellenzone 112, und der Y-Achse-Leiter 114, der das Gate bildet, ist durch Vakuumabscheidung oder anderweitig auf der Isolierschicht 116 gebildet. Solche Leiter 111 und 114 können aus verschiedenen Materialien gebildet werden, typischerweise werden sie aus Polysilizium gebildet. Anschlüsse niedrigen Widerstands werden in konventioneller Weise an den Y-Achse-Leiter 111 und den Y-Achse-Gateleiter 114 hergestellt.

Im weiteren Verlauf der Herstellung der Gruppe 100 wird nunmehr eine Isolierschicht 122 durch Vakuumaufdampfen oder in anderer Weise auf der Oberfläche des Substrats 106 vorgesehen, und ein Teil davon wird ausgeschnitten, so daß ein offener Bereich 120 über den Kollektorzonen HO verbleibt. Dann wird eine Platinschicht auf den offenen Bereich zwischen Abschnitten der Isolierschicht 122 und auf die Oberfläche des Substrats 106 aufgebracht, das dann erwärmt wird zur Bildung einer Platin-Silizid-Zone 124, die

eine Ohmsche Zone (und nicht eine Schottky-Diode) bildet. Ein Ätzmittel wie Königswasser wird dann verwendet, um überschüssiges Platin zu entfernen, jedoch nicht die Platin-Silizid-Zone 124. Eine Schicht des Speichermaterials 104 wird dann in und um jede Öffnung 120 in der Isolierschicht 122 aufgebracht, so daß ein guter elektrischer Kontakt mit der Platin-Silizid-Zone 124 hergestellt wird. Eine dünne Sperrschicht 126 wird dann über der Isolierschicht 122 und dem Kollektorzonenmaterial 104 aufgebracht; die dünne Sperrschicht 126 besteht bevorzugt aus einem Werkstoff wie Ti-W. Dann wird eine dickere Schicht aus einem leitfähigen Metall wie Aluminium aufgebracht zur Bildung des X-Achse-Leiters 108.

Nach Fig. 8 hat diese Gruppe 100, die eine Zellenzone auf amorphem Legierungswerkstoff des angegebenen Typs und einen MOS-FET 105, der das Trennelement des Speicherschaltkreises 102 bildet, aufweist, eine seitliche Ausdehnung von 21 ,um, was wesentlich kleiner als die 40 ,um des bekannten PROM-Bauelements 10 mit seitlichen Schmelzbrücken nach den Fig. 1 und 2 ist.

Ein schematisches Ersatzschaltbild des Schaltkreises 102 von Fig. 8 ist in Fig. 9 dargestellt.

Die Fig. IO und 11 zeigen zwei Zellen in einer nur aus Dünnschichten bestehenden Gruppe 154, wobei die vorher angegebenen Diffusionskanäle entfallen. Die Schaltkreise 152 des PROM-Bauelements 154 sind auf einem Hauptsübstrat 156 nach Fig. 11 gebildet. Auf diesem Hauptsubstrat ist eine Isolierschicht 158 abgeschieden. Dabei kann der Werkstoff des Hauptsubstrats 156 Metall sein, und die Isolierschicht 158 kann außerordentlich dünn sein, so daß in anderen Teilen der Speicherschaltkreise 152, die auf der Isolierschicht 158 abgeschieden sind, erzeugte Wärme in die durch das Metallsubstrat 156 gebildete Wärmesenke abgeleitet wird.

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Die Isolierschicht 158 kann aus Siliziumdioxid bestehen. Auf der Oberseite der Isolierschicht 158 sind parallele Leitungsbänder 160 abgeschieden, die die Y-Achse-Leiter 160 der Speichermatrix der Gruppe 154 bilden.

Ein pn-Übergangs-Bauelement aus Schichten von amorphem Halbleitermaterial oder entsprechenden Legierungen ist auf der Oberseite der Leitungsbänder 16O abgeschieden. Dabei ist ein isolierendes Gleichrichterelement 162 aus aufeinanderfolgend dotierten η - und ρ -Schichten 164 und aus einer amorphen Legierung gebildet. Dann ist eine Isolierschicht 170 über dem Substrat 158 und den Schichten 160, 164 und 166 abgeschieden. Anschließend wird ein offener Raum 169 aus dem Bereich ausgeschnitten, in dem die Platin-Silizid-Zone 168 zu bilden ist, und die Platin-Silizid-Zone 168 wird in der bereits erläuterten Weise gebildet.

Dann wird die phasenänderbare nichtrücksetzbare amorphe Legierung abgeschieden zur Bildung einer Zelle oder einer Speicherzone 17 2 in der erläuterten Weise. Dann wird auf die Isolierschicht 170 und die Speicherzonen 172 eine Dünnschicht aus feuerbeständigem sperrschichtbildendem Werkstoff wie Molybdän oder eine TiW-Legierung abgeschieden. Anschließend wird eine dickere Schicht 176 aus leitendem Metall, z. B. Aluminium, über der feuerbeständigen Sperrschicht 174 abgeschieden zur Bildung eines X-Achse-Leiters 176. Die Platin-Silizid-Zone 168 kann eine Ohmsche Kontakt- oder Schottkydioden-Grenzfläche mit einer leicht dotierten äußeren amorphen Legierungsschicht bilden.

Nach Fig. 11 beträgt der Mittenabstand zwischen den nur aus abgeschiedenen Filmen bestehenden Schaltkreisen 152 8/um, wodurch sich eine sehr hohe Packungsdichte von z. B.

/ 2
0,00254 mm für die Speicherzellen ergibt. Dies wird gemäß

Fig. 11 sowie der vorstehenden Erläuterung dadurch erreicht, daß jeder Schaltkreis im wesentlichen vertikal zwischen dem X-Achse-Leiter 176 und dem Y-Achse-Leiter 160 verläuft.

Die als Trennelement eingesetzte Diode 162 kann eine erste und eine zweite Zone haben, die aneinandergrenzen und einen Übergang bilden, wobei die erste Zone aus einer amorphen Legierung, die Silizium und Fluor enthält, bestehen kann. Bevorzugt enthält das amorphe Material auch Wasserstoff und

ist amorpher Si F, H , mit a = zwischen 80 und 98 Atom-%, a D c

b = zwischen 0 und 10 Atom-% und c = zwischen 0 und 10 Atom-%, Das amorphe Material bzw. die amorphe Legierung der Diode 162 kann in der in den US-PS'en 4 217 374 und 4 226 898 erläuterten Weise gebildet werden. Es hat sich gezeigt, daß die aus der Siliziumlegierung gebildeten Zellen 172 einen hohen Widerstand aufweisen und ferner eine oder mehrere in Sperrichtung betriebene Dioden bilden, so daß sie ohne Beeinträchtigung der in Durchlaßrichtung betriebenen Diode 162 einstellbar sind.

Die erste amorphe Legierungszone in der Diode kann mit einem Dotierstoff dotiert werden, der ein Element der Gruppe V des Periodensystems ist, z. B. Phosphor oder Arsen, wobei die Dotierstoffmenge zwischen einigen ppm und 5 Atom-% liegt. Bevorzugt wird die erste Zone mit einer Dotierstoffmenge von 10-100 ppm dotiert.

Die zweite Zone kann ein Metall, eine Metallegierung oder ein metallähnlicher Werkstoff mit großer Barrierehöhe auf der ersten Zone sein, so daß eine Schottky-Sperrschicht gebildet wird. Ein solches Metall kann Gold, Platin, Palladium oder Chrom sein.

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-Vt-

Die amorphe Legierung der ersten Zone kann alternativ mit einem Dotierstoff eines Elements der Gruppe III, z. B. Bor oder Aluminium, in einer Menge zwischen einigen ppm und 5 Atom-% dotiert sein.

Alternativ kann ferner die zweite Zone aus einem Werkstoff bestehen, der von der amorphen Legierung verschieden ist, so daß ein HeteroÜbergang gebildet wird.

Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm der in den Fig. 10 und 11 gezeigten Schaltkreise.

Die Fig. 13 und 14 zeigen eine weitere programmierbare Gruppe 210 mit einem Schaltkreis 212, der zwischen einem X-Achse-Metalleiter 214 und einem Y-Achse-Leiter 216 verläuft. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt der Schaltkreis 212 eine Zelle oder Speicherzone 218 mit der darin enthaltenen amorphen Legierung sowie ein Trennelement 220, das ein Dünnschicht-FET 220 ist.

Der Leiter 216 ist ein Band aus leitfähigem Werkstoff, das eine Quellenzone 216 für den Dünnschicht-Transistor bildet, der ferner eine Kollektorzone 222 und einen Gateleiter 224 aufweist.

Bei der Bildung des Schaltkreises 212 wird zuerst ein Band aus Quellenwerkstoff 216 auf ein isoliertes oder Isoliersubstrat 226 aufgebracht. Das Material, aus dem das Band 216 bestehen kann, kann ein Metall (wie gezeigt), eine n-dotierte Halbleiterlegierung oder eine p-dotierte Halbleiterlegierung sein. Nachdem das Band Quellenmaterial 216 auf das Substrat 226 aufgebracht ist, werden auf dem Substrat 226 Bereiche von Kollektormaterial 222 abgeschieden. Dabei können diese

Quellenmaterialbereiche 222 wiederum ein Metall (wie gezeigt), ein η-dotiertes Halbleiterlegierungsmaterial oder ein pdotiertes Halbleitermaterial sein. Anschließend wird eine Schicht 228 aus amorpher Siliziumlegierung, die bevorzugt Wasserstoff und/oder Fluor enthält, auf dem Substrat 226 zwischen dem den Leiter 216 bildenden Quellenband und der Kollektorzone 222 abgeschieden.

Diese amorphe Siliziumlegierung ist wiederum bevorzugt

amorpher Si F, H , mit a = zwischen 80 und 98 Atom-%, a D c

b = zwischen 0 und 10 Atom-% und c = zwischen 0 und 10 Atom

Nachdem die amorphe Siliziumschicht 228 aufgebracht ist, wird eine Schicht Gate-Isoliermaterial, z. B. ein Gate-Oxid, 230 auf die Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 228 aufgebracht. Dann wird auf die Oberfläche der Gate-Isolierschicht eine Schicht Gate-Leitermaterial 224 in einem Band, das parallel zu dem Band 216 verläuft, aufgebracht. Der Gate-Leiter 224 kann aus einem Metall (wie gezeigt), einem n- oder einem p-dotierten Halbleiter bestehen. Dann wird über das Substrat 226, das Qeulenband 216, die Schichten 228, 230 und 224 sowie die Kollektormaterialzonen 222 eine Isolierschicht 232 aufgebracht. Anschließend wird der Isolierstoff über der Kollektorzone entfernt zur Bildung einer Öffnung 233, in der eine Schicht Zellenmaterial 218 abgeschieden wird. Schließlich wird ein Materialband, typischerweise aus einem Metall wie Aluminium, über der Isolierschicht 232 und in Kontakt mit der Speicherzone 218 und parallel zu der X-Achse zur Bildung des X-Achse-Leiters 214 aufgebracht. Eine Sperrschicht (nicht gezeigt) kann vor dem Leiter 214 aufgebracht werden.

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Ein schematisches Schaltbild einiger der Schaltkreise 212 der Gruppe 210 ist in Fig. 14 gezeigt.

Es ist zu beachten, daß der Schaltkreis 212 der Gruppe 210 aufgrund der Beabstandung der Quellenzone 216 von der Kollektorzone 222 eine größere seitliche Ausdehnung als die Schaltkreise 152 hat, bei denen die Zonen 164 und 166 der Diode 162 mit der Speicherzone 17 2 zwischen dem X-Achse-Leiter 176 und dem Y-Achse-Leiter 160 in einer Reihe liegen oder in einer Reihe übereinandergestapelt sind. Wenn jedoch als Trennelemente MOS-Feldeffekttransistoren erwünscht sind, wird die Gruppe 210 bevorzugt benutzt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Zelle nach der Erfindung, die das aus einer Siliziumlegierung gebildete amorphe phasenänderbare Material, das erwünschte thermische und elektrische Eigenschaften hat, sowie eines von mehreren Trennelementen aufweist, programmierbare Felder oder Gruppen liefert, die in einfacher Weise mit minimalem Zeitaufwand eingestellt oder gesetzt werden können, die eine Schaltung mit niedrigem Setzstrom, einer schnellen Setzzeit, einer hohen Verarbeitungstemperatur, einer relativ hohen Speichertemperatur, einem geringen Setz-Widerstand und einem hohen Abschalt-Widerstand ergeben.

Ferner können die Isolier- oder Trenn-Bauelemente vom konventionellen bipolaren Siliziumeinkristall-Schottkydioden-Typ oder vom bipolaren pn-Übergangs-Typ sein. Alternativ können solche Isolier-Bauelemente vom MOS-Typ, und zwar entweder vom planaren MOS-Typ oder V-MOS-Typ sein. Außerdem sind die Isolier-Bauelemente bevorzugt mit einem Dünnschicht-Aufbringverfahren gebildet, und besonders bevorzugt ist die Diode

oder der FET, die bzw. der das Isolier-Bauelement bildet, aus einer amorphen, im Vakuum abgeschiedenen Siliziumlegierung, die außerdem Wasserstoff und/oder Fluor enthält, hergestellt. Die nur aus Dünnschicht-Schaltkreisen bestehenden Gruppen werden bevorzugt, da sie die höchste Packungsdichte aufweisen und gleichzeitig eine Gruppe oder ein Feld ergeben, das eine Zelle aus nichtrücksetzbarem phasenänderbaren Material sowie Dünnschichtdioden oder -transistoren aufweist, die zwischen sich kreuzenden X- und Y-Achse-Leitern an deren Kreuzungspunkten vertikal angeordnet sind.

Im übrigen ist ersichtlich, daß die in den verschiedenen Figuren dargestellten verschiedenen Gruppen mit den unterschiedlichen Zellenkonfigurationen mit Adreß-Schaltkreisen verwendbar sind, die einen bestimmten X- oder Y-Achse-Leiter für die Zuführung von Setz- oder Leseströmen ansteuern, und die Adreß-Schaltkreise können durch niedergeschlagene Filme gebildet werden. In dieser Beziehung wird z. B. eine nur aus niedergeschlagenen Filmen bestehende Speichermatrix und Adreß-Schaltkreise auf demselben Substrat (vgl. Fig. 15) angeordnet;dabei sind eine Speichermatrix oder -gruppe 250 und zugeordnete Adreß-Schaltkreise 252 auf einem Substrat 254 niedergeschlagen. Ferner ist zu beachten, daß die Adreß-Schaltkreise 252 und die Speichermatrix 250 auf derselben oder auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats 254 aufgebracht werden können. Außerdem kann die Gruppe und die Speichermatrix 250 teilweise oder vollständig aus in der erläuterten Weise aufgebrachten Dünnschichten bestehen. Bevorzugt sind jedoch nicht nur die Speicherzone jedes Speicherschaltkreises als Dünnschichten aus einer amorphen Legierung niedergeschlagen, sondern die Trennelemente und die Adreß-

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Schaltkreise 252 sind ebenfalls mit einem Dünnschicht-Abscheideverfahren hergestellt.

Da die meisten heute verwendeten Datenspeicher- und -verarbeitungssysteme mit integrierten Schaltkreisen, die in Siliziumchip-Substraten gebildet sind, arbeiten, wird angenommen, daß die ursprünglich vertriebenen Gruppen, die nach den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, vermutlich Speichermatrizen aufweisen würden, wobei ein Teil der betreffenden Speichermatrix, z. B. das Trenn-Bauelenient und/oder zugeordnete Adreß-Schaltkreise in einem Siliziumchip-Substrat gebildet werden.

Fig. 16 zeigt schaubildlich ein Siliziumchip-Substrat 300 mit einer vollständig oder teilweise aus abgeschiedenen Dünnschichten bestehenden Speichermatrix oder -gruppe 302 mit darin befindlichen Speicherschaltkreisen und zugehörigen Adreß-Schaltkreisen 304, die in das Siliziumchip-Substrat 300 durch Bilden der verschiedenen Elemente der Schaltkreise aus dotierstoff-diffundierten Bereichen eingebaut sind.

Es ist zu beachten, daß eine vollständig aus Dünnschichten gebildete Spe.i chergruppe mit nach der Erfindung gebildeten Schaltkreisen und unter Anwendung von Dünnschicht-Isolierelementen zusammen mit Dünnschicht-Adreß-Schaltkreisen erhebliche Vorteile mit sich bringt, da eine Anzahl solche Speichersysterne, getrennt durch Isolierschichten, aufeinanderstapelbar ist. Ferner können zwischen Isolierschichten dünne metallische Substrate, die Wärmeableiter bilden, vorgesehen sein und an ihren Außenkanten Wärmeabstrahlrippen aufweisen. .

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die angegebenen Gruppen oder Felder 50, 100, 154 oder 21O, die entweder konventionelle oder neue Dünnschicht-Isolierelemente aufweisen und mit konventionellen oder neuen Dünnschicht-Adreß-Schaltkreisen verwendet werden, eine Anzahl Vorteile mit sich bringen, wovon einige bereits erläutert wurden und andere den Speichergruppen nach der Erfindung innewohnen. Insbesondere können solche Gruppen mit einem Werkstoff hergestellt werden, der erwünschte thermische und elektrische Eigenschaften hat, und zwar mit einer außerordentlich hohen Packungsdichte der Zellen und einem sehr hohen Abschaltwiderstand.

Selbstverständlich sind verschiedene Modifikationen und Änderungen möglich. Z. B. können die amorphen Zellen 68 eine große Anzahl Formen und Größen aufweisen und könnten in Form der Schmelzbrücken 20 aufgebracht werden. Mit "amorph" ist hier eine Legierung oder ein Werkstoff gemeint, der eine weitreichende Fehlordnung hat, obwohl er auch eine Nah- oder Zwischenbereichs-Fehlordnung und sogar hin und wieder kristalline Einschlüsse aufweisen kann. Ferner brauchen die Zellen, z. B. 68, nicht auf der Oberseite der Diodenschichten abgeschieden zu werden, sondern sie können stattdessen zwischen den beiden Metallschichten 58 und der zweiten Metallschicht (nicht gezeigt) liegen. Auch könnte die Zelle 218 zwischen dem Gate 224 und dem X-Leiter 214 liegen.

Claims

Patentansprüche

Programmierbare Speicherzelle mit amorphem Zellenkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenkörper (52, 68, 104, 172, 218) wenigstens einen Teil mit einer dotierten amorphen Siliziumlegierung (52, 68, 104, 172, 218), der setzbar und nichtrücksetzbar ist, aufweist, wobei der Legierungsteil (52, 68, 104, 172, 218) einen hoch-nichtleitfähigen Zustand hat, der in einen hochleitfähigen Zustand setzbar ist.
2. Speicherzelle nach Anspruch 1, :'| dadurch gekennzeichnet, ~ä daß der Legierungsteil (52, 68, 104, 172, 218) 0,1-5 % Phosphor-Dotierstoff aufweist.
3. Speicherzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Legierungsteil (52, 68, 104, 172, 218) ferner eines oder mehrere Elemente der Fluor, Wasserstoff und Sauerstoff umfassenden Gruppe enthält.
4. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Legierungsteil (52, 68, 104, 172, 218) durch Plasmaabscheidung aus einem Plasma, das wenigstens Silizium, Wasserstoff und 20-150 000 ppm Dotierstoff enthält, gebildet ist.

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5. Programmierbare elektronische Speichermatrix mit einer Mehrzahl von amorphen Zellenkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zellenkörper (52, 68, 1O4, 172, 218) wenigstens einen Teil mit einer amorphen Siliziumlegierung (52, 68, 104, 172, 218), der setzbar und nichtrücksetzbar ist, aufweist, wobei der Legierungsteil (52, 68, 1O4, 172, 218) einen hoch-nichtleitfähigen Zustand hat, der in einen hochleitfähigen Zustand setzbar ist.
6. Speichermatrix nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß jede Speicherzelle (52, 68, 104, 172, 218) eine Dünnschicht-Speicherzelle ist.
7. Speichermatrix nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß jede Speicherzelle (52, 68, 104, 172, 218) aus wenigstens einem Element der Fluor, Wasserstoff und Sauerstoff umfassenden Gruppe gebildet ist.
8. Speichermatrix nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Speicherzellen (52, 68, 104, 172, 218) die programmierbaren Speicherzellen in einer PROM-Einheit (50, 100, 154) bilden.
9. Speichermatrix nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Speicherzellen (52, 68, 104, 172, 218) wenigstens einige der Schmelzelemente (20) in einer programmierbaren logischen Speichermatrix bilden.
10. Speichermatrix nach einem der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherzellen (52, 68, 104, 172, 218) wenigstens einige der Schmelzelemente in einer Gatter-Matrix (100,.210) bilden.
11. Speichermatrix nach einem der Ansprüche 5-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherzellen (52, 68, 1O4, 172, 218) wenigstens einige der Chip-Verbindungselemente in einer Gruppe integrierter Schaltkreise bilden.
12. Speichermatrix nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsteil (52, 68, 104, 172, 218) 0,1-5 % Dotierstoff enthält.
13. Speichermatrix nach einem der Ansprüche 5-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsteil (52, 68, 104, 172, 218) einen Phosphor-Dotierstoff enthält.