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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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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.
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2. Technischer Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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 M
mX
1-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.
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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.
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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.
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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 M
mX
1-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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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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:
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1 zeigt
eine programmierbare Struktur mit einer Festkörperelektrolytschicht und einer
Elektrodenschicht;
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2 zeigt
ein schematisches Strom-Vorspannungs-Diagramm für eine programmierbare Struktur
beim Programmieren, Auslesen und Löschen;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Speichers;
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4 bis 7 zeigen
unterschiedliche Verfahrensschritte zum Ausbilden einer programmierbaren
elektrischen Struktur;
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8 bis 11 zeigen
unterschiedliche Verfahrensschritte eines weiteren Verfahrens zum Ausbilden
einer programmierbaren elektrischen Struktur;
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12 bis 15 stellen
Verfahrensschritte eines dritten Verfahrens zum Ausbilden einer
programmierbaren elektrischen Struktur dar; und
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16 bis 19 stellen
Verfahrensschritte eines vierten Verfahrens zum Ausbilden einer
programmierbaren elektrischen Struktur dar.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 4 bis 7 zeigen
ein erstes Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Struktur 1.
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Die
elektrische Struktur 1 kann insbesondere Teil eines Speichers
sein, d. h. eines DRAMs, eines SRAMs, eines PROMs, eines EEPROMs
oder eines Flash-Speichers.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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7 zeigt
eine elektrische Struktur 1 mit einer Zapfenstruktur.
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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.
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Je
nach Ausführungsform
kann die elektrische Struktur 1 auch zu anderen Vorrichtungen,
d. h. zu einer elektrischen Schaltung, verarbeitet werden.
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Die 8 bis 11 zeigen
ein zweites Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Struktur 1 nach
Front-End-Of-Line-Prozessen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Elektrodenschicht 2 Kupfer aufweisen oder aus
Kupfer bestehen.