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Die
Erfindung betrifft eine programmierbare resistive Speicherzelle
mit, einer programmierbaren Widerstandsschicht, sowie ein Verfahren
zur Herstellung einer resistiven Speicherzelle mit einer programmierbaren
Widerstandsschicht.
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Herkömmliche
elektronische Datenspeicher, wie beispielsweise der Dynamic Random
Access Memory (DRAM) oder das Flash-RAM, stoßen zunehmend an Grenzen, wenn
sie modernen Anforderungen gerecht werden sollen. Herkömmliche
Konzepte zur elektronischen Datenspeicherung, wie sie auch beim
DRAM oder Flash-RAM zum Einsatz kommen, speichern Informationseinheiten
in Kondensatoren, wobei ein geladener bzw. ungeladener Zustand eines Kondensators
etwa die beiden logischen Zustände „1" oder „0" darstellen kann.
Im Falle des DRAM sind die Kondensatoren extrem klein ausgeführt, um
eine hohe Informationsdichte und Integration zu erreichen und erfordern
daher ein ständiges
Auffrischen des gespeicherten Informationsinhalts. Dies erfordert
neben zusätzlichen
Speicher-Controllern zur Auffrischung auch einen erheblichen Energiebedarf.
Das Flash-RAM behält
zwar den in ihm gespeicherten Informationsgehalt auch ohne Zufuhr
von Energie, jedoch sind die einzelnen Flash-RAM-Speicherzellen relativ groß und benötigen eine
hohe Spannung zum Schreiben einer Information. Moderne elektronische Datenspeicher
müssen
daher in der Lage sein, eine hohe Informationsdichte, eine kurze
Zugriffszeit und eine Nichtflüchtigkeit
zuvereinen. Die Nichtflüchtigkeit
bezeichnet hier die Eigenschaft eines elektronischen Datenspeichers,
dass dieser den Informationsgehalt auch ohne Energiezufuhr von außen eine längere Zeit
zuverlässig
abspeichern kann.
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Die
Anforderungen hinsichtlich der Integrationsdichte und der Nichtflüchtigkeit
werden vor allem bei portablen Anwendungen deutlich, da dort sowohl der
verfügbare
Platz beschränkt
ist als auch die als Stromversorgung dienenden Batterien nur eine
beschränkte
Energie und Spannung bereitstellen können. Um die Nichtflüchtigkeit
mit einer kurzen Zugriffszeit und einer hohen Integration zu verbinden, wird
in Wissenschaft und Industrie intensiv an Alternativen für den DRAM
oder den Flash-RAM
gearbeitet. Unter anderem stellen dabei die so genannten resistiven
elektronischen Speicher ein vielversprechendes Konzept dar.
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Neben
beispielsweise Festkörperelektrolyten,
Phasenübergangszellen
und anderen speziellen Materialien kann auch in Übergangsmetalloxidschichten
ein entsprechender hoch- und niederohmiger elektrischer Zustand
zuverlässig
und stabil einer derartigen Oxidschicht aufgeprägt werden. Einem niederohmigen
Zustand kann so beispielsweise ein logischer Zustand „1", und einem hochohmigen
Zustand ein logischer Zustand „0" zugeordnet werden. Derartige
Schichten erlauben des Weiteren auch eine Differenzierung mehrerer
resistiver Zustände, sodass
in einer Zelle auch mehrere zuverlässig unterscheidbare logische
Zustände
abgespeichert werden können,
was auch als Multibitfähigkeit
bezeichnet wird.
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Die
Informationsspeicherung in einer Übergangsmetalloxid(ÜMO)-schicht
basiert auf dem Prinzip, dass in einem ÜMO durch lokale Erwärmung ein niederohmiges
Filament gebildet werden kann. Die lokale Erwärmung wird durch einen Strom
durch das initial hochohmige ÜMO
erzeugt. Das Filament schließt
dadurch das ansonsten hochohmige ÜMO kurz und verändert dadurch
den effektiven elektrischen Widerstand wesentlich. Durch Anlegen
einer Spannung kann ein hinreichend ge ringer Messstrom zur Bestimmung
des resistiven und damit logischen Zustands einer ÜMO-Speicherzelle
bestimmt werden. Ein bestehendes Filament kann durch einen hinreichend
hohen Strom wieder unterbrochen werden und die ÜMO-Speicherzelle kehrt damit
in einen hochohmigen Zustand zurück.
Dieser Prozess ist reversibel und ist auch in technisch relevanten
Wiederholraten im Bereich von 106 bereits
nachgewiesen worden. Eine ÜMO-Speicherzelle wird
dabei in der Regel aus einer unteren Elektrode, einer oberen Elektrode
und einer dünne
dazwischen angeordneten ÜMO-Schicht
gebildet. Die minimale Größe einer derartigen ÜMO-Speicherzelle
ist dabei hauptsächlich
durch lithographische Beschränkungen
hinsichtlich der Strukturierung der Elektroden gegeben.
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Ein
einzelnes Filament, das den elektrischen Widerstand einer ÜMO-Speicherzelle
wesentlich absenkt, ist dabei oft viel kleiner im Querschnitt als
die minimale Kontaktfläche
der Elektroden, die durch moderne Lithografie- und Strukturierungsverfahren erreicht
werden kann. Daher bilden sich während
des Programmierens einer ÜMO-Speicherzelle
zunächst mehrere
Filamente aus, bis dass ein erstes Filament die obere und die untere
Elektrode kurzschließt.
Damit endet auch die weitere Ausbildung der übrigen Filamente, die ab dem
Kurzschluss durch das erste zusammenhängende Filament nicht weiter
wachsen. Die Bildung der übrigen
Filamente ist jedoch im Hinblick auf die Programmierung unnötig, da
ein einzelnes Filament zur zuverlässigen Definition des resistiven
Zustands der ÜMO-Speicherzelle
genügt.
Auch unterliegt die räumliche
Ausdehnung bzw, die Größe der Querschnittsfläche des
mindestens erforderlichen Filaments keiner Kontrolle und es wird
auch hier unnötig
Volumen des ÜMO
verändert.
Das Ausbilden der übrigen
Filamente und das unnötige
Verändern von
Volumen benötigt
jedoch auch Strom und damit wird unnötig Energie verbraucht. Gerade
für moderne
Anwendungen ist es jedoch erwünscht,
den Energiebedarf zum Schreiben und Lesen von modernen elektronischen
Datenspeichern möglichst
gering zu halten.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte programmierbare
resistive Speicherzelle mit einer programmierbaren Widerstandsschicht
bereitzustellen. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zur Herstellung einer programmierbaren resistiven
Speicherzelle mit einer programmierbaren Widerstandsschicht bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch die programmierbare resistive Speicherzelle gemäß Anspruch
1 und dem Verfahren zur Herstellung einer programmierbaren resistiven
Speicherzelle gemäß Anspruch
18 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine programmierbare
resistive Speicherzelle mit einer unteren Elektrode, einer programmierbaren
Widerstandsschicht und mit einer oberen Elektrode vorgesehen. Zwischen
der unteren Elektrode und der programmierbaren Widerstandsschicht
ist eine untere Maske und zwischen der programmierbaren Widerstandsschicht
und der oberen Elektrode ist eine obere Maske vorgesehen. Die untere
Maske und die obere Maske weisen dabei stromhemmende Bereiche auf.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Herstellung einer resistiven Speicherzelle vorgesehen, das die folgenden
Schritte umfasst: Ausbilden einer unteren Elektrode, Ausbilden einer
unteren Maske mit stromhemmenden Bereichen, Ausbilden einer programmierbaren
Wider standsschicht, Ausbilden einer oberen Maske mit stromhemmenden
Bereichen, und Ausbilden einer oberen Elektrode.
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Die
erfindungsgemäße resistive
Speicherzelle mit einer unteren Maske und einer oberen Maske mit
stromhemmenden Bereichen schränkt
den Raum, in dem sich leitende Filamente in der programmierbaren
Widerstandsschicht bilden können, wesentlich
ein. Somit ist nach wie vor gewährleistet, dass
sich wenigstens ein durchgängiges
leitendes Filament zur Überführung der
initial hochohmigen programmierbaren resistiven Speicherzelle in
einen niederohmigen Zustand ausbilden kann. Jedoch ist die Gesamtzahl
der sich nur teilweise bildenden weiteren Filamente stark eingeschränkt. Auch
wird durch das erfindungsgemäße Vorsehen
zweier Masken im Sinne einer Eindämmung der Querschnitt und damit auch
das Volumen der sich ausbildenden Filamente reduziert. Damit kann
in wesentlichem Umfang der benötigte
Energieaufwand zur Bildung wenigstens eines Filaments verringert
werden.
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Durch
das gemeinsame Vorsehen zweier Masken auf beiden Seiten der programmierbaren
Widerstandsschicht wird die Formation der Filamente kanalisiert
und es wird nicht nur die Gesamtzahl der Filamente, sondern auch
deren räumliche
Ausdehnung im Sinne schlankerer Filamente begünstigt. Damit wird im Allgemeinen
das Filament nur in nötigem Umfang
ausgebildet und ein Aufheizen nicht benötigter Bereiche kann somit
entfallen. Dies reduziert weiter die erforderlichen Programmierströme und verringert
wesentlich den erforderlichen Energiebedarf.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthalten die Strom hemmenden Bereiche
einen Isolator. Somit sind in vorteilhafter Weise Teile der programmierbaren
Widerstandsschicht in den stromhemmenden Bereichen von den Elekt roden
separiert. An diesen Stellen ist die Bildung eines leitenden Filaments
stark unterdrückt. Vorzugsweise
enthalten die stromhemmenden Bereiche ein Metalloxid, beispielsweise
Zinkoxid. Metalloxide, besonders Zinkoxid, bilden stabile stromhemmende
Bereiche und sind vermittels etablierter und reproduzierbarer Fertigungstechniken
in Form einer Maske auf Elektrodenmaterial oder auf dem Material der
programmierbaren Widerstandsschicht abscheid- und strukturierbar.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt eine laterale Ausdehnung, d. h.
in der entlang einer Ebene einer Elektrode, der stromhemmenden Bereiche
in einem Bereich von 2 bis 20 nm. Dieser Bereich der Maskierung
ist für
resistive Speicherzellen mit einer üblichen lateralen Ausdehnung
im Bereich von 20 bis 100 nm von Vorteil, da somit einerseits die
Ausbildung unerwünschter
weiterer leitender Filamente unterdrückt wird und gleichzeitig die
Bildung wenigstens eines Filaments weiterhin gewährleistet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen die stromhemmenden Bereiche
jeweils wenigstens ein Nanopartikel, dessen laterale Ausdehnung
in einem Bereich von 2 bis 20 nm liegt. Nanopartikel können dabei
in vorteilhafter Weise die stromhemmenden Bereiche der unteren und/oder
der oberen Maske bilden, da sie sich aus den bereits genannten Materialien
in oben genannter Größenordnung
einfach ausbilden bzw. positionieren lassen. Eine Häufung zweier
oder mehrerer Nanopartikel unter Bildung eines einzelnen zusammenhängenden
stromhemmenden Bereiches ist dabei möglich, eine streng periodische
Anordnung der stromhemmenden Bereiche ist nicht erforderlich.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind zwischen zwei benachbarten stromhemmenden
Bereichen freie Bereiche angeordnet, deren laterale Ausdehnung in
einem Bereich von 2 bis 20 nm liegt. Somit ist gewährleistet, dass
sich wenigstens ein leitendes Filament durch einen entsprechenden Überlapp
von freien Bereichen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode
bilden kann. Das Verhältnis
der lateralen Ausdehnung der stromhemmenden Bereiche zu der lateralen
Ausdehnung der freien Bereiche reduziert einerseits den erforderlichen
Programmierstrom – und
damit den erforderlichen Energieaufwand, stellt jedoch gleichzeitig
ein zuverlässiges
Programmieren der programmierbaren Widerstandsschicht durch Bildung
von leitenden Filamente sicher.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt die Schichtdicke der unteren und/oder
der oberen Maske in einem Bereich von 1 bis 10 nm. Eine Maske mit
einer Dicke in oben genanntem Bereich hat sich als ausreichend erwiesen,
um die Bildung von leitenden Filamenten teilweise zu unterdrücken und
trägt dabei
gleichzeitig in vorteilhafter Weise nicht wesentlich zur Vergrößerung der
einzelnen resistiven Speicherzelle bei.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die untere Maske innerhalb der programmierbaren
Widerstandsschicht angeordnet und grenzt an die untere Elektrode
an. Ferner kann die obere Maske innerhalb der oberen Elektrode angeordnet
sein und kann an die programmierbare Widerstandsschicht angrenzen.
Dies ermöglicht in
vorteilhafter Weise eine einfache Herstellung der resistiven Speicherzelle,
indem das jeweilige Material – das
Material der programmierbaren Widerstandsschicht bzw. das Material
der oberen Elektrode – einfach
auf der jeweiligen Maske aufgetragen wird. Zu sätzliche Schichten und Materialien
sind somit nicht nötig
und die räumliche
Ausdehnung der einzelnen resistiven Speicherzelle kann möglichst
klein ausfallen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
die programmierbare Widerstandsschicht ein Übergangsmetalloxid. Die programmierbare
Widerstandsschicht kann dabei auch ein weiteres Übergangsmetalloxid enthalten, somit
eine Mischung aus zwei verschiedenen Übergangsmetalloxiden aufweisen.
Dabei kann wenigstens eines der Übergangsmetalle
Niob, Titan, Nickel, Chrom, Cobalt, Mangan, Vanadium, Tantal, Hafnium oder
Eisen eines der Übergangsmetalloxide
bilden. Ferner kann die programmierbare Widerstandsschicht wenigstens
eines der Metalle Strontium, Blei, Praseodym oder Calcium enthalten.
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Die
oben genannten Materialien weisen vorteilhafte Eigenschaften im
Sinne einer programmierbaren Widerstandsschicht auf, da sie wohldefiniert abgeschieden
werden können
und eine zuverlässige programmierbare
resistive Speicherzelle bilden können.
Ferner kann durch die Mischung wenigstens zweier Übergangsmetalloxide
und/oder durch Zusatz weiterer Metalle der initiale Widerstand,
der Widerstand in einem niederohmigen Zustand, der Widerstand in
einem hochohmigen Zustand, oder ein temperaturabhängiger Widerstand
der programmierbaren Widerstandsschicht festgelegt und stabil eingestellt
werden. Somit kann in vorteilhafter Weise eine weitere Optimierung
hinsichtlich der nötigen
Spannungen und Ströme
der programmierbaren Widerstandsschicht erfolgen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die programmierbare Widerstandsschicht
von einer Isolierschicht umgeben. Somit können einzelne resistive Spei cherzellen
auch dicht nebeneinander angeordnet sein, ohne dass eine Wechselwirkung
benachbarter Speicherzellen die Zuverlässigkeit der Speicherung von
logischen Zuständen
verringert.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
bzw. enthalten die untere und/oder die obere Elektrode wenigstens
eines der Metalle Wolfram, Platin, Titan oder Palladium. Diese Metalle
lassen sich sowohl vermittels etablierter und reproduzierbarer Herstellungsmethoden
abscheiden und strukturieren und werden ferner durch die lokale
Aufheizung der programmierbaren Widerstandsschicht zur Bildung von
leitenden Filamenten nicht wesentlich verändert bzw. beeinflusst.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist zwischen der unteren Elektrode und
der unteren Maske ein Kontakt angeordnet, wobei der Kontakt von
einer isolierenden Kontaktformschicht umgeben ist und wobei der
Kontakt eine Kontaktfläche
zu der programmierbaren Widerstandsschicht gegenüber der Fläche der ersten Elektrode verringert.
Der Kontakt kann ferner nach unten verjüngend ausgeführt sein.
Somit kann während
der Herstellung die Größe des Kontakts
durch definiertes Zurücksetzen – beispielsweise
durch Polieren – eingestellt
und verringert werden. Der Kontakt verringert die effektive Fläche gegenüber der Elektrode
und trägt
damit weiter zur Reduzierung der Bildung von unerwünschten
weiteren Filamenten bei, während
die Ausbildung wenigstens eines leitenden Filaments zur Speicherung
eines resistiven Zustandes weiterhin gewährleistet bleibt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Ausbilden der unteren Elektrode
die Schrit te: Ätzen
eines Grabens in einem Substrat, Auffüllen des Grabens mit einem leitenden
Material und Polieren des leitenden Materials. Ist das Substrat
isolierend, so können
mehrere erste Elektroden oder auch Leitungsbahnen zur Kontaktierung
mehrerer Kontakte nebeneinander strukturiert werden, wobei diese
voneinander elektrisch isoliert sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Ausbilden der unteren Elektrode
ferner folgende Schritte umfassen: Ausbilden einer Kontaktformschicht,
Ausbilden eines Grabens in der Kontaktformschicht, Ausfüllen des Grabens
in der Kontaktformschicht mit einem leitenden Material, und Polieren
der Kontaktformschicht und des leitenden Materials in dem Graben.
Der Graben kann dabei nach unten verjüngend in der Kontaktformschicht
ausgebildet sein. Das Polieren des leitenden Materials in dem Graben
und der Kontaktformschicht kann somit zur Verkleinerung einer oberen
Fläche
des Kontakts erfolgen. Die effektive Kontaktfläche kann somit nicht nur eingestellt
werden und durch einen separaten Schritt eines Polierens verändert werden,
sondern kann auch sublithografisch erfolgen, d.h. die Kontaktfläche kann
gegenüber eventuell
bestehender lithografischer Beschränkungen weiter verkleinert
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erfolgt das Ausbilden der Nanopartikel
selbstorganisiert. Dabei kann das selbstorganisierte Ausbilden der
Nanopartikel vermittels eines Block-Copolymers erfolgen. Selbstorganisierte Verfahren
liefern in vorteilhafter Weise im Wesentlichen regelmäßige Anordnungen
von Partikeln mit im Wesentlichen gleichen Dimensionen, und dies
auch aus vorteilhaften isolierenden Materialien oder Metalloxidmaterialien.
Die Maske muss durch das selbstorganisierte Ausbilden von Na nopartikeln
nicht strukturiert werden, sondern es genügt lediglich ein Ausbildungsschritt.
Ferner können
vermittels Block-Copolymeren viele Materialien in Form von Nanopartikeln
regelmäßig und
zuverlässig
ausgebildet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erfolgt das Ausbilden der programmierbaren
Widerstandsschicht durch ein reaktives Sputtern. Dabei können wenigstens
zwei Übergangsmetalle
in einer sauerstoffhaltigen Prozessatmosphäre zerstäubt werden, und der Sauerstoffpartialdruck
der sauerstoffhaltigen Prozessatmosphäre kann dabei wenigstens gesättigt sein.
So oxidieren die zerstäubten Übergangsmetalle
in ihrem jeweils höchsten
Oxidationsgrad. Damit ist ein stöchiometrisch
ausgeglichenes Ausbilden der beiden Übergangsmetalloxide gewährleistet,
und lokale Sauerstoff- und Oxidationsdefizite treten nicht auf.
Damit ist die ausgebildete programmierbare Widerstandsschicht sowohl
hinsichtlich ihres initialen Widerstandes als auch hinsichtlich
ihres temperaturabhängigen Widerstandes
einstellbar und durch eine gesättigte Oxidation
stabil. Aufwändige
Diffusionsschutzbarrieren und andere Verkapselungen können somit
entfallen. Die Prozessatmosphäre
kann ferner u. A. zum Abtransport von Prozessprodukten ein inertes
Gas, z. B. Argon, enthalten.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erfolgt das Polieren durch einen chemisch-mechanischen
Vorgang. Chemisch-mechanische Poliervorgänge (CMP) sind bereits etablierter
Teil reproduzierbarer Herstellungsprozesse und weisen einen konstanten
und gut beherrschbaren Materialabtrag auf und können ferner auch zu wohl definierten
Zeitpunkten gestoppt werden und ermöglichen damit auch wohl definierte Schichtdicken.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1A bis 1C schematisch
herkömmliche
programmierbare resistive Speicherzellen;
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2A bis 2F schematisch
eine programmierbare resistive Speicherzelle in verschiedenen Stadien
während
der Herstellung gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3A bis 3I schematisch
eine programmierbare resistive Speicherzelle in verschiedenen Stadien
während
der Herstellung gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4A bis 4H schematisch
eine programmierbare resistive Speicherzelle in verschiedenen Stadien
während
der Herstellung gemäß einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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5A und 5B schematisch
eine programmierbare resisitive Speicherzelle als Teil einer integrierten
Schaltung gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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1A zeigt
schematisch eine programmierbare resistive Speicherzelle mit einer
unteren Elektrode 10, einer programmierbaren Widerstandsschicht 11 und
einer oberen Elektrode 12. Durch Anlegen elektrischer Signale
an die untere Elektrode 10 und obere Elektrode 12 kann
ein Strom durch die programmierbare Widerstandsschicht 11 fließen, der
die programmierbare Widerstandsschicht 11 lokal aufheizt,
wodurch sich der elektrische Widerstand lokal ändern kann. Eine endliche lokale
Stromdichte in der programmierbaren Widerstandsschicht 11 führt zu einer
lokalen Aufheizung und somit insgesamt zu dem Ausbilden eines leitenden
Bereiches 18, wie in 1B gezeigt.
Dabei umfasst der leitende Bereich 18 oft mehrere breite
Filamente 181, 182, 183 und 184.
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Sobald
eines der Filamente einen Kurzschluss zwischen der unteren Elektrode 10 und
der oberen Elektrode 12 bildet, wie hier gezeigt das breite
Filament 183, nimmt die programmierbare resistive Speicherzelle
einen niederohmigen Zustand ein, und alle übrigen Filamente 181, 182 und 184 dehnen
sich nicht weiter aus. Bis zu der Bildung des durchgängigen breiten
Filaments 183 wurde jedoch der gesamte leitende Bereich 18 der
programmierbaren Widerstandsschicht 11 lokal aufgeheizt
und in seiner ursprünglichen
Leitfähigkeit
verändert.
So sind beispielsweise die Filamente 181, 182 und 184 ohne
Bedeutung, da sie keinen wesentlichen Beitrag zur Leitfähigkeit
leisten und der Energieaufwand zu deren Bildung ist zur Definition
eines niederohmigen Zustandes der programmierbaren resistiven Speicherzelle
nicht notwendig.
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Um
die Anzahl der weiteren Filamente und auch deren Ausdehnung zu verringern,
kann eine Maske 13 zwischen der unteren Elektrode 10 und
der programmierbaren Widerstandsschicht 11 vorgesehen sein,
wie in 1C schematisch dargestellt.
Die Maske 13 schränkt
die effektive Fläche
der unteren Elektrode 10 zur programmierbaren Widerstandsschicht 11 wesentlich
ein, und es bilden sich schmale Filamente 191, 192 und 193.
Die Maske 13 reduziert die effektive Fläche der unteren Elektrode 10 auf
die Öffnungen 14.
Damit ist es den Filamenten nur noch möglich, sich bei Öffnungen 14 der
Maske 13 zu bilden. Diese Reduktion der effektiven Kontaktfläche hat
zur Folge, dass sich einerseits weniger Filamente ausbilden und
andererseits auch die räumliche
Ausdehnung eines einzelnen Filaments wesentlich reduziert wird,
wie durch einen Vergleich des schmalen Filaments 192 mit
dem breiten Filament 183 aus 1B deutlich
wird.
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Die 2A bis 2F zeigen
schematisch eine programmierbare resistive Speicherzelle in verschiedenen
Stadien während
der Herstellung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Zunächst
wird, wie in 2A gezeigt, eine erste untere
Elektrode 20 bereitgestellt. Dies kann auf einem Substrat,
z. B. auf einem Silizium-Substrat oder auf anderen bereits strukturierten
Elementen – wie
in der Halbleiterfertigung üblich – erfolgen.
Die erste untere Elektrode 20 wird dabei in vorteilhafter Weise
aus einem erst bei hohen Temperaturen schmelzenden Element, z.B.
Wolfram, Platin, Titan oder Palladium, vermittels konventionellem
Sputter-Verfahren oder jedem beliebigen anderen Abscheideverfahren,
z.B. Aufdampfen, Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Physical Layer
Deposition (PLD), bereitgestellt.
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Auf
die erste untere Elektrode 20 wird, wie in 2B gezeigt,
eine erste untere Maske 21 ausgebildet. Dabei weist die
erste untere Maske 21 stromhemmende Bereiche auf, die durch Öffnungen 210 voneinander
getrennt sind. Die stromhemmenden Bereiche weisen dabei in vorteilhafter
Weise eine laterale Ausdehnung in einem Bereich von 2 bis 20 nm auf.
Die Öffnungen 210 zwischen
den stromhemmenden Bereichen weisen dabei eine laterale Ausdehnung
in einem Bereich von 2 bis 20 nm auf. Die Schichtdicke der ersten
unteren Maske 21 kann ferner in einem Bereich von 1 bis
10 nm liegen. Die stromhemmenden Bereiche der ersten unteren Maske 21 sind
ferner in vorteilhafter Weise aus einem Isolator, vorzugsweise einem Metalloxid
wie beispielsweise Zinkoxid. Die erste untere Maske 21 kann
dabei durch herkömmliche
Lithografie- und Abscheidungsverfahren strukturiert werden. Vorzugsweise wird
die erste untere Maske 21 in Form von durch einen selbstorganisierten
Prozess ausgebildete Nanopartikel gebildet. Ein oder mehrere Nanopartikel
stellen dabei die stromhemmenden Bereiche der ersten unteren Maske 21 dar,
während
die Bereiche zwischen den Nanopartikeln die Öffnungen 210 darstellen.
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Dies
kann in vorteilhafter. Weise durch die Verwendung von so genannten
Diblock-Copolymeren erfolgen. Diese Diblock-Copolymere enthalten vorzugsweise Polynorborene
und Polynorborendicarboxylsäure.
Zur Herstellung der ersten unteren Maske 21 werden die
Copolymere zunächst
synthetisiert und nach einer Trocknung wieder in Lösung gebracht,
in die dann die entsprechende stöchiometrische
Menge einer Metallverbindung, beispielsweise Zinkchlorid zur Bildung
von Zinkoxidnanopartikeln, in Lösung
in Tetrahydrofuran (THF) eingebracht wird. Dem obigen Beispiel folgend,
verbinden sich dann die Zn2+-Kationen in der Lösung mit
den Carboxylgruppen des zweiten Copolymers im Block. Diese Lösung wird
dann auf die erste untere Elektrode 20 gebracht, und die
erste untere Maske 21 wächst
in einem selbstorganisierten Prozess, beispielsweise in Form einer
hexagonalen Anordnung von Zinkoxid-Nanopartikeln, auf. Die Lösung kann
dabei mittels Schleudern aufgebracht werden oder durch ein Eintauchen
auf die Elektrode 20 gebracht werden. Die Metallverbindung
kann daraufhin vermittels Natronhydroxid (NaOH) in ein Metalloxid
umgewandelt werden und das Copolymer mittels Plasma-Etching entfernt
werden.
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Es
verbleibt auf der ersten unteren Elektrode 20 die Nanopartikel
umfassende erste untere Maske 21. Durch entsprechende Wahl
der Prozessparameter kann die laterale Größe von Nanopartikeln und der
freien Bereiche dazwischen zwischen 1 und 20 nm variiert werden.
Die erste untere Maske 21 reduziert somit die effektive
Kontaktfläche
zwischen der ersten unteren Elektrode 20 und der ersten
programmierbaren Widerstandsschicht 22, die, wie in 2C gezeigt,
auf der ersten unteren Elektrode 20 und der ersten unteren
Maske 21 ausgebildet wird.
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Die
erste programmierbare Widerstandsschicht 22 wird dabei
durch übliche
Abscheidungsverfahren, wie beispielsweise einem reaktiven Sputtern,
ausgebildet. Dabei werden ein oder mehrere Übergangsmetalle, beispielsweise
Niob, Titan, Nickel, Zirkon, Chrom, Kobalt, Mangan, Vanadium, Tantal,
Hafnium oder Eisen, in einer Prozessatmosphäre zerstäubt, wobei die Prozessatmosphäre Sauerstoff
enthält.
Vorzugsweise ist der Sauerstoffpartialdruck der Sauerstoff enthaltenden
Prozessatmosphäre
gesättigt,
sodass die zerstäubten Übergangsmetalle
in ihrem jeweils höchsten
Oxidationsgrad oxidieren, und somit jeweils ein stabiles gesättigtes
Oxid bilden. Als programmierbare Widerstandsschicht können auch
Sulfide, wie beispielsweise CdS oder CdCrS zum Einsatz kommen. Der
Anteil eines einzelnen Übergangsmetalloxids
an der Widerstandsschicht 22 wird durch die entsprechende
Zerstäubungsrate
und den dadurch bestimmten Gehalt des zerstäubten Übergangsmetalls in der Prozessatmosphäre bestimmt.
Die erste programmierbare Widerstandsschicht 22 enthält damit
wenigstens ein Übergangsmetalloxid,
vorzugsweise eine Mischung aus wenigstens zwei Übergangsmetalloxiden, in dem bzw.
in der durch elektrische Signale ein leitendes Filament ausgebildet
werden kann. Die Abscheidung des Mischoxidmaterials kann dabei durch
reaktives Co-Sputtern, Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Atomic
Layer Deposition (ALD), erfolgen. Die Prozessatmosphäre während des
Sputterns der ersten unteren Elektrode 20 kann ferner Argon
oder ein andres übliches
inertes Prozessgas, wie z. B. Helium, Neon, oder Stickstoff, umfassen.
Die erste programmierbare Widerstandsschicht 22 kann ferner
die freien Bereiche 210 der ersten unteren Maske 21 ausfüllen, und
an an die erste untere Elektrode 20 angrenzen. Auf die
erste programmierbare Widerstandsschicht 22 wird eine erste
obere Maske 23 mit freien Bereichen 230 zwischen
stromhemmenden Bereiche ausgebildet.
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Auf
die erste obere Maske 23 wird eine erste obere Elektrode 24 aufgebracht.
Die erste obere Maske 23 und die erste obere Elektrode 24 können dabei
analog durch Herstellungsverfahren bzw. mit Materialien, wie in
Bezug auf die erste untere Maske 21 bzw. die erste untere
Elektrode 20 beschrieben, ausgebildet werden. Die erste
obere Elektrode 24 füllt
dabei die freien Bereiche 230 der ersten oberen Maske 23 aus,
und grenzt damit an die erste programmierbare Widerstandsschicht 22 an.
Dies ist in 2D und 2E gezeigt.
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Durch
das Anlegen von elektrischen Signalen zwischen der ersten unteren
Elektrode 20 und der ersten oberen Elektrode 24 kann
sich in der ersten programmierbaren Widerstandsschicht 22 ein
leitender Bereich 25 ausbilden, wie in 2F gezeigt.
Der leitende Bereich 25 besteht dabei aus mindestens einem
durchgängigen
Filament 251 und weiteren, gegebenenfalls nur teilweise
ausgebildeten Filamenten 252. Die erste untere Maske 21 und
die erste obere Maske 23 können dabei in vorteilhafter
Weise derart gegeneinander ausgerichtet sein, dass sich die effektive
Kontaktfläche,
gebildet durch die offenen Bereiche 210 der ersten unteren
Maske 21 und der freien Bereiche 230 der ersten
oberen Maske 23, minimiert wird. Damit ist der Bereich,
in dem sich der leitende Bereich 25 in der ersten programmierbaren
Widerstandsschicht 22 ausbilden kann, reduziert. Es entstehen
daher wenige nur teilweise ausgebildete Filamente 252,
und auch die räumliche
Ausdehnung von durchgängigen
Bereichen, wie beispielsweise dem ersten durchgängigen Filament 251,
wird minimiert. Damit ist insgesamt das Volumen, das zur Programmierung
der programmierbaren Widerstandsschicht in seiner Leitfähigkeit
verändert
werden muss, reduziert. Der Bereich, der zur Änderung der elektrischen Leitfähigkeit
aufgeheizt werden muss, wird dadurch minimiert, und damit ist auch
der erforderliche Programmierstrom in vorteilhafter Weise wesentlich
reduziert. Insbesondere wird auch durch eine verringerte Querschnittsausdehnung
eines durchgängigen Filaments
ein wesentlich geringerer Löschstrom, bzw.
RESET-Strom, benötigt,
um die programmierbare resistive Speicherzelle wieder in einen hochohmigen
Zustand zu überführen. Damit
erfordert die erfindungsgemäße programmierbare
resistive Speicherzelle wesentlich niedrigere Programmierströme und kann
daher mit einer verringerten Leistungsaufnahme betrieben werden.
Dies ist insbesondere von Interesse bei mobilen Anwendungen und
reduziert darüber
hinaus auch die entstehende Abwärme
der Bauteile wesentlich.
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Die 3A bis 3I zeigen
schematisch eine programmierbare resistive Speicherzelle in verschiedenen
Stadien während
der Herstellung. Zunächst
wird, wie in 3A gezeigt, ein Substrat 30, z.
B. ein Silizium-Substrat oder andere wie in der Halbleiterfertigung üblich bereits
strukturierte Elemente, bereitgestellt. In dem Substrat 30,
wie in 3B gezeigt, wird ein Graben 300 ausgebildet. Dies
kann durch gerichtete oder ungerichtete Ätzverfahren, auch in Verbindung
mit Ätzmasken,
erfolgen. Der Graben 300 in dem Substrat 30 dient
als Form für eine
zweite untere Elektrode 31, wie in 3C gezeigt.
Zur Bildung der zweiten unteren Elektrode 31 wird der Graben 300 zunächst mit
einem leitenden Material aufgefüllt,
woraufhin das leitende Material und gegebenenfalls auch das Substrat 30 poliert
werden, um eine planare Oberfläche
für die
weiteren Herstellungsschritte bereitzustellen. Das Polieren kann
dabei durch einen chemisch-mechanischen Poliervorgang (CMP) erfolgen.
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Wie
in 3D gezeigt, wird auf das Substrat 30 eine
untere Isolierschicht 32 aufgebracht. In dieser unteren
Isolierschicht 32 wird ein Graben 320 zur Öffnung der
zweiten unteren Elektrode 31 ausgebildet, wie in 3E gezeigt.
Auf die zweite untere Elektrode 31 wird eine zweite untere
Maske 33 ausgebildet, woraufhin der Graben 320 und
die freien Bereiche der zweiten unteren Maske 33 mit einer zweiten
programmierbaren Widerstandsschicht 34 ausgefüllt werden,
wie in 3F gezeigt. Gegebenenfalls kann
zum Bereitstellen einer planaren Oberfläche wieder ein Poliervorgang
erfolgen.
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Auf
die zweite programmierbare Widerstandsschicht 34 wird eine
zweite obere Maske 35 und eine zweite obere Elektrode 36 aufgebracht,
wie in 3G gezeigt. Wie in 3H gezeigt,
kann zur Passivierung und zum Schutz die programmierbare resistive
Speicherzelle abschließend
mit einer oberen Isolierschicht 37 versehen werden, woraufhin weitere
Prozessschritte, beispielsweise eine Kontaktierung, erfolgen können.
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Durch
Anlegen von elektrischen Signalen an der zweiten unteren Elektrode 31 und
an der zweiten oberen Elektrode 36 kann wieder ein leitendes
Filament 38 in der zweiten programmierbaren Widerstandsschicht 34 gebildet
werden, wie in 3I gezeigt, bzw. zurückgebildet
werden, wie in 3H gezeigt. Das erfindungsgemäße Vorsehen
der zweiten unteren Maske 33 und der zweiten oberen Maske 35 reduziert
die effektive Kon taktfläche
der zweiten unteren Elektrode 31 zu der zweiten programmierbaren Widerstandsschicht 34 und
von der zweiten oberen Elektrode 36 zu der zweiten programmierbaren
Widerstandsschicht 34. Dadurch ist die Bildung von für die Programmierung
der Speicherzelle nicht wesentlichen Filamenten in der zweiten programmierbaren Widerstandsschicht 34 gehemmt,
und es wird in effektiver Weise der Programmierstrom zur Bildung bzw.
Rückbildung
eines einzelnen, in vorteilhafter Weise auch dünnen, durchgängigen Filaments 38 verwendet.
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Hinsichtlich
der Herstellung und der Materialien der Masken 33, 35,
der Elektroden 31, 36 und der Widerstandsschicht 34 kommen
die in Verbindung mit den 2A bis 2F beschriebenen
Methoden bzw. Materialien zum Einsatz.
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Die 4A bis 4H zeigen
schematisch eine programmierbare resistive Speicherzelle in verschiedenen
Stadien während
der Herstellung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Ausgehend von dem in 4A gezeigten
Substrat 40 wird ein Graben 400 in dem Substrat 40 ausgebildet,
wie in 4B gezeigt. Das Substrat 40 kann
z. B. ein Silizium-Substrat oder andere bereits strukturierte Elementen – wie in
der Halbleiterfertigung üblich – enthalten.
Der Graben 400 in dem Substrat 40 dient zur Bildung
einer dritten unteren Elektrode 41, wie in 4C gezeigt.
Die Oberfläche
der dritten unteren Elektrode 41 und des Substrats 40 können zur
Bereitstellung einer planaren Oberfläche für die folgenden Prozessschritte
poliert werden.
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Wie
in 4D gezeigt, wird auf das Substrat 40 und
die dritte untere Elektrode 41 eine Kontaktformschicht 420 und
ein Kontakt 430 ausgebildet. Die Kontaktformschicht 420 kann
dabei durch ein CVD-Verfahren beispielsweise aus SiO2 oder Si3N4 abgeschieden
werden. In vorteilhafter Weise weist dabei der Kontakt 430 eine
nach unten verjüngende Form
auf. Ferner kann die Öffnung
in der Kontaktformschicht 420 sublithografisch erfolgen,
so dass eine Kontaktfläche
von dem Kontakt 430 zur dritten unteren Elektrode 41 möglichst
klein, im Wesentlichen jedoch klein gegenüber herkömmlichen Lithografieverfahren,
ausgebildet werden kann. Ausgehend von der in 4D gezeigten
Kontaktformschicht 420 und dem Kontakt 430 kann
die Kontaktformschicht 420 und der Kontakt 430 poliert
und damit in der Höhe
reduziert werden. Durch die sich nach unten verjüngende Ausführung des Kontakts 430 wird
eine Oberfläche
des Kontakts 43 durch das Polieren reduziert, wie in 4E gezeigt.
Ist die gewünschte
Oberfläche
des Kontakts 43 bzw. die gewünschte Höhe des Kontakts 43 und
der Kontaktformschicht 42 erreicht, so wird eine mittlere
Isolierschicht 45 mit einem Graben strukturiert. Auf dem Kontakt 43 wird
eine dritte untere Maske 44 aufgebracht, und der Graben
und die freien Bereiche der dritten unteren Maske 44 mit
einer dritten programmierbaren Widerstandsschicht 46 ausgefüllt. Daraufhin
kann wieder ein Polieren erfolgen.
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Auf
die dritte programmierbare Widerstandsschicht 46 wird eine
dritte obere Maske 47, und eine dritte obere Elektrode 48 ausgebildet,
wie in 4F gezeigt. Zur Passivierung
und zum Schutz der programmierbaren resistiven Speicherzelle kann,
wie in 4G gezeigt, eine weitere obere
Isolierschicht 49 aufgebracht werden. Gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung reduziert der Steckerkontakt bestehend
aus der dritten unteren Elektrode 41 und dem Kontakt 43 weiter
die effektive Kontaktfläche
zwischen dem Kontakt 43 und der dritten programmierbaren
Widerstandsschicht 46, und schränkt somit in Verbindung mit
der dritten unteren Maske 44 und der dritten oberen Maske 47 den
Bereich, in dem sich ein leiten des Filament 460 bilden kann,
stark ein. Wie in 4H gezeigt, kann sich ein durchgängiges leitendes
Filament 460 nur an bestimmten Stellen ausbilden, und der
Strombedarf zur Programmierung der resistiven Speicherzelle ist
damit wesentlich reduziert.
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Hinsichtlich
der Herstellung und der Materialien der Masken 44, 47,
der Elektroden bzw. Kontakte 41, 43, 48 und
der Widerstandsschicht 46 kommen die in Verbindung mit
den 2A bis 2F beschriebenen
Methoden bzw. Materialien zum Einsatz.
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Die 5A und 5B zeigen
schematisch eine programmierbare resisitive Speicherzelle als Teil
einer integrierten Schaltung gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie in 5A gezeigt,
sind zunächst
dotierte Bereiche 51 in einem Substrat 50 vorgesehen.
Dabei ist ein dotierter Bereich 51 über ein Via 53 mit
einer Bitline 55 verbunden. Wordlines 52 umfassen
eine Gate-Elektrode und steuern somit die Leitung zwischen dotierten
Bereichen 51. Dotierte Bereiche 51 mit können auch
mit Vias 54 an vierte untere Elektroden 56 gekoppelt
werden. Auf den vierten unteren Elektroden 56 ist eine
vierte untere Maske 57 angeordnet. Zwischen den vierten
unteren Masken 57 und einer vierten oberen Maske 59 ist
eine vierte programmierbare Widerstandsschicht 58, in der
durch elektrische Signale Filamente ausgebildet und durchbrochen
werden können,
angeordnet. Eine vierte obere Elektrode 60 wird über ein
Via 61 mit weiteren Komponenten der integrierten Schaltung
verbunden.
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Durch
Aktivieren der entsprechenden Bitleitung 55 und der entsprechenden
Wordline 52 kann ein elektrisches Signal zwischen dem Via 61,
der vierten oberen Elektrode 60, der vier ten oberen Maske 59,
der vierten programmierbaren Widerstandsschicht 58, der
vierten unteren Maske 57, der vierten unteren Elektrode 56,
dem Via 54, zweier benachbarter dotierter Bereiche 51 – gekoppelt
vermittels der entsprechenden Wordline 52, dem Via 53 und
der Bitline 55 zur Programmierung bzw. zum Auslesen eines
resisitiven Zustandes eines Bereiches der vierten programmierbaren
Widerstandsschicht 58 angelegt werden.
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In 5B sind
als Schaltbild zwei resistive Speicherzellen 73 gezeigt.
Die resisitiven Speicherzellen 73 sind über Auswahltransistoren 72 an
einer gemeinsamen Bitline 70 angeschlossen. Durch entsprechendes
Aktivieren der Auswahltransistoren 72 mit den Wordlines 71 kann
ein elektrisches Signal zwischen der Bitline 70, über einen
freigeschalteten Auswahltransistor 72, eine resistive Speicherzelle 73 und
der Elektrode 74 angelegt werden. Dieses elektrische Signal
kann zur Führung
eines Stromes durch die entsprechende resistive Speicherzelle 73 zur Programmierung
oder zum Auslesen des resistiven Zustandes der resistiven Speicherzelle 73 erfolgen. Ein
integrierter Speicherbaustein enthält dann eine Vielzahl von resisitiven
Speicherzellen 73, die jeweils einen Auswahltransistor 73 zugeordnet
sind, und eine entsprechende, oft zueinander senkrecht angeordneter
Schar von Bitlines 70 und Schar von Wordlines 71.
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Hinsichtlich
der Herstellung und der Materialien der Masken 57, 59,
der Elektroden bzw. Kontakte 56, 60 und der Widerstandsschicht 58 kommen
die in Verbindung mit den 2A bis 2F beschriebenen
Methoden bzw. Materialien zum Einsatz.
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- 10
- untere
Elektrode
- 11
- Programmierbare
Widerstandsschicht
- 12
- obere
Elektrode
- 13
- Maske
- 14
- Öffnung
- 18
- leitender
Bereich
- 181
- breites
Filament
- 182
- breites
Filament
- 183
- breites
Filament
- 184
- breites
Filament
- 19
- leitender
Bereich
- 191
- schmales
Filament
- 192
- schmales
Filament
- 193
- schmales
Filament
- 20
- erste
untere Elektrode
- 21
- erste
untere Maske
- 22
- erste
programmierbare Widerstandsschicht
- 23
- erste
obere Maske
- 24
- erste
obere Elektrode
- 25
- erster
leitender Bereich
- 210
- Öffnung
- 230
- Öffnung
- 251
- erstes
durchgängiges
Filament
- 252
- Filament
- 30
- Substrat
- 31
- zweite
untere Elektrode
- 32
- untere
Isolierschicht
- 33
- zweite
untere Maske
- 34
- zweite
programmierbare Widerstandsschicht
- 35
- zweite
obere Maske
- 36
- zweite
obere Elektrode
- 37
- obere
Isolierschicht
- 38
- zweites
durchgängiges
Filament
- 300
- Graben
- 320
- Graben
- 40
- Substrat
- 41
- dritte
untere Elektrode
- 42
- Kontaktformschicht
- 43
- Kontakt
- 44
- dritte
untere Maske
- 45
- mittlere
Isolierschicht
- 46
- dritte
programmierbare Widerstandsschicht
- 47
- dritte
obere Maske
- 48
- dritte
obere Elektrode
- 49
- weitere
obere Isolierschicht
- 400
- Graben
- 420
- Kontaktformschicht
- 430
- Kontakt
- 460
- zweites
durchgängiges
Filament
- 50
- Substrat
- 51
- Dotierung
- 52
- Wordline
- 53
- Via
- 54
- Via
- 55
- Bitline
- 56
- vierte
untere Elektrode
- 57
- vierte
untere Maske
- 58
- vierte
programmierbare Widerstandsschicht
- 59
- vierte
obere Maske
- 60
- vierte
obere Elektrode
- 61
- Via
- 70
- Bitline
- 71
- Wordline
- 72
- Auswahltransistor
- 73
- resistive
Speicherzelle
- 74
- Kontakt