DE102006023609A1

DE102006023609A1 - Programmierbare resistive Speicherzelle mit einer programmierbaren Widerstandsschicht

Info

Publication number: DE102006023609A1
Application number: DE102006023609A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ufert
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2007-11-22

Abstract

Programmierbare resistive Speicherzelle mit einer unteren Elektrode 10, einer programmierbaren Widerstandsschicht 11 und mit einer oberen Elektrode 12, wobei die programmierbare Widerstandsschicht 11 ein erstes Übergangsmetalloxid 110 und ein zweites Übergangsmetalloxid 120 enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine programmierbare resistive Speicherzelle mit einer programmierbaren Widerstandsschicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer resistiven Speicherzelle mit einer programmierbaren Widerstandsschicht.
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 benötigen die einzelnen Flash-RAM-Speicherzellen eine hohe Spannung zum Schreiben einer Information und die Anzahl der möglichen Schaltzyklen ist begrenzt. Moderne elektronische Datenspeicher müssen daher in der Lage sein, eine hohe Informationsdichte, eine kurze Zugriffszeit und eine Nichtflüchtigkeit zu vereinen. Die Nichtflüchtigkeit bezeichnet hier die Eigenschaft eines elektronischen Datenspeichers, dass dieser den Informationsgehalt auch ohne Energiezufuhr von außen eine längere Zeit zuverlässig abspeichern kann.
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.
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.
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 geringer 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 bereits für technisch relevante Wiederholraten im Bereich von 10⁶ demonstriert worden. Eine ÜMO-Speicherzelle wird dabei in der Regel aus einer unteren Elektrode, einer oberen Elektrode und einer dünnen dazwischen angeordneten ÜMO-Schicht gebildet. Die minimale Größe einer derartigen ÜMO-Speicherzelle ist dabei hauptsächlich durch lithographische Beschränkungen hinsichtlich der Strukturierung der Elektroden gegeben.
Ein einzelnes Filament, das den elektrischen Widerstand einer ÜMO-Speicherzelle wesentlich absenkt, ist dabei oft viel kleiner im Querschnitt als die Kontaktfläche der Elektroden, die durch moderne Lithografie- und Strukturierungsverfahren hergestellt werden. Es 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. Ist ein erstes zusammenhängendes Filament einmal ausgebildet, so kann dieses Filament durch einen entsprechenden Löschstrom wieder unterbrochen werden. Die so resultierende Unterbrechung des Filaments führt die ÜMO-Speicherzelle wieder in einen hochohmigen Zustand zurück.
Ein erneutes Programmieren der ÜMO-Speicherzelle in einen niederohmigen Zustand kann sich daher auf eine Veränderung des Widerstands in jenem Bereich des initial ausgebildeten Filaments beschränken, und erfordert daher wesentlich weniger Energie und Zeit als ein erstes Überführen der ÜMO-Speicherzelle von einem initialen hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand. Das erste Ausbilden von Filamenten erfordert in der Regel, abhängig von der Defektkonzentration, eine wesentlich höhere Programmierspannungen als das Hin- und Herschalten einer ÜMO-Speicherzelle während des regulären Betriebs. Ein erstes Programmieren mit einer hohen Spannung ist jedoch zunächst in der Regel notwendig.
Die hohen initialen Programmierspannungen stehen jedoch im Konflikt mit der Integration von ÜMO-Speicherzellen. Umso kleiner ÜMO-Speicherzellen strukturiert werden, umso niedriger ist auch die Durchbruchspannung der verwendeten Isolatoren und der ÜMO-Schicht. Das Anlegen einer höheren Spannung im Bereich der Durchbruchsspannung verändert die Speicherzelle nachteilig und kann nach nur wenigen Schaltzyklen zu deren Ausfall führen.
Herkömmliche ÜMO-Speicherzellen nutzen zur Senkung des initialen Widerstands und damit auch zur Senkung der erforderlichen initialen Programmierspannung ein Oxidationsdefizit der ÜMO-Schicht aus. Dabei wird das verwendete Übergangsmetalloxid mit weniger Sauerstoff als stöchiometrisch möglich ausgebildet. Hierdurch wird sowohl der initiale elektrische Widerstand bei Raumtemperatur als auch dessen Temperaturabhängigkeit gesenkt bzw. abgeflacht. Eine Charakterisierung der Temperaturabhängigkeit eines Widerstandes ρ(T) kann allgemein mit einer Aktivierungsenergie E durch ρ(T) = ρ0 exp{–E/(kT)} (1)angegeben werden, wobei k die Boltzmann-Konstante darstellt und näherungsweise 1,38 × 10^–23 J/K beträgt, und wobei nach (1) der Widerstand ρ(T) für steigende Temperaturen T abfällt.
Eine Erniedrigung der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes führt dazu, dass die ÜMO-Schicht mit einer niedrigeren Spannung programmiert werden kann, und somit die erforderliche Programmierspannung auch während der Erwärmung abgesenkt werden kann. Bei der Ausbildung von sauerstoffdefizitären Übergangsmetalloxiden treten jedoch sowohl bei der Herstellung als auch beim regulären Betrieb Probleme auf. So ist die kontrollierte und wohl definierte sauerstoffdefizitäre Abscheidung von Übergangsmetalloxiden schwierig und nicht in befriedigender Weise reproduzierbar möglich. Ferner kann in die fertig strukturierte ÜMO-Speicherzelle Sauerstoff ein- bzw. aus der Zelle herausdiffundieren, und die elektrischen Eigenschaften der fertigen ÜMO-Speicherzelle können sich so a posteriori, insbesondere während nachfolgender Fertigungsschritte, die Teil eines sog. back-end of line (BEOL) sein können, oder auch während des Betriebs verändern.
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. Diese Aufgabe wird durch die programmierbare resistive Speicherzelle gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren zur Herstellung einer programmierbaren resistiven Speicherzelle gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine programmierbare resistive Speicherzelle mit einer ersten Elektrode, einer programmierbaren Widerstandsschicht und mit einer zweiten Elektrode vorgesehen. Die programmierbaren Widerstandsschicht enthält dabei ein erstes Übergangsmetalloxid und ein zweites Übergangsmetalloxid.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer resistiven Speicherzelle vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden einer ersten Elektrode, Ausbilden einer programmierbaren Widerstandsschicht und Ausbilden einer zweiten Elektrode, wobei die programmierbare Widerstandsschicht ein erstes Übergangsmetalloxid und ein zweites Übergangsmetalloxid enthält.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen zweier Übergangsmetalloxide kann sowohl der initiale Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht bei Raumtemperatur als auch die Temperaturabhängigkeit des Widerstands der programmierbaren Widerstandsschicht eingestellt werden. Durch die Mischung eines ersten Übergangsmetalloxids mit einem höheren elektrischen initialen Widerstand bei Raumtemperatur und mit einer steileren Temperaturabhängigkeit mit einem zweiten Übergangsmetalloxid mit einem niedrigeren initialen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und einer flacheren Temperaturabhängigkeit kann eine programmierbare Widerstandsschicht mit einem dazwischen liegenden initialen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und einer dazwischen liegenden Temperaturabhängigkeit des Widerstandes ausgebildet werden. Damit werden die erforderlichen Spannungen und Ströme zur Programmierung der programmierbare Widerstandsschicht in vorteilhafter Weise gesenkt, und der Energiebedarf einer Speichereinrichtung oder Logikschaltung mit erfindungsgemäßen programmierbaren resistiven Speicherzellen wesentlich reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erste und das zweite Übergangsmetalloxid von einem Übergangsmetall gebildet. Damit kann in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäße programmierbare resistive Speicherzelle unter minimalem Materialaufwand und möglichst einfach realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erste Übergansmetalloxid von einem ersten Übergangsmetall und das zweite Übergangsmetalloxid von einem zweiten Übergangsmetall gebildet. Somit kann in vorteilhafter Weise der initiale Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit des Widerstands der programmierbaren Widerstandsschicht in einem möglichst großen Bereich unter Rückgriff auf die Palette der Übergangsmetalle eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eines der Übergangsmetalloxide höchsten Oxidationsgrad oxidiert. Die erfindungsgemäße resistive Speicherzelle kann daher ohne aufwändige Liner- und Diffusionsbarrieren ausgeführt werden, da ein Einbau von Sauerstoff in das Mischoxid reduziert ist, bzw. nicht stattfindet, und die Eigenschaften der programmierbaren Widerstandsschicht nicht beeinflusst werden. Dies vereinfacht nicht nur die Herstellung, sondern ermöglicht auch in vorteilhafter Weise eine weitere Miniaturisierung und eine höhere Integration der resistiven Speicherzellen. Ferner wird auch das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen resistiven Speicherzelle vereinfacht und ermöglicht in wohldefinierter und vorteilhafter Weise eine reproduzierbare Durchführung des Herstellungsverfahrens. Insbesondere bleibt die erfindungsgemäße resistive Speicherzelle auch während nachfolgender Fertigungsschritte, die Teil eines sog. back-end of line (BEOL) sein können, und auch während des Betriebs stabil und zuverlässig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird wenigstens eines der Übergangsmetalloxide mit einem der Übergangsmetalle Niob, Titan, Nickel, Zirkon, Chrom, Kobalt, Mangan, Vanadium, Tantal oder Eisen gebildet. Die genannten Übergangsmetalle erlauben in vorteilhafter Weise das Ausbilden von stabilen Übergangsmetalloxidschichten, die sich auch in etablierte Herstellungsprozesse, wie etwa in den CMOS-Prozess, integrieren lassen. Durch Mischung von Oxiden zweier oben genannter Übergangsmetalle lassen sich ferner in vorteilhafter Weise für die programmierbare Widerstandsschicht günstige initiale Widerstände bei Raumtemperatur und deren Temperaturabhängigkeiten einstellen. Die Widerstandsschicht kann ferner Nickeloxid und Kobaltoxid enthalten, wobei einerseits eine zuverlässige und stabile programmierbare Widerstandsschicht gebildet werden kann und andererseits sowohl der initiale elektrische Widerstand als auch deren Temperaturabhängigkeit in einem Bereich eingestellt werden kann, so dass die zur Programmierung erforderlichen Spannungen unterhalb der Durchbruchsspannungen der verwendeten Isolatoren und der programmierbaren Widerstandsschicht liegen. Ferner kann die programmierbare Widerstandsschicht wenigstens eines der Metalle Strontium, Blei, Praseodym, Wolfram oder Calcium enthalten. Diese Metalle dienen zur Dotierung und tragen in vorteilhafter Weise zur präzisen Einstellung der elektrischen Parameter der programmierbaren Widerstandsschicht bei. Ferner können die oben genannten Metalle mit etablierten und reproduzierbaren Verfahren in die programmierbare Widerstandsschicht eingebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der initiale elektrische Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht kleiner als der initiale elektrische Widerstand einer hochohmigen Übergangsmetalloxidschicht, wie beispielsweise einer Nickeloxidschicht, Hafniumoxidschicht oder Zirkoniumoxid, insbesondere kleiner als 10⁹ Ωcm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verläuft die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der programmierbaren Widerstandsschicht flacher als die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes einer Nickeloxidschicht, insbesondere mit einer Aktivierungsenergie, die kleiner ist als 0.7 eV.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die untere und/oder die obere Elektrode wenigstens eines der Metalle Wolfram, Platin, Titan oder Palladium. Die oben genannte Metalle, allgemein hochtemperaturschmelzende Metalle, bilden in vorteilhafter Weise die Elektroden, da die in der programmierbaren Widerstandsschicht und in deren Umgebung lokal auftretenden hohen Temperaturen die Elektroden bzw. das Elektrodenmaterial nicht wesentlich verändern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die programmierbare Widerstandsschicht von einer Isolierschicht umgeben. Somit können einzelne resistive Speicherzellen auch dicht nebeneinander angeordnet sein, ohne dass eine Wechselwirkung benachbarter Speicherzellen die Zu verlässigkeit der Speicherung von logischen Zuständen verringert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen der unteren Elektrode und der programmierbaren Widerstandsschicht 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 unteren Elektrode verringert. Der Kontakt kann ferner auch 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 zur Reduzierung der Bildung von unerwünschten weiteren Filamenten bei, während die Ausbildung wenigstens eines leitenden Filaments zur Speicherung eines resistiven Zustandes weiterhin gewährleistet bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Ausbilden der programmierbaren Widerstandsschicht durch ein reaktives Sputtern eines Elementtargets. Ferner können während des reaktiven Co-Sputterns wenigstens zwei Übergangsmetalle in einer sauerstoffhaltigen Prozessatmosphäre zerstäubt werden, wobei der Sauerstoffpartialdruck der sauerstoffhaltigen Prozessatmosphäre wenigstens gesättigt ist, so dass die Übergangsmetalle in ihrem jeweils höchsten Oxidationsgrad oxidieren. Ferner kann das Ausbilden der programmierbaren Widerstandsschicht durch ein HF-Sputtern von entsprechenden Oxidtargets erfolgen. Die Prozessatmosphäre muss hierbei keinen Sauerstoff enthalten.
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 ferner durch eine gesättigte Oxidation der Übergangsmetalle stabil. Aufwändige Diffusionsschutzbarrieren und andere Verkapselungen können somit entfallen. Die Prozessatmosphäre kann ferner ein inertes Gas, z.B. Argon, enthalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Ausbilden der unteren Elektrode die Schritte: 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 untere Elektroden oder auch Leitungsbahnen zur Kontaktierung mehrerer Kontakte nebeneinander strukturiert werden, wobei diese voneinander elektrisch isoliert sind.
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.
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.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A und 1B schematisch herkömmliche programmierbare resistive Speicherzellen;
2A bis 2C schematisch den Verlauf eines temperaturabhängigen Widerstandes;
3A bis 3C schematisch eine programmierbare resistive Speicherzelle in verschiedenen Stadien während der Herstellung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4A bis 4H schematisch eine programmierbare resistive Speicherzelle in verschiedenen Stadien während der Herstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5A und 5B schematisch eine programmierbare resisitive Speicherzelle als Teil einer integrierten Schaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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 13, wie in 1B gezeigt. Sobald ein Filament 13 einen Kurzschluss zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 12 bildet, nimmt die programmierbare resistive Speicherzelle einen niederohmigen Zustand ein.
2A zeigt schematisch den Verlauf des temperaturabhängigen Widerstandes einer Nickeloxidschicht. Dabei ist der Widerstand ρ gegen die Temperatur T aufgetragen. Wie ersichtlich, beispielsweise in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur T₁ bis zu einem T₂ von etwa 300°C, fällt der temperaturabhängige Widerstand im Wesentlichen linear von 10⁸ bis 10⁹ Ωcm auf 10⁵ bis 10⁶ Ωcm ab. Initial weist daher eine defektarme stöchiometrische Nickeloxidschicht bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand von etwa 10⁹ Ωcm auf. Damit ist zur Leitung eines elektrischen Stroms und zur lokalen Aufheizung durch die programmierbare Widerstandsschicht eine hohe Spannung erforderlich. In defektarmen stöchiometrischen Schichten erreicht man mit dieser Spannung die Durchbruchs spannung der programmierbaren Widerstandsschicht. Ein Anlegen einer derart hohen Spannung zur initialen Erzeugung von leitenden Filamenten in der programmierbaren Widerstandsschicht kann daher zu einer Zerstörung oder zumindest zu einer nachteiligen Veränderung der programmierbaren Speicherzelle oder zu einer Reduzierung der Anzahl möglicher Schaltzyklen führen.
2B zeigt schematisch den Verlauf des temperaturabhängigen Widerstandes einer Nickeloxidschicht mit unterschiedlichem Sauerstoffdefizit: als durchgezogene Linie den Verlauf einer NiO_1-x-Schicht, und als gepunktete Linie den Verlauf einer NiO_1-x'-Schicht. Dabei liegt x oft in einem Bereich von 0,15 bis 0,65 und führt in diesem Bereich zu einer wesentlichen Änderung des Widerstands in einem Bereich von 3 bis 4 Größenordnungen. Um einen wohl definierten initialen elektrischen Widerstand und einen wohl definierten temperaturabhängigen Widerstandsverlauf einer NiO_1-x-Schicht zu erreichen, muss die betreffende Schicht aus NiO_1-x mit einer Präzision von ±3% vom Sollwert abgeschieden werden und dieses stöchiometrische Sauerstoffdefizit muss auch zuverlässig in der Nickeloxidschicht erhalten bleiben. Sowohl die zuverlässige und reproduzierbare Abscheidung von einer Nickeloxidschicht mit einem Defizit von x mit einer Genauigkeit von ±3% ist schwierig und kann in einem fertigen Element nur durch aufwändige Diffusionsbarrieren aufrechterhalten werden.
2C zeigt schematisch den Verlauf des temperaturabhängigen Widerstandes einer Mischung zweier Übergangsmetalloxide, wie hier gezeigt, Kobaltoxid und Nickeloxid. Dabei erfolgt die Mischung der beiden Übergangsmetalloxide ÜMO₁ und ÜMO₂ in einem Mischungsverhältnis Mv = ÜMO1/(ÜMO1 + ÜMO2), (2)wobei ÜMO₁ und ÜMO₁ den atomaren Anteil des ersten bzw. des zweiten Übergangsmetalloxids bezeichnen. Das Verhältnis M_v stellt sowohl den initialen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur als auch den Verlauf der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Mischoxidschicht ein. In vorteilhafter Weise kann das Mischungsverhältnis M_v während der Abscheidung zuverlässig und reproduzierbar, beispielsweise während eines Sputterns durch die entsprechenden Zerstäubungsraten, eingestellt werden, und dieses Verhältnis Mischungsverhältnis M_v bleibt auch ohne aufwändige Diffusionsbarrieren oder andere Maßnahmen in der programmierbaren Widerstandsschicht stabil erhalten. Durch die Verwendung von entsprechenden Übergangsmetalloxiden kann sowohl der initiale elektrische Widerstand als auch die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes der programmierbaren Widerstandsschicht in einem großen Bereich eingestellt werden. Vorteilhafte Widerstände lassen sich beispielsweise durch eine Mischung von Kobaltoxid und Nickeloxid in einem Mischungsverhältnis M_v von 0,1 bis 0.15, bzw. maximal 0,25, erreichen, wobei durch ein Mischungsverhältnis M_v in einem Bereich von 0...0,5 der Widerstand um ca. 6 Größenordnungen variiert werden kann.
Die 3A bis 3C zeigen schematisch eine resistive Speicherzelle in verschiedenen Stadien während der Herstellung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3A gezeigt, wird zunächst eine untere Elektrode 10 bereitgestellt. Auf die Elektrode 10 wird, wie in 3B gezeigt, eine programmierbare Widerstandsschicht 11, beispielsweise durch reaktives Co-Sputtern, ausgebildet. Während des Sputterns kann eine DC-, MF- oder RF-Plasmaanregung erfolgen. Dabei kommen wenigstens zwei Übergangsmetalle, ein erstes Übergangsmetall 101 und ein zweites Übergangsmetall 102 zum Einsatz. Die Prozessatmosphäre während des Ausbildens der programmierbaren Widerstandsschicht 11 enthält dabei Sauerstoff 100 zur Bildung der entsprechenden Oxide 110, 120. Wie gezeigt, enthält die Prozessatmosphäre wenigstens so viel Sauerstoff 100, so dass die zerstäubten Übergangsmetalle 101 und 102 in ihrem jeweils höchsten Oxidationsgrad oxidieren können, und so, in Abhängigkeit der jeweiligen Zerstäubungsrate, ein stabiles und voll oxidiertes erstes Übergangsmetalloxid 110 und ein zweites Übergangsmetalloxid 120 in der programmierbaren Widerstandsschicht 11 bilden. Mögliche Oxide stellen beispielsweise Nickeloxid, Titandioxid, Nioboxid, Hafniumoxid, Zirkoniumoxid, Chromoxid, Tantaloxid, Vanadiumoxid, Eisenoxid oder Kobaltoxid dar. Dabei sind beispielsweise Nickeloxid, Hafniumoxid und Zirkoniumoxid relativ hochohmig und beispielsweise Chromoxid, Kobaltoxid, Tantaloxid, oder Vanadiumoxid relativ niederohmig. Die verwendeten Übergangsmetalloxide weisen dabei unterschiedliche Widerstände auf, sodass sich ein gewünschter Wert des initialen Widerstandes und eine Temperaturabhängigkeit des Widerstands durch entsprechende Mischung der beiden Übergangsmetalloxide einstellt. Es können jedoch auch zwei unterschiedliche Oxide eines Übergangsmetalls zur Einstellung der gewünschten Werte verwendet werden, so beispielsweise Fe₂O₃ mit FeO und/oder Fe₃O₄.
Wie in 3C gezeigt, wird auf die programmierbare Widerstandsschicht 11 eine obere Elektrode 12 abgeschieden. Elektrische Signale an den Elektroden 10, 12 können dann zur Ausbildung von leitenden Filamenten in der programmierbaren Widerstandsschicht 11 und zum Abfragen des resistiven Zustandes der programmierbaren Widerstandsschicht 11 angelegt werden. Geeignete Materialien für die untere Elektrode 10 und die o bere Elektrode 12 sind beispielsweise Wolfram, Platin, Palladium oder Titan.
Die 4A bis 4H zeigen eine resistive Speicherzelle in verschiedenen Stadien während der Herstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zunächst wird, wie in 4A gezeigt, ein Substrat 40 bereitgestellt. Wie in 4B gezeigt wird auf dem Substrat 40 ein Graben 400 ausgebildet. Das Substrat 40 kann z.B. ein Silizium-Substrat oder andere bereits strukturierte Elemente – wie in der Halbleiterfertigung üblich – enthalten. Der Graben 400 in dem Substrat 40 dient zur Bildung einer unteren Elektrode 41, wie in 4C gezeigt. Die Oberfläche der unteren Elektrode 41 und des Substrats 40 können zur Bereitstellung einer planaren Oberfläche für die folgenden Prozessschritte poliert werden.
Wie in 4D gezeigt, wird auf das Substrat 40 und die 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 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 44 mit einem Graben strukturiert. Auf dem Kontakt 43 wird der Graben mit einer programmierbaren Widerstandsschicht 45 ausgefüllt. Daraufhin kann erneut ein Polieren erfolgen.
Auf die programmierbare Widerstandsschicht 45 wird eine obere Elektrode 46 ausgebildet, wie in 4F gezeigt. Zur Passivierung und zum Schutz der programmierbaren resistiven Speicherzelle kann, wie in 4G gezeigt, eine obere Isolierschicht 47 aufgebracht werden. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung reduziert der Steckerkontakt bestehend aus der unteren Elektrode 41 und dem Kontakt 43 die effektive Kontaktfläche zwischen dem Kontakt 43 und der programmierbaren Widerstandsschicht 45, und schränkt somit den Bereich, in dem sich ein leitendes Filament 48 bilden kann, stark ein, wie in 4H gezeigt.
Hinsichtlich der Herstellung und der Materialien der Elektroden bzw. Kontakte 41, 43, 46 und der Widerstandsschicht 45 kommen die in Verbindung mit den 3A bis 3C beschriebenen Methoden bzw. Materialien zum Einsatz.
Die 5A und 5B zeigen schematisch eine programmierbare resisitive Speicherzelle als Teil einer integrierten Schaltung gemäß einer dritten 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 können auch mit Vias 54 an untere Elektroden 56 gekoppelt werden. Zwischen den unteren Elektroden 56 und einer oberen Elektrode 58 ist eine programmierbare Widerstandsschicht 57, in der durch elektrische Signale Filamente ausgebildet und durchbrochen werden können, angeordnet. Die obere Elektrode 58 wird über ein Via 59 mit weiteren Komponenten der integrierten Schaltung verbunden.
Durch Aktivieren der entsprechenden Bitleitung 55 und der entsprechenden Wordline 52 kann ein elektrisches Signal zwischen dem Via 59, der oberen Elektrode 58, der programmierbaren Widerstandsschicht 57, der 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.
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, ein resistives Speicherzelle 73 und der Elektrode 74 angelegt werden. Dieses elektrische Signal kann zur Führung eines Stromes durch das entsprechende resistive Speicherzelle 73 zur Programmierung oder zum Auslesen des resistiven Zustandes des resistiven Speicherzelle 73 erfolgen. Ein integrierter Speicherbaustein enthält dann eine Vielzahl von resisitiven Speicherzellen 73, die jeweils einen Auswahltransistor 72 zugeordnet sind, und eine entsprechende, oft zueinander senkrecht angeordneter Schar von Bitlines 70 und Schar von Wordlines 71.
0Hinsichtlich der Herstellung und der Materialien der Elektroden bzw. Kontakte 56, 58 und der Widerstandsschicht 57 kommen die in Verbindung mit den 3A bis 3C beschriebenen Methoden bzw. Materialien zum Einsatz.

10: untere Elektrode
11: programmierbare Widerstandsschicht
12: obere Elektrode
13: leitender Bereich
100: Sauerstoff
101: erstes Übergangsmetall
102: zweites Übergangsmetall
110: erstes Übergangsmetalloxid
120: zweites Übergangsmetalloxid
40: Substrat
41: untere Elektrode
42: Kontaktformschicht
43: Kontakt
44: mittlere Isolierschicht
45: programmierbare Widerstandsschicht
46: obere Elektrode
47: obere Isolierschicht
48: leitender Bereich
400: Graben
420: Kontaktformschicht
430: Kontakt
50: Substrat
51: dotierter Bereich
52: Wordline
53: Via
54: Via
55: Bitline
56: untere Elektrode
57: programmierbare Widerstandsschicht
58: obere Elektrode
59: Via
70: Bitline
71: Wordline
72: Auswahltransistor
73: resistive Speicherzelle
74: Elektrode 74

Claims

Programmierbare resistive Speicherzelle mit – einer unteren Elektrode (10, 41, 56); – einer programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57); und mit – einer oberen Elektrode (12, 46, 58), wobei die programmierbare Widerstandsschicht (11, 44, 57) ein erstes Übergangsmetalloxid (110) und ein zweites Übergangsmetalloxid (120) enthält.
Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei ein einzelnes Übergangsmetall das erste Übergangsmetalloxid (110) und das zweite Übergangsmetalloxid (120) bildet.
Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei ein erstes Übergangsmetall (101) das erste Übergangsmetalloxid (110) bildet und ein zweites Übergangsmetall (102) das zweite Übergangsmetalloxid (120) bildet.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens eines der Übergangsmetalloxide (110, 120) im höchsten Oxidationsgrad oxidiert ist.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die programmierbare Widerstandsschicht wenigstens eines der Übergangsmetalle Niob, Titan, Nickel, Zirkonium, Chrom, Kobalt, Mangan, Vanadium, Tantal, Hafnium oder Eisen enthält.
Speicherzelle nach Anspruch 5, wobei die programmierbare Widerstandsschicht (11, 44, 57) Nickeloxid und Kobaltoxid enthält.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die programmierbare Widerstandsschicht (11, 44, 57) wenigstens eines der Metalle Strontium, Blei, Praseodym, Wolfram, oder Calcium enthält.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein initialer elektrischer Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) kleiner ist als der initiale elektrische Widerstand einer Nickeloxidschicht, und vorzugsweise kleiner ist als 10⁹ Ωcm.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der temperaturabhängige elektrische Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) flacher verläuft als der temperaturabhängige elektrische Widerstand einer Nickeloxidschicht, vorzugsweise mit einer Aktivierungsenergie, die kleiner ist als 0.7 eV.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die untere Elektrode (10, 41, 56) und/oder die obere Elektrode (12, 46, 58) wenigstens eines der Metalle Wolfram, Platin, Titan oder Palladium enthalten/enthält.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die programmierbare Widerstandsschicht (11, 44, 57) von einer Isolierschicht umgeben ist.
Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zwischen der unteren Elektrode (10, 41, 56) und der programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) ein Kontakt (43, 430) angeordnet ist, wobei der Kontakt (43, 430) von einer isolierenden Kontaktformschicht (42, 420) umgeben ist, und wobei der Kontakt (43, 430) eine Kontaktfläche zu der pro grammierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) gegenüber der Fläche der unteren Elektrode (10, 41, 56) verringert.
Speicherzelle nach Anspruch 12, wobei der Kontakt (43, 430) nach unten verjüngend ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung einer resistiven Speicherzelle, umfassend die Schritte: – Ausbilden einer unteren Elektrode (10, 41, 56); – Ausbilden einer programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57); – Ausbilden einer oberen Elektrode (12, 46, 58), wobei die programmierbare Widerstandsschicht (11, 44, 57) ein erstes Übergangsmetalloxid (110) und ein zweites Übergangsmetalloxid (120) enthält.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das erste Übergangsmetalloxid (110) und das zweite Übergangsmetalloxid (120) von einem Übergangsmetall gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das erste Übergangsmetalloxid (110) von einem ersten Übergansmetall (101) und das zweite Übergangsmetalloxid (120) von einem zweiten Übergangsmetall (102) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei wenigstens eines der Übergangsmetalloxide (110, 120) im jeweils höchsten Oxidationsgrad oxidiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Ausbilden der programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) durch ein reaktives Sputtern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei wenigstens zwei Übergangsmetalle (101, 102) in einer sauerstoffhaltigen Prozessatmosphäre zerstäubt werden, und wobei der Sauerstoff-Partialdruck (100) der sauerstoffhaltigen Prozessatmosphäre wenigstens gesättigt ist, sodass die Übergangsmetalle (101, 102) in ihrem jeweils höchsten Oxidationsgrad oxidiert werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Prozessatmosphäre ein inertes Gas enthält, vorzugsweise Argon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Ausbilden der programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) durch ein Sputtern von wenigstens zwei Übergangsmetalloxid-Targets erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei eine Prozessatmosphäre ein inertes Gas enthält, vorzugsweise Argon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei ein initialer elektrischer Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) durch ein Anteilsverhältnis von dem ersten Übergangsmetalloxid (110) zu dem zweiten Übergangsmetalloxid (120) festgelegt wird, und wobei der initiale elektrische Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) kleiner ist als der initiale elektrische Widerstand einer Nickeloxidschicht, und vorzugsweise kleiner ist als 10⁹ Ωcm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) durch ein Anteilsverhältnis von dem ersten Übergangsmetalloxid (110) zu dem zwei ten Übergangsmetalloxid (120) festgelegt wird, und wobei der temperaturabhängige elektrische Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht (11, 44, 57) flacher verläuft als der temperaturabhängige elektrische Widerstand einer Nickeloxidschicht, vorzugsweise mit einer Aktivierungsenergie, die kleiner ist als 0.7eV.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, wobei das Ausbilden der unteren Elektrode (10, 41, 56) die Schritte umfasst: – Ätzen eines Grabens (400) in einem Substrat (40); – Auffüllen des Grabens (400) mit einem leitenden Material; und – Polieren des leitenden Materials.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei zusätzlich umfassend die Schritte: – Ausbilden einer Kontaktformschicht (420); – Ausbilden eines Grabens in der Kontaktformschicht (420); – Ausfüllen des Grabens in der Kontaktformschicht (420) mit leitendem Material; und – Polieren der Kontaktformschicht (42, 420) und des leitenden Materials in dem Graben, sodass ein Kontakt (43), umgeben von der Kontaktformschicht (42), auf der unteren Elektrode (41) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 26 wobei der Graben nach unten verjüngend in der Kontaktformschicht (42, 420) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Polieren des leitenden Materials in dem Graben und der Kontaktformschicht (42, 420) zur Verkleinerung einer oberen Fläche des Kontakts (43, 430) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Polieren durch ein chemisch-mechanischen Vorgang erfolgt.