DE102006011461B4 - Elektrische Struktur mit einer Festkörperelektrolytschicht, programmierbare Struktur, Speicher mit einer Speicherzelle und Verfahren zum Herstellen der elektrischen Struktur - Google Patents

Elektrische Struktur mit einer Festkörperelektrolytschicht, programmierbare Struktur, Speicher mit einer Speicherzelle und Verfahren zum Herstellen der elektrischen Struktur Download PDF

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Abstract

Elektrische Struktur (1), die ein Substrat (6) mit einer Festkörperelektrolytschicht (3), mit einer Elektrodenschicht (2), mit einem an einem Grenzflächenbereich der Festkörperelektrolytschicht (3) und der Elektrodenschicht (2) angeordneten Schichtbereich (7) aufweist,
wobei der Schichtbereich (7) eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Festkörperelektrolytschicht (3) und die Elektrodenschicht (2) aufweist,
wobei der Schichtbereich (7) in der Elektrodenschicht (2) angeordnet ist.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine elektrische Struktur, auf eine programmierbare Struktur, auf einen Speicher mit einer Speicherzelle, die eine programmierbare Struktur aufweist und auf ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Struktur auf einem Substrat.
  • 2. Technischer Hintergrund
  • Speicherzellen mit Festkörperelektrolytmaterial sind als programmierbare Metallisierungs-Speicherzellen (PMC-Speicherzellen) wohl bekannt. Speichervorrichtungen, die solche PMC-Speicherzellen umfassen, sind als CBRAM-Speichervorrichtungen (conductive bridging random access memory) bekannt. Das Speichern unterschiedlicher Zustände in einer PMC-Speicherzelle basiert auf dem Auf- oder Abbau eines leitenden Pfads in dem Elektrolytmaterial zwischen den Elektroden auf der Grundlage eines angelegten elektrischen Feldes. Obwohl das Elektrolytmaterial in der Regel einen hohen Widerstand haben kann, kann der leitende Pfad zwischen den Elektroden auf einen niedrigeren Widerstand eingestellt werden. Auf diese Weise kann die PMC-Speicherzelle je nach Widerstand der PMC-Speicherzelle auf unterschiedliche Zustände eingestellt werden. In der Regel sind beide Zustände der PMC-Speicherzelle ausreichend zeitstabil, so dass Daten dauerhaft gespeichert werden.
  • Eine PMC-Speicherzelle wird durch Anlegen einer positiven oder einer negativen Spannung an das Festkörperelektrolyt des PMC-Speicherelements betrieben. Um Daten in der PMC-Speicherzelle zu speichern, wird die PMC-Speicherzelle durch Anlegen einer geeigneten Programmierspannung an die PMC-Speicherzelle in einen programmierten Zustand gebracht, wodurch sich der leitende Pfad in dem Elektrolytmaterial ausbildet und ein erster Zustand mit einem geringen Widerstand eingestellt wird. Um in der PMC-Speicherzelle einen zweiten Zustand mit hohem Widerstand zu speichern, muss eine Löschspannung zur Verfügung gestellt werden, so dass sich der Widerstand der PMC-Speicherzelle auf einen hohen Widerstand zurück ändert, was einem gelöschten Zustand entspricht. Zum Auslesen einer PMC-Speicherzelle wird eine Lesespannung angelegt, die niedriger als die Programmierspannung ist. Mit der Lesespannung wird ein Strom durch den Widerstand des PMC-Speicherelements ermittelt und dem entsprechend niedrigeren hohen Widerstandswert der PMC-Speicherzelle zugeordnet.
  • Aus US 2003/0045049 A1 ist eine elektrische Struktur bekannt, die ein Substrat mit einer Festkörperelektrolytschicht, mit einer Elektrodenschicht, mit einem an einem Grenzflächenbereich der Festkörperelektrolytschicht und Elektrodenschicht angeordneten Schichtbereich aufweist, wobei der Schichtbereich im Festkörperelektrolyt angeordnet ist und eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Festkörperelektrolytschicht aufweist.
  • Aus DE 10 2004 041 905 A1 ist ein reaktiver Sputterprozess zur Optimierung der thermischen Stabilität dünner Chalkogenidschichten bekannt. Dabei wird eine Chalkogenidschicht der Zusammensetzung MmX1-m hergestellt, wobei M aus einem oder mehreren Elementen bzw. Metallen aus der Gruppe, bestehend aus IVb-Gruppe des Periodensystems, Vb-Gruppe des Periodensystems, und Übergangsmetallen ausgewählt ist, wobei X ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe S, Se und Te bedeutet, und wobei m einen Wert zwischen 0 und 1 aufweist, wobei die Chalkogenidschicht einen Gehalt an Sauerstoff oder Stickstoff im Bereich von 0,001 at% bis 75 at% aufweist.
  • Aus DE 10 2004 046 804 A1 ist ein resistiv schaltender Halbleiterspeicher bekannt. Der Halbleiterspeicher weist CBRAM-Speicherzellen auf, bei denen zwischen der silberdotierten Germaniumselenschicht und der Topelektrode eine chemische inerte Grenzschicht vorliegt, die die Schalteigenschaften der CBRAM-Speicherzelle verbessert, in dem die aktive Matrixmaterialschicht der Speicherzelle eine GeSE/Ge:H-Doppelschicht mit einer glasartigen GeSe-Schicht und einer amorphen Ge:H-Schicht umfasst, wobei die amorphe Fe:H-Schicht zwischen der GeSE-Schicht und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Dadurch wird eine Bildung von AgSe-Konglomeraten in der Silber-Dotier- und/oder Elektrodenschicht unterbunden, sodass Ausscheidungen verhindert werden und eine homogene Abscheidung der Silber-Dotierschicht ermöglicht wird. Durch das Ge-Se/Ge:H-Doppelschichtsystem wird zum einen die resistive nichtflüchtige Speicherwirkung der CBRAM-Speicherzelle erhalten und zum anderen mittels der dünnen Ge:H-Schicht die chemische Stabilität der darüber liegenden Topelektrode gesichert.
  • Aus DE 10 2004 047 630 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines CBRAM-Halbleiterspeichers bekannt. Mit dem beschriebenen Verfahren werden CBRAM-Schaltelemente und CBRAM-Halbleiterspeicher mit verbesserten Schalteigenschaften bereitgestellt, um überschüssiges, clusterähnliches oder ungebundenes Selen an der Oberfläche der Germanium-Selen-Schicht zu entfernen, wobei nach der Erzeugung einer aktiven Matrixmaterial- bzw. Germanium-Selen-Schicht ein reaktiver Sputterätzprozess durchgeführt wird, bei dem die Oberflächenschicht der aktiven Matrixmaterial- bzw. Germanium-Selen-Schicht zumindest teilweise abgetragen wird, um deren Oberflächenstruktur zu modifizieren. Dabei werden die chemischen Bindungen der Oberflächenstruktur der Germanium-Selenschicht reorganisiert und insbesondere das überschüssige, schwach gebudene oder in Clustern angelagertes Selen entfernt. Auf diese Weise muss nur die Oberfläche der Ge-Se-Schicht kurzzeitig erhitzt werden und eine unerwünschte Aufheizung des gesamten Speicherelements wird vermieden. Ferner werden bei der Abscheidung der Silber-Dotierschicht auf der Germanium-Selen-Schicht die Bildung von Silber-Konglomeraten vermieden, was die Schalteigenschaften der CBRAM-Speicherzelle insgesamt verbessert.
  • Aus DE 10 2004 052 645 A1 ist eine Speicherzelle und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Die nicht-flüchtig resistiv arbeitende Speicherzelle weist eine zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode angeordnete Festkörperelektrolytmatrix als aktive Schicht auf, wobei die aktive Schicht eine erste, eine zweite und eine dritte Schicht enthält, wobei die erste und dritte Schicht eine Zusammensetzung mit der MmX1-m aufweist, wobei M ein oder mehrere Elemente oder Metalle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus der IVb-Gruppe des Periodensystems, der Vb-Gruppe des Periodensystems und den Übergangselementen ist, wobei X ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe O, S, Se und Te bedeutet und wobei m ein Wert zwischen 0 und 1 ist. Die zweite Schicht besteht aus Z oder aus einer Z-Chalkogenidverbindung und eine der Elekroden besteht aus einer Z-Chalkogenidverbindung oder weist eine Schicht einer Z-Chalkogenidverbindung auf, wobei Z dabei z. B. Ag, Cu, Su, Li, Na, K bedeutet. Die erste und die dritte Chalkogenidschicht können unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder Schichtstärken haben.
  • Weiterhin sind aus den Patentanmeldungen US 2004/0157417 A1 und US 2004/0043585 A1 Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle mit einer metallreichen Metall-Chalkogenidschicht bekannt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine verbesserte elektrische Struktur, eine verbesserte programmierbare Struktur, einen verbesserten Speicher und ein verbes sertes Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Struktur auf einem Substrat zur Verfügung.
  • Insbesondere sehen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine elektrische Struktur mit einer Festkörperelektrolytschicht und einer Elektrodenschicht vor, wobei an einer Grenzfläche zwischen Festkörperelektrolytschicht und der Elektrodenschicht ein Schichtbereich in der Elektrodenschicht angeordnet ist, der eine höhere Sauerstoffkonzentration aufweist als die Elektrodenschicht und die Festkörperelektrolytschicht.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine programmierbare Struktur mit einer elektrischen Struktur, wobei die elektrische Struktur eine Festkörper elektrolytschicht und eine auf der Festkörperelektrolytschicht aufgebrachte Elektrodenschicht aufweist. An einer Grenzfläche zwischen der Festkörperelektrolytschicht und der Elektrodenschicht ist in der Elektrodenschicht ein Schichtbereich mit einer erhöhten Sauerstoffkonzentration angeordnet.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Speicher mit einer Speicherzelle, die eine programmierbare Struktur mit einer elektrischen Struktur aufweist, wobei die elektrische Struktur ein Substrat mit einer Festkörperelektrolytschicht, einer auf der Festkörperelektrolytschicht aufgebrachten Elektrodenschicht und an einer Grenzfläche zwischen der Festkörperelektrolytschicht und der Elektrodenschicht einen Schichtbereich in der Elektrodenschicht mit einer erhöhten Sauerstoffkonzentration aufweist.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Struktur auf einem Substrat, wobei zwischen einer ersten Schicht aus Festkörperelektrolytmaterial und einer zweiten Schicht aus einem Elektrodenmaterial an einer Grenzfläche ein Schichtbereich im Elektrodenmaterial durch Sauerstoffabscheidung erzeugt wird. In dem Schichtbereich wird eine erhöhte Sauerstoffkonzentration ausgebildet.
  • Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht im Vorsehen eines Schichtbereichs in der Elektrodenschicht an einer Grenzfläche der Festkörperelektrolytschicht und der Elektrodenschicht mit einer er höhten Sauerstoffkonzentration, welche die chemische Stabilität der elektrischen Struktur verbessert. Darüber hinaus verbessert der Schichtbereich die elektrische Funktion der elektrischen Struktur. Darüber hinaus wird die thermische Stabilität der elektrischen Struktur durch den Schichtbereich mit der erhöhten Sauerstoffkonzentration verbessert. Der Schichtbereich dient als dünne Barriereschicht, welche die elektrische Funktionalität der elektrischen Struktur als Speicherzelle nicht behindert. Der Schichtbereich verhindert eine Diffusion von Metallionen der Elektrodenschicht in die Festkörperelektrolytschicht. Daher wird die Gefahr, durch eine zu hohe Konzentration von Metallionen in der Festkörperelektrolytschicht Kurzschlüsse zu verursachen, verringert. Außerdem wird durch den Schichtbereich die Bildung von Metallionen-Anhäufungen in der Elektrodenschicht beschränkt. Das Vorhandensein von Sauerstoff bei Hochtemperaturverfahren begrenzt negative Auswirkungen der Hochtemperaturverfahren.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch die Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Patentansprüche im Zusammenhang mit den Figuren erreicht werden, wobei in den Figuren gleiche Bezugszeichen für ähnliche Bauelemente stehen:
  • 1 zeigt eine programmierbare Struktur mit einer Festkörperelektrolytschicht und einer Elektrodenschicht;
  • 2 zeigt ein schematisches Strom-Vorspannungs-Diagramm für eine programmierbare Struktur beim Programmieren, Auslesen und Löschen;
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Speichers;
  • 4 bis 7 zeigen unterschiedliche Verfahrensschritte zum Ausbilden einer programmierbaren elektrischen Struktur;
  • 8 bis 11 zeigen unterschiedliche Verfahrensschritte eines weiteren Verfahrens zum Ausbilden einer programmierbaren elektrischen Struktur;
  • 12 bis 15 stellen Verfahrensschritte eines dritten Verfahrens zum Ausbilden einer programmierbaren elektrischen Struktur dar; und
  • 16 bis 19 stellen Verfahrensschritte eines vierten Verfahrens zum Ausbilden einer programmierbaren elektrischen Struktur dar.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine elektrische Struktur zur Verfügung, sowie eine programmierbare Struktur mit einer elektrischen Struktur, einen Speicher mit einer Speicherzelle, die eine programmierbare Struktur aufweist und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Struktur auf einem Substrat.
  • Die vorliegende Erfindung kann mit Bezug auf verschiedene funktionale Bauteile beschrieben werden. Es wird darauf hingewiesen, dass solche funktionalen Bauteile durch eine beliebige Anzahl von Hardware- oder strukturellen Komponenten, die zur Durchführung der spezifischen Funktionen dienen, realisiert werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung verschiedene integrierte Bauteile einsetzen, die aus verschiedenen elektrischen Vorrichtungen bestehen, beispielsweise Widerstände, Transistoren, Kondensatoren, Dioden oder ähnliches, deren Werte für unterschiedliche Zwecke in geeigneter Weise konfiguriert werden können. Außerdem kann die vorliegende Erfindung in jeder beliebigen Anwendung von integrier ten Schaltungen eingesetzt werden, in denen eine verbesserte elektrische Struktur erwünscht ist. Solche allgemeinen Anwendungen, die für den Fachmann anhand der vorliegenden Offenbarung offensichtlich sind, werden nicht im Detail beschrieben. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass, obwohl unterschiedliche Bauteile in geeigneter Weise mit anderen Bauteilen innerhalb beispielhafter Schaltungen gekoppelt oder verbunden werden können, solche Verbindungen oder Kopplungen durch unterschiedliche Verbindungen zwischen Bauteilen und durch die Verbindung anderer, darin befindlicher Bauteile und Vorrichtungen realisiert werden können.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine elektrische Struktur mit einem Substrat, einer Festkörperelektrolytschicht, mit einer metallhaltigen Elektrodenschicht, wobei die Elektrodenschicht auf der Festkörperelektrolytschicht angeordnet ist, wobei an einem Grenzflächenbereich zwischen den zwei Schichten ein Schichtbereich angeordnet ist, der eine höhere Sauerstoffkonzentration aufweist, als die beiden Schichten.
  • In einer schematischen Darstellung zeigt 1 eine elektrische Struktur 1, die auf einem Substrat 6 angeordnet ist. Die elektrische Struktur 1 weist eine Festkörperelektrolytschicht 3 auf, die mindestens teilweise mit einer Elektrodenschicht 2 bedeckt ist. Die Festkörperelektrolytschicht 3 ist auf einer zweiten Kontaktschicht 4 angeordnet. Die zweite Kontaktschicht 4 ist auf dem Substrat 6 angeordnet. Das Substrat 6 kann aus einem Halbleitermaterial bestehen, beispielsweise aus Silizium oder Galliumarsenid. Je nach Ausführungsform können auch andere Materialien als Substrat 6 dienen. Die Elektrodenschicht 2 kann mit einem hohen Potential verbunden sein und die Kontaktschicht 4 kann mit einem Massepotential verbunden sein, wenn die elektrische Struktur 1 auf einen vorgegebenen elektrischen Zustand programmiert sein kann.
  • Die in 1 gezeigte elektrische Struktur 1 kann zum Speichern von Informationen verwendet werden und kann daher in Speichern eingesetzt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die elektrische Struktur 1 beispielsweise für Speichervorrichtungen geeignet sein, z. B. in DRAM-, SRAM-, PROM-, EEPROM- oder Flash-Speichern oder in einer Kombination aus diesen Speichern. Darüber hinaus kann die elektrische Struktur der vorliegenden Erfindung in anderen Anwendungen eingesetzt werden, in denen das Programmieren oder Verändern elektrischer Eigenschaften eines Teils einer elektrischen Struktur erwünscht ist.
  • Die Festkörperelektrolytschicht 3 besteht aus einem Material, das nach Anlegen einer ausreichenden Spannung Ionen leitet. Geeignete Materialien für Innenleiter umfassen Polymere, Glas und Halbleitermaterialien. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Festkörperelektrolytschicht 3 aus einem Chalcogenid-Material gebildet. Chalcogenid-Material kann Verbindungen aus Schwefel, Selen und Telur, wie z. B. GeSe, AsS, GeAsTe, AlGeAsTe, GeTeSb und andere in verschiedenen Zusammensetzungen enthalten. Die Festkörperelektrolytschicht 3 kann vorzugsweise auch gelöstes und/oder zerstäubtes leitfähiges Material enthalten. Die Festkörperelektrolytschicht 3 kann beispielsweise eine feste Lösung aufweisen, die gelöste Metalle und/oder Metallionen enthält. Die Chalcogenid-Materialien, die Silber, Kupfer, Kombinationen aus diesen Materialien u. ä. enthalten, können zum Ausbilden der Festkörperelektrolytschicht 3 verwendet werden.
  • Die Elektrodenschicht 2 und die zweite Elektrodenschicht 4 können aus einem beliebigen geeigneten leitfähigen Material bestehen. Die Elektrodenschicht 2 und die zweite Elektrodenschicht 4 können aus einem dotierten Polysilizium-Material oder Metall gebildet sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht eine der Elektrodenschichten, in diesem Beispiel insbesondere die Elektrodenschicht 2, aus einem Material, das ein Metall enthält, welches sich in Innenleitern auflöst, wenn eine ausreichende Vorspannung an die Elektrode 2 und an die zweite Elektrodenschicht 4 angelegt wird. In diesem Beispiel besteht die zweite Elektrode 4 aus einem Material, das relativ inert ist und sich beim Anlegen einer Vorspannung an die elektrische Struktur 1 nicht auflöst. Die Elektrodenschicht 2 kann während einem Schreibvorgang als Anode dienen und besteht aus einem silberhaltigen Material, das sich in der Elektrolytschicht auflöst. Je nach Ausführungsform kann die Elektrodenschicht 2 Kupfer enthalten. Die zweite Elektrode 4 kann während dem Schreibvorgang eine Kathode sein und aus einem inerten Material, wie z. B. Wolfram, Nickel, Molybdän, Platin, Metallsiliziden und ähnlichem bestehen.
  • Je nach Ausführungsform der elektrischen Struktur kann die Festkörperelektrolytschicht 3 mindestens ein Chalcogenid-Material enthalten. Die Elektrolytschicht kann beispielsweise Selen und Germanium aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Elektrolytschicht Schwefel und Germanium aufweisen.
  • In einem Grenzflächenbereich der Festkörperelektrolytschicht 3 und der Elektrodenschicht 2 ist ein Schichtbereich 7 angeordnet, der eine höhere Sauerstoffkonzentration aufweist, als die Festkörperelektrolytschicht und die Elektrodenschicht.
  • Der Schichtbereich 7 kann in der Festkörperelektrolytschicht 3 oder in der Elektrodenschicht 2 angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Schichtbereich 7 in der Festkörperelektrolytschicht 3 und in der Elektrodenschicht 2 angeordnet sein. Der Schichtbereich 7 ist mindestens angrenzend an die Grenzfläche zwischen Festkörperelektrolytschicht und Elektrodenschicht ausgebildet. Der Schichtbereich 7 weist eine Sauerstoffkonzentration auf, die mindestens 10% höher ist, als in der Festkörperelektrolytschicht 3 außerhalb des Schichtbereichs 7 und in der Elektrodenschicht 2 außerhalb des Schichtbereichs.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Sauerstoffkonzentration im Schichtbereich 7 um 5% höher als außerhalb des Schichtbereichs 7 in der Festkörperelektrolytschicht 3 und außerhalb des Schichtbereichs 7 in der Elektrodenschicht 2.
  • Der Sauerstoff 18 des Schichtbereichs 7 hat den Vorteil, dass eine thermische Stabilität der Grenzfläche zwischen der Festkörperelektrolytschicht 3 und der Elektrodenschicht 2 verbessert wird. Der Schichtbereich 7 mit dem Sauerstoff verringert die Diffusion von Metallionen aus der Elektrodenschicht 2 in die Festkörperelektrolytschicht 3. Daher wird die Möglichkeit, in der Festkörperelektrolytschicht 3 einen Kurzschluss zu verursachen, vermindert. Darüber hinaus wird die Gefahr verringert, die Struktur, z. B. das Gitter der Elektrodenschicht 2, zu beeinträchtigen. Eine Rekristallisation kann daher eingebettet sein.
  • Bei Anlegen einer Vorspannung an die Festkörperelektrolytschicht 3, die größer als die Schwellenspannung ist, wird in der elektrischen Struktur 1 ein leitender Pfad 5 erzeugt. Der leitende Pfad ist stabil und verändert die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Struktur 1. Wenn eine Spannung, die größer als die Schwellenspannung ist, an die elektrische Struktur 1 angelegt wird, fangen leitfähige Ionen innerhalb der Festkörperelektrolytschicht 3 zu migrieren an und bilden einen Bereich mit einer, im Vergleich zu dem Leiter an oder in der Nähe der negativeren von entweder der Elektrodenschicht 2 oder der zweiten Elektrodenschicht 4, erhöhten Leitfähigkeit. Wenn der leitfähige Bereich den leitfähigen Pfad 5 ausbildet, verringert sich der Widerstand zwischen der Elektrodenschicht 2 und der zweiten Elektrodenschicht 4 und andere elektrische Eigenschaften können sich ebenso verändern. Wird dieselbe Spannung umgekehrt angelegt, löst sich der leitfähige Pfad 5 auf und tritt in die Festkörperelektrolytschicht 3 zurück, und die elektrische Struktur 1 nimmt wieder einen hohen Widerstand bzw. einen gelöschten Zustand an.
  • Die Basisreaktion besteht beim Anlegen einer höheren Spannung an die Festkörperelektrolytschicht 3, in einer Redoxreaktion an der zweiten Elektrodenschicht 4, die Metallionen von der reaktiven Elektrodenschicht 2 in die Festkörperelektrolytschicht 3 treibt. Daher werden in der Elektrolytschicht 3 metallhaltige Anhäufungen gebildet. Das Ergebnis ist ein leitender Pfad zwischen der Elektrodenschicht 2 und der zweiten Elektrodenschicht 4. Wenn eine umgekehrte Spannung an die elektrische Struktur 1 angelegt wird, werden die metallhaltigen Anhäufungen aufgelöst und der leitende Pfad wird abgebaut.
  • 2 zeigt in einem Diagramm den Strom-Spannungs-Verlauf während eines Programmiervorgangs, eines Lesevorgangs und eines Löschvorgangs der elektrischen Struktur 1, wobei der Programmier- und der Löschvorgang Schreibvorgänge sind, die zum Speichern von Daten in einer Speicherzelle eines Speichers verwendet werden. Zunächst wird davon ausgegangen, dass die elektrische Struktur 1 nicht programmiert ist und daher einen hohen Widerstand und bei angelegter Spannung einen entsprechend geringen Strom aufweist. Wird nun eine Spannung angelegt, wobei an der Elektrodenschicht 2 eine höhere Spannung und an der zweiten Elektrodenschicht 4 eine niedrigere Spannung anliegt, fließt kein Strom durch die elektrische Struktur 1, bis eine Schwellenspannung VT, z. B. 0,23 V, angelegt wird. Steigt die Programmierspannung VP über die Schwellenspannung VT an, fängt der Strom an zu fließen, bis ein Arbeitsstrom IW, beispielsweise 2 μA, erreicht ist, der von einer Programmierschaltung bestimmt wird. Die Spannung wird dann auf 0 V verringert und der Strom fällt auf 0 A. Nun wird die elektrische Struktur 1 auf einen Programmierzustand programmiert, der einem niedrigeren elektrischen Widerstand zwischen der Elektrodenschicht 2 und der zweiten Elektrodenschicht 4 entspricht.
  • Wenn der Programmierzustand der elektrischen Struktur 1 abgetastet oder ausgelesen werden soll, wird eine Abtastspannung VS, die niedriger als die Schwellenspannung VT ist, an die elektrische Struktur 1 angelegt. Die Abtastspannung Vs kann beispielsweise etwa 0,1 V betragen. Aufgrund der Abtastspannung VS fließt ein Arbeitsstrom IW zu der elektrischen Struktur 1. Ohne den vorhergehenden Programmiervorgang würde bei Anlegen einer Abtastspannung Vs an die elektrische Struktur 1 kein Strom durch die elektrische Struktur fließen. Zum Löschen des Programmierzustands wird ausgehend von 0 V eine niedrigere Spannung, z. B. eine negative Spannung, an die Elektrodenschicht 2 angelegt. Bis zu einer Löschspannung VE, z. B. einer negativen Spannung von etwa –0,1 V, fließt ein negativer Strom durch die elektrische Struktur 1. Fällt jedoch die negative Spannung unter die Löschspannung VI ab, beispielsweise unter –0,1 V, so fällt der Strom auf 0 A. Nun weist die elektrische Struktur 1 wieder denselben hohen Widerstand wie vor der Programmierung auf.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Speichers 12 mit einem Wortleitungstreiber 10 und einem Bitleitungstreiber 11. Der Wortleitungstreiber 10 ist mit einer Vielzahl von Wortleitungen 13, und der Bitleitungstreiber 11 ist mit einer Vielzahl von Bitleitungen 14 verbunden. Zur Vereinfachung ist lediglich eine Bitleitung 14 und eine Wortleitung 13 gezeigt. Der Speicher 12 weist eine Vielzahl von Speicherzellen 8 auf, wobei eine Speicherzelle 8 aus einem Schalter 9 und aus einer elektrischen Struktur 1 besteht. Der Schalter 9 ist zwischen der Bitleitung 14 und der elektrischen Struktur 1 wie in 1A gezeigt angeordnet und der Steuereingang des Schalters 9 ist mit der Wortleitung 13 verbunden. Die elektrische Struktur 1 ist zwischen dem Schalter 9 und einer Plattenleitung 15 angeordnet, wobei die Elektrodenschicht 2 mit der Bitleitung 14 verbunden ist und die zweite Elektrodenschicht 4 mit der Plattenleitung 15 verbunden ist. Die Plattenleitung 15 stellt einen vorgegebenen Spannungspegel zur Verfügung. Zur Vereinfachung ist in der Figur nur eine Speicherzelle 8 dargestellt. Durch das Steuern des Wortleitungstreibers 10 und des Bitleitungstreibers 11 kann eine vorgegebene Speicherzelle 8 angesteuert werden und in Abhängigkeit von der an die elektrische Struktur 1 angelegten Spannung wird ein Programmierzustand der elektrischen Struktur 1 ertastet oder in die elektrische Struktur 1 eingeschrieben. Eine vorgegebene Speicherzelle 8 wird durch Anlegen einer Lesespannung an die Wortleitung 13 ausgewählt, wodurch der Schalter 9 geschlossen wird und die elektrische Struktur 1 mit der Bitleitung 14 verbindet. In Abhängigkeit von dem an die Bitleitung 14 angelegten Spannungspegel wird der Programmierzustand der elektrischen Struktur 1 abgetastet oder wird der Zustand der elektrischen Struktur 1 wie in der Beschreibung von 2 dargestellt programmiert.
  • Der abgetastete Programmierzustand der Speicherzelle 8 bezieht sich auf Programmierdaten und die Daten werden von Ausgabeeinheiten des Speichers 12 ausgegeben. Darüber hinaus können Daten im Speicher 12 durch Eingabeeinheiten, die mit den Bitleitungen 14 verbunden sind, gespeichert werden.
  • Die 4 bis 7 zeigen ein erstes Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Struktur 1.
  • Die elektrische Struktur 1 kann insbesondere Teil eines Speichers sein, d. h. eines DRAMs, eines SRAMs, eines PROMs, eines EEPROMs oder eines Flash-Speichers.
  • Der Speicher 12 wird unter Verwendung eines Substrats 6 und Entwicklung von Steuereinheiten, Decodiereinheiten, Abtasteinheiten während eines Front-End-Of-Line-Verfahrens hergestellt. Während des Front-End-Of-Line-Verfahrens entstehen hohe Temperaturen, wobei aktive Halbleiterelemente, wie z. B. Transistoren, in dem Substrat unter Verwendung von Verfahren zum Aufbringen von Schichten, Innenimplantationen, Diffusionsverfahren und Ausheilverfahren ausgebildet werden. Das Substrat kann ein Wafer, insbesondere ein Halbleiter-Wafer, sein.
  • 4 zeigt eine Teilansicht eines Speichers 12 mit einem Substrat 6, auf dem eine zweite Elektrodenschicht 4 aufgebracht ist. Auf der zweiten Elektrodenschicht 4 ist eine Isolationsschicht 16 mit einem Loch 17 angeordnet. Die Isolationsschicht 16 besteht aus einem dielektrischen Material. Das Loch 17 ist mit demselben Material aufgefüllt, wie die zweite Elektrodenschicht 4. Die zweite Elektrodenschicht 4 besteht aus Metall.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt ist, wie in 5 gezeigt, eine Festkörperelektrolytschicht 3 aufgebracht. Die Festkörperelektrolytschicht 3 besteht beispielsweise aus einem der in der Beschreibung von 1 offenbarten Materialien.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine obere Schicht der Festkörperelektrolytschicht 3 in einer Sauerstoffatmosphäre zurückgesputtert, wobei ein Schichtbereich 7 mit einer Sauerstoffkonzentration in einer oberen Phase der Festkörperelektrolytschicht 3, wie in 6 gezeigt, ausgebildet wird.
  • Darüber hinaus wird eine Elektrodenschicht 2 auf dem Schichtbereich 7 aufgebracht. Dadurch wird an der Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht 2 und der Festkörperelektrolytschicht 3 eine elektrische Struktur 1 mit einem Schichtbereich 7 ausgebildet.
  • 7 zeigt eine elektrische Struktur 1 mit einer Zapfenstruktur.
  • Die elektrische Struktur 1 kann zu einer Speicherzelle oder zu einem Speicher verarbeitet werden, d. h. ein DRAM-Speicher kann unter Verwendung von Front-End-Of-Line-Verfahren hergestellt werden.
  • Je nach Ausführungsform kann die elektrische Struktur 1 auch zu anderen Vorrichtungen, d. h. zu einer elektrischen Schaltung, verarbeitet werden.
  • Die 8 bis 11 zeigen ein zweites Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Struktur 1 nach Front-End-Of-Line-Prozessen.
  • In 8 ist ein Substrat 6 gezeigt, das mit einer zweiten Elektrodenschicht 4 bedeckt ist. Die zweite Elektrodenschicht 4 ist mit einer Isolationsschicht 16 bedeckt. Die Isolationsschicht 16 kann aus einem dielektrischen Material bestehen. Die Isolationsschicht 16 weist ein Loch 17 auf. In einem weiteren Verfahrensschritt wird auf der Oberfläche der Isolationsschicht 16 und in dem Loch 17 eine Festkörperelektrolytschicht 3 aufgebracht, wie in 9 gezeigt ist. Dadurch füllt die Festkörperelektrolytschicht 3 das Loch 17 auf. In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine obere Schicht der Festkörperelektrolytschicht 3 durch ein Vorspannungs-Sputterverfahren unter Verwendung von Sauerstoff entfernt. Wie in 10 gezeigt, wird so auf der Festkörperelektrolytschicht 3 ein Schichtbereich 7 erzeugt, der Sauerstoff enthält. In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Schichtbereich 7, wie in 11 gezeigt, von einer Elektrodenschicht 2 bedeckt. Dadurch wird eine elektrische Struktur 1 ausgebildet, bei der ein aktives Gebiet über einem Durchgangsloch liegt.
  • Nach diesem Verfahrensschritt können Back-End-Of-Line-Verfahren durchgeführt werden. Mit der elektrischen Struktur 1 von 11 können beispielsweise eine Speicherzelle und ein Speicher hergestellt werden.
  • Die 12 bis 15 zeigen Verfahrensschritte eines dritten Verarbeitungsverfahrens. 12 zeigt eine schematische Teilansicht eines Substrats 6 mit einer zweiten Elektrodenschicht 4. Die zweite Elektrodenschicht 4 ist mit einer Isolationsschicht 16, die ein Loch 17 aufweist, bedeckt. Das Loch 17 ist mit Material der zweiten Elektrodenschicht 4 aufgefüllt. Auf der Isolationsschicht 16 ist eine Festkörperelektrolytschicht 3 aufgebracht. Die Isolationsschicht 16 kann aus dielektrischem Material bestehen. Die Festkörperelektrolytschicht 3 kann aus Chalcogenid-Material oder einem beliebigen anderen Material, das in der Beschreibung von 1 offenbart ist, bestehen.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine zweite Elektrodenschicht 2 auf der Festkörperelektrolytschicht 3 aufgebracht. Während der Aufbringung der Elektrodenschicht 2 wird Sauerstoff beispielsweise unter Verwendung eines reaktiven Vorspannungs-Sputterverfahrens aufgebracht. Dieser Verfahrensschritt ist in 13 gezeigt, wobei das Aufbringen der Elektrodenschicht 2 schematisch durch Pfeile und der Sauerstoff 18 schematisch durch Kugeln dargestellt ist. In einem weiteren Verfahrensschritt, der in 14 gezeigt ist, wird auf der Elektrodenschicht 2 eine Deckschicht 19 aufgebracht.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird die elektrische Struktur 1 von 14 erwärmt und ein Schichtbereich 7 wird an der Grenzfläche der Elektrodenschicht 2 und der Festkörperelektrolytschicht 3, wie in 15 gezeigt, erzeugt. Die Deckschicht 19 kann aus einem dielektrischen Material oder einem metallischen Material bestehen. Daher ist es gemäß dem dritten Verfahren möglich, die Festkörperelektrolytschicht 3 ohne Sauerstoffumgebung aufzubringen und den Sauerstoff mit der Elektrodenschicht 2 aufzubringen. Die Durchführung der thermischen Erwärmung erzeugt den Schichtbereich 7 mit einer erhöhten Sauerstoffkonzentration an der Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht 2 und der Festkörperelektrolytschicht 3.
  • Die 16 bis 19 stellen Verfahrensschritte eines vierten Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Struktur 1 auf einem Substrat 6 dar. 16 zeigt das Substrat 6 mit einer zweiten Elektrodenschicht 4, die von einer Isolationsschicht 16 bedeckt ist. Die Isolationsschicht 16 weist ein Loch 17 auf, das bis zur Oberfläche der zweiten Elektrodenschicht 4 hin offen ist. Die Isolationsschicht 16 wird von einer Festkörperelektrolytschicht 3 bedeckt, wobei das Loch 17 wie gezeigt mit der Festkörperelektrolytschicht 3 aufgefüllt ist. In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Elektrodenschicht 2 auf der Festkörperelektrolytschicht 3 aufgebracht, wobei Sauerstoff mit dem Material auf der Elektrodenschicht 2 aufgebracht wird. Das Aufbringen kann durch reaktives Vorspannungs-Sputtern der Elektrodenschicht 2 in einer Sauerstoffumgebung erfolgen. Daher weist die Elektrodenschicht 2 Sauerstoff auf. In einem weiteren Verfahrensschritt ist die Elektrodenschicht 2 mit einer Deckschicht 19 bedeckt. Die Deckschicht 19 kann dielektrisches oder metallisches Material aufweisen. Dies ist in 18 gezeigt.
  • In einem weiteren thermischen Erwärmungsverfahren wird die elektrische Struktur 1 erwärmt und der Sauerstoff erzeugt einen Schichtbereich 7 an der Grenzfläche der Elektrodenschicht 2 und der Festkörperelektrolytschicht 3, wie in 19 gezeigt. Die elektrische Struktur 1 von 19 kann zu einem Speicher 12 verarbeitet werden, wobei die elektrische Struktur 1 Teil der Speicherzelle 8, d. h. ein DRAM, ist.
  • Die Dicke des Schichtbereichs 7 kann durch Anheben des Teildrucks der Sauerstoffumgebung während dem Vorspannungs-Sputtern oder durch Steigern der Verarbeitungszeit beim Vorspannungs-Sputtern vergrößert werden. Darüber hinaus kann durch Verwendung des reaktiven Sputterverfahrens zum Aufbringen von Sauerstoff die Dicke des Schichtbereichs 7 durch Erhöhen des Teildrucks des Sauerstoffs während des reaktiven Sputterverfahrens vergrößert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Speicher als CBRAM-Speicher ausgebildet sein, der eine programmierbare Metallisierungs-Speicherzelle mit der elektrischen Struktur 1 aufweist. Der Schichtbereich 7 kann den negativen Einfluss des thermischen Verfahrens verringern, insbesondere bei Verfahrensschritten eines Back-End-Of-Line-Verfahrens, bei dem Temperaturen von bis zu 400 bis 450°C eingesetzt werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Elektrodenschicht 2 Kupfer aufweisen oder aus Kupfer bestehen.

Claims (20)

  1. Elektrische Struktur (1), die ein Substrat (6) mit einer Festkörperelektrolytschicht (3), mit einer Elektrodenschicht (2), mit einem an einem Grenzflächenbereich der Festkörperelektrolytschicht (3) und der Elektrodenschicht (2) angeordneten Schichtbereich (7) aufweist, wobei der Schichtbereich (7) eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Festkörperelektrolytschicht (3) und die Elektrodenschicht (2) aufweist, wobei der Schichtbereich (7) in der Elektrodenschicht (2) angeordnet ist.
  2. Elektrische Struktur nach Anspruch 1, wobei die Festkörperelektrolytschicht (3) Chalcogenid aufweist.
  3. Elektrische Struktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Elektrodenschicht (2) metallisches Material aufweist.
  4. Elektrische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elektrodenschicht (2) Silber aufweist.
  5. Elektrische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elektrodenschicht (2) Kupfer aufweist.
  6. Elektrische Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schichtbereich (7) in der Festkörperelektrolyt- (3) und in der Elektrodenschicht (2) angeordnet ist.
  7. Elektrische Struktur nach Anspruch 2, wobei die Festkörperelektrolytschicht (3) Selen und Germanium aufweist.
  8. Elektrische Struktur nach Anspruch 2, wobei die Festkörperelektrolytschicht (3) Schwefel und Germanium aufweist.
  9. Programmierbare Struktur mit einer elektrischen Struktur nach Anspruch 1 oder 2, die eine zweite Elektrodenschicht (4) aufweist, die auf der Festkörperelektrolytschicht (3) angeordnet ist.
  10. Speicher (12) mit mindestens einer Speicherzelle, die eine programmierbare Struktur mit einer elektrischen Struktur mit einer Festkörperelektrolytschicht (3), mit einer auf der Festkörperelektrolytschicht (3) angeordnete Elektrodenschicht (2), mit einer zweiten auf der Festkörperelektrolytschicht angeordneten Elektrodenschicht (4) aufweist; mit einem an einem Grenzflächenbereich der Elektrodenschicht (2) und der Festkörperelektrolytschicht (3) angeordneten Schichtbereich (7), wobei der Schichtbereich eine höhere Sauerstoffkonzentration aufweist, als die Festkörperelektrolytschicht (3) und die Elektrodenschicht (2), wobei der Schichtbereich (7) in der Elektrodenschicht (2) angeordnet ist.
  11. Speicher nach Anspruch 10, wobei die Elektrodenschicht (2) Silber aufweist.
  12. Speicher nach Anspruch 10, wobei die Elektrodenschicht (2) Kupfer aufweist.
  13. Speicher nach Anspruch 10, wobei der Speicher (12) ein dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff ist.
  14. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Struktur auf einem Substrat, das die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen einer Festkörperelektrolytschicht und Aufbringen einer Elektrodenschicht, wobei Sauerstoff in die Elektrodenschicht eingebracht wird und an einem Grenzflächenbereich der Elektrodenschicht und der Festkörperelektrolytschicht ein Schichtbereich mit einer Sauerstoffkonzentration generiert wird, die im Vergleich zu benachbarten Bereichen der Elektrodenschicht und der Festkörperelektrolytschicht erhöht ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei Sauerstoff in die an die Elektrodenschicht angrenzende Festkörperelektrolytschicht eingebracht wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Festkörperelektrolytschicht in mindestens einer partiellen Sauerstoffumgebung teilweise zurückgesputtert wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Elektrodenmaterial in mindestens einer partiellen Sauerstoffumgebung zurückgesputtert wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Elektrodenmaterial auf mindestens 200°C erwärmt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Elektrodenschicht mit einer Deckschicht bedeckt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine zweite Elektrode angrenzend an die Festkörperelektrolytschicht aufgebracht wird.
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