DE102004041191A1 - Neue Materialien für elektrische Phasenwechselspeicher - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung beschreibt die Verwendung von GaSb-, GeSb- und GaGeSb-Legierungen als aktives Material in elektrischen Phasenwechselspeichern sowie Phasenwechsel-Speicherzellen mit den oben genannten Materialien.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung für Phasenwechselspeicher.
- Eine der wesentlichen Bestrebungen bei der Entwicklung moderner Speichertechnologien ist die Erhöhung der Integrationsdichte, so dass der Verringerung der Strukturgrößen der den Speichereinrichtungen zugrunde liegenden Speicherzellen eine große Bedeutung zukommt.
- In den letzten Jahren sind mehrere mikroelektronische Elemente und insbesondere Speicherzellen beschrieben worden, die eine Größe von wenigen Nanometern aufweisen. Ein Konzept für den Aufbau derartiger Speicherzellen besteht darin, zwischen zwei Elektroden eine aktive Schicht anzuordnen, die abhängig von der Spannung gewisse Eigenschaften wie z. B. ferromagnetische Eigenschaften, kristallinen Zustand oder elektrischen Widerstand reversibel verändern können.
- Abhängig von der angelegten Spannung kann die Zelle zwischen zwei Zuständen geschaltet werden, so dass ein Zustand z. B. den Informationszustand "0" und der andere Zustand den Informationszustand "1" geordnet werden kann. Die verwendeten Technologien, wie z. B. DRAM, SRAM oder Flash-Speicher, weisen verschiedene Nachteile auf, wie z. B. Flüchtigkeit (DRAM), Größe (SRAM) oder niedrige "Endurance" (Zahl der möglichen Schreib/Lesezyklen). Es besteht bisher keine Technologie, die allen Anforderungen verschiedener Applikationen gerecht werden kann.
- Es besteht daher Bedarf an neuen Technologien, die ermöglichen, neue Speicherzellen zu entwickeln, wobei die Speicher zellen neue Speichermaterialien als aktive Schicht für nichtflüchtige Speicherzellen aufweisen.
- Ein Ansatz für die neuen Speicherzellen besteht darin, zwischen zwei Elektroden eine aktive Schicht anzuordnen, die zwei Phasenzustände (amorph bzw. kristallin) einnehmen kann, wobei sich der amorphe vom kristallinen Zustand in deren elektrischen Widerständen deutlich unterscheidet. Diese Speicherzellen sind unter den Begriffen "Phasenwechselspeicher" (phase change memories, "PCM"), PRAM (Phase-change Random Access Memory), OUM (Ovonic Unified Memory) oder CRAM (Chalcogenide RAM) bekannt.
- Die Speicherzellen, die auf der Phasenwechsel-Technologie beruhen, weisen eine zwischen zwei Elektroden angeordnete Schicht einer Chalkogenid-Verbindung (z. B. Ge-Sb-Te auch als "GST" bekannt oder Ag-In-Sb-Te) auf, die sich entweder im amorphen oder im kristallinem Zustand befindet.
- In Abhängigkeit des Zustands, in dem sich die ChalkogenidVerbindung befindet, weist die Zelle verschiedene elektrische Widerstände auf: einen höheren elektrischen Widerstand, wenn die Chalkogenid-Verbindung in der amorphen Form vorliegt und einen niedrigeren, wenn die Chalkogenid-Verbindung in der kristallinen Form vorliegt. Das Verhältnis der zwei elektrischen Widerstände ist in der Größenordnung von 102.
- Die beiden Zustände AMORPH bzw. KRISTALLIN, die den zwei elektrischen Widerständen entsprechen, können den Informationszuständen "0" bzw. "1" zugeschrieben werden. Durch Anlegung der elektrischen Spannung an die Elektroden kann der elektrische Widerstand und daher der Informationszustand der Speicherzelle ausgelesen werden. Die Zustände AMORPH bzw. KRISTALLIN repräsentieren daher ein Bit.
- Das Programmieren einer solchen Speicherzelle (SET-Vorgang), erfolgt dadurch, dass die Speicherzelle, die zunächst eine Schicht der Chalkogenid-Verbindung in der amorphen Form aufweist, einem durch einen Stromimpuls verursachten Heizpuls ausgesetzt wird, der die Chalkogenid-Verbindung über die Kristallisationstemperatur aufheizt und dabei kristallisieren lässt. Dabei geht die Zelle in den niederohmigen Zustand über.
- Der umgekehrte Vorgang, das heißt Löschvorgang, wird dadurch realisiert, dass das Material mit einem stärkeren Heizpuls als beim SET-Vorgang über den Schmelzpunkt hinaus aufgeheizt wird und anschließend durch ein schnelles Abkühlen in den amorphen, hochohmigen Zustand abgeschreckt wird.
- Gelesen wird die Zelle dadurch, dass eine Lese-Spannung an die Zelle angelegt wird, wobei der aus der angelegten Lese-Spannung resultierten Strom IREAD durch die Zelle wesentlich kleiner ist als der Programmier- und Löschstrom ISET bzw. IRESET. Es gilt daher IREAD ≤ ISET < IRESET.
- Die Schwierigkeiten bei der optimalen Materialwahl für das aktive Phasenwechselmedium ergeben sich aus den gegenläufigen Anforderungen einerseits nach möglichst niedrigem Schmelzpunkt, um niedrigen Energieverbrauch bzw. Strombedarf beim RESET-Vorgang bei dem die Verbindung aus dem kristallinen Zustand in den amorphen Zustand umgewandelt wird, zu gewährleisten und andererseits an die möglichst hohe Kristallisationstemperatur, um lange Datenhaltung im amorphem Zustand bei höheren Betriebstemperaturen zu erzielen. Eine weitere Anforderung ist, dass für einen schnellen Speicherbetrieb eine hohe Kristallisationsgeschwindigkeit notwendig ist.
- Aufgrund des typischerweise in elektrischen Phasenwechselspeichern (e-PCM) vorliegenden, unvollständigen Phasenüber gangs sind dafür insbesondere Phasenwechselmaterialien mit hoher Kristall-Wachstumsgeschwindigkeit notwendig. Diese Materialien, die auch als "Fast-Growth-Materials" genannt sind, weisen daher gegenüber "Fast-Nucleation-Materials", wie z. B. GeSbTe, im Nachfolgenden als "GST" genannt, Vorteile auf.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, neue Materialklassen vorzuschlagen, die sowohl einen niedrigeren Schmelzpunkt als auch schnellere Kristallisationsgeschwindigkeit gegenüber den bisher entstandenen Materialien, wie z. B. GST, aufweisen.
- Bisher wurden in erster Linie GST-basierte Phasenwechselmaterialien für elektrische Speicher eingesetzt. Siehe dazu S. Lei, T. Lowrey "OUM-a-180 nm non-volatile memory cell element technology for standard alone and embedded applications", IEDM 2001, Y. N. Hwang, J. S. Hong, S. H. Lee, S. J. Ahn, G. D. Jeong, G. H. Koh, J. H. Och, H. J. Kim, W. C. Yeong, S. Y. Lee, Y. H. Bark, K. C. Ryoo, H. Horii, J. H. Ha, J. H. Yi, W. Y. Cho, Y. T. Kim, K. H. Lee, S. H. Yoo, S. O. Bark, U. I. Chong, H. S. Jeong, K. Kim, "Full integration and reliability evaluation of phase change RAM based on 0.24 μm-CMOS technologies", VLSI, 2003 und H. Horii, J. H. Yi, J. H. Bark, Y. H. Ha, I. G. Baek, S. O. Bark, Y. N. Hwang, S. H. Lee, Y. D. Kim, K. H. Lee, O. I. Chong, J. D. Moon, "A novel cell technology using n-doped GeSbTe films for phase change RAM" VLSI, 2003. Diese Materialien, bzw. die Speicherzellen, die auf diesen Materialien beruhen, besitzen unter anderem noch nicht die optimalen Materialparameter für eine erfolgreiche Konstruktion eines universellen Speichers mit schnellem Datenzugriff, höchster Zykelfestigkeit und nichtflüchtiger Datenerhaltung. Eine industrielle Anwendung wie z. B. im Automotive-Bereich verlangt eine Datenhaltung bei 150°C von 10 Jahren. Diese Spezifikation kann durch die GST-Verbindungen nicht erreicht werden.
- Die einzigen bekannten Untersuchungen zu alternativen Materialklassen für elektrische Speicher beschränken sich bisher auf das AgInSbTe bzw. auf das SeSbTe-System; siehe hierzu M. Lankhorst et al., "Fast switching a long data retention materials for phase change memory" MRS Fall Meeting, Boston, 2003 und K. Nakayama et al., Jpn. J. Appl. Phys. 42, I (2A), 404, 2003.
- Der Nachteil der Systeme, die auf SeSbTe basieren ist, dass diese Systeme den Anforderungen an die Datenhaltung bei höheren Temperaturen nicht gerecht werden, da eine Datenhaltung lediglich im Bereich von Minuten bis ein paar Stunden bei 80°C nachgewiesen wurde (C. J. Van der Pool, JAP. 59, 1819, 1986). Der Nachteil des AgInSbTe-Systems besteht darin, dass ein solches System als quaternäres Material bei der Herstellung wesentlich schwieriger zu beherrschen ist als binäre oder ternäre Systeme.
- US 2003/0059711 A1, schlägt deshalb vor, GaInSb-Verbindungen für optische Anwendungen zu verwenden, wobei die Verbindungen eine bestimmte Zusammensetzung aufweisen müssen, um den Anforderungen bei der Herstellung und vor allem für die Verwendung von optischen Speichermedien gerecht zu werden. Die Zusammensetzungen ohne Indium sind in US 2003/0059711 A1 explizit ausgeschlossen.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, neue Materialien für die Phasenwechsel-Speicherzellen vorzuschlagen, die einfach herzustellen sind, einen niedrigen Schmelzpunkt und eine hohe Kristallisationstemperatur aufweisen. Der niedrige Schmelzpunkt ermöglicht einen niedrigen Energieverbrauch bzw. Strombedarf beim RESET-Vorgang bei dem die Verbindung aus dem kristallinen Zustand in den amorphen Zustand umgewandelt wird, und die hohe Kristallisationstemperatur stellt sicher, dass der amorphe Zustand auch bei höheren Betriebstemperaturen eine lange Datenhaltung aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Verbindung besteht darin, Phasenwechsel-Speicherzellen und ein Verfahren zur Herstellung von Phasenwechsel-Speicherzellen vorzuschlagen, die die erfindungsgemäßen Materialien aufweisen.
- Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 9 und 11 gelöst
- Die vorliegende Erfindung schlägt vor, für die nichtflüchtigen Phasenwechsel-Speicherzellen, eine elektroaktive Schicht einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus GaSb, GeSb, GaGeSb und die Legierungen dieser Verbindungen zu verwenden. Die Gruppe der erfindungsgemäßen Verbindungen weist Vorteile gegenüber den bisher entstandenen Materialien in Bezug auf den Energiebedarf und insbesondere für den RESET-Schritt, die Schreibgeschwindigkeit und die Datenhaltung bei erhöhten Temperaturen auf.
- Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Materialien gegenüber den Materialien gemäß dem Stand der Technik sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.
- Tabelle 1
- Die Referenzen a) bzw. b) bedeuten:
- a) H. Okomoto, Desk handbook: Phase diagram for binary alloys, ASM Int., 2000
- b) H. Tashiro, EPCOS, www.epcos.org/EPCOS_03_papers/04:Tashiro.pdf, (2003)
- Tx bedeutet Kristallisationstemperatur und Tm Schmelztemperatur. Vx bedeutet Kristallisationsgeschwindigkeit.
- GaSb besitzt in der Nähe des eutektischen Punkts, der bei der Zusammensetzung Ga11,6Sb88,4 liegt eine mit 589°C geringere Schmelztemperatur als GST (GeSbTe), was die zum Aufschmelzen des Materials während des RESET-Vorgangs benötigte Heizleistung deutlich verringert. Die Kristallisationstemperatur der Ga11,6Sb88,4-Zusammensetzung ist mit 195°C deutlich höher als beim Standardmaterial GST, was entsprechend höhere Lager- und Betriebstemperaturen erlaubt, ohne dass Gefahr besteht, ein im amorphem Zustand gespeichertes Bit zu verlieren.
- Die höhere Kristallisationstemperatur erlaubt auch eine höhere Integrationsdichte, da bei zunehmender Miniaturisierung das thermische Übersprechen zwischen benachbarten Speicherzellen und die damit verbundene unerwünschte Aufheizung der Nachbarzelle ein limitierender Faktor für die Stabilität des amorphen Zustands in der gestörten Zelle werden könnte.
- Die die Schreibgeschwindigkeit eines Phasenwechselspeichers bestimmende Kristallisationszeit des amorphen Zustands ist im Fall des eutektischen GaSb ebenfalls deutlich kürzer als im Fall des GST-Referenzsystems. In optischen Experimenten konnten Kristallisationsgeschwindigkeit von bis zu 23 m/s gemessen werden, so dass sich ein 70 nm ausgedehnter amorpher Bereich in 3 ns kristallisieren lässt. Der Vergleichswert im GST-System liegt hierfür bei 35 ns (Y. H. Ha, J. H. Yi, H. Horii, J. H. Bark, S. H. Joo, S. O. Bark, O-Inchong, J. T. Moon, "An edge contact tight cell for phase changed RAM featuring very low power consumption", VLSI, 2003.
- In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die elektroaktive Schicht eine GaSb-Verbindung auf.
- Insbesondere bevorzugt ist eine GaSb-Verbindung, die eine Zusammensetzung in der Nähe des eutektischen Punkts liegt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die GaSb-Verbindung die eutektische Zusammensetzung auf.
- In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist die elektroaktive Schicht eine GeSb-Verbindung auf, die zwischen dem amorphen und kristallinen Zustand reversibel umgewandelt werden kann.
- GeSb besitzt in der Nähe des eutektischen Punkts Ge15Sb85 eine mit ≈ 595°C ebenfalls geringere Schmelztemperatur als GST, wobei hier die Kristallisationstemperatur sogar mit über 250°C deutlich diejenige von GST übersteigt.
- Die oben genannten Eigenschaften ermöglichen, dass die Speicherzellen auf Basis von GeSb auch bei hohen Betriebstemperaturen eingesetzt werden können, was dieses Materialsystem für Phasenwechselspeicher insbesondere im Automobileinsatz geeignet macht. Zur Kristallisationsgeschwindigkeit sind für den besonders interessanten Zusammensetzungsbereich nahe des eutektischen Punkts keine experimentellen Daten bekannt. Für eine Sb-reichere Zusammensetzung sind allerdings optische Untersuchungsergebnisse mit einem fs-Laser publiziert, bei denen Kristallisation in 200 fs beobachtet wurde. Die Kristallisationsgeschwindigkeit bei der eutektischen Zusammensetzung dürfte sich daher nicht wesentlich davon unterscheiden.
- In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die nichtflüchtige Speicherzelle, mit einer zwischen zwei Elektroden angeordneten elektroaktiven Schicht eine GeSb-Verbindung der eutektischen Zusammensetzung auf.
- Erfindungsgemäß wird vorgesehen, dass auch die Legierungen von GaSb, GeSb für die erfindungsgemäßen Zwecke verwendet werden können. Die Legierungen können durch die allgemeinen Formeln Ax(GaySb100–y) bzw. Ax(GeySb100–y) dargestellt werden.
- In einer besonderen bevorzugten Ausführungsform weisen die Legierungen Ax(GaySb100–y) bzw. Ax(GeySb100–y) eine Zusammensetzung auf, die die relative Zusammensetzung des Ga/Sb bzw. Ge/Sb in der Nähe des eutektischen Punkts besitzen (für GaSb y ist 11.6 und für GeSb ist y 15). Diese Zusammensetzungen können durch die Formeln Ax(Ga11.6Sb88.4) bzw. Ax(Ge15Sb85) dargestellt werden.
- Die Abscheidung der erfindungsgemäßen Materialien kann durch das einfache Sputtern eines Verbindungstargets bzw. Elementtargets realisiert werden. Das ist für das GST-System der jetzige Stand der Technik. Für den Fall von GaSb bietet es sich an, statt eines Ga-Targets ein stöchiometrisches Ga1Sb1 Verbindungstarget sowie ein Sb Elementtarget zu verwenden. Prinzipiell kommen aber CVD-Verfahren zur Abscheidung in Betracht.
- Die Geometrie der erfindungsgemäßen Speicherzellen ist nicht von entscheidender Bedeutung und alle bisher im Stand der Technik beschriebenen Geometrien können auch bei der vorliegenden zum Einsatz kommen.
Claims (18)
- Nichtflüchtige Speicherzelle, mit einer von zwei Elektroden kontaktierten Schicht einer Verbindung, die zwischen dem amorphem und dem kristallinem Zustand reversibel umgewandelt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die elektroaktive Schicht eine Verbindung aus der Gruppe, bestehend aus GaSb, GeSb, GaGeSb und die Legierungen von GaSb, GeSb der allgemeinen Formel Ax(GaySb100–y) bzw. Ax(GeySb100–y) sowie die Legierungen von GaGeSb, wobei A ein beliebiges Metall sein kann und y einen Wert von 5 bis 25, vorzugsweise zwischen 10 bis 15 ist, aufweist.
- Nichtflüchtige Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung einen Schmelzpunkt von weniger als 600°C aufweist.
- Nichtflüchtige Speicherzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine GaSb-Verbindung ist.
- Nichtflüchtige Speicherzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung die Zusammensetzung Ga10–12Sb90–88 aufweist.
- Nichtflüchtige Speicherzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Zusammensetzung Ga11.6Sb88.4 aufweist.
- Nichtflüchtige Speicherzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine GeSb-Verbindung ist.
- Nichtflüchtige Speicherzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Zusammensetzung Ge10–20Sb90–80 aufweist.
- Nichtflüchtige Speicherzelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Zusammensetzung Ge15Sb85 aufweist.
- Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch den Schritt des Abscheidens einer Verbindung aus der Gruppe bestehend aus GaSb, GeSb, GaGeSb und die Legierungen von GaSb, GeSb und GaGeSb, wobei a ein beliebiges Metall sein kann und y einen Wert von 5 bis 25, vorzugsweise von 10 bis 15 ist, auf einer Elektrode.
- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden durch Sputtern von einem Verbindungstarget erfolgt.
- Verwendung einer Verbindung aus der Gruppe bestehend aus GaSb, GeSb, GaGeSb und die Legierungen von GaSb, GeSb und GaGeSb bei der Herstellung von nichtflüchtigen Speicherzellen.
- Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung einen Schmelzpunkt von weniger als 600°C aufweist.
- Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine GaSb-Verbindung ist.
- Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung die Zusammensetzung Ga10–12Sb90–88 aufweist.
- Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Zusammensetzung Ga11.6Sb88.4 aufweist.
- Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine GeSb-Verbindung ist.
- Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Zusammensetzung Ge10–20Sb90–80 aufweist.
- Verwendung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Zusammensetzung Ge15Sb85 aufweist
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