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Die
Erfindung betrifft einen Festkörperelektrolyt-Speicherelement
und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Speicherelements,
das aus einer inerten Kathodenelektrode, einer reaktiven Anodenelektrode
und einer Festkörperelektrolyt-Schicht dazwischen
besteht.
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Die
Entwicklung der Halbleiterspeichertechnik wird im Wesentlichen angetrieben
durch die Forderung, die Leistungsfähigkeit der Halbleiterspeicher bei
gleichzeitiger Verkleinerung der Strukturgrößen zu erhöhen. Eine weitere Miniaturisierung
der auf Speicherkondensatoren basierenden Halbleiterspeicherkonzepte
ist jedoch insbesondere wegen der großen Ladungsmenge, die zum Beschreiben
bzw. Auslesen der Speicherkondensatoren erforderlich ist und die
zu einem hohen Strombedarf führt,
schwierig. Es wird deshalb zunehmend über neue Zellkonzepte nachgedacht,
die sich durch eine deutlich geringere Ladungsmenge für den Schreib-
und Lesevorgang auszeichnen. Halbleiterspeicher mit einem Widerstandsspeicherelement
sind eine solche erfolgsversprechende Schaltarchitektur. Das Widerstandsspeicherelement
zeichnet sich durch zwei unterschiedliche Leitfähigkeitszustände aus,
denen jeweils ein Speicherzustand, d. h. „logisch 0" oder „logisch 1" zugeordnet ist. Zur Detektion des Speicherzustandes des
Widerstandsspeicherelements wird in der Regel der über das
Widerstandsspeicherelement fließende Strom
bei einer angelegten Lesespannung ausgewertet.
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Ein
mögliches
Speicherkonzept mit einem Widerstandsspeicherelement ist die sogenannte CBRAM
(conductive bridging RAM) -Zelle, bei der das Widerstandsspeicherelement
aus einer inerten Kathodenelektrode, einer reaktiven Anodenelektrode und
einem ionenleitfähigen
Trägermaterial
besteht. Das ionen leitfähige
Trägermaterial
ist dabei in der Regel ein Festkörper-Elektrolyt,
das aus einer Chalkogenid-Verbindung oder einem Oxid besteht. In
einem solchen glasartigen Festkörperelektrolyt
lassen sich Metallatome oder Ionen einbauen, um einen Ionenleiter
mit einer großen
Ionenmobilität
bei Raumtemperatur zu erzielen. Als reaktive Anodenelektrode für das resistive
Element werden vorzugsweise Silber oder Kupfer, für die inerte
Kathodenelektrode Wolfram, Titannitrid oder dotiertes Polysilizium
eingesetzt.
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Für die Funktion
der CBRAM-Zelle wird der Effekt genutzt, dass in das ionenleitfähige Festkörperelektrolytmaterial
metallische Ionen durch Anlegen bipolarer Spannungspulse kontrolliert
eindiffundiert bzw. aus dem Festkörperelektrolytmaterial entfernt
werden können.
Die CBRAM-Zelle lässt
sich so zwischen einem hochohmigen und einem niederohmigen Zustand
hin- und herschalten, wobei den verschiedenen Widerstandswerten
jeweils ein logischer Zustand zugeordnet ist. Die variabel in die
Festkörperelektrolytschicht
eingebrachten metallischen Ionen entstammen dabei in der Regel der
reaktiven Anodenelektrode. Beim Schreibvorgang, d. h. beim Eindiffundieren
der metallischen Ionen in das Festkörperelektrolytmaterial wird
beim Anlegen einer positiven Schreibspannung Anodenmaterial oxidiert
und geht im Festkörperelektrolyt
in Lösung.
Die Ionendiffusion kann dabei durch die Dauer, die Stärke und
die Polarität
der aufgeprägten
elektrischen Spannung kontrolliert werden. Sobald eine ausreichende
Anzahl von metallischen Ionen in das Festkörperelektrolytmaterial eindiffundiert
ist, bildet sich eine niederohmige metallische oder halbleitende
Brücke
zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode, wodurch
der elektrische Widerstand der CBRAM-Zelle stark absinkt.
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Beim
Löschvorgang
werden durch Anlegen einer negativen Löschspannung die in das Festkörperelektrolytmaterial
eindiffundierten metallischen Ionen von der Anodenelektrode angezogen,
wo sich die metallischen Ionen nach Reduktion dann wieder an lagern.
Hierdurch wird die niederohmige metallische oder halbleitende Brücke zwischen
der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode unterbrochen, was
dazu führt,
dass der Widerstand der CBRAM-Zelle stark ansteigt. Durch die Schreib-
und Löschvorgänge kann
die CBRAM-Zelle so zwischen dem niederohmigen und dem hochohmigen
Zustand, die jeweils einen logischen Zustand repräsentieren, hin-
und hergeschaltet werden. Beim Auslesen der CBRAM-Zelle wird in
der Regel so vorgegangen, dass über
die CBRAM-Zelle eine Kapazität
geladen bzw. entladen wird und das elektrische Potential der Kapazität dann nach
einem vorgegebenen Zeitpunkt bewertet wird, um so den logischen
Zustand der CBRAM-Zelle zu ermitteln.
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Zielsetzung
bei der Speicherzellenentwicklung sind hohe Schaltgeschwindigkeiten
für den Schreib-
und Löschvorgang.
So werden bei herkömmlichen,
in Silizium-CMOS-Technologie hergestellten DRAM- und SRAM-Zellen
beim Programmieren Schaltgeschwindigkeiten von weniger als 25 ns erzielt.
Bei CBRAM-Zellen
werden dagegen, wenn zur Herstellung der Festkörperelektrolytschicht ein massenfertigungstaugliches
Verfahren eingesetzt wird, nur wesentlich geringere Schaltgeschwindigkeiten
erreicht. Die üblicherweise
in der Siliziumtechnologie eingesetzten Schichterzeugungsverfahren,
wie insbesondere Sputterverfahren, CVD-Verfahren oder ALD-Verfahren
erzeugen nämlich
hoch dichte Schichtenstrukturen, die eine schnelle Ionenwanderung
unter Einfluss eines externen elektrischen Feldes verhindern. So
werden beim Aufsputtern von Schichten typischerweise Schichten erzeugt,
die zwar wenigstens teilweise amorph sind, jedoch eine hochdichte
Matrix aufweisen. Bei CBRAM-Zellen lassen sich beim Einsatz eines
Aufsputterprozesses zum Ausbilden der Festkörperelektrolytschicht beim Schreibvorgang
nur Schaltgeschwindigkeiten von etwa 100 ns, beim Löschvorgang
nur Schaltgeschindigkeiten von 100 μs erreicht. Dies gilt auch dann, wenn
statt eines Sputterverfahrens ein CVD-Verfahren oder ein ALD-Verfahren
eingesetzt wird. Aufgrund der bei diesem Verfahren verwendeten hohen Temperaturen,
beim CVD-Verfahren 200°C
bis 800°C,
beim ALD- Verfahren
200°C bis
500°C, bilden sich
nanokristalline hochdichte Schichten aus, die nur eine geringe Ionenbeweglichkeit
besitzen und damit eine schnelle Diffusion von metallischen Ionen beim
Programmiervorgang und Löschvorgang
von CBRAM-Zellen
im Wesentlichen unterbinden.
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Um
ein schnelleres Schalten zu ermöglichen,
wurden deshalb Verfahren zum Herstellen poröser Festkörperelektrolytschichten vorgeschlagen. So
beschreibt M.N. Kozicki et al. in „ Can Solid State Electrochemistry
Eliminate the Memory Scaling Quandary?" in: IEEE Si Nanoelectronics Workshop, 2002
eine Möglichkeit,
mit thermisch aufgedampften Chalkogenid-Schichten als Festkörperelektrolyt und zusätzlich aufgedampften
Ionenspendermaterial CBRAM-Zelle mit Schaltgeschwindigkeiten von
ca. 25 ns herzustellen. Das von Kozicki et al. verwendete Verfahren
des thermischen Aufdampfen der Festkörperelektrolytschichten ist
jedoch nicht massenfertigungstauglich, da es nur eine schlechte
Reproduzierbarkeit und eine geringe Schichthomogenität bei großen Halbleitersubstraten,
z. B. 200 mm oder 300 mm Siliziumwafer ermöglicht.
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Zwar
lässt sich
die Schaltgeschwindigkeit in CBRAM-Zellen auch durch Vergrößern der
Pulsamplituden bei den Schreib- bzw.
Löschvorgängen erhöhen. Die
angelegte elektrische Feldstärke
darf jedoch nicht zu für
die CBRAM-Zelle schädlich
hohen Stromdichten in der Zelle führen. Das wiederholte Anlegen von
hohen elektrischen Feldern verstärkt
darüber
hinaus die Degradation des Festkörperelektrolytmaterials.
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Darüber hinaus
müssen
bei niedriger Ionenmobilität,
insbesondere während
des Löschvorgangs,
die elektrischen Felder mit langer Pulsdauer angelegt werden, um
ein vollständiges
Auflösen
der über
die metallischen Ionen gebildeten elektrischen Verbindung zwischen
Anodenelektrode und Kathodenelektrode durch Rücktransport der metallischen Ionen
an die Anodenelektrode zu erreichen. Lange Löschpulse führen jedoch zu einem asymmetrischen Betrieb
der CBRAM-Zelle bzw. machen es notwendig, ein Speicherzellenfeld
mit CBRAM-Zellen massiv parallel zu betreiben, um eine ausreichend
hohe Datenrate beim Löschen
zu realisieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Herstellen
eines Festkörperelektrolyt-Speicherelements
bzw. ein solches Festkörperelektrolyt-Speicherelement bereitzustellen,
die hohe Schaltgeschwindigkeiten unter Massenfertigungsbedingungen
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Festkörperelektrolyt-Speicherelement
gemäß Anspruch
1 und durch ein Festkörperelektrolyt-Speicherelement
gemäß Anspruch
12 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein
Festkörperelektrolyt-Speicherelement
hergestellt, indem eine erste Elektrode mit einer Festkörperelektrolytschicht
unter gezielter Defektbildung in der vorzugsweise wenigstens teilweise
kristallinen Festkörperelektrolyt-Matrix beschichtet
und anschließend
mit einer zweiten Elektrode versehen wird. Erfindungsgemäß wird so
eine CBRAM-Zelle
bereitgestellt, die sich massenfertigungstauglich, d. h. mit hoher
Reproduzierbarkeit und guter Schichthomogenität über große Flächen, erzeugen lässt, z.
B. mithilfe der aus der Silizium-Planartechnik bekannten Schichtenerzeugungsverfahren
wie Sputtern, CVD- oder ALD-Abscheidung. Gleichzeitig wird aber
durch gezielte Defektbildung beim Herstellungsprozess der Festkörperelektrolytschicht
eine hohe Defektdichte in der Matrix und damit große Schichtporosität erreicht,
was eine hohe Ionenbeweglichkeit im Festkörperelektrolytmaterial und
damit eine hohe Schaltgeschwindigkeit der CBRAM-Zelle nach sich zieht.
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Gemäß bevorzugter
Ausführungsformen wird
die Defektbildung in der Festkörperelektrolyt-Matrix
entweder während
des Beschichtungsvorgangs durch einen zusätzlichen Defektbildungs prozess
hervorgerufen oder nach dem eigentlichen Abscheidevorgang durch
einen zusätzlichen
Defektbildungsprozess durchgeführt.
Mit dieser Vorgehensweise lässt
sich auf einfache Weise im Rahmen der aus der Siliziumtechnologie
bekannten Prozessführung
eine Festkörperelektrolytschicht
mit hervorragenden Ionenmobilitätswerten
bei gleichzeitig hoher Schichtqualität erzeugen.
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Bevorzugt
ist dabei weiterhin, den Defektbildungsprozess der Festkörperelektrolyt-Matrix
durch Teilchenbestrahlung, vorzugsweise durch Ionenbestrahlung zu
erreichen. Durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Ionen werden
Stroßkaskaden
in der Festkörperelektrolyt-Matrix
erzeugt, die innerhalb weniger Pikosekunden ausheilen, jedoch eine
hohe Defektdichte im Festkörperelektrolytmaterial
hinterlassen, wodurch sich maximale Beweglichkeitswerte für Ionen
im Festkörperelektrolytmaterial
und damit CBRAM-Zellen mit kurzen Schaltzeiten bei niedrigen elektrischen
Pulshöhen
ergeben. Bei CBRAM-Zellen deren Festkörperelektrolytschicht ioneninduzierte Defekte
aufweisen, lassen sich Schaltgeschwindigkeiten für den Schreib- und Löschvorgang
im Nanosekundenbereich erzielen. Vorteilhafte Ionenbestrahlungsdosen
liegen dabei über
1014/cm2, noch bevorzugter über 1015/cm2, wobei sowohl
aktive Ionen, wie Bor, Arsen oder Phosphor als auch passive Ionen, wie
Stickstoff, Sauerstoff oder Edelgase eingesetzt werden können. Die
vorteilhaften Energiewerte liegen dabei zwischen 1 keV und 150 keV,
um die Eindringtiefe der Ionen zu begrenzen und gleichzeitig einen
Stoßkaskadenprozess
zu erreichen. Durch eine solche optimierte Ionenbestrahlung lassen
sich Festkörperelektrolytschichten
mit maximaler Porosität und
damit höchster
Ionenmobilität
erzielen.
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Bevorzugt
ist es weiterhin, den Defektbildungsprozess durch einen thermischen
oder Laserbehandlungsschritt zu unterstützen, wodurch sich amorphe
oder nanokristalline Strukturen in der Festkörperelektrolyt-Matrix mit hoher
Defektdichte und damit verbesserter Ionenbeweglichkeit erzielen
lassen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird nach dem Beschichtungsvorgang der ersten Elektrode mit der
Festkörperelektrolytschicht unter
gezielter Defektbildung in der Festkörperelektrolyt-Matrix ein Eintreiben
von Metallionen in die Festkörperelektrolytschicht
durchgeführt.
Mit dieser Vorgehensweise lässt
sich hochgenau und reproduzierbar die Defektdichte, die Löslichkeit
der Metallionen und die Mikrostruktur der Festkörperelektrolytschicht einstellen.
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Um
eine massenfertigungstaugliche Herstellung der CBRAM-Zelle mit der
Festkörperelektrolytschicht
zu erreichen, wird die Festkörperelektrolytschicht
mithilfe eines Sputterprozesses eines CVD-Prozesses oder eines ALD-Prozesses
auf der ersten Elektrode aufgebracht. Durch Einsatz dieser aus der
Siliziumtechnologie bekannten Beschichtungsverfahren besteht die
Möglichkeit,
aus der Standard-Speichertechnologie bekannte und erprobte Verfahren
auch zur Herstellung von CBRAM-Zellen zu verwenden.
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Die
Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
einen möglichen
Aufbau einer CBRAM-Zelle
in Schaltsymboldarstellung mit einem erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt-Speicherelement;
und
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2 schematisch eine mögliche Ausführungsform zum Herstellen eines
erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt-Speicherelements.
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1 zeigt
schematisch in Schaltsymboldarstellung eine CBRAM (conductive bridging RAM)-Zelle,
mit einem Ansteuertransistor 1 und einem Festkörperelektrolyt-Speicherelement 2.
Der Ansteuertransistor 1 und das Festkörperelektrolyt-Speicherelement 2 sind
dabei in Reihe zwischen eine Bitleitung 3 und einen Massenanschluss 4 geschaltet,
wobei der Steueranschluss 11 des Auswahltransistors 1 mit
einer Wort leitung 5 verbunden ist, um den Auswahltransistor 1 mithilfe
eines Aktivierungssignals auf der Wortleitung 5 zu öffnen oder
zu schließen.
Das Festkörperelektrolyt-Speicherelement
ist dabei ein auch als PMC (programmable metallization cell)-Zelle bekanntes Widerstandsspeicherelement
mit einer reaktiven Anodenelektrode 21 und einer inerten
Kathodenelektrode 22, zwischen denen eine Speicherschicht 23 aus
ionenleitfähigen Festkörperelektrolytmaterial
vorgesehen ist.
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Durch
Anlegen einer positiven Spannung zwischen der reaktiven Anodenelektrode 21 und
der inerten Kathodenelektrode 22 findet an der reaktiven Anodenelektrode
ein elektrochemischer Oxidationsprozess statt: metallisches Anodenmaterial
wird oxidiert und geht in der Festkörperelektrolytschicht 23 in Lösung. Die
Ionendiffusion des Anodenmaterials in der Festkörperelektrolytschicht 23 kann
dabei durch die Dauer und die Amplitude der aufgeprägten elektrischen
Spannung kontrolliert werden. Sobald ausreichend viele Metallionen
aus der Anodenelektrode in das Festkörperelektrolytmaterial eindiffundiert sind,
bildet sich eine metallische oder halbleitende Brücke zwischen
der Anodenelektrode 21 und der Kathodenelektrode 22 aus,
wodurch der elektrische Widerstand des Speicherelements 2 stark
absinkt.
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Dieser
leitfähige
Pfad kann durch Anlegen einer negativen Spannung zwischen der Anodenelektrode 21 und
der Kathodenelektrode 22 wieder zurückgebildet werden, wobei die
von der Anodenelektrode 21 in den Festkörperelektrolyt abgegebene Ionen
sich zur Anodenelektrode 21 hin bewegen und nach Reduktion
sich dort wieder anlagert. Als Folge davon steigt der Widerstand
des Speicherelements stark an. Die Festkörperelektrolyt-Speicherzelle
lässt sich
so durch elektrische Pulse, die wechselweise zwischen der Anodenelektrode 21 und
Kathodenelektrode 22 angelegt werden, zwischen einem hochohmigen
und einem niederohmigen Zustand hin- und herschalten, wobei den
verschiedenen Widerstandwerten jeweils ein logischer Zustand zugeordnet
werden kann.
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Der
Ansteuertransistor 1 der CBRAM-Zelle ist in der Regel ein
Feldeffekttransistor, über
den das resistive Element 2 mit der Bitleitung 3 verbunden werden
kann. Der Ansteuertransistor 1 wird dabei über die
zugeordnete Wortleitung 5 ein- und ausgeschaltet, um durch
Anlegen der entsprechenden Spannungen das Festkörperelektrolyt-Speicherelement 2 zu
programmieren bzw. auszulesen. Das Auslesen der CBRAM-Zelle erfolgt
dabei durch Messen des Widerstandes der Festkörperelektrolyt-Speicherelements 2.
Dieser elektrische Widerstandswert wird in der Regel mit einer Referenzgröße verglichen,
um den logischen Zustand des Festkörperelektrolyt-Speicherelement
und damit der CBRAM-Zelle zu bewerten.
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Als
Festkörperelektrolytmaterial
zum Einsatz in resistiven Widerstandsspeicherelementen werden vor
allem Chalkogenidverbindungen mit Elementen der sechsten Hauptgruppe
wie Selen, Schwefel und Tellur und dabei insbesondere Verbindungen
mit Halbleitereigenschaften, die sich im Rahmen der Speicherzellenherstellung
leicht mit Silizium verarbeiten lassen, eingesetzt. Bevorzugte Chalkogenidverbindungen
sind dabei GexSel1-x,
GexS1-x, CuS und CuSe.
Neben Chalkogenidverbindungen werden oft jedoch auch Oxidverbindungen
wie WOx als Festkörperelektrolytmaterial verwendet.
Als Material für
die reaktive Anodenelektrode wird vorzugsweise Silber oder Kupfer
eingesetzt. Die Kathodenelektrode besteht in der Regel aus Wolfram,
Titannitrid oder dotiertem Poly-Silizium.
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CBRAM-Zellen
zeichnen sich gegenüber herkömmlichen
DRAM- und SRAM-Zellkonzepten durch eine deutlich geringere Ladungsmenge
zum Durchführen
der Schreib- und Lesevorgänge
und damit einen reduzierten Strombedarf aus. Darüber hinaus lassen sich CBRAM-Zellen
und dabei insbesondere die Festkörperelektrolyt-Speicherelemente
sehr klein dimensionieren, was eine starke Miniaturisierung der
Speicherzelle ermöglicht.
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Eine
Schwierigkeit bei CBRAM-Zellen und insbesondere bei den Festkörperelektrolyt-Speicherelementen
besteht darin, mit herkömmlichen
DRAM- oder SRAM-Zellen vergleichbare Schaltgeschwindigkeiten für das Schreiben
bzw. Löschen
zu erreichen. Dies gilt insbesondere für mithilfe der aus der Siliziumtechnologie
bekannten Schichterzeugungsverfahren wie Sputtern, CVD-Verfahren
oder ALD-Verfahren hergestellten Festkörperelektrolytschichten. Diese
bekannten, massenfertigungstauglichen Schichterzeugungsverfahren
führen
zu einem hochdichten Schichtaufbau und damit einer stark verminderten
Ionenbeweglichkeit in der Festkörperelektrolyt-Matrix, was
wiederum lange Schaltzeiten beim Programmieren des Festkörperelektrolyt-Speicherelements
nach sich zieht. Die Beweglichkeit der metallischen Ionen in der
Festkörperelektrolyt-Matrix
ist nämlich
der entscheidende Parameter für
das Aufbauen bzw. Abbau der leitenden Verbindung zwischen der Anodenelektrode
und der Kathodenelektrode über
die Festkörperelektrolytschicht
beim Schreiben bzw. beim Löschen.
Es besteht zwar die Möglichkeit,
den Schaltvorgang durch Anlegen hoher elektrischer Felder bei den
Schreib- bzw. Löschprozessen
zu beschleunigen. Hohe Feldstärken
führen
jedoch zu einer Degradation des Festkörperelektrolytmaterials und
damit zu einer Zerstörung
der Zelle.
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Um
erfindungsgemäß eine hohe
Beweglichkeit der metallischen Ionen in der Festkörperelektrolyt-Matrix
zu erreichen und gleichzeitig die aus der Siliziumtechnologie bekannten,
massenfertigungstauglichen Schichtenerzeugungsverfahren einsetzen
zu können,
wird erfindungsgemäß die Festkörperelektrolytschicht
unter gezielter Defektbildung in der wenigstens teilweise kristallinen
Festkörperelektrolyt-Matrix
ausgebildet. Durch diese spezielle Prozessführung bei der Festkörperelektrolyt-Schichterzeugung
im Rahmen der CBRAM-Zellen-Herstellung wird die dichte und defektarme
Festkörperelektrolyt-Matrix,
wie sie im Rahmen der bekannten massenfertigungstauglichen Schichterzeugungsverfahren,
wie dem Sputter-Prozess, dem CVD-Verfahren oder
dem ALD-Verfahren erzeugt wird, zusätzlich mit Defektstellen wie
Leerstellen oder Versetzungen versehen, wodurch die Ionenmobilität wesentlich
erhöht wird
und sich so Schaltgeschwindigkeiten für das Schreiben und Löschen der
CBRAM-Zellen in Nanosekundenbereich erreichen lassen.
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2 zeigt einen möglichen Prozessablauf zur Ausbildung
eines erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt-Speicherelements.
Die einzelnen Figuren zeigen dabei jeweils schematisch einen Querschnitt
durch die Struktur nach verschiedenen aufeinanderfolgenden Prozessschritten:
Ausgangspunkt ist, wie in 2A gezeigt,
eine Halbleiterscheibe, vorzugsweise eine Siliziumscheibe 200.
In dieser Halbleiterscheibe 200 können bereits verschiedene Bauelemente,
wie bei Ausbildung einer integrierten Schaltung mit CBRAM-Zellen
benötigt
werden, vorgesehen sein.
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Auf
der Halbleiterscheibe 200 wird dann, wie in 2B gezeigt,
eine erste Elektrodenschicht 210, z.B. die Kathodenelektrode
aufgebracht. Die Schichterzeugung erfolgt in der Regel durch Abscheidung einer
entsprechenden Metallisierung, z. B. einer Wolfram-, einer Titannitrid-
oder einer dotierten Polysiliziumschicht.
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Auf
der ersten Elektrodenschicht 210 wird mit einem bekannten
Schichterzeugungsverfahren eine dielektrische Schicht 220 z.
B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid aufgebracht. Die Schichtdicke
der Dielektrikumsschicht beträgt
dabei vorzugsweise zwischen 50 nm und 100 nm. Ein Querschnitt durch die
Struktur nach diesem Prozessschritt ist in 2C gezeigt.
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Dann
wird mithilfe der Photolithographietechnik der Bereich zur Ausbildung
des Festkörperelektrolytblocks
auf der dielektrischen Schicht 220 definiert und die dielektrische
Schicht im entsprechenden Bereich auf die erste Elektrodenschicht 210 zurückgeätzt.
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Anschließend wird,
wie in 2D gezeigt, in dem freigeätzten Bereich
der dielektrischen Schicht 220 Festkörperelektrolytmaterial 230 eingebracht. Das
Festkörperelektrolytmaterial,
das vorzugsweise eine Chalkogenid- oder Oxidverbindung ist, wird
dabei vorzugsweise mit einem der aus der Siliziumtechnologie bekannten,
massenfertigungstauglichen Schichtenerzeugungsverfahren, wie dem
CVD-Verfahren, dem ALD-Verfahren oder dem Sputterprozess erzeugt.
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Alternativ
können
die erste Elektrodenschicht, Festkörperelektrolyte-Schicht und
die zweite Elektrodenschicht auch nacheinander abgeschieden und
durch einen anschließenden Ätzprozess
strukturiert werden, also ohne dass ein Dielektrikum abgeschieden
und geätzt
werden muss. Dies ist in diesem Zusammenhang die bevorzugte Variante.
Die 2A bis 2G zeigen
nur schematische Teststrukturen, die für ein Produkt eher unwahrscheinlich sind.
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Das
CVD-Verfahren basiert auf dem Prinzip, dass ausgewählte Gase über die
aufgeheizte Halbleiterscheibe, deren Oberflächentemperatur zwischen 200° und 800° liegt, geleitet
wird. Auf der heißen
Oberfläche
kommt es dann zu einer Reaktion der Prozessgase, wobei sich als
Reaktionsprodukt die gewünschte
Schicht niederschlägt.
Beim ALD-Abscheideverfahren wird das Festkörperelektrolytmaterial im freigeätzten Graben
als monoatomare Lagen bei einer Oberflächentemperatur der Halbleiterscheibe
zwischen 200° und
500° aufgewachsen.
Die im CVD- oder ALD-Verfahren hergestellten Festkörperelektrolytschichten
sind in der Regel nanokristallin mit einer sehr dicht gepackten
Matrix, die eine geringe Ionenbeweglichkeit besitzt. Dies gilt auch
für eine mithilfe
der Sputtertechnik hergestellte Festkörperelektrolytschicht, bei
der zwar die Schichtstruktur in der Regel amorph, jedoch ebenfalls
sehr dicht gepackt ist, was zu einer geringen Ionenbeweglichkeit führt.
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Um
die Ionenmobilität
zu erhöhen
wird deshalb erfindungsgemäß eine Nachbehandlung
der Festkörperelektrolytschicht 230 zur Ausbildung
von Defekten, d. h. Leerstellen und Versetzungen in der Festkörperelektrolyt-Matrix
durchgeführt.
Dies erfolgt vorzugsweise durch Teilchenbestrahlung und dabei insbesondere
durch Ionenbestrahlung der aufgebrachten Festkörperelektrolytschicht 230.
Vorteilhafte Ionenbestrahlungsdosen liegen dabei über 1014/cm2, noch bevorzugt über 1015/cm3, wobei die eingesetzten
Ionen sowohl aktive Ionen wie Bor, Arsen, Sauerstoff und Phosphor
oder auch passive Ionen wie Stickstoff, und Edelgase z. B. Helium,
Neon, Argon, Xenon oder Krypton sein können. Durch die Bestrahlung
mit den hochenergetischen Teilchen, insbesondere Ionen werden Stoßkaskaden
im Festkörperelektrolytmaterial
erzeugt, die innerhalb von wenigen Pikosekunden wieder ausheilen.
Zurück bleibt
eine Festkörperelektrolyt-Matrix
mit einer hohen Defektdichte an Leerstellen und Versetzungen, wodurch
sich eine hohe Ionenbeweglichkeit von mehr als 10–3 cm3/VS erreichen lässt. Typischerweise liegen
Defektdichten (von Leerstellen) bei 10–8,
d.h. jeder 108te Gitterplatz ist nicht besetzt.
Bei Bestrahlung können
diese Dichten auf bis zu 10–3 erhöht werden.
Dies kann z.B. mittels Positronen-Annihilationsspektroskopie nachgewiesen
werden. Leerstellenagglomerate, wie sie durch Ionen- oder z.B. Neutronenbestrahlung
entstehen, können
mittels Transmissions-Elektronen-Mikroskopie
(TEM) nachgewiesen werden.
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Der
Energiebereich der Ionenstrahlung liegt dabei vorzugsweise zwischen
1 keV und 150 keV. Bei Energien kleiner als 1 kev findet keine ausreichend starke
Defektbildungskaskade in der Matrix statt. Bei Energien größer als
150 keV dagegen ist die Eindringtiefe der Ionen zu groß, so dass
Beschädigungen
in der darunter liegenden Elektrodenschicht bzw. dem Halbleitersubstrat
auftreten können.
Der Defektbildungsprozess kann dabei durch eine gleichzeitige Temperaturbehandlung
mittels Aufheizen oder Laserbestrahlung unterstützt werden. Die thermische Behandlung
kann dabei direkt während
der Ionenbestrahlung oder auch nachher erfolgen, wobei der Temperaturbereich
vorzugsweise zwischen 350°C und
650°C liegt.
Solche Temperaturwerte können durch
eine Aufheizung der Struktur oder auch ein kurzzeitiges Pulsen mit
einem RTA-Verfahren oder mit einem Excimerlaser-Annealing erreicht
werden. Durch die zusätzliche
thermische Behandlung wird die Defektbildung in der Festkörperelektrolyt-Matrix unterstützt.
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Alternativ
zu einem Defektbildungsprozess nach der eigentlichen Festkörperelektrolyt-Schichterzeugung
kann der Defektbildungsprozess auch gleichzeitig mit der Schichtenaufbringung
durchgeführt
werden. Hierzu eignen sich insbesondere ionenstrahlunterstützte Abscheideprozesse,
bei denen während
der Festkörperelektrolyt-Materialabscheidung
Defekte in der Festkörperelektrolyt-Matrix
erzeugt werden, die für
eine hohe Ionenbeweglichkeit sorgen. Die Prozessführung bei
der In-Situ-Defekterzeugung
im Hinblick auf die Ionenbestrahlung, die verwendeten Ionen, der
verwendeten Dosen und Energiewerte kann dabei entsprechend der Prozessführung zur
Nachbehandlung der Festkörperelektrolytschicht
mit Ionenbestrahlung ausgelegt werden.
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Nach
der Ausbildung der Festkörperelektrolytschicht 230 mit
gezielter Defektbildung in der Festkörperelektrolyt-Matrix wird
dann der Festkörperelektrolyt 230 in
der dielektrischen Schicht 220 etwas zurückgeätzt, wie
in der 2E gezeigt ist. Anschließend wird
dann, wie in 2F gezeigt, eine dünne Metallschicht 240,
vorzugsweise aus Kupfer oder Silber auf der Festkörperelektrolytschicht
aufgebracht. Mithilfe eines energetisch stimulierten Prozesses,
z. B. durch Fotodiffusion und/oder thermisches Aufheizen werden
dann Metallionen aus der Metallschicht 240 in den Festkörperelektrolyt 230 eingetrieben,
um den elektrischen Widerstand der Festkörperelektrolytschicht und damit
der CBRAM-Zelle einzustellen.
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Anstelle
des Eintreibens der Metallionen in die durch Defektbildung poröse Festkörperelektrolytschicht 230 können die
Metallionen alternativ auch bereits im Rahmen der Festkörperelektrolyt-Materialabscheidung
mit eingebracht werden, um so den Widerstand des Festkörperelektrolyt-Speicherelements ein zustellen.
Die aufgebrachte Metallschicht 240 kann dann, wenn nicht
alle Ionen in die Festkörperelektrolytschicht
eindiffundiert werden, auch als zweite Elektrodenschicht des Festkörperelektrolyt-Speicherelements
verwendet werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, eine weitere Metallschicht
als zweite Elektrode, vorzugsweise als reaktive Anodenelektrode
aufzubringen. Als Schichtmaterial wird hierbei wiederum vorzugsweise
Silber oder Kupfer eingesetzt. Auf der zweiten Anodenelektrode wird
dann abschließend
eine metallische Kontaktschicht 250, wie in 2G gezeigt,
aufgebracht.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt-Speicherelement,
das sich durch eine mit herkömmlichen
Schichterzeugungsverfahren abgeschiedene Festkörperelektrolytschicht unter
zusätzlicher
Defektbildung in der Festkörperelektrolyt-Matrix auszeichnet,
lassen sich CBRAM-Zellen mit einer hohen Ionenbeweglichkeit und
damit hoher Schaltgeschwindigkeit bei gleichzeitig einfacher Herstellung erzeugen.