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Die Erfindung betrifft Bauelementestrukturen für laterale
Phasenwechsel-Speicher und Verfahren zu deren Herstellung.
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Phasenwechsel-Speicherbauelemente
verwenden Phasenwechselmaterialien, das heißt Materialien, die elektrisch
zwischen einem grundsätzlich amorphen
und einem grundsätzlich
kristallinen Zustand umgeschaltet werden können, für elektronische Speicheranwendungen.
Eine Art des Speicherbauelements benutzt ein Phasenwechselmaterial, das
zwischen einem Strukturzustand einer grundsätzlich amorphen lokalen Ordnung
und einer grundsätzlich
kristallinen lokalen Ordnung oder zwischen verschiedenen erfaßbaren Zuständen der
lokalen Ordnung über
das gesamte Spektrum zwischen dem vollständig amorphen und dem vollständig kristallinen
Zustand hinweg umgeschaltet werden kann.
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Typische Materialien, die für eine derartige Anwendung
geeignet sind, umfassen solche, die verschiedene Chalkogenid-Elemente
benutzen. Der Zustand des Phasenwechselmaterials ist darüber hinaus
nicht-flüchtig
insoweit, daß dann,
wenn er in einen kristallinen, halbkristallinen, amorphen oder halbamorphen
Zustand gesetzt ist, der einen Widerstandswert repräsentiert,
dieser Wert bis zum Rücksetzen
beibehalten wird, da dieser Wert eine Phase oder einen physikalischen
Zustand des Materials (z.B. kristallin oder amorph) repräsentiert.
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Das Programmieren des Phasenwechselmaterials
zum Ändern
der Phase und des Speicherzustands des Materials wird ausgeführt, indem
ein elektrischer Strom durch das Material hindurchgeleitet wird,
um das Material aufzuheizen. Eine Verringerung des an das Phasenwechselmaterial
angelegten Stroms kann erwünscht
sein, um den Energieverbrauch des Speicherbauelements zu reduzieren.
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Somit besteht ein fortgesetzter Bedarf
an alternativen Wegen zu Herstellung von Phasenwechsel-Speicherbauelementen,
um den zum Programmieren des Phasenwechselmaterials verwendeten Strom
zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zur Herstellung einer Bauelementestruktur mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
28 bzw. eine Bauelementestruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs
11 bzw. mit den Merkmalen des Patentanspruchs 23 sowie durch ein System
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 30 gelöst.
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Es sei angemerkt, daß eine Bauelementestruktur
als Teil eines oder mehrerer (fertiggestellter oder im Herstellungsprozeß befindlicher)
Bauelemente verstanden werden soll.
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Bevorzugte und vorteilhafte Weiterbildungen sind
in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen
näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Teils eines Phasenwechsel-Speichers
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Schnittansicht des Speichers gemäß 1 während
der Herstellung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
schematische Schnittansicht der Struktur gemäß 2 bei einer späteren Stufe der Herstellung;
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4 eine
schematische Schnittansicht der Struktur gemäß 3 bei einer späteren Stufe der Herstellung;
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5 eine
schematische Schnittansicht der Struktur gemäß 4, geschnitten entlang der Linie 5-5;
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6 eine
schematische Schnittansicht der Struktur gemäß 5 bei einer späteren Stufe der Herstellung;
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7 eine
Draufsicht auf die Struktur gemäß 6 bei der in 6 veranschaulichten Herstellungsstufe;
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8 eine
schematische Schnittansicht der Struktur gemäß 6 bei einer späteren Stufe der Herstellung;
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9 eine
schematische Schnittansicht der Struktur gemäß 8 bei einer späteren Stufe der Herstellung;
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10 eine
Draufsicht auf die Struktur gemäß 9 bei der in 9 veranschaulichten Herstellungsstufe;
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11 eine
Draufsicht auf die Struktur gemäß 10 bei einer späteren Stufe
der Herstellung;
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12 eine
schematische Schnittansicht eines Teils eines Phasenwechsel-Speichers
gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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13 eine
schematische Schnittansicht eines Teils eines Phasenwechsel-Speichers
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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14 eine
schematische Schnittansicht eines Teils eines Phasenwechsel-Speichers
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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15 eine
schematische Darstellung, die ein Speicherarray gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
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16 eine
Blockdarstellung, die einen Teil eines Systems gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Aus Gründen der Vereinfachung und
der Klarheit der Veranschaulichung wurden die in den Figuren veranschaulichten
Elemente nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet. Darüber hinaus wurden
Bezugszeichen in verschiedenen Figuren wiederholt, sofern sie entsprechende
oder analoge Elemente kennzeichnen.
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In der folgenden detaillierten Beschreibung werden
zahlreiche spezielle Details angegeben, um ein besseres Ver ständnis der
vorliegenden Erfindung zu erreichen. Für Fachleute ist es jedoch klar,
daß die Erfindung
auch ohne diese speziellen Details ausgeführt werden kann. An anderen
Stellen werden gut bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltungen
nicht im Detail beschrieben, um die Erfindung nicht unnötigerweise
zu verdecken.
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In der folgenden Beschreibung und
in den Ansprüchen
werden die Begriffe "gekoppelt" und "verbunden" sowie deren Ableitungen
verwendet. Es ist klar, daß diese
Begriffe keine Synonyme darstellen sollen. Stattdessen wird bei
bestimmten Ausführungsbeispielen
der Begriff "verbunden" verwendet, um zu
kennzeichnen, daß zwei
oder mehr Elemente sich in direktem physikalischen oder elektrischen Kontakt
zueinander befinden. Der Begriff "gekoppelt" kann sowohl dazu verwendet werden,
zu kennzeichnen, daß zwei
oder mehr Elemente sich in direktem physikalischen oder elektrischen
Kontakt befinden, als auch dazu verwendet werden, zu kennzeichnen, daß zwei oder
mehr Elemente sich nicht in direktem Kontakt zueinander befinden,
aber noch miteinander kooperieren oder miteinander in Interaktion
treten.
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Wenden wir uns 1 zu, in der ein Ausführungsbeispiel eines Teils
eines Phasenwechsel-Speichers 100 veranschaulicht ist.
Der Phasenwechsel-Speicher 100 umfaßt ein Speicherelement 110, das
ein Phasenwechselmaterial 120 enthält, wobei wenigstens ein Teil
des Phasenwechselmaterials 120 zwischen zwei Elektroden 130 und 140 angeordnet ist.
Die Elektroden 130 und 140 sind auf einem dielektrischen
Material 150 ausgebildet, welches bei diesem Beispiel als
Basismaterial bezeichnet wird. Auf den Elektroden 130 bzw. 140 sind
Isolatoren 160 bzw. 170 ausgebildet. Auf Teilen
des Phasenwechselmaterials 120 und auf den Isolatoren 160 und 170 ist
ein dielektrisches Material 180 aufgebracht.
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Bei alternativen Ausführungsbeispielen
kann der Phasenwechsel-Speicher 100 auf andere weise ausgebildet
sein und zusätzliche
Schichten und Strukturen enthalten. Beispiels weise kann es erwünscht sein,
Trennstrukturen, Adreßleitungen,
periphere Schaltungen (zum Beispiel Adressierschaltungen), etc.
auszubilden. Es ist klar, daß das
Fehlen dieser Elemente keine Einschränkung des Umfangs der vorliegenden
Erfindung darstellt. 1 wurde vereinfacht,
um zu veranschaulichen, wie das Phasenwechselmaterial 120 zwischen
den Elektroden 130 und 140 angeordnet sein kann.
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Die Elektroden 130 und 140 können aus
einer auf der dielektrischen Schicht abgeschiedenen einzelnen Schicht
eines leitfähigen
Materials gebildet sein. 2 bis 4 veranschaulichen eine Ausführungsform
zu Herstellung des Speicherelements 110, bei der die Elektroden 130 und 140 (1) aus einer Einzelschicht
eines leitfähigen
Materials 230 (2) gebildet
werden. Bei einem Ausführungsbeispiel
können
die Elektroden 130 und 140 voneinander durch eine
sublithographische Distanz beabstandet sein. Beispielsweise können bei
einer Ausführungsform die
Elektroden 130 und 140 durch eine Distanz von weniger
als 1000 Angström
beabstandet sein. Die 2 bis 4 veranschaulichen außerdem die
Ausbildung der Isolatoren 160 und 170 (1) aus einer einzigen Schicht
eines dielektrischen Materials 240 (2), wobei auch die Isolatoren 160 und 170 voneinander
durch eine sublithographische Distanz beabstandet sind.
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Eine sublithographische Distanz ist
eine Distanz oder ein Abstand, die bzw. der geringer ist als eine
Strukturbreite (Merkmalsgröße einer
Struktur). Die Strukturbreite einer Struktur bezeichnet die minimale
Dimension, die unter Verwendung einer Photolithographie erreichbar
ist. Beispielsweise bezieht sich die Strukturbreite auf die Breite
eines Materials oder die Beabstandung von Materialien in einer Struktur.
Es ist klar, daß sich
der Begriff Photolithographie auf einen Prozeß des Übertragens eines Musters oder
eines Bildes von einem Medium auf ein anderes, zum Beispiel von
einer Maske auf einen Wafer, unter Verwendung von ultraviolettem
Licht bezieht. Die minimale Strukturbreite des übertragenen Musters wird durch
die Einschränkungen
des UV-Lichts begrenzt.
Distanzen, Größen oder
Dimensionen, die geringer als die Strukturbreite sind, werden als
sublithographische Distanzen, Größen, Dimensionen
bezeichnet. Beispielsweise können Strukturen
eine Strukturbreite von etwa 2500 Angström haben. Bei diesem Beispiel
ist eine sublithographische Distanz bei einer Breite eines Merkmals von
weniger etwa 2500 Angström
gegeben.
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Verschiedene Techniken können verwendet werden,
um sublithographische Dimensionen zu erreichen. Beispielsweise können Phasenverschiebungsmasken,
Elektronenstrahllithographie oder Röntgenlithographie verwendet
werden, um sublithographische Dimensionen zu erreichen. Die Elektronenstrahllithographie
bezeichnet eine Direktschreiblithographietechnik, die einen Elektronenstrahl
verwendet, um einen Wafer zu belichten. Röntgenlithographie bezieht sich
auf einen Lithographieprozeß zum Übertragen
von Mustern auf einen Silizium-Wafer, bei welchem Röntgenstrahlen
anstelle von sichtbarer Strahlung als elektromagnetische Strahlung verwendet
werden. Die kürzere
Wellenlänge
der Röntgenstrahlen
(beispielsweise etwa 10–50
Angström
gegenüber
etwa 2000–3000
Angström
bei ultravioletter Strahlung) reduziert die Beugung und kann verwendet
werden, um Strukturbreiten von etwa 1000 Angström zu erreichen. Darüber hinaus können Seitenwand-Abstandshalter
(Spacer) verwendet werden, um sublithographische Dimensionen zu
erreichen. Die 2 bis 4 veranschaulichen die Verwendung
von Seitenwand-Spacern zum Erreichen sublithographischer Dimensionen.
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Wenden, wir uns 2 zu; ein leitfähiges Material 230 wird
auf das dielektrische Material 150 aufgebracht. Das dielektrische
Material 150 kann aus einer Vielzahl von Materialien gebildet
sein, beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein anderes
Material. Das leitfähige
Material 230 wird beispielsweise auf dem dielektrischen
Material 150 unter Verwendung eines physikalischen Dampfabschei dungs(PVD)-Prozesses
aufgebracht. Das leitfähige Material 230 kann
Kohlenstoff oder ein Halbmetall, wie beispielsweise ein Übergangsmetall
sein, was beispielsweise Titan, Wolfram, Titannitrid (TiN) oder Titanaluminiumnitrid
(TiAlN) umfaßt.
Weitere geeignete Elektrodenmaterialien schlieflen ein polykristallines
Halbleitermaterial, wie beispielsweise polykristallines Silizium,
ein. Das leitfähige
Material 230 weist beispielsweise eine Dicke zwischen 50
Angström und
etwa 250 Angström
auf.
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Nach dem Bilden der leitfähigen Schicht 230 wird
eine Schicht eines dielektischen Materials 240 auf dem
leitfähigen
Material 230 unter Verwendung einer chemischen Abscheidung
aus der Gasphase (CVD; chemical vapor deposition) aufgebracht. Das dielektrische
Material 240 kann Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein
anderes dielektrisches Material umfassen. Das dielektrische Material 240 kann
eine Dicke zwischen etwa 25 Angström und etwa 500 Angström haben.
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Es wird eine weitere Schicht eines
dielektrischen Materials 250, beispielsweise eines Oxids oder
Oxynitrids, auf dem dielektrischen Material 240 gebildet.
Ein Öffnung 255 mit
Seitenwandungen 256 wird durch Ätzen des dielektrischen Materials 250 gebildet.
Die Öffnung
kann ein Via oder ein Graben sein. Beispielsweise kann die Öffnung 255 gebildet werden,
indem eine (nicht gezeigte) Schicht eines Photoresist-Materials
auf dem dielektrischen Material 250 abgeschieden und belichtet
wird. Ein (nicht gezeigte) Maske wird verwendet, um ausgewählte Flächen des
Photoresist-Materials zu belichten, welche Flächen definieren, die beseitigt
werden sollen, das heißt
geätzt
werden sollen. Das Ätzen
kann ein chemisches Ätzen
sein, welches auch als Naßätzen bezeichnet
wird. Das Ätzen
kann auch ein elektrolytisches oder Plasmaätzen (Ionenbeschußätzen) sein, welches
auch als Trockenätzen
bezeichnet wird. Wenn die Öffnung 255 unter
Verwendung von photolithographischen Techniken gebildet ist, entspricht der
Durchmesser oder die Breite der Öffnung 255 wenigstens
einer Strukturbreite (Merkmalsgröße).
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3 veranschaulicht
die Struktur gemäß 2 nach der konformen Einbringung
eines dielektrischen Materials 260. Das dielektrische Material 260 wird über dem
dielektrischen Material 250, entlang der Seitenwände 256 und
auf einem Teil des dielektrischen Materials 240 aufgebracht.
Geeignete Materialien für
das dielektrische Material 260 umfassen Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid oder Polysilizium.
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Das dielektrische Material 260 hat
vorzugsweise eine geringere Dicke als das dielektrische Material 250.
Beispielsweise weist das dielektrische Material 260 eine
Dicke zwischen etwa einem Sechstel einer Strukturbreite bis etwa
einem Drittel einer Strukturbreite (Merkmalsgröße) auf. Es ist klar, daß die Einbringung
des dielektrischen Materials 260 die Breite der Öffnung 255 (2) reduziert. So wird durch
das dielektrische Material 260 eine kleinere Öffnung 265 gebildet.
Die Breite der Öffnung 265 ist geringer
als die Breite der Öffnung 255 und
kann eine sublithographische Breite haben. Die Teile des dielektrischen
Materials 260 entlang der Seitenwandungen 256 werden
als Seitenwand-Abstandshalter (Spacer) 261 und 262 bezeichnet.
Somit ist klar, daß die
Seitenwand-Spacer 261 und 262 verwendet werden
können,
um eine Öffnung 265 mit
sublithographischer Breite zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel
beträgt
die Breite der Öffnung 255 (2) etwa eine Strukturbreite
und die Dicke des dielektrischen Materials 260 wird so
gewählt,
daß die
Breite der Öffnung 265 (3) etwa einem Drittel der
Breite der Öffnung 255 entspricht.
Bei einer Ausführungsform ist
die Breite der Öffnung 265 geringer
als etwa 1000 Angström.
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Nachdem das dielektrische Material 260 aufgebracht
ist, werden Teile der Materialien 230, 240 und 260 beseitigt,
beispielsweise durch einen Ätzprozeß. 4 veranschaulicht die Struktur
gemäß 3 nach dem Strukturieren
der Materialien 230, 240 und 260. Gemäß 4 wird vorzugsweise ein Trockenätzen, beispielsweise
ein anisotropes Ätzen, verwendet,
um Teile der Materialien 230, 240 und 260 zu
beseitigen, wodurch die Elektroden 130 und 140 aus
dem leitfähigen
Material 230 und die Isolatoren 160 und 170 aus
dem dielektrischen Material 240 gebildet werden. Die Elektroden 130 und 140 können ebenso
wie die Isolatoren 160 und 170 voneinander durch
eine sublithographische Distanz beabstandet sein. Der Prozeß des Ausbildens
einer sublithographischen Dimension unter Verwendung von Seitenwand-Abstandshaltern,
der unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 veranschaulicht worden
ist, kann auch als sublithographisches Ätzen bezeichnet werden. Die
dielektrischen Materialien 260 und 250 können nach
der Bildung der Elektroden 130 und 140 beseitigt
werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wird nach dem
Bilden der Elektroden 130 und 140 und der Isolatoren 160 und 170 ein
Phasenwechselmaterial zwischen den Elektroden 130 und 140 und
zwischen den Isolatoren 160 und 170 aufgebracht,
wie es in 1 veranschaulicht
ist. Alternativ können
bei einem anderen Ausführungsbeispiel
weitere Seitenwand-Spacer verwendet werden, um die Menge des Phasenwechselmaterials
zwischen den Elektroden 130 und 140 zu reduzieren.
Beispielsweise kann die Dicke des Phasenwechselmaterials in der
z-Richtung (senkrecht
zu den xy-Ebene der 1 bis 4) reduziert werden, indem
weitere Seitenwand-Spacer vor dem Abscheiden des Phasenwechselmaterials
angeordnet werden. Die 5 bis 10 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel
der Herstellung eines Speicherelements 110, bei dem die
Seitenwand-Spacer verwendet werden, um den Raum zwischen den Elektroden 130 und 140 vor
dem Ausbilden des Phasenwechselmaterials 120 zwischen den
Elektroden 130 und 140 zu reduzieren.
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5 ist
eine Schnittansicht des Speicherelements 110 der 4 entlang der Linie 5-5. 5 ist eine Ansicht der Speicherzelle 100,
die rechtwinklig zu der in 4 gezeigten
Ansicht ist, während
einer späteren
Stufe der Herstellung. In 5 ist
das dielektrische Material 150 veranschaulicht.
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6 veranschaulicht
die Struktur gemäß 5 nach dem Bilden und Strukturieren
eines dielektrischen Materials 450. Bei einer Ausführungsform kann
das dielektrische Material 450 auf dem dielektrischen Material 150 unter
Verwendung eines CVD-Prozesses gebildet werden. Geeignete Materialien
für das
dielektrische Material 450 sind Siliziumdioxid oder ein
dielektrisches Material mit einem geringen K. Das dielektrische
Material 450 kann eine Dicke zwischen etwa 1000 Angström und etwa
3000 Angström
haben. Eine Öffnung 455 mit
Seitenwandungen 456 ist durch Ätzen des dielektrischen Materials 450 unter
Verwendung eines anisotropen Trockenätzens gebildet. Die Öffnung 455 kann
ein Loch oder ein Graben sein. Wenn die Öffnung 455 unter Verwendung
photolithographischer Techniken gebildet worden ist, entspricht
die Breite der Öffnung 455 zumindest
einer Strukturbreite (Merk malsgröße).
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7 ist
eine Draufsicht auf das Speicherelement 110 bei der in 6 veranschaulichten Herstellungsstufe.
Wie in 7 zu sehen ist,
sind Teile des dielektrischen Materials 460 während der Ätzoperation
beseitigt worden, so daß die Öffnung 455 gebildet
worden ist, die Teile der dielektrischen Materialien 150, 160 und 170 freilegt.
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8 veranschaulicht
die Struktur gemäß 6 nach einer konformen Einbringung
eines dielektrischen Materials 460. Das dielektrische Material 460 wird über dem
dielektrischen Material 450 und entlang der Seitenwandungen 456 aufgebracht.
Geeignete Materialien für
das dielektrische Material 460 umfassen Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid oder ein dielektrisches Material mit geringem K.
Das dielektrische Material 460 kann eine geringere Dicke
haben als das dielektrische Material 450. Beispielsweise
hat das dielektri sche Material 460 eine Dicke etwa einem Sechstel
der Strukturbreite bis etwa einem Drittel der Strukturbreite. Unter
Verwendung des dielektrischen Materials 460 wird eine Öffnung 465 gebildet.
Die Breite der Öffnung 465 ist
vorzugsweise sublithographisch. Die Teile des dielektrischen Materials 460 entlang
der Seitenwandungen 456 können als Seitenwand-Abstandshalter
(Spacer) 461 und 462 bezeichnet werden. Bei einer
Ausführungsform
beträgt die
Breite der Öffnung 455 (6) etwa eine Strukturbreite,
und die Dicke des dielektrischen Materials 460 kann so
gewählt
sein, daß die
Breite der Öffnung 465 (8) etwa ein Drittel der
Breite der Öffnung 455 beträgt. Beispielsweise
kann die Breite der Öffnung 465,
das heißt
der Abstand zwischen den Seitenwand-Spacern 461 und 462 geringer
als etwa 1000 Angström
sein.
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Nach dem Ausbilden des dielektrischen
Materials 460 wird dieses unter Verwendung eines Ätzprozesses
strukturiert. 9 veranschaulicht
die Struktur gemäß 8 nach dem Strukturieren
des dielektrischen Materials 460. Wenden wir uns 9 zu; bei einer Ausführungsform
wird ein Trockenätzen, wie
beispielsweise ein anisotropes Ätzen,
verwendet, um einen Graben 475 zu bilden, der eine sublithographische
Breite aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Breite des Grabens 475 geringer als etwa 1000 Angström.
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10 ist
eine Draufsicht auf das Speicherelement 110 bei der in 9 veranschaulichten Herstellungsstufe.
Wie in 10 zu sehen ist,
können Teile
des dielektrischen Materials 460 während der Ätzoperation beseitigt werden,
um den Graben 475 zu bilden, so daß Teile der dielektrischen
Materialien 150, 160 und 170 freigelegt
werden. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird nach dem Ausbilden des Grabens 475 ein Phasenwechselmaterial 120 zwischen den
Seitenwand-Abstandshaltern 461 und 462, zwischen
den Elektroden 130 und 140 und zwischen den Isolatoren 160 und 170 aufgebracht.
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11 ist
eine Draufsicht auf die Struktur gemäß 10 bei einer späteren Stufe der Herstellung. 11 veranschaulicht das Speicherelement 110 nach
der Aufbringung des Phasenwechselmaterials 120 in der Öffnung 475,
zwischen den Seitenwand-Abstandshaltern 461 und 462,
zwischen den Elektroden 130 und 140 und zwischen
den Isolatoren 160 und 170.
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Es ist klar, daß die Verwendung wenigstens eines
sublithographischen Prozesses, zum Beispiel von Seitenwand-Spacern, zum Ausbilden
des Speicherelements 110 die Größe des Raums zwischen den Elektroden 130 und 140 und
zwischen den Isolatoren 160 und 170 verringern
kann, wodurch die Menge des Phasenwechselmaterials zwischen den Elektroden 130 und 140 reduziert
wird. Wie es unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben worden ist,
kann der Raum zwischen den Elektroden 130 und 140,
in dem das Phasenwechselmaterial aufgebracht wird, sublithographisch
in der x-Richtung sein. Darüber
hinaus kann der Raum zwischen den Elektroden 130 und 140,
wie es unter Bezugnahme auf die 5 bis 10 beschrieben worden ist,
in der z-Richtung ebenfalls sublithographisch sein. Kehren wir zu 1 zurück; die Isolatoren 160 und 170 können eine
elektrische und/oder thermische Isolation zur Verfügung stellen.
Die Isolatoren 160 und 170 unterstützen eine
Begrenzung der ohmschen Kontaktfläche zwischen dem Phasenwechselmaterial 120 und den
Elektroden 130 und 140. Bei dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel
kontaktiert nur eine Oberfläche
oder ein Rand 131 der Elektrode 130 bzw. eine
Oberfläche
oder ein Rand 141 der Elektrode 140 das Phasenwechselmaterial 120.
Darüber
hinaus ist in 1 gezeigt,
daß der
Rand 161 des Isolators 160 kontinuierlich und
zu dem Rand 131 der Elektrode 130 ausgerichtet
sein kann und daß der Rand 171 des
Isolators 170 kontinuierlich und ausgerichtet zu dem Rand 141 sein
kann.
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Bei alternativen Ausführungsbeispielen
kann das Speicherelement 110 ohne die Isolatoren 160 und 170 ausgebildet
werden. Darüber
hinaus kann bei einem Ausführungsbeispiel
dieselbe Ätzoperation verwendet
werden, um die Strukturen der Isolatoren 160 und 170 der
Elektroden 130 und 140 zu bilden. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel
können
separate Ätzoperationen
verwendet werden, um die Isolatoren 160 und 170 und
die Elektroden 130 und 140 zu bilden.
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Nach dem Ausbilden der Elektroden 130 und 140 und
der Isolatoren 160 und 170 wird das Phasenwechselmaterial 120 zwischen
den Isolatoren 160 und 170, zwischen den Elektroden 130 und 140 und über einen
Teil der Isolatoren 160 und 170 aufgebracht. Teile
des Phasenwechselmaterials 120 stehen im elektrischen Kontakt
zu Teilen der Elektroden 130 und 140. Das Phasenwechselmaterial 150 ist beispielsweise
eine Zusammensetzung mit Chalkogenid-Elementen der Klasse der Tellur-Germanium-Antimon-Materialien
(TexGeySbz) oder der GeSbTe-Legierungen. Es können auch
andere Phasenwechselmaterialien verwendet werden, deren elektrische
Eigenschaften (zum Beispiel Widerstand, Kapazität, etc.) durch die Anwendung
von Energie, wie beispielsweise Licht, Wärme oder elektrischen Strom,
geändert
werden können.
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Nach dem Ausbilden des Phasenwechselmaterials 120 wird
ein dielektrisches Material 180 über dem Phasenwechselmaterial 120 und
den Isolatoren 160 und 170 aufgebracht. Das dielektrische
Material 180 kann beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder
ein anderes Material sein. Das dielektrische Material 180 kann
auch als Verkapselung bezeichnet werden.
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Das Programmieren des Phasenwechselmaterials 120 zum Ändern des
Zustands bzw. der Phase des Materials kann ausgeführt werden,
indem Spannungspotentiale an die Elektroden 130 und 140 angelegt
werden. Beispielsweise kann eine Spannungspotentialdifferenz von
weniger als etwa fünf Volt über das
Phasenwechselmaterial 120 angelegt werden, indem etwa fünf Volt
an die Elektrode 140 und etwa null Volt an die Elektrode 130 angelegt
werden. In Abhängigkeit
von den angelegten Spannungspotentialen fließt ein Strom durch das Phasenwechselmaterial,
was zu einem Aufheizen des Phasenwech selmaterials 120 und
der Elektroden 130 und 140 führt. Dieses Aufheizen kann
den Speicherzustand oder die Phase des Phasenwechselmaterials 120 ändern.
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Die für einen Übergang des Phasenwechselmaterials 120 aus
einem Zustand in den anderen benötigten
Spannungspotentiale sind direkt proportional zum Abstand zwischen
den Elektroden 130 und 140. Dementsprechend verringert
ein Absenken des Abstands zwischen den Elektroden 130 und 140 ebenso
die für
den Übergang
des Phasenwechselmaterials 120 aus einem Speicherzustand
in den anderen erforderlichen Spannungspotentiale. Wenn beispielsweise
der Abstand zwischen den Elektroden 130 und 140 etwa
1000 Angström
ist, kann eine Spannungspotentialdifferenz von etwa zwei Volt über dem
Teil des Phasenwechselmaterials 120 zwischen den Elektroden 130 und 140 angelegt
werden, um einen Strom zum Aufheizen dieser Materialien zu induzieren.
Diese Spannung und der sich daraus ergebende Strom können ausreichend
sein, um den Zustand des Phasenwechselmaterials von einem grundsätzlich amorphen
Zustand in einen grundsätzlich
kristallinen Zustand zu ändern.
Eine Verringerung der Spannung bzw. des Stroms, die während des
Betriebs des Speicherelements 110 verwendet werden, reduziert
außerdem
den Energieverbrauch des Phasenwechsel-Speichers 100.
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Wie oben erörtert wurde, begrenzen die
Isolatoren 160 und 170 die Kontaktflächen zwischen dem
Phasenwechselmaterial 120 und den Elektroden 130 und 140.
Durch Begrenzen der Kontaktfläche
zwischen dem Phasenwechselmaterial 120 und den Elektroden 130 und 140 wird
das Volumen des Phasenwechselmaterials reduziert, das der Programmierung
unterworfen wird. Mit anderen Worten, der Bereich des Programmierens
zum Speichern von Informationen, das heißt der Bereich des Phasenwechselmaterials 120,
der in Abhängigkeit
von den angelegten Spannungspotentialen Zustands- oder Phasenwechseln
ausgesetzt ist, wird auf einen Teil des Phasenwechselmaterials 120 eingegrenzt,
der geringer als das Gesamtvolumen ist.
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Ohne die Isolatoren 160 und 170 wäre die Kontaktfläche zwischen
dem Phasenwechselmaterial 120 und den Elektroden 130 und 140 erhöht. Dies würde den
Volumenbereich der Programmierung vergrößern, was wiederum die zum
Programmieren des Phasenwechselmaterials 120 benötigte Spannung/den
benötigten
Strom erhöhen
würde.
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Der Volumenbereich der Programmierung kann
darüber
hinaus eingegrenzt werden, indem die Menge des Phasenwechselmaterials
zwischen den Elektroden 130 und 140 sowohl in
der x-Richtung als auch in der z-Richtung unter Verwendung sublithographischer
Techniken, wie sie oben erörtert
worden sind, reduziert wird. Dementsprechend wird ein geringerer
Teil des Phasenwechselmaterials der Programmierung unterworfen,
was die zum Programmieren des Phasenwechselmaterials 120 benötigte Spannung/den
benötigten
Strom verringert.
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Die dielektrischen Materialien 150 und 180 können verwendet
werden, um eine elektrische und/oder eine thermische Isolation für das Speicherelement 110 zur
Verfügung
zu stellen. Über
die oben beschriebenen Beispiele hinaus können die dielektrischen Materialien 150 und 180 auch
dielektrische Materialien mit einem geringen K sein. Die Dicke und die
zum Ausbilden dieser dielektrischen Materialien verwendete Technik
können
in Abhängigkeit
von den gewünschten
Charakteristika des Speicherelements 110 ausgewählt werden.
Indem diese Isolation zur Verfügung
gestellt wird und der Bereich bzw. das Gebiet der Programmierung
beschränkt
wird, kann die Effizienz für
die Programmierung des Phasenwechselmaterials 120 unter
Verwendung einer elektrischen Aufheizung erhöht werden.
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Das Speicherelement 110 kann
als laterales Phasenwechsel-Speicherbauelement bezeichnet werden,
da der Strom lateral fließt,
das heißt
in einer horizontalen bzw. der x-Richtung. Wie es in 1 veranschaulicht ist, können die
Elektroden 130 und 140 unter Teilen des Phasenwechselmaterials
ausgebildet werden. Alternativ können
Phasenwechsel- Speicher
Speicherzellen verwenden, die eine vertikale Konfiguration haben,
wobei Elektroden über und
unter dem Phasenwechselmaterial derart plaziert werden, daß der elektrische
Strom in einer vertikalen Richtung fließt.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen können die
Elektroden 130 und 140 symmetrisch in ihrer Größe sein
und aus dem gleichen Material unter Verwendung der gleichen Prozesse
hergestellt sein, wodurch die Kosten und die Komplexität der Herstellung des
Speicherelements 110 gesenkt werden. Die Elektroden 130 und 140 können vor
dem Abscheiden des Phasenwechselmaterials 120 aufgebracht
werden, und folglich können
die Elektroden 130 und 140 bei höheren Temperaturen
hergestellt werden als die Temperaturen, die verwendet werden, um
das Phasenwechselmaterial 120 herzustellen. Darüber hinaus
wird bei dem in 1 veranschaulichten
Ausführungsbeispiel
ein relativ großer
Teil des Phasenwechselmaterials 120 von Isolatoren umgeben
und kontaktiert ein relativ kleiner Teil der Elektroden 130 und 140 das
Phasenwechselmaterial 120. Dementsprechend kann die in 1 veranschaulichte Struktur
ein Speicherelement mit einer relativ geringen Leistung (Energieverbrauch)
ergeben. Darüber
hinaus können
die Elektroden 130 und 140 dann, wenn sie von
symmetrischer Größe sind,
gleichermaßen zur
Aufheizung des Phasenwechselmaterials 120 während der
Programmierung beitragen, was die Effizienz und Zuverlässigkeit
des Speicherelements 110 erhöhen kann.
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In 12 ist
ein anderes Ausführungsbeispiel
des Speicherelements 110 veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind Teile des Isolators 160 und der Elektrode 130 so
beseitigt (zum Beispiel geätzt)
oder strukturiert, daß ein
Rand 161 des Isolators 160 und ein Rand 131,
der Elektrode 130 abgeschrägt sind, wobei der Rand 161 des
Isolators 160 und der Rand 131 der Elektrode 130 koplanar
und zusammenhängend
sind. Mit anderen Worten, die Ränder 131 und 161 werden
zu dem dielektrischen Material 150 abgewinkelt.
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Darüber hinaus können der
Isolator 170 und die Elektrode 140 ebenfalls so
strukturiert werden, daß ein
Rand 171 des Isolators 170 und ein Rand 141 der
Elektrode 140 abgeschrägt
werden, wobei der Rand 171 des Isolators 170 und
der Rand 141 der Elektrode 140 koplanar und zusammenhängend sind.
Das Ausbilden der Elektroden 130 und 140 und der
Isolatoren 160 und 170 auf diese Weise kann den Kontakt
zwischen dem Phasenwechselmaterial 120 und den Elektroden 130 und 140 verbessern.
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In 13 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Speicherelements 110 veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind der Isolator 160 und die Elektrode 130 so
strukturiert (zum Beispiel geätzt),
daß ein
Rand 161 des Isolators 160 nicht mit dem Rand 131 der
Elektrode 130 zusammenfällt,
das heißt,
die Ränder
nicht zueinander ausgerichtet sind. Beispielsweise kann die zum
Bilden des Isolators 160 und der Elektrode 130 verwendetet Ätzoperation
so modifiziert werden, daß der
Isolator 160 mehr geätzt wird
als die Elektrode 130. Darüber hinaus kann der Isolator 170 ebenfalls
weiter geätzt
werden als die Elektrode 140, so daß der Rand 171 des
Isolators 170 ebenfalls nicht mit dem Rand 141 der
Elektrode 140 zusammenfällt
bzw. zu ihm ausgerichtet ist. Das Ausbilden der Elektroden 130 und 140 der
Isolatoren 160 und 170 auf diese Weise kann den
Kontakt zwischen dem Phasenwechselmaterial 120 und den Elektroden 130 und 140 verbessern.
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Wenden wir uns 14 zu, in der ein Ausführungsbeispiel
des Phasenwechsel-Speichers 100 veranschaulicht ist. Der
Phasenwechsel-Speicher 100 enthält Speicherelemente 110.
Der Phasenwechsel-Speicher 100 kann darüber hinaus zusätzliche
Strukturen, wie beispielsweise Schalt- oder Auswahlbauelemente (zum
Beispiel Transistoren oder Dioden), Trennstrukturen und Adreßleitungen
enthalten.
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Bei dem in 14 veranschaulichten Ausführungsbeispiel
weist der Phasenwechsel-Speicher 100 ein Substrat 600 auf,
das aus einem Halbleitermaterial gebildet sein kann. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
wird ein p-Dotant, wie beispielsweise Bor, in das Substrat 600 eingebracht.
Eine geeignete Konzentration des p-Dotanten liegt beispielsweise
in der Größenordnung
oberhalb etwa 5 × 1018 bis etwa 1 × 1020 Atome
pro Kubikzentimeter (Atome/cm3), was das
Substrat 600 p++-leitend macht. Über dem
Substrat 600 befindet sich bei diesem Beispiel eine p-Epitaxie-Siliziumschicht 620.
Bei einem Beispiel liegt die Dotantenkonzentration in der Größe von etwa
1015 bis etwa 101
7 Atome/cm3.
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Der Phasenwechsel-Speicher 100 kann
außerdem
flache Grabenisolationsstrukturen (STI-Strukturen; shallow trench
Isolation) 630 aufweisen, die in dem epitaktischen Silizium 620 ausgebildet
sind. Die STI-Strukturen 630 dienen dazu, die einzelnen
Speicherelemente voneinander sowie von den zugehörigen Schaltungselementen (zum
Beispiel Transistorbauelementen), die in und auf dem Substrat ausgebildet
sind, zu isolieren. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die STI-Struktur 630 Siliziumdioxid
enthalten.
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Der Phasenwechsel-Speicher 100 kann
ferner Auswahlbauelemente 640 enthalten, die Teil der Adressierschaltung
sind. Die Auswahlbauelemente 640 können zwei Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOSFETs) sein. Ein Transistor umfaßt die Gebiete 651 und 652,
die leitfähigen
Materialien 653 und 654 und ein Gate 655.
Der andere Transistor umfaßt
die Gebiete 652 und 656, die leitfähigen Materialien 654 und 658 und
ein Gate 659.
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Die Gebiete 651, 652 und
656 können
n-dotiertes Polysilizium enthalten., das durch die Einbringung von
Phosphor oder Arsen in einer Konzentration in der Größenordnung
von etwa 1018 bis etwa 1020 Atome/cm3 gebildet ist (das heißt n+-Silizium). Die leitfähigen Materialien 653, 654 und 658 können beispielsweise
höchstschmelzendes
(refractory) Metallsilizid sein, wie beispielsweise Kobaltsilizid
(CoSi2). Die leitfähigen Materialien 653, 654 und 658 können beispiels weise
als Materialien geringen Widerstands bei der Herstellung peripherer
Schaltungen (zum Beispiel Adressierschaltungen) der Schaltungsstruktur auf
dem Chip dienen. Die Leiter 652 und 654 dienen zusammen
als Wortleitungszeile (zum Beispiel Zeile 820 in 15).
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Die Gates 655 und 659 der
Auswahlbauelemente 640 können beispielsweise aus Polysilizium gebildet
sein. Bei diesem Beispiel können
die Gates 655 und 659 als Signalleitung oder Adressierleitung bezeichnet
werden. Die Gates 655 und 659 können auch
als Spaltenleitung (zum Beispiel Spaltenleitungen 815 gemäß 15) bezeichnet werden.
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Ein dielektrisches Material 660,
beispielsweise SiO2, kann um die Gates 655 und
659 herum ausgebildet sein. Die leitfähigen Kontakte 670, 675 und 680 können aus
einem leitfähigen
Material, wie beispielsweise Wolfram, gebildet sein. Die Kontakte 670 und 675 sind
Leitungen, die den Transistor 850 mit dem Elektrodenmaterial 860 gemäß 15 verbinden. Der Kontakt 680, 690 stellt
die Spannungsversorgungsleitung 830 gemäß 15 dar. Der Leiter 690 kann
aus einem leitfähigen
Material wie beispielsweise Aluminium gebildet sein.
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Es sei angemerkt, daß die Reihenfolge
oder Sequenz der oben beschriebenen Operationen zum Ausbilden des
Speichers 100 keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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15 ist
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Speicherarrays 800. Das
Speicherarray 800 enthält
eine Mehrzahl von Phasenwechsel-Speicherelementen 810,
die als Speicherelemente 110 in der oben beschriebenen weise
ausgebildet. sein können.
Die Schaltung des Speicherarrays 800 enthält Adreßleitungen 815, 820 und 830,
die zum Programmieren oder Lesen von Speicherelementen 810 verwendet
werden können. Die
Adreßleitungen 815, 820 und 830 können mit
externen (nicht gezeigten) Adressierschaltungen gekoppelt sein.
Das Speicherelement 810 kann einen MOSFET
850,
einen Widerstand 860 und ein Phasenwechselmaterial 870 enthalten.
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16 zeigt
einen Teil eines Systems 900 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das System 900 kann in Drahtlos-Geräten verwendet
werden, wie beispielsweise einem persönlichen digitalen Assistenten
(PDA), einem Laptop oder transportablen Computer mit Drahtlos-Fähigkeiten,
einem Web-Tablett, einem Mobiltelefon, einem Pager, einem Instant
Messaging Device, einem digitalen Musikwiedergabegerät, einer
Digitalkamera oder einem anderen Gerät, das Informationen drahtlos
senden und/oder empfangen kann.
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Das System 900 kann einen
Controller 910, eine Eingabe/Ausgabe(I/O)-Einrichtung 920 (zum Beispiel
ein Tastenfeld, ein Display), einen Speicher 930 und eine
Drahtlos-Schnittstelle 940 enthalten, die
miteinander über
ein Bus 950 gekoppelt sind. Es sei angemerkt, daß die Erfindung
nicht auf Ausführungsformen
beschränkt
ist, die lediglich diese Komponenten enthalten.
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Der Controller 910 kann
beispielsweise einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren,
Mikrocontroller oder dergleichen enthalten. Der Speicher 930 kann
verwendet werden, um zu dem System 900 oder durch das System 900 übermittelte
Nachrichten zu speichern. Der Speicher 930 kann darüber hinaus
optional verwendet werden, um Befehle zu speichern, die von dem
Controller 910 während
des Betriebs des Systems 900 ausgeführt werden, und er kann verwendet
werden, um Benutzerdaten zu speichern. Der Speicher 930 kann
durch einen oder mehrere verschiedene Arten von Speicher bereitgestellt
werden. Beispielsweise kann der Speicher 930 einen flüchtigen
Speicher (eine beliebige Art eines Speichers mit wahlfreiem Zugriff),
eine nicht-flüchtigen
Speicher, wie beispielsweise einen Flash-Speicher und/oder einen
Phasenwechsel-Speicher, wie beispielsweise den in den 1, 12, 13 oder 14 veranschaulichten Phasenwechsel-Speicher 100,
enthalten.
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Die I/O-Einrichtung 920 kann
von einem Benutzer verwendet werden, um eine Nachricht zu erzeugen.
Das System 900 verwendet die Drahtlos-Schnittstelle 940,
um Nachrichten zu und aus einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk
mit einem Hochfrequenz(HF)-Signal zu senden bzw. zu empfangen. Beispiele
der Drahtlos-Schnittstelle 940 umfassen eine Antenne oder
einen Drahtlos-Sendeempfänger.
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Das System 900 kann beispielsweise
eines der nachfolgenden Drahtlos-Kommunikationsschnittstellenprotokolle
verwenden, um Nachrichten zu senden und zu empfangen: Code Division
Multiple Access (CDMA), zellulare Mobiltelefonkommunikationssysteme,
zellulare Mobiltelefonsysteme des globalen Systems für mobile
Kommunikation (GSM), zellulare Mobiltelefonsysteme des North American
Digital Cellular (NADC), Time Division Multiple Access(TDMA)-Systeme,
zellulare Mobiltelefonsysteme des Extended-TDMA (E-TDMA), Systeme
der dritten Generation (3G), wie Breitband-CDMA (WCDMA),
CDMA-2000 und dergleichen.