DE102007021761B4 - Widerstandsschaltelement, Speicherbauelemente, Speichermodul, Verfahren zur Herstellung eines resistiven Schaltelements und Verfahren zur Herstellung eines resistiven Speicherbauelements - Google Patents

Abstract

Schaltelement (10) zum Umschalten zwischen mindestens zwei Zuständen mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand, umfassend: – eine erste Elektrode (12), – eine zweite Elektrode (20) und – mindestens ein Widerstandsschaltsstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d), welches Übergangsmetalloxinitrid umfasst und das mit der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (20) elektrisch verbunden und zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix (24) mit einer Wärmeleitfähigkeit, die niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d), eingebettet ist.

Description

• Als nicht-flüchtige resistive Speicher wurden bisher beispielsweise Phasenübergangsspeicher oder Festkörperelektrolytspeicher vorgeschlagen.
• Beispiele für Phasenübergangsspeicher sind insbesondere in DE 103 56 285 A1 , DE 10 2004 041 893 A1 , US 2005/0 019 975 A1 , US 2006/0 175 599 A1 , DE 102 97 772 T5 und DE 102 36 439 B3 beschrieben. Dabei wird durch Erhitzen eines programmierbaren Bereichs eine Phasenumwandlung zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase bewirkt. Bei dieser Umwandlung ändert sich der elektrische Widerstand des Materials. Das Erhitzen kann dabei mittels eines beispielsweise elektrischen Heizelements oder direkt durch einen Stromfluss im programmierbaren Bereich erreicht werden. Bei einem kurzzeitigen Strompuls wird das Material gleichsam aufgeschmolzen. Bei einer nachfolgenden schnellen Abkühlung verbleibt das Material in einem amorphen Zustand, in welchem das Material einen hohen elektrischen Widerstand aufweist. Das Umprogrammieren in einen kristallinen Zustand erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines schwächeren Stompulses, der für eine längere Zeit angelegt wird. Dadurch kühlt sich das Material ausreichend langsam ab, um eine kristalline Phase auszubilden, die einen niedrigeren Widerstand hat.
• Ein weiteres Konzept nicht-flüchtiger resistiver Speicher auf Basis von Festkörperelektrolyten ist beispielsweise in DE 10 2005 005 938 A1 und DE 10 2004 041 905 A1 beschrieben. Dabei ist ein Festkörperelektrolyt, bei dem es sich um ein ionenleitfähiges Material handelt, zwischen einer reaktiven und einer inerten Elektrode angeordnet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung mit geeigneter Polung einer solchen polaren Speicherzelle wird die reaktive Elektrode oxidiert, wodurch insbesondere Metallionen abgelöst werden und von dem elektrischen Feld zwischen den Elektroden getrieben durch den Festkörperelektrolyten wandern, bis sie sich an der inerten Elektrode ablagern, reduziert werden und nach und nach eine metallisch leitfähige Brücke zwischen den Elektroden ausbilden. Die Speicherzelle ist damit in einen Zustand mit niedrigen elektrischen Widerstand versetzt. Durch eine umgekehrte Polarisation wird diese Brücke wieder abgebaut und der elektrische Widerstand der Speicherzelle wird wieder erhöht.
• DE 10 2005 035 445 A1 beschreibt nichtflüchtige, resistive Speicherzellen auf Basis von Metalloxid-Nanopartikeln, die zwischen zwei Elektrodenbereichen angeordnet sind und diese miteinander verbinden. Die Nanopartikel weisen ein bistabiles Widerstandsverhalten auf und können damit Inforrnationen speichern.
• Weitere resistive Schaltelemente sind aus den Druckschriften DE 10 2006 023 608 A1 , EP 1 816 680 A1 und EP 1 783 845 A1 bekannt.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Lebensdauer von Schaltelementen und nicht-flüchtigen Speicherbauelementen zu erhöhen und deren Stromverbrauch zu senken.
• Diese Aufgabe wird durch ein Schaltelement, ein Speicherbauelement, ein Speichermodul, ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltelements und ein Verfahren zur Herstellung eines Speicherbauelements mit den in den Ansprüchen 1, 9, 16, 19 und 23 angegebenen Merkmalen gelöst.
• Einzelheiten zu einer oder mehreren Implementierungen werden in den beiliegenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung anhand von Beispielen dargelegt. Andere Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die 1A und 1B zeigen eine schematische Darstellung eines ersten Widerstandsschaltelements in einem Zustand mit hohem spezifischem Widerstand beziehungsweise einem Zustand mit geringem spezifischem Widerstand,
• die 2A und 2B zeigen eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für ein Widerstandsschaltelement in einem Zustand mit hohem spezifischem Widerstand beziehungsweise einem Zustand mit geringem spezifischem Widerstand,
• die 3A und 3B zeigen eine schematische Darstellung noch eines weiteren Beispiels für ein Widerstandsschaltelement in einem Zustand mit hohem spezifischem Widerstand beziehungsweise einem Zustand mit geringem spezifischem Widerstand,
• 4 zeigt ein Strom/Spannung-Diagramm, das Beispiele für Schaltprozesse darstellt,
• 5 zeigt einen Schaltplan für eine exemplarische Speicherzelle, die ein Schaltelement umfasst,
• 6 zeigt einen Schaltplan für ein exemplarisches Speicherbauelement, das mehrere nichtflüchtige Speicherzellen umfasst,
• 7 zeigt einen Querschnitt durch ein exemplarisches Speicherbauelement,
• die 8A bis 8H zeigen ein Beispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltelements, und
• 9 zeigt ein Beispiel für ein Computersystem.
• Ausführliche Beschreibung
• Gemäß einem Aspekt wird ein exemplarisches Schaltelement für das reversible Umschalten zwischen einem Zustand mit hohem elektrischem Widerstand und einem Zustand mit geringem elektrischem Widerstand beschrieben. Das Schaltelement kann zwei Elektrodenmittel und mindestens ein Widerstandsschaltstäbchen umfassen, das sich zwischen den beiden Elektrodenmitteln erstreckt, d. h. das Widerstandsschaltstäbchen – kann das eine Elektrodenmittel mit dem anderen verbinden. Insbesondere kann das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen zwischen den beiden Elektrodenmitteln angeordnet sein.
• Bei einem Beispiel kann das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen in Form eines Stranges oder Drahtes mit einem ersten und einem zweiten Ende implementiert sein, wobei das Widerstandsschaltstäbchen das erste Elektrodenmittel über das erste Ende und das zweite Elektrodenmittel über das zweite Ende verbindet. Gemäß einem Aspekt besitzt das Widerstandsschaltstäbchen in Längsrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende eine Ausdehnung, die größer ist als seine Querausdehnung, d. h. das Widerstandsschaltstäbchen kann länger sein, als es breit ist. Bei einem Beispiel kann das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen im Wesentlichen auf einer geraden Linie oder Achse entlang zwischen dem ersten und dem zweiten Ende verlaufen. Bei diesem Beispiel kann das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen in Säulenform implementiert werden. Bei einem weiteren Beispiel kann zumindest ein Teil des Widerstandsschaltstäbchens gebogen sein. Nichtsdestotrotz ist das Widerstandsschaltstäbchen jedoch nicht auf eine längliche Form beschränkt. Das Widerstandsschaltstäbchen kann beispielsweise eine im Wesentlichen kreisförmige oder längliche (beispielsweise elliptische) Querschnittsform aufweisen. Bei einem weiteren Beispiel kann das Widerstandsschaltstäbchen eine im Wesentlichen regelmäßige oder unregelmäßige polygonale Querschnittsform aufweisen, wie beispielsweise dreieckig, rechteckig, quadratisch oder sechseckig. Das Widerstandsschaltstäbchen ist jedoch nicht auf eine dieser als Beispiele genannten Querschnittsformen beschränkt. Gemäß einem Aspekt kann die Querschnittsform des Widerstandsschaltstäbchens über seine gesamte Länge hinweg im Wesentlichen konstant sein. Gemäß einem weiteren Aspekt ändert sich die Querschnittsform über die Länge des Widerstandsschaltstäbchens hinweg.
• Gemäß einem Aspekt kann das Widerstandsschaltstäbchen zwei verschiedene stabile Zustände aufweisen, d. h. einen Zustand mit hohem Widerstand und einen Zustand mit geringem Widerstand, zwischen denen es reversibel umgeschaltet werden kann. Ein Verhältnis des elektrischen Widerstandes des Widerstandsschaltstäbchens vom Zustand mit hohem Widerstand zum Zustand mit geringem Widerstand kann beispielsweise mindestens 10 betragen. Bei einem anderen Beispiel kann das Verhältnis des Widerstandes im Zustand mit hohem Widerstand zum Zustand mit geringem Widerstand mindestens 100 betragen. Gemäß einem Aspekt kann ein Schaltelement schnell umschaltbar sein, beispielsweise in der Größenordung der Schaltzeiten konventioneller DRAM/SDRAM-Speicherzellen beziehungsweise um einen Faktor von maximal 10 langsamer.
• Bei einem weiteren Beispiel kann das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen mehr als zwei stabile zustande aufweisen. Dementsprechend kann das Widerstandsschaltstäbchen beispielsweise zumindest einen Zustand mit hohem Widerstand, einen Zustand mit geringem Widerstand und einen Zustand mit einem dazwischen liegenden Widerstand aufweisen.
• Das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen ist zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix eingebettet, die ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit umfasst. Das Widerstandsschaltstäbchen kann insbesondere neben Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als seiner eigenen angeordnet, von diesem umgeben oder mit diesem beschichtet sein.
• Gemäß einem Aspekt kann das Widerstandsschaltstäbchen durch einen thermischen oder thermisch unterstützten Schaltprozess, wie beispielsweise einen Schaltimpuls, umgeschaltet werden. An das Widerstandsschaltstäbchen kann beispielsweise ein elektrischer, ein optischer und/oder ein thermischer Impuls angelegt werden. Das Anlegen eines solchen Schaltimpulses kann dazu führen, dass sich zumindest ein Teil des Widerstandsschaltstäbchens erwärmt. Insbesondere kann ein Widerstandszustand des Widerstandsschaltstäbchens abhängig von dem angelegten Schaltimpuls von einem Zustand mit hohem Widerstand in einen Zustand mit geringem Widerstand wechseln, oder umgekehrt.
• Bei einem Beispiel kann in dem Widerstandsschaltstäbchen infolge des angelegten Schaltimpulses ein elektrisch leitender Faden gebildet oder verteilt werden, wenn der Vorgang der Bildung oder Zerstörung des leitenden Fadens thermisch ausgelöst oder unterstützt wird. Der elektrisch leitende Faden kann Metall-Metall-Bindungen, elektrisch leitende Metall-Cluster und/oder andere elektrisch leitende Bindungen oder Verbindungen umfassen. Der elektrisch leitende Faden kann beispielsweise elektrisch leitende Metall-Nitrid-Bindungen oder -Verbindungen umfassen. Erfindungsgemäß umfasst das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen Übergangsmetall-Oxinitrid. Spezielle Beispiele hierzu werden nachfolgend noch ausführlicher beschrieben.
• Wenn das Widerstandsschaltstäbchen zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix eingebettet ist, lässt sich die Wärmediffusion aus dem Widerstandsschaltstäbchen im Verlauf eines Schaltimpulses unterdrücken, so dass ein Umschalten mit geringer Impulsenergie und kurzer Schaltzeit erfolgen kann.
• Gemäß einem Aspekt kann ein Schaltelement zwei Elektrodenmittel und mehrere Widerstandsschaltstäbchen umfassen, die sich jeweils zwischen den beiden Elektrodenmitteln erstrecken, d. h. jedes Widerstandsschaltstäbchen kann das eine Elektrodenmittel mit dem anderen verbinden.
• Gemäß einem Aspekt kann das Schaltelement als Speicherzelle, wie beispielsweise als nichtflüchtige Speicherzelle, implementiert werden. Gemäß diesem Aspekt kann das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen als ein nichtflüchtiges Widerstandsspeicherstäbchen bzw. resistives Speicherstäbchen implementiert werden, wobei jeder der stabilen Widerstandszustände des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens einen separaten nichtflüchtigen Speicherzustand der Speicherzelle darstellt. Die gespeicherten Informationen können gelesen werden, indem der Widerstand des mindestens einen Widerstandsspeicherstäbchens ermittelt wird, ohne dessen Widerstandszustand zu ändern, d. h. die in der Zelle gespeicherten Informationen zu löschen.
• Gemäß einem Aspekt kann das Widerstandsschaltstäbchen Übergangsmetalloxid-Material (TMO = Transition Metal Oxide) umfassen. Erfindungsgemäß umfasst das Widerstandsschaltstäbchen Übergangsmetal1-Oxinitrid-Material (TMO_xN_y = Transition Metal Oxinitride). Das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen kann mindestens zwei verschiedene Widerstandszustände aufweisen. Das Umschalten zwischen diesen Zuständen kann beispielsweise als Reaktion auf einen Strom- oder Spannungsimpuls erfolgen, der an das umschaltbare Medium, beispielsweise das Übergangsmetall-Oxinitrid-Material, über die Elektrodenmittel angelegt wird. Gemäß einem Aspekt umfasst das Übergangsmetall-Oxinitrid Material aus Übergangsmetall (TM = Transition Metal), das zusammen mit Stickstoff (N) mindestens eine elektrisch leitende Verbindung bilden kann, d. h. das in dem Widerstandsschaltstäbchen gemäß diesem Aspekt implementierte Übergangsmetall kann beispielsweise ein elektrisch leitendes Übergangsmetallnitrid bilden.
• Der spezifische elektrische Widerstand des Übergangsmetallnitrids kann geringer sein als der des eingesetzten Übergangsmetall-Oxinitrids (TMO_xN_y).
• Gemäß einem Aspekt kann der Gesamtgehalt an Sauerstoff und/oder Stickstoff in dem Übergangsmetall-Oxinitrid (TMO_xN_y) vom Oxidationszustand des Übergangsmetalls abhängig sein. Das Übergangsmetall-Oxinitrid kann in einer unterstöchiometrischen Zusammensetzung auftauchen, in der weniger Sauerstoff und/oder Stickstoff vorliegt als in einer stöchiometrischen Zusammensetzung. Gemäß einem Aspekt kann das atomare Verhältnis des Gehalts an Stickstoff zu Sauerstoff beispielsweise zwischen y/x = 0,005 und y/x = 0,10 liegen. Nichtsdestotrotz kann auch eine andere Konzentration von Sauerstoff und/oder Stickstoff eingesetzt werden.
• Wenn man beispielsweise über Elektrodenmittel einen ausreichend starken Strom- oder Spannungsimpuls an das Übergangsmetall-Oxinitrid anlegt, können zumindest einige der Metalloxidbindungen des Übergangsmetall-Oxinitrids aufgrund des elektrischen Felds, das durch einen angelegten Spannungsimpuls entsteht, oder einer durch den Stromfluss im Medium verursachten Erwärmung zerstört werden. Eine Erwärmung kann beispielsweise örtlich in dem Widerstandsschaltstäbchen auftreten. Gemäß einem Aspekt kann das für das Widerstandsschaltstäbchen eingesetzte Übergangsmetall-Oxinitrid-Material eine Atom- oder Ionenmobilität im Medium aufweisen, die für Stickstoffatome oder -ionen höher ist. als für Metallatome oder -ionen, wie die Atome oder Ionen des für das Übergangsmetall-Oxinitrid-Material eingesetzten Übergangsmetalls. Dementsprechend lassen sich aufgrund der höheren Mobilität von Stickstoff zerstörte Metall-Oxid-Bindungen einfacher durch Metall-Nitrid-Bindungen ersetzen als durch Metall-Metall-Bindungen. Aufgrund einer im Vergleich zu den Metall-Oxid-Bindungen höheren elektrischen Leitfähigkeit in der näheren Umgebung der Metall-Nitrid-Bindungen verringerte sich der spezifische Widerstand des Mediums durch die Zerstörung von Metall-Oxid-Bindungen und die Bildung von Metall-Nitrid-Bindungen. Dementsprechend kann sich die Erwärmung des Materials durch einen Stromimpuls oder das durch eine angelegte Spannung entstehende elektrische Feld zumindest örtlich verringern, es sei denn, es wird ein stärkerer Strom- oder Spannungsimpuls angelegt.
• Somit kann das Übergangsmetall-Oxinitrid-Material eine Eigenstabilisierung in einem Zustand zeigen, in dem einige Metall-Oxid-Bindungen durch Metall-Nitrid-Bindungen ersetzt werden, wodurch in deren näherer Umgebung ein geringerer elektrischer Widerstand entsteht. Dieser Zustand kann einen nichtflüchtigen Zustand mit geringem Widerstand oder einen „EIN„-Zustand des Schaltelements darstellen, während der Zustand mit weniger Metall-Nitrid-Bindungen und mehr Metall-Oxid-Bindungen als nichtflüchtiger Zustand mit hohem Widerstand oder „AUS„-Zustand des Schaltelements betrachtet werden kann. Ein Strom- oder Spannungsimpuls, durch den das Schaltelement, wie oben exemplarisch beschrieben worden ist, aus dem „AUS„-Zustand in den „EIN„-Zustand wechselt, kann als „SETZ„-Impuls betrachtet werden.
• Fachleuten wird klar sein, dass alternativ oder zusätzlich zu den hierin beschriebenen Beispielen auch andere Übergangsmetalloxinitride für das Widerstandsschaltstäbchen eingesetzt werden können. Darüber hinaus können auch andere Schaltimpulse, zu denen thermische, optische, elektrische Impulse usw. gehören, innerhalb des Schutzumfangs dieser Beschreibung eingesetzt werden.
• Aufgrund einer Wärmeisolierung des Widerstandsschaltstäbchens durch die thermische Sperrmatrix wird die Diffusion von Wärme aus dem Widerstandsschaltstäbchen im Verlauf des „SETZ„-Impulses unterdrückt. Dementsprechend lässt sich mit Hilfe einer geringen Impulsenergie und innerhalb einer kurzen Impulsdauer eine ausreichend hohe Temperatur für die beabsichtigte Zerstörung und Neubildung chemischer Bindungen beziehungsweise die Umlagerung von Atomen oder Molekülen in dem Widerstandsschaltstäbchen erzielen. Dies gewährleistet einen geringen Energiebedarf sowie eine lange Lebensdauer der Schalteinrichtung.
• Gemäß einem Aspekt kann das Widerstandsschaltstäbchen in einem Zustand mit geringem spezifischem Widerstand einen elektrisch leitenden Faden umfassen, der zumindest zum Teil zwischen den mindestens zwei Elektrodenmitteln verläuft. Bei dem oben beschriebenen Beispiel kann der elektrisch leitende Faden reich an Metall-Stickstoff-Bindungen sein, d. h. es kann in dem elektrisch leitenden Faden eine höhere Konzentration an Metall-Stickstoff-Bindungen vorliegen als im Rest des Widerstandsschaltstäbchens. Bei einem Beispiel kann sich der elektrisch leitende Faden durchgehend von dem einen Elektrodenmittel zu dem anderen erstrecken. Der elektrisch leitende Faden kann als Konduktanzkanal zwischen den Elektrodenmitteln dienen und dadurch dafür sorgen, dass das umschaltbare Medium in den „EIN„-Zustand übergeht. Gemäß einem exemplarischen Aspekt kann der Faden zumindest teilweise als amorphe Struktur ohne Kristallzonen ausgebildet sein. Bei einem Beispiel kann der elektrisch leitende Faden im Durchmesser oder Querschnitt nur einen Bruchteil des Widerstandsschaltstäbchens einnehmen, d. h. der elektrisch leitende Faden kann dünner sein als das Widerstandsschaltstäbchen.
• Wenn man bei einem Zustand mit geringem spezifischem Widerstand, d. h. einem „EIN„-Zustand, beginnt und einen Strom- oder Spannungsimpuls von ausreichender Energie anlegt, dann kann der elektrisch leitende Faden elektrisch oder thermisch zerstört werden, und das Widerstandsschaltstäbchen kann in seinen Ausgangszustand mit hohem spezifischem Widerstand, d. h. einen „AUS„-Zustand des Schaltelements, zurückkehren. Ein solcher Strom- oder Spannungsimpuls kann als „RÜCKSETZ„-Impuls betrachtet werden. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der thermischen Sperrmatrix, die zumindest an einen Teil des Widerstandsschaltstäbchens angrenzt, wird die Diffusion von Wärme aus dem Widerstandsschaltstäbchen im Verlauf des „RÜCKSETZ„-Impulses unterdrückt. Dementsprechend lässt sich mit Hilfe einer geringen Impulsenergie und innerhalb einer kurzen Impulsdauer eine ausreichend hohe Temperatur für die beabsichtigte Zerstörung und Neubildung chemischer Bindungen beziehungsweise die Umlagerung von Atomen oder Molekülen in dem Widerstandsschaltstäbchen erzielen. Dies gewährleistet einen geringen Energiebedarf sowie eine lange Lebensdauer der Schalteinrichtung.
• Ein erstes Beispiel für ein Widerstandsschaltelement, das als nichtflüchtige Speicherzelle implementiert werden kann, wird nachfolgend in Verbindung mit 1A und 1B beschrieben. Bei diesem Beispiel kann ein Widerstandsschaltelement 10 eine erste (untere) Elektrode 12 mit einer im Wesentlichen ebenen ersten Kontaktfläche oder ersten Kontaktgrenzfläche 14 umfassen. Die erste Elektrode 12 ist über die erste Kontaktgrenzfläche 14 mit einem Schaltgebiet verbunden, das als Schaltschicht 16 ausgebildet wird und mindestens ein Widerstandsschaltstäbchen 18a umfasst. Dieses Widerstandsschaltstäbchen 18a ist an seinem ersten Ende mit der ersten Elektrode 12 verbunden.
• Eine zweite (obere) Elektrode 20 ist mit der Schaltschicht 16 und insbesondere mit einem zweiten Ende des Widerstandsschaltstäbchens 18a über eine im Wesentlichen ebene zweite Kontaktgrenzfläche 22 elektrisch verbunden. Bei dem gezeigten Beispiel verläuft die erste Kontaktgrenzfläche 14 im Wesentlichen parallel zur zweiten Kontaktgrenzfläche 22. Dementsprechend weist die Schaltschicht 16 in einer senkrecht zu den Kontaktgrenzflächen 14, 22 verlaufenden Richtung eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke auf. Bei dem gezeigten Beispiel verläuft das Widerstandsschaltstäbchen 18a in seiner Längsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu den Kontaktgrenzflächen 14, 22.
• Wie in 1A gezeigt ist, umfasst die Schaltschicht 16 eine thermische Sperrmatrix 24, so dass das Widerstandsschaltstäbchen 18a zumindest teilweise in der thermischen Sperrmatrix 24 eingebettet ist. Insbesondere ist das Widerstandsschaltstäbchen 18a bei dem gezeigten Beispiel außer in den Kontaktgebieten an der ersten und der zweiten Kontaktgrenzfläche 14, 22, in denen es mit den Elektroden 12, 20 verbunden ist, von der thermischen Sperrmatrix 24 umgeben. Die thermische Sperrmatrix 24 kann Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit umfassen. Die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Sperrmatrix 24 kann insbesondere geringer sein als die des Widerstandsschaltstäbchens 18a. Dementsprechend ist die Diffusion von Wärme aus dem Widerstandsschaltstäbchen 18a während eines „SETZ„- oder „RÜCKSETZ„-Impulses gering, so dass nur eine geringe Impulsenergie benötigt wird, um den Leitfähigkeitszustand des Widerstandsschaltstäbchens 18a von einem „EIN„-Zustand in einen „AUS„-Zustand zu ändern, oder umgekehrt.
• Gemäß einem Aspekt kann die Dicke der Widerstandsschaltschicht 16 und insbesondere die Länge des Widerstandsschaltstäbchens 18a zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 100 nm oder zwischen ungefähr 30 nm und ungefähr 100 nm betragen. Die Länge des Widerstandsschaltstäbchens 18a kann beispielsweise ungefähr 60 nm betragen. Nichtsdestotrotz kann bei anderen Beispielen eine Schichtdicke oder eine Länge des Widerstandsschaltstäbchens 18a von mehr als 100 nm oder weniger als 20 nm oder sogar weniger als 10 nm eingesetzt werden. Gemäß einem Aspekt ist die Querausdehnung des Widerstandsschaltstäbchens 18a, d. h. eine Ausdehnung in einer senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Richtung, geringer als die Länge des Widerstandsschaltstäbchens 18a. Dementsprechend ist das Widerstandsschaltstäbchen 18a gemäß diesem Aspekt dünner, als es lang ist. Bei einem Beispiel kann die Dicke des Widerstandsschaltstäbchens 18a zwischen ungefähr 2 nm und 20 nm oder zwischen ungefähr 3 nm und 12 nm betragen. Die Dicke des Widerstandsschaltstäbchens 18a kann beispielsweise ungefähr 3 nm bis 7 nm betragen.
• Bei einem Beispiel kann das Widerstandsschaltstäbchen 18a direkt in der thermischen Sperrmatrix 24 eingebettet sein, d. h. die thermische Sperrmatrix 24 kann das Widerstandsschaltstäbchen 18a direkt berühren. Bei einem weiteren Beispiel, das in den Figuren nicht gezeigt ist, kann zwischen dem Widerstandsschaltstäbchen 18a und der thermischen Sperrmatrix 24 eine Zwischen- oder Trenn- oder Isolierschicht angeordnet sein.
• Bei dem in 1A gezeigten Beispiel umfasst das Widerstandsschaltelement 10 mehrere Schaltstäbchen 18a, 18b, 18c, 18d, die sich jeweils von der ersten Elektrode 12 bis zur zweiten Elektrode 20 erstrecken. Die Widerstandsschaltstäbchen 18 sind im Wesentlichen parallel und weisen im Wesentlichen die gleiche Länge auf. Bei einem Beispiel können sie auch im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen, im Wesentlichen das gleiche Material umfassen und alle in der thermischen Sperrmatrix 24 eingebettet sein. Bei einem speziellen Beispiel kann das Widerstandsschaltelement zwischen ungefähr 5 und 200 oder zwischen ungefähr 10 und 100 Widerstandsschaltstäbchen 18 umfassen. Bei weiteren Beispielen kann ein Schaltelement mehr als 200 oder weniger als 5 Widerstandsschaltstäbchen 18 umfassen. Ein exemplarisches Schaltelement kann insbesondere nur ein Widerstandsschaltstäbchen 18 umfassen.
• Die erste und die zweite Kontaktgrenzfläche 14, 22 müssen nicht unbedingt eben sein. Bei einem weiteren Beispiel kann es sich bei einer der Kontaktflächen 14, 22 um eine unebene, strukturierte Fläche handeln, wie sie beispielsweise in 3A gezeigt ist.
• Gemäß einem Aspekt kann das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen 18 ein Übergangsmetall-Oxinitrid TMO_xN_y wie beispielsweise NbO_xN_y oder TaO_xN_y umfassen. Alternativ dazu kann ein beliebiges anderes Übergangsmetall-Oxinitrid eingesetzt werden, das mindestens zwei Zustände mit unterschiedlichem spezifischem elektrischem Widerstand aufweist. In einem Zustand mit hohem Widerstand kann ein solches Übergangsmetall-Oxinitrid beispielsweise im wesentlichen homogen sein. Ein solcher Zustand mit hohem spezifischem Widerstand ist einem Beispiel entsprechend in 1A schematisch dargestellt.
• Wenn beispielsweise ein Strom- oder Spannungsimpuls zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 20 angelegt wird, dann kann es zu einem Übergang von dem Zustand mit hohem Widerstand in einen Zustand mit geringem Widerstand kommen. Bei einem Beispiel erfolgt dieser Übergang durch die Bildung eines elektrisch leitenden Fadens 26 in dem mindestens einen Widerstandsschaltstäbchen 18a, wie dies in 1B gezeigt ist. Wenn für das Widerstandsschaltstäbchen 18a beispielsweise ein Übergangsmetall-Oxinitrid eingesetzt wird, können aufgrund des „SETZ„-Impulses zumindest einige der Metall-Oxid-Bindungen in dem Übergangsmetall-Oxinitrid zerstört und stattdessen Metall-Nitrid-Bindungen gebildet werden, die zumindest bei einem Teil des Widerstandsschaltstäbchens 18a den elektrischen Leitwert erhöhen können, und dieser Teil kann den elektrisch leitenden Faden 26 bilden.
• 4 stellt ein Beispiel für ein Strom/Spannung-Diagramm (I–V) für einen exemplarischen „SETZ„-Impuls dar. Am Anfang weist die Schalteinrichtung einen hohen spezifischen Widerstand auf, d. h. sie befindet sich im „AUS„-Zustand. Wenn die Spannung V in Phase A erhöht wird, steigt der Strom (I) nicht wesentlich an, es sei denn, die Spannung (V) erreicht eine „SETZ„-Spannung V_S, die einem elektrischen Feld entsprechen kann, das so stark ist, dass es durch das Zerstören und Umordnen chemischer Bindungen in dem Widerstandsschaltstäbchen 18a beispielsweise einen Übergang von dem Zustand mit hohem spezifischem Widerstand in den Zustand mit geringem spezifischem Widerstand auslöst. Bei dem bereits erwähnten Beispiel können bei der „SETZ„-Spannung V_S Metall-Oxid-Bindungen zerstört und durch Metall-Stickstoff-Bindungen ersetzt werden, wodurch sich eine Leitfähigkeit des Schaltelements erhöht. Um eine Beschädigung des Schaltelements durch einen hohen Strom zu vermeiden, der zu fließen beginnt, wenn das Schaltelement in der Phase A des „SETZ„-Impulses auf „EIN„ gestellt wird, kann ein Stromgrenzwert auf einen maximalen Stromwert I_c eingestellt werden. Der Stromgrenzwert I_c kann insbesondere eine sofortige Zerstörung des elektrisch leitenden Fadens 26 verhindern, wenn dieser in Phase A gebildet wird. Dementsprechend bleibt der elektrisch leitende Faden 26 stabil und hält das Schaltelement 10 im „EIN„-Zustand, selbst wenn sich in Phase B des in 4 gezeigten „SETZ„-Impulses die Spannung verringert.
• Um das Schaltelement 10 in seinen „AUS„-Zustand zurückzusetzen, kann zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 20 ein „RÜCKSETZ„-Impuls angelegt werden. Bei einem in 4 gezeigten Beispiel wird im Verlauf des „RÜCKSETZ„-Impulses kein Stromgrenzwert verwendet. Dementsprechend erhöht sich der Strom bei starker Steigung in dem I–V-Diagramm entsprechend dem geringen Widerstand des Schaltelements im „EIN„-Zustand, wenn sich in Phase C des in 4 gezeigten „RÜCKSETZ„-Impulses die Spannung erhöht. Der Strom kann insbesondere den während des „SETZ„-Impulses eingestellten Stromgrenzwert I_c überschreiten. Der Strom kann linear ansteigen, bis die Spannung einen kritischen Wert V_R erreicht, der mit einem kritischen elektrischen Strom oder einer kritischen elektrischen Energie übereinstimmen kann, der/die an das Widerstandsschaltstäbchen 18a an- oder in diesem abgelegt wird. Dieser Strom oder diese Energie kann eine örtliche Erwärmung des Widerstandsschaltstäbchens 18a und insbesondere eine Erwärmung des leitenden Fadens 26 verursachen und den Faden 26 zumindest teilweise zerstören. Infolgedessen wechselt das Schaltelement in seinen Zustand mit hohem spezifischem Widerstand zurück, und der Strom kann sich in Phase D des „RÜCKSETZ„-Impulses plötzlich verringern. Der „RÜCKSETZ„-Impuls kann daher abgeschlossen und die Spannung (V) auf null zurückgebracht werden. Im Verlauf des „RÜCKSETZ„-Impulses kann die thermische Sperrmatrix 24 die Diffusion von Wärme aus zumindest einem Teil des Widerstandsschaltstäbchens 18a unterdrücken. Dementsprechend wird nur wenig Strom oder elektrische Energie benötigt, um den Faden 26 zumindest teilweise zu zerstören.
• Gemäß einem Aspekt zeigt die thermische Sperrmatrix 24 einen niedrigen Wärmeleitwert, d. h. die thermische Sperrmatrix 24 kann als Sperre für die Wärmediffusion dienen. Der Wärmeleitwert der thermischen Sperrmatrix 24 und insbesondere ein Mittelwert der Wärmeleitfähigkeit von Material in der thermischen Sperrmatrix 24 kann niedriger sein als der Wärmeleitwert des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens 18. Ein niedriger Wärmeleitwert lässt sich beispielsweise erzielen, indem die thermische Sperrmatrix mit einer porösen Struktur versehen wird. Die thermische Sperrmatrix 24 kann alternativ oder zusätzlich dazu Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit umfassen. Die Wärmeleitfähigkeit von Material, das für die thermische Sperrmatrix 24 eingesetzt wird, kann insbesondere geringer sein als die von Material, das für das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen 18 verwendet wird oder in diesem enthalten ist.
• Gemäß einem Aspekt umfasst die thermische Sperrmatrix 24 Material mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit der thermischen Sperrmatrix 24 kann insbesondere geringer sein als die des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens 18 im „EIN„-Zustand, d. h. in seinem Zustand mit hohem Leitwert, wie beispielsweise in 1B gezeigt ist. Bei einem weiteren Beispiel kann die elektrische Leitfähigkeit der thermischen Sperrmatrix 24 sogar geringer sein als die des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens 18 im „AUS„-Zustand, d. h. in seinem Zustand mit niedrigem Leitwert, wie beispielsweise in 1A gezeigt ist. Dadurch ergibt sich ein geringer Kriechstrompegel und somit ein geringer Strom- oder Energieverlust im Verlauf eines „SETZ„- oder „RÜCKSETZ„-Impulses. Darüber hinaus kann dies zu einer hohen Empfindlichkeit beim Erfassen oder Lesen des Schaltzustandes beziehungsweise Speicherzustandes führen, da der elektrische Leitwert zwischen der ersten und der zweiten Elektrode möglicherweise hauptsächlich von dem Leitwert des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens 18 bestimmt oder beherrscht wird.
• Gemäß einem weiteren Aspekt kann die thermische Sperrmatrix 24 eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisen. Die thermische Sperrmatrix 24 kann insbesondere Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante umfassen. Bei einem Beispiel kann die Dielektrizitätskonstante des Materials, das für die thermische Sperrmatrix 24 eingesetzt wird beziehungsweise darin enthalten ist, geringer sein als die von Material, das für das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen 18 eingesetzt wird. Bei einem anderen Beispiel kann die thermische Sperrmatrix 24 Material mit einer Dielektrizitätskonstante umfassen, die maximal 6 oder maximal 4 beträgt. Bei einem speziellen Beispiel kann die thermische Sperrmatrix 24 Material mit einer Dielektrizitätskonstante umfassen, die unter 3,5 liegt. Ein geringer Wert der Dielektrizitätskonstante führt zu einer geringen Kapazität hinsichtlich des Kriechverlustes und somit zu geringem Strom- oder Energieverlust im Verlauf von schnellen oder kurzen „SETZ„- beziehungsweise „RÜCKSETZ„-Zyklen und ermöglicht ein schnelles Umschalten sowie eine kurze Impulsdauer.
• Bei einem Beispiel kann die thermische Sperrmatrix 24 Polyimid umfassen. Es kann beispielsweise ein im Handel erhältliches Polyimid eingesetzt werden.
• Das Schaltelement 10 kann wiederholt zwischen den in den 1A und 1B gezeigten Zuständen umgeschaltet werden. Gemäß diesem Aspekt kann das gleiche Widerstandsschaltstäbchen 18a des Schaltelements 10 wiederholt umgeschaltet werden. Gemäß einem anderen Aspekt kann sich beispielsweise der elektrisch leitende Faden 26 in nachfolgenden Schaltzyklen in verschiedenen Widerstandsschaltstäbchen 18b, 18c, 18d bilden.
• Wie in 4 gezeigt ist, können bei einem Beispiel der „SETZ„- und der „RÜCKSETZ„-Impuls in beide Richtungen angelegt werden, d. h. es kann eine positive oder eine negative Vorspannung angelegt werden. Zum Lesen der gespeicherten Daten kann eine positive und/oder eine negative Lesespannung V₀ angelegt werden, die geringer ist als die Setzspannung V_S und die Rücksetzspannung V_R.
• Gemäß einem anderen Aspekt kann die erste Elektrode 12, wie in den 2A und 2B exemplarisch gezeigt ist, ein erstes Kontaktgebiet 28 aufweisen sowie eine erste elektrisch leitende Diffusionssperre 30, die zwischen dem ersten Kontaktgebiet 28 und dem ersten (unteren) Ende des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens 18a angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Aspekt, der in den Figuren nicht gezeigt ist, kann die zweite Elektrode 20 auf analoge Weise ein zweites Kontaktgebiet aufweisen sowie eine zweite elektrisch leitende Diffusionssperre, die zwischen dem zweiten Kontaktgebiet und dem zweiten (oberen) Ende des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens 18a angeordnet ist.
• Gemäß einem Aspekt umfassen das erste und das zweite Kontaktgebiet Material mit einem elektrischen Leitwert von Metall, was jedoch nicht bedeutet, dass das erste und das zweite Kontaktgebiet beziehungsweise der erste und der zweite Kontakt Metallatome oder -ionen enthalten müssen. Bei einem Beispiel kann für das erste und/oder das zweite Kontaktgebiet dotiertes Halbleitermaterial eingesetzt werden.
• Gemäß einem Aspekt kann die Diffusionssperrschicht 30 eine Diffusion von Material zwischen den Kontaktgebieten 28 und dem Widerstandsschaltstäbchen 18 verhindern. Gemäß einem anderen Aspekt kann die Diffusionssperrschicht 30 Material umfassen, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als beispielsweise das Kontaktgebiet 28. Dementsprechend kann die Diffusionssperrschicht 30 gemäß diesem Aspekt eine Diffusion von Wärme aus dem Widerstandsschaltstäbchen 18a in die Kontaktgebiete 28 verhindern und somit dafür sorgen, dass die für einen „SETZ„- und einen „RÜCKSETZ„-Impuls benötigte Impulsenergie gering bleibt.
• Analog zu den in Verbindung mit den 1A und 1B beschriebenen Beispielen stellt 2A einen „AUS„-Zustand des Schaltelements 10 gemäß dem zweiten Beispiel dar, während 2B einen „EIN„-Zustand des Schaltelements 10 darstellt. Das Umschalten zwischen dem „EIN„- und dem „AUS„-Zustand kann analog zu den unter Bezugnahme auf die 1A, 1B und 4 beschriebenen Beispielen erfolgen.
• Gemäß einem Beispiel kann die erste Diffusionssperrschicht 30 ein elektrisch leitendes Übergangsmetallnitrid (TMN = Transition Metal Nitride) wie beispielsweise Niobnitrid (NbN) oder Titannitrid (TiN) enthalten. Gemäß einem Aspekt kann das in der Diffusionssperrschicht 30 enthaltene Übergangsmetall einem Übergangsmetall gleichen, das in dem Widerstandsschaltstäbchen 18a enthalten ist. Das Widerstandsschaltstäbchen 18a kann beispielsweise Niob-Oxinitrid (TMO_xN_y) enthalten, während die Diffusionssperrschicht 30 beispielsweise Niobnitrid (NbN) enthalten kann. Die oben erwähnte zweite Diffusionssperrschicht kann analog dazu implementiert werden. Die gezeigten Beispiele sind nichtsdestotrotz nicht auf solche Materialien für die Diffusionssperrschicht beschränkt, und es kann stattdessen anderes elektrisch leitendes Material für die erste und/oder die zweite Diffusionssperrschicht eingesetzt werden.
• Bei einem in den 3A und 3B gezeigten, weiteren Beispiel für ein Schaltelement 10 handelt es sich bei der ersten Kontaktgrenzfläche 14 und der zweiten Kontaktgrenzfläche 22 um zumindest teilweise unebene, strukturierte Flächen. Eine Struktur der Kontaktgrenzflächen kann insbesondere mit dem Vorliegen oder einer Verteilung der Widerstandsschaltstäbchen 18 übereinstimmen, d. h. die erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 20 können solche Vorsprünge 32 und Vertiefungen 34 umfassen, dass die Widerstandsschaltstäbchen 18 die Elektroden an deren Vorsprüngen berühren, während die Elektroden zwischen diesen Kontaktgebieten mit den Vertiefungen 34 versehen sind. Das Strukturieren der Elektroden kann die Wärmediffusion reduzieren, insbesondere beispielsweise die Wärmediffusion aus den Widerstandsschaltstäbchen 18.
• Gemäß einem Aspekt kann die zweite Elektrode 20 für jedes Stäbchen, das sich in dem Widerstandsschaltelement 10 befindet, eine Stäbchenverbindungselektrode 36 umfassen sowie eine Integrationselektrode 38, die mehrere Stäbchenverbindungselektroden 36 zumindest innerhalb eines Widerstandsschaltelements elektrisch verbindet. Die Stäbchenverbindungselektrode 36 kann Metall, wie beispielsweise Gold (Au), Platin (Pt), Silber (Ag) oder Palladium (Pd) enthalten. Bei einem Beispiel können die Stäbchenverbindungselektroden 36 eine sich selbst organisierende Struktur umfassen. Eine solche sich selbst organisierende Struktur kann für das Strukturieren der Widerstandsschaltstäbchen 18 verwendet werden, wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird.
• Analog zu den in Verbindung mit den 1A und 1B beschriebenen Beispielen stellt 3A einen „AUS„-Zustand des Schaltelements 10 gemäß dem dritten Beispiel dar, während 3B einen „EIN„-Zustand des Schaltelements 10 darstellt. Das Umschalten zwischen dem „EIN„- und dem „AUS„-Zustand kann analog zu den unter Bezugnahme auf die 1A, 1B und 4 beschriebenen Beispielen erfolgen.
• In den vereinfachten schematischen Beispieldarstellungen in den 1 bis 3 ist die Dicke der Stäbchen über deren gesamte Länge hinweg konstant und für alle Stäbchen gleich dargestellt. Nichtsdestotrotz ist das Widerstandsschaltelement 10 nicht auf eine konstante Dicke der Widerstandsschaltstäbchen 18 beschränkt. Bei einem weiteren Beispiel kann sich die Dicke des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens 18a über seine Länge zwischen der ersten Kontaktgrenzfläche 14, d. h. der ersten Elektrode 12, und der zweiten Kontaktgrenzfläche 22, d. h. der zweiten Elektrode 20, auf gleichmäßige oder ungleichmäßige Weise ändern. Gemäß einem weiteren Aspekt können mehrere Widerstandsschaltstäbchen 18 mit unterschiedlicher Dicke eingesetzt werden. Bei noch einem weiteren Beispiel für ein Schaltelement kann mindestens ein Widerstandsschaltstäbchen 18 verzweigt sein.
• Bei den in den 1 bis 3 gezeigten Beispielen ist das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen 18a im Wesentlichen über seine gesamte Länge hinweg in die thermische Sperrmatrix 24 eingebettet. Nichtsdestotrotz ist ein Widerstandsschaltelement nicht auf diese Beispiele beschränkt. Bei einem weiteren Beispiel kann das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen nur teilweise in der thermischen Sperrmatrix eingebettet sein, d. h. die thermische Sperrmatrix kann das Widerstandsschaltstäbchen nur über einen Bruchteil seiner Gesamtlänge, d. h. einen kurzen Abschnitt des Widerstandsschaltstäbchens, hinweg umgeben. In diesem Fall kann beispielsweise ein elektrisch leitender Faden, der sich durch einen „SETZ„-Impuls innerhalb des Widerstandsschaltstäbchens gebildet hat, beispielsweise während eines „RÜCKSETZENs„ nur an einem kurzen Stück, das sich in der Nähe des „thermisch eingebetteten„ Abschnittes des Widerstandsschaltstäbchens befindet, zerstört werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speicherbauelement zur Verfügung gestellt, das bei einem Beispiel mindestens ein Widerstandsschaltelement 10 als nichtflüchtige Speicherzelle umfassen kann. Eines der unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 beschriebenen exemplarischen Schaltelemente kann beispielsweise als Bestandteil einer solchen nichtflüchtigen Speicherzelle dienen. Gemäß diesem Aspekt kann das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen 18a ein Speichergebiet oder ein Widerstandsspeicherstäbchen der nichtflüchtigen Speicherzelle darstellen. Alle hier in Verbindung mit den exemplarischen Widerstandsschaltelementen oben beschriebenen Einzelheiten und Variationen können auch für eine nichtflüchtige Speicherzelle gemäß diesem zusätzlichen Aspekt zutreffen.
• Gemäß einem Aspekt kann eine integrierte Schaltung ein Schaltelement zum Umschalten zwischen mindestens zwei Zuständen mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand umfassen. Das Schaltelement kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und mindestens ein Widerstandsschaltstäbchen umfassen, das mit der ersten und der zweiten Elektrode elektrisch verbunden und zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix eingebettet ist. Bei dem Schaltelement kann es sich um einen Schalter handeln, der zwischen mindestens zwei Zuständen mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand umgeschaltet werden kann. Bei einer exemplarischen integrierten Schaltung kann dieser Schalter einem der Schaltelemente 10 entsprechend implementiert werden, die in Verbindung mit den 1, 2 und 3 oben beziehungsweise mit 8 nachfolgend beschrieben werden. Nichtsdestotrotz ist die integrierte Schaltung nicht auf die oben gezeigten speziellen Beispiele beschränkt. Stattdessen kann eine andere Geometrie der ersten und der zweiten Elektrode oder des Widerstandsschaltstäbchens eingesetzt werden. Darüber hinaus kann bei dem Schalter in der integrierten Schaltung anderes Material eingesetzt werden. Gemäß einem Aspekt kann ein Speichermodul eine Vielzahl integrierter Schaltungen umfassen. Diese integrierten Schaltungen können beispielsweise eine oder mehrere der hier beschriebenen Speicherzellen umfassen. Bei einem speziellen Beispiel ist das Speichermodul stapelbar.
• 5 zeigt ein Beispiel für einen Schaltplan einer Speicherzelle, die ein Widerstandsschaltelement 10 gemäß einem Aspekt umfasst, wobei das Widerstandsschaltelement 10 ein Widerstandsschaltstäbchen umfassen kann, das zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix eingebettet sein kann. Außer dem Widerstandsschaltelement 10 kann die in 5 gezeigte Speicherzelle einen Auswahltransistor 40 mit einem Source/Drain-Gebiet 42 umfassen, das mit der ersten Elektrode 12 des Widerstandsschaltelements 10 elektrisch verbunden ist. Ein Gate-Gebiet 44 des Auswahltransistors 40 kann mit einer Wortleitung 46 einer exemplarischen Speicherzelle elektrisch verbunden sein. Bei dem gezeigten Beispiel kann ein zweites Source/Drain-Gebiet 48 des Auswahltransistors 40 elektrisch mit Masse verbunden sein. Gemäß einem Aspekt kann die zweite Elektrode 20 des Widerstandsschaltelements 10 mit einer Bitleitung 50 elektrisch verbunden sein.
• Wenn ein Kanal des Auswahltransistors 40 durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Wortleitung 46 geöffnet wird, wird die erste Elektrode 12 des Schaltelements 10 auf Masse gelegt, und ein mit der Wortleitung 50 verbundener Leseverstärker 52 kann einen Widerstandswert für das Schaltelement 10 erfassen. Gemäß einem Aspekt kann der Leseverstärker 52 zumindest zwischen einem Zustand des Schaltelements 10 mit hohem spezifischem Widerstand und einem Zustand mit geringem spezifischem Widerstand unterscheiden. Diese Erfassung kann für eine Leseoperation an den in der Speicherzelle gespeicherten Informationen stehen.
• Gemäß einem in 5 gezeigten Beispiel kann es sich bei dem Auswahltransistor 40 um einen Feldeffekttransistor handeln. Die erste Elektrode 12 kann beispielsweise direkt mit dem ersten Source/Drain-Gebiet 42 des Auswahltransistors 40 verbunden sein. Bei einem anderen Beispiel kann ein Kontaktloch, wie beispielsweise ein elektrisch leitendes Durchgangsloch, für eine Zwischenverbindung zwischen der ersten Elektrode 12 und dem ersten Source/Drain-Gebiet 42 des Auswahltransistors 40 sorgen. Nichtsdestotrotz ist eine Speicherzelle nicht auf die in 5 gezeigte Beispielschaltung beschränkt.
• Gemäß einem Aspekt kann ein Speicherbauelement mehrere nichtflüchtige Speicherzellen umfassen, die in Zeilen und Spalten mindestens eines Arrays angeordnet sind. Ein exemplarischer Schaltplan ist in 6 gezeigt. Zumindest einige der Speicherzellen können eine erste (untere) Elektrode 12, eine zweite (obere) Elektrode 20, mindestens ein Widerstandsspeicherstäbchen und einen Auswahltransistor 40 umfassen. Analog zu den oben beschriebenen exemplarischen Schaltelementen kann das Widerstandsspeicherstäbchen zwischen der ersten (unteren) Elektrode 12 und der zweiten (oberen) Elektrode 20 angeordnet und zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix eingebettet sein. Der Auswahltransistor 40 kann zumindest bei einigen der nichtflüchtigen Speicherzellen ein erstes Source/Drain-Gebiet 42 umfassen, das mit der jeweiligen ersten Elektrode 12 elektrisch verbunden ist. Gemäß einem Aspekt kann das Speicherbauelement für jede Zeile des mindestens einen Arrays eine elektrisch leitende Wortleitung 46 umfassen, die zumindest mit einigen Gate-Kontakten 44 der Auswahltransistoren 40 der Speicherzellen in der jeweiligen Zeile elektrisch verbunden ist. Des Weiteren kann das Speicherbauelement für jede Spalte des mindestens einen Arrays eine elektrisch leitende Bitleitung 50 umfassen, die zumindest mit einigen der zweiten Elektroden 20 der Speicherzellen in dieser Spalte elektrisch verbunden ist.
• 7 zeigt einen Querschnitt durch ein exemplarisches Speicherbauelement, das mehrere Speicherzellen umfasst, die in mindestens einem Array angeordnet werden können. Das Speicherbauelement kann als Speichermodul implementiert erden. Bei einem Beispiel kann das Speichermodul stapelbar sein. Gemäß einem Aspekt kann eine Speicherzelle aus einer der 1, 2 und 3 und gemäß der Beispielschaltung aus einer der 5 und 6 implementiert werden. Bei dem in 7 gezeigten Beispiel kann der Transistor 40, wie beispielsweise ein Feldeffekttransistor, in oder auf einem Halbleitersubstrat 54, wie beispielsweise einem SOI (Silicon an Insulator = Silizium auf Isolator), implementiert werden. Das Substrat 54 kann eine Substratfläche 56 und eine senkrechte Substratrichtung 58 umfassen. Die erste Elektrode 12 ist mit dem ersten Source/Drain-Gebiet 42 des Transistors 40 elektrisch verbunden, während das zweite Source/Drain-Gebiet 48 über eine Masseleitung 60 elektrisch auf Masse gelegt ist. Das Transistor-Gate wird von der Wortleitung 46 gesteuert, die mehrere Transistor-Gates innerhalb der gleichen Zeile verbinden kann. Die Bitleitung 50 ist mit der zweiten Elektrode 20 elektrisch verbunden und kann mehrere Speicherzellen oder Schaltelemente innerhalb der gleichen Spalte des mindestens einen Arrays verbinden. Isolierschichten wie ein Vormetalldielektrikum oder ein Zwischenmetalldielektrikum 62 können eingesetzt werden. Gemäß einem Aspekt wird, wie in 7 beispielsweise gezeigt ist, das Widerstandsschaltelement 10 und insbesondere das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen 18 in senkrechter Substratrichtung 58 zumindest teilweise oberhalb des ersten Source/Drain-Gebietes 42 positioniert, und das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen 18 kann in seiner Längsrichtung im Wesentlichen parallel zur senkrechten Substratrichtung 58 verlaufen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Elektronikgerät, wie beispielsweise ein Computer (z. B. ein tragbarer Computer), ein Mobiltelefon, ein Pocket PC, ein Smartphone, ein PDA oder eine beliebige andere Art von Verbraucherelektronik, wie beispielsweise ein Fernseher, ein Radio oder ein beliebiges elektronisches Haushaltsgerät, eine oder mehrere Speicherzellen umfassen, die eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode sowie mindestens ein Widerstandsschaltstäbchen umfassen, das sich von der ersten zur zweiten Elektrode erstreckt und zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix eingebettet ist. Unter einem Aspekt umfasst die thermische Sperrmatrix Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Polyimid. Die elektronische Einrichtung kann eine Benutzereingabeschnittstelle umfassen, um Daten empfangen zu kennen, die in der mindestens einen Speicherzelle gespeichert werden sollen. Die Eingabeschnittstelle kann eine Tastatur, ein Mikrofon, eine Kamera oder ein beliebiges anderes Sensormittel umfassen. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die elektronische Einrichtung eine Ausgabeschnittstelle umfassen, über die Daten ausgegeben werden können, die in der mindestens einen Speicherzelle gespeichert sind. Das Ausgabemittel kann einen Bildschirm, einen Lautsprecher, eine elektronische oder optische Schnittstelle für eine andere Einrichtung oder ein beliebiges anderes Ausgabemittel umfassen.
• Gemäß einem Aspekt kann ein Verfahren für die Herstellung eines Widerstandsschaltelements das Ausbilden eines Widerstandsschaltstäbchens umfassen, das zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand umgeschaltet werden kann. Des Weiteren kann das Verfahren das elektrische Verbinden des Widerstandsschaltstäbchens über zwei oder mehrere Elektrodenmittel und das Wärmeisolieren zumindest eines Teils des Widerstandsschaltstäbchens umfassen. Dies lässt sich durch zumindest teilweises Einbetten des Widerstandsschaltstäbchens in einer thermischen Sperrmatrix erzielen. Bei einem Beispiel umfasst das Einbetten zumindest eines Teils des Widerstandsschaltstäbchens in einer thermischen Sperrmatrix das Anordnen von Material neben dem Widerstandsschaltstäbchen, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Widerstandsschaltstäbchens. Bei einem speziellen Beispiel umfasst das Wärmeisolieren zumindest eines Teils des Widerstandsschaltstäbchens das Anordnen von Material neben dem Widerstandsschaltstäbchen, das Polyimid umfasst.
• Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren für die Herstellung des Widerstandsspeicherbauelements unter Bezugnahme auf die 8A bis 8H beschrieben. Das Verfahren kann beispielsweise Folgendes umfassen: das Bereitstellen einer ersten Elektrode mit einer ersten Kontaktfläche, wie beispielsweise der ersten Kontaktgrenzfläche 14, das Anordnen eines Widerstandsschaltstäbchens mit seinem ersten Ende an der ersten Kontaktfläche, das zumindest teilweise Einbetten des Widerstandsschaltstäbchens in einer thermischen Sperrmatrix und das Anordnen einer zweiten Elektrode am zweiten Ende des Widerstandsschaltstäbchens. Das Anordnen des Widerstandsschaltstäbchens mit seinem ersten Ende an der ersten Kontaktfläche kann das Anordnen einer Widerstandsschaltschicht wie beispielsweise der Schaltschicht 16 an der ersten Kontaktfläche umfassen und das Strukturieren der Widerstandsschaltschicht, um das Widerstandsschaltstäbchen auszubilden. Ein Beispiel für das Strukturieren der Widerstandsschaltschicht umfasst das Abscheiden einer sich selbst organisierenden Lochmaske auf der Widerstandsschaltschicht und das Entfernen von Teilen der Widerstandsschaltschicht, die nicht von der sich selbst organisierenden Lochmaske bedeckt sind. Die sich selbst organisierende Lochmaske kann aus Nanopartikeln gebildet sein, die einen Durchmesser von weniger als 10 nm aufweisen und beispielsweise Metall umfassen.
• Gemäß einem Aspekt umfasst das Strukturieren der Widerstandsschaltschicht das Ausbilden mehrerer im Wesentlichen paralleler Widerstandsschaltstäbchen, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Kontaktfläche verlaufen. Gemäß einem anderen Aspekt kann das Einbetten des Widerstandsschaltstäbchens in die thermische Sperrmatrix das Abscheiden von Polyimid-Material in der Nähe des Widerstandsschaltstäbchens umfassen.
• Aus der nachfolgenden Beschreibung gehen weitere exemplarische Einzelheiten hervor. Wie in 8A beschrieben ist, kann beispielsweise mit Hilfe von Lithographietechniken eine dielektrische Schicht wie beispielsweise eine Vormetalldielektrikumsschicht (PMD Pre-Metal Dielectric) oder die Zwischenmetalldielektrikumsschicht 62 (IMD = Inter-Metal Dielectric) mit einem Durchgangsloch 64 versehen werden. Dieses Durchgangsloch 64 kann zumindest teilweise mit der ersten Elektrode gefüllt werden. Gemäß einem in 8A gezeigten speziellen Beispiel kann das Durchgangsloch 64 mit dem ersten Kontaktgebiet 28 gefüllt werden. Bei einem Beispiel kann das erste Kontaktgebiet 28 durch einen Wolfram-Stift (W-Stift) gebildet werden. Bei anderen Beispielen kann anderes elektrisch leitendes Material eingesetzt werden. Bei einem Beispiel kann das Bereitstellen einer ersten Elektrode das elektrische Verbinden der ersten Elektrode mit einem Source- und/oder Drain-Gebiet (Source/Drain-Gebiet) eines Auswahltransistors umfassen.
• Bei einem weiteren exemplarischen Schritt können danach, wie in 8B gezeigt ist, die erste Diffusionssperrschicht 30, eine Widerstandsschaltgebiet-Vorbereitungsschicht 16' und eine lithographische Hartmaske 66 auf dem ersten Kontaktgebiet 28 abgeschieden werden. Unter einem Aspekt kann dementsprechend das Bereitstellen der ersten Elektrode 12 das Abscheiden der ersten elektrisch leitenden Diffusionssperre 30 auf dem ersten Kontaktgebiet 28 umfassen. Die erste Diffusionssperre 30 kann die erste Kontaktgrenzfläche 14 bilden. Bei einem Beispiel kann die erste Diffusionssperrschicht 30 Niobnitrid umfassen, das durch reaktives Gleichstrom-Magnetron-Sputtern von einem Niob-Target zum Beispiel bei einer Temperatur von ungefähr 250°C bis 300°C, einer Sputterleistungsdichte von ungefähr 2,5 bis 3 W/cm² und einem Druck von 3·10^–2 bis 4·10^–2 mbar hergestellt werden kann. Der prozentuale Anteil von Stickstoff im Argon-Sputter-Gas kann beispielsweise bei 35% bis 40% liegen. Gemäß einem Aspekt kann die Widerstandsschaltgebiet-Vorbereitungsschicht 16' ein Übergangsmetalloxid-Material wie beispielsweise Nioboxid (Nb₂O₅) oder Tantaloxid (Ta₂O₅) umfassen. Eine Nioboxidschicht gemäß einem Beispiel kann mit Hilfe des reaktiven Gleichstrom-Magnetron-Sputterns von einem Niob-Target zum Beispiel bei einer Temperatur von ungefähr 250°C und einem prozentualen Sauerstoffgehalt von ungefähr 40% im Sputter-Gas hergestellt werden. Die lithographische Hartmaskenschicht 66 kann beispielsweise Siliziumnitrid (wie Si₃N₄) umfassen.
• Gemäß einem weiteren, in 8 nicht gezeigten Beispiel kann die Widerstandsschaltgebiet-Vorbereitungsschicht 16' direkt auf dem ersten Kontaktgebiet 28 abgeschieden werden, ohne dass die erste Diffusionssperrschicht 30 dazwischen angeordnet wird.
• Bei einem weiteren exemplarischen Schritt kann, wie in 8C gezeigt ist, ein Implantationsfenster 68 in der lithographischen Hartmaske 66 geöffnet werden. Das Implantationsfenster 68 kann beispielsweise durch reaktives Ionenätzen strukturiert werden. In einem nächsten exemplarischen Schritt kann an dem Bauelement eine Ionenimplantation 70 durchgeführt werden. Gemäß einem Aspekt kann eine Stickstoffionenimplantation zum Beispiel mit einer Ionenenergie von ungefähr 50 keV und einer Flussdichte von ungefähr 10¹⁶ cm^–2 erfolgen. Das Bauelement kann dann in einer inerten Atmosphäre, die beispielsweise Stickstoffgas umfasst, geglüht werden. Gemäß einem Aspekt kann dies in der Widerstandsschaltgebiet-Vorbereitungsschicht 16' zumindest in einem Gebiet unterhalb des Implantationsfensters 68, d. h. wo Ionen implantiert worden sind, zur Bildung eines Übergangsmetall-Oxinitrids führen. Dieses Übergangsmetall-Oxinitrid kann sich, wie beispielsweise in 8D gezeigt ist, zumindest in einem Teil des Widerstandsschaltgebietes 16 bilden und die Grundlage für die Ausbildung des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens 18 sein, wie in Verbindung mit den 8E und 8F nachfolgend noch beschrieben wird. Wenn ein Nioboxidmaterial für die Widerstandsschaltgebiet-Vorbereitungsschicht 16' verwendet wird, kann das entstehende Widerstandsschaltgebiet Nioboxinitrid enthalten.
• Dementsprechend kann gemäß einem Aspekt das Anordnen der Übergangsmetall-Oxinitridschicht, wie der in 8D gezeigten exemplarischen Schaltschicht beziehungsweise des exemplarischen Schaltgebietes 16, das Abscheiden des Übergangsmetalloxids, wie der in 8C gezeigten Widerstandsschaltgebiet-Vorbereitungsschicht 16', an der ersten Kontaktgrenzschicht 14 umfassen. Es kann des Weiteren das Implantieren von Stickstoffionen 70 in das Übergangsmetalloxid umfassen sowie das Tempern bzw. Ausheilen des mit Stickstoff implantierten Übergangsmetalloxids, damit man ein Übergangsmetall-Oxinitrid enthält, wie beispielsweise das Widerstandsschaltgebiet 16, das in 8D gezeigt ist. Vor oder nach dem Tempern bzw. Ausheilen kann die lithographische Hartmaske 66 entfernt werden. Wenn Siliziumnitrid als Material für die lithographische Hartmaske 66 verwendet wird, kann dieses beispielsweise mit heißer Phosphorsäure entfernt werden.
• Gemäß einem in 8E gezeigten Aspekt kann die das Stäbchen strukturierende Maske 72 auf einer Oberfläche wie der zweiten Kontaktgrenzfläche 22 des Widerstandsschaltgebietes 16 angeordnet werden. Die das Stäbchen strukturierende Maske 72 kann beispielsweise Strukturen mit einer Seitenlänge (d. h. einer Länge oder Ausdehnung, die parallel zu einer Abscheidungsfläche wie der zweiten Kontaktgrenzfläche verläuft) von weniger als 100 nm oder 25 nm oder sogar 10 nm definieren. Die das Stäbchen strukturierende Maske 72 kann zahlreiche sich selbst organisierende Nanopartikel 74 umfassen. Eine selbstorganisierte Anordnung von Nanopartikeln 74 kann somit für weitere Prozesse als Lochmaske dienen. Gemäß einem weiteren Aspekt können die Nanopartikel als obere Kontakte, die zumindest Bestandteil der zweiten Elektrode 20 sind, für die Verbindung mit den Widerstandsschaltstäbchenn 18 dienen, die in nachfolgenden Prozessen ausgebildet werden sollen. Alle bekannten Techniken für eine selbstorganisierte Anordnung von Nanopartikeln 74 können eingesetzt werden, und das Verfahren für die Herstellung des Speicherbauelements ist nicht auf eine dieser Techniken beschränkt. Bei einem Beispiel kann die das Stäbchen strukturierende Maske auf der Grundlage von Zweiblock-Copolymeren und Metallsalz-Vorläufern hergestellt werden. Bei einem Beispiel kann die das Stäbchen strukturierende Maske 72 (insbesondere die sich selbst organisierenden Nanopartikel 74) Edelmetalle wie beispielsweise Gold (Au), Platin (Pt), Silber (Ag) oder Palladium (Pd) enthalten. Gemäß einem Aspekt kann es sich zumindest bei einigen der Nanopartikel 74 um Einkristall-Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 nm handeln. Bei einem speziellen Beispiel können die Nanopartikel einen Durchmesser von ungefähr 3 nm bis 7 nm aufweisen. Nach dem Abscheiden der das Stäbchen strukturierenden Maske 72 kann die Oberfläche abgespült und beispielsweise in einem Argongasstrom getrocknet werden.
• Bei einem in 8F gezeigten weiteren Beispiel für einen Prozess wird das Ätzen von zumindest einem Teil des Widerstandsschaltgebietes 16 durchgeführt. Es kann insbesondere ein anisotropes Ätzverfahren wie beispielsweise reaktives Plasmaätzen in einer CH₃/O₂-Atmosphäre eingesetzt werden. Die das Stäbchen strukturierende Maske 72 dient in diesem Prozess als Ätzmaske, so dass ein Teil des Widerstandsschaltgebietes 16, der nicht von der Maske 72 bedeckt ist, weggeätzt wird. Bei einem Beispiel wird so geätzt, dass unter den Nanopartikeln 74 Säulen oder Stäbchen oder Stifte des Widerstandsschaltgebietes 16 übrigbleiben, die im Wesentlichen die Widerstandsschaltstäbchen 18 bilden. Bei einem Beispiel kann das Widerstandsschaltgebiet in Bereichen, die nicht von den Nanopartikeln 74 bedeckt sind, bis zur ersten Kontaktgrenzfläche 14 hinunter entfernt werden. Darüber hinaus können sogar Teile der ersten Diffusionssperre 30 in diesen Bereichen entfernt werden.
• Bei einem weiteren Beispiel, das in den Figuren nicht gezeigt ist, erfolgt das Ätzen nur bis zu einer Tiefe, die geringer ist als die Dicke des Widerstandsschaltgebietes 16, so dass selbst in den unbedeckten Bereichen ein Abschnitt der Widerstandsschaltgebietes mit verringerter Schichtdicke übriggbleibt. Bei diesem Beispiel kann dieser verbleibende Abschnitt des Widerstandsschaltgebietes als Elektrodenmittel zum elektrischen Verbinden und Kontaktieren des Widerstandsschaltstäbchens 18 dienen und somit als Abschnitt der ersten Elektrode 12 betrachtet werden. In diesem Fall bildet sich an der Kontaktgrenzfläche zwischen dem ersten Elektrodenmittel und dem Widerstandsschaltstäbchen keine Grenzfläche, da diese beiden Bestandteile zumindest teilweise aus dem gleichen Material bestehen.
• Bei einem in 8G gezeigten weiteren Beispiel für einen Prozess kann das Abscheiden von Material für die thermische Sperre erfolgen. Es können insbesondere die Spalte zwischen den Widerstandsschaltstäbchen 18 mit dem Material für die thermische Sperre gefüllt werden, das die thermische Sperrmatrix bildet 24. Bei einem Beispiel kann das Abscheiden der thermischen Sperrmatrix 24 das Abscheiden von Polyimid-Material im Vakuum umfassen. Wenn nach dem Abscheiden des Polyimids die Widerstandsschaltstäbchen 18 oder sogar die Nanopartikel 74 damit bedeckt sind, kann überschüssiges Polyimid auf der Oberfläche entfernt werden, wodurch die Nanopartikel 74 freigelegt werden können. Bei einem Beispiel handelt es sich um elektrisch leitende Nanopartikel 74, wie beispielsweise Pt-Nanopartikel. In diesem Fall kann das Entfernen des überschüssigen Polyimids dann enden, wenn die Nanopartikel 74 freiliegen, und die Nanopartikel 74 können dann zum elektrischen Verbinden der Widerstandsschaltstäbchen 18 dienen. Bei einem anderen Beispiel können eine das Stäbchen strukturierende Maske 72, die nicht elektrisch leitet, und insbesondere elektrisch nichtleitende Nanopartikel 74, wie beispielsweise oxidierte Nanopartikel 74, eingesetzt werden. In diesem Fall können die Nanopartikel 74 vor dem Abscheiden des Polyimids entfernt werden oder zusammen mit dem überschüssigen Polyimid, so dass die Widerstandsschaltstäbchen beziehungsweise deren obere Enden freigelegt werden. Das Entfernen der Nanopartikel kann auch bei elektrisch leitenden Nanopartikeln eingesetzt werden.
• Danach kann eine strukturierte obere Kontaktschicht 76 ausgebildet werden, die das Widerstandsschaltstäbchen 18 direkt oder indirekt elektrisch verbindet. Gemäß einem Aspekt kann die obere Kontaktschicht 76 zumindest teilweise in der zweiten Elektrode enthalten sein. Gemäß einem Aspekt umfasst die obere Kontaktschicht 76 Platin (Pt) und kann beispielsweise durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern hergestellt werden.
• Danach kann eine Speicherstapel-Ätzmaske 78, die beispielsweise aus Siliziumnitrid besteht, beispielsweise durch chemische Niederdruck-Aufdampfung (LPCVD = Low Pressure Chemical Vapour Deposition) auf der Oberseite der oberen Kontaktschicht 76 abgeschieden und strukturiert werden. Die Speicherstapel-Ätzmaske 78 kann als Hartmaske für das Strukturieren eines Speicherstapels durch reaktives Ionenätzen der unbedeckten Schichtfolge dienen.
• Bei in 8H gezeigten, nachfolgenden exemplarischen Schritten kann eine Zwischenisolierschicht 80, die beispielsweise aus Siliziumoxid (wie SiO₂) besteht, durch chemische Aufdampfung (CVD) und darauf folgendes chemisch-mechanisches Polieren (CMP) hergestellt werden. Nach dem Entfernen der Speicherstapel-Ätzmaske 78 kann die obere Kontaktschicht 76, wie in 8H exemplarisch gezeigt ist, über die Bitleitung 50 elektrisch verbunden werden.
• Gemäß noch einem weiteren Aspekt, der in 9 exemplarisch gezeigt ist, kann ein Computersystem 82, wie beispielsweise ein Computer (z. B. ein tragbarer Computer oder ein Server), ein Mobiltelefon, ein Pocket PC, ein Smartphone oder ein PDA, eine Eingabevorrichtung 84 und eine Ausgabevorrichtung 86 umfassen. Gemäß einem anderen Aspekt kann das Computersystem als eine beliebige andere Art von Verbraucherelektronik, wie beispielsweise ein Fernseher, ein Radio oder ein beliebiges elektronisches Haushaltsgerät, oder eine beliebige Art Speichervorrichtung, wie beispielsweise eine Chipkarte oder eine Speicherkarte, implementiert werden.
• Bei einem Beispiel kann die Eingabevorrichtung 84 Eingabetasten, eine Tastatur, einen Berührungsbildschirm, einen Trackball, eine Computer-Maus, einen Joystick oder eine beliebige andere Art Eingabevorrichtung oder -schnittstelle umfassen. Bei einem weiteren Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 84 einen Audioeingang wie beispielsweise ein Mikrofon. Bei noch einem weiteren Beispiel kann die Eingabevorrichtung 84 einen Videoeingang wie beispielsweise eine Kamera umfassen. Bei dem Beispiel-Computersystem 82 in 9 umfasst die Eingabevorrichtung 84 eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung 88. Die drahtlose Kommunikationsvorrichtung 88 kann eine Netzwerkschnittstelle umfassen, die das Computersystem 82 mit einem drahtlosen Netzwerk, wie beispielsweise einem lokalen Netzwerk (LAN = Local Area Network), einem Fernnetzwerk (WAN = Wide Area Network) oder einem Telekommunikationsnetz, verbindet. Bei dieser Verbindung kann eine beliebige Art uni-, bi- oder multidirektionaler drahtloser Kommunikation eingesetzt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Eingabevorrichtung 84 eine Netzschnittstelle umfassen, die das Computersystem 82 mit einem drahtgebundenen Netzwerk verbindet.
• Bei einem Beispiel kann die Ausgabevorrichtung 86 einen Videoausgang wie beispielsweise eine Bildschirmschnittstelle oder eine Bildschirmeinrichtung umfassen. Bei einem anderen Beispiel kann die Ausgabevorrichtung 86 eine Audioeinrichtung wie einen Lautsprecher umfassen. Bei dem Beispiel-Computersystem 82 in 9 umfasst die Ausgabevorrichtung 86 eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung 90. Die drahtlose Kommunikationsvorrichtung 90 der Ausgabevorrichtung 86 kann eine Netzwerkschnittstelle umfassen, die das Computersystem 82 mit einem drahtlosen Netzwerk, wie beispielsweise einem lokalen Netzwerk (LAN = Local Area Network), einem Fernnetzwerk (WAN = Wide Area Network) oder einem Telekommunikationsnetz, verbindet. Bei dieser Verbindung kann eine beliebige Art uni-, bi- oder multidirektionaler drahtloser Kommunikation eingesetzt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Ausgabevorrichtung 86 eine Netzschnittstelle umfassen, die das Computersystem 82 mit einem drahtgebundenen Netzwerk verbindet.
• Das Beispiel-Computersystem 82 in 9 umfasst des Weiteren eine Verarbeitungsvorrichtung 92 und einen oder mehrere Speicherbausteine oder Speicher 94. Bei einem speziellen Beispiel kann das Computersystem 82 des Weiteren einen Systembus 96 umfassen, der verschiedene Systembestandteile einschließlich des Speichers 94 mit der Verarbeitungsvorrichtung 92 verbindet. Die Verarbeitungsvorrichtung 92 kann arithmetische, logische und/oder Steueroperationen durchführen, indem sie beispielsweise auf den Speicher 94 zugreift. Der Speicher 94 kann Informationen und/oder Anweisungen für die gemeinsame Verwendung mit der Verarbeitungsvorrichtung 92 speichern. Bei einem Beispiel kann ein grundlegendes Eingabe/Ausgabe-System (BIOS = Basic Input/Output System), das die Grundprogrammroutinen speichert und an der Informationsübertragung zwischen Elementen in dem Computersystem 82 beteiligt ist (wie beispielsweise beim Einschalten), in dem Speicher 94 gespeichert sein. Der Systembus 96 kann einer beliebigen von verschiedenen Arten von Busstrukturen entsprechen, einschließlich eines Speicherbusses oder einer Speichersteuereinheit, eines peripheren Busses und eines lokalen Busses, und eine beliebige von zahlreichen Busarchitekturen verwenden.
• Der Speicher 94 kann eine oder mehrere Speicherzellen 98 umfassen. Zumindest einige der Speicherzellen 98 können eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und mindestens ein Widerstandsspeicherstäbchen umfassen, das sich von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode erstreckt und zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix eingebettet ist, die Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit umfasst. Bei einem Beispiel können eine oder mehrere der oben beschriebenen Speicherzellen beziehungsweise eine oder mehrere der oben beschriebenen integrierten Schaltungen als eine oder mehrere der Speicherzellen 98 des Speichers 94 eingesetzt werden. Darüber hinaus können beispielsweise eines oder mehrere der oben beschriebenen Speichermodule als Speicher 94 eingesetzt werden. Bei einem Beispiel-Computersystem 82 kann der Speicher 94 einen Datenspeicher umfassen. Bei einem weiteren Beispiel kann der Speicher 94 einen Codespeicher umfassen. Gemäß einem Beispielaspekt kann der Speicher 94 als Datenspeicher für das Speichern von maschinenlesbaren Anweisungen, Datenstrukturen, Programmbausteinen und/oder anderen Daten für den Betrieb des Computersystems 82 implementiert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Speicher 94 als Grafikspeicher oder Eingabe/Ausgabe-Puffer implementiert werden. Gemäß einem Aspekt ist der Speicher 94 fest mit dem Systembus 96 des Computersystems 82 verbunden. Gemäß einem weiteren Aspekt wird der Speicher 94 als herausnehmbares Bauelement, wie beispielsweise als Speicherkarte oder Chipkarte, implementiert.
• Es sind einige Beispiele und Implementierungen beschrieben worden. Andere Beispiele und Implementierungen können insbesondere eines oder mehrere der oben genannten Merkmale aufweisen. Nichtsdestotrotz versteht es sich, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können. Insbesondere sind die erste Elektrode, die zweite Elektrode und das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen nicht auf die Geometrie der oben beschriebenen Beispiele beschränkt. So kann zum Beispiel im Gegensatz zu den gezeigten schematischen Darstellungen die Querschnittsfläche des mindestens einen Widerstandsschaltstäbchens über dessen Länge hinweg variieren. Darüber hinaus ist die thermische Sperrmatrix nicht auf Polyimid-Material beschränkt. Es kann stattdessen anderes Material verwendet werden, wie beispielsweise Oxide.

Claims (28)

1. Schaltelement (10) zum Umschalten zwischen mindestens zwei Zuständen mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand, umfassend: – eine erste Elektrode (12), – eine zweite Elektrode (20) und – mindestens ein Widerstandsschaltsstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d), welches Übergangsmetalloxinitrid umfasst und das mit der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (20) elektrisch verbunden und zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix (24) mit einer Wärmeleitfähigkeit, die niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d), eingebettet ist.
2. Schaltelement (10) nach Anspruch 1, wobei die thermische Sperrmatrix (24) Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand derart umfasst, dass die elektrische Leitfähigkeit der thermischen Sperrmatrix (24) niedriger Ist als die elektrische Leitfähigkeit des zumindest einen Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) im Zustand mit dem niedrigeren elektrischen Widerstand von den zumindest zwei Zuständen mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand.
3. Schaltelement (10) nach Anspruch 2, wobei die thermische Sperrmatrix (24) Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand derart umfasst, dass die elektrische Leitfähigkeit der thermischen Sperrmatrix (24) niedriger ist als die elektrische Leitfähigkeit des zumindest einen Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) im Zustand mit dem höheren elektrischen Widerstand von den zumindest zwei Zuständen mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand.
4. Schaltelement (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die thermische Sperrmatrix (24) Material mit einer Dielektrizitätskonstante umfasst, die niedriger ist als die Dielektrizitätskonstante des zumindest einen Widerstandsschaltstäbchens.
5. Schaltelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Sperrmatrix (24) photosensitives Material umfasst.
6. Schaltelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Sperrmatrix (24) Polyimid umfasst.
7. Schaltelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d) eine Länge von 10 nm bis 100 nm aufweist.
8. Schaltelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Widerstandsschaltstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d) einen Durchmesser von maximal 10 nm aufweist.
9. Speicherbauelement, das mehrere Speicherzellen umfasst, welche jeweils Folgendes umfassen: – eine erste Elektrode (12), – eine zweite Elektrode (20) und – mindestens ein resistives Speicherstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d), welches Übergangsmetalloxinitrid umfasst und das sich von der ersten Elektrode (12) zur zweiten Elektrode (20) erstreckt und zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix (24) mit einer Wärmeleitfähigkeit, die niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des resistiven Speicherstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d), eingebettet ist.
10. Speicherbauelement nach Anspruch 9, wobei jede der mehreren Speicherzellen einen Auswahltransistor (40) mit einem Source/Drain-Gebiet (42) umfasst, das jeweils mit der ersten Elektrode (12) elektrisch verbunden ist.
11. Speicherbauelement nach Anspruch 9 oder 10, das einen Leseverstärker (52) für das Erfassen eines Widerstandszustandes zumindest eines der resistiven Speicherstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d) umfasst.
12. Speicherbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei jede der mehreren Speicherzellen mehrere resistive Speicherstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d) umfasst, die sich jeweils von der ersten Elektrode (12) zur zweiten Elektrode (20) erstrecken und zumindest teilweise in der thermischen Sperrmatrix (24) eingebettet sind.
13. Speicherbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die thermische Sperrmatrix (24) Polyimid umfasst.
14. Speicherbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das mehrere nichtflüchtige Speicherzellen umfasst, die in Zeilen und Spalten mindestens eines Arrays angeordnet sind, wobei jede Speicherzelle Folgendes umfasst: – eine erste Elektrode (12), – eine zweite Elektrode (20), – mindestens ein resistives Speicherstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d), welches Übergangsmetalloxinitrid umfasst und das sich von der ersten Elektrode (12) zur zweiten Elektrode (20) erstreckt und zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix (24) mit einer Wärmeleitfähigkeit, die niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des resistiven Speicherstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d), eingebettet ist, und – einen Auswahltransistor (40) mit einem Source/Drain-Gebiet (42), das mit der ersten Elektrode (12) elektrisch verbunden ist, und wobei das Speicherbauelement für jede Zeile des mindestens einen Arrays eine elektrisch leitende Wortleitung (46) umfasst, die zumindest mit einigen Gate-Kontakten (44) des Auswahltransistors (40) der Speicherzellen in der jeweiligen Zeile elektrisch verbunden ist, und für jede Spalte des mindestens einen Arrays eine elektrisch leitende Bitleitung (50) umfasst, die zumindest mit einigen der zweiten Elektroden (20) der Speicherzellen in der Spalte elektrisch verbunden ist.
15. Speicherbauelement nach Anspruch 14, bei dem die Speicherzellen auf einem Halbleitersubstrat (54) angeordnet sind, das eine Substratnormalenrichtung (58) aufweist, und zumindest bei einigen Speicherzeilen das Widerstandsspeicherstäbchen in Substratnormalenrichtung (58) zumindest teilweise oberhalb des Source/Drain-Gebietes (42) angeordnet ist.
16. Speichermodul, das zahlreiche integrierte Schaltungen umfasst, wobei die integrierten Schaltungen eine oder mehrere Speicherzellen umfassen, die Folgendes umfassen: – eine erste Elektrode (12), – eine zweite Elektrode (20) und – mindestens ein resistives Speicherstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d), welches Übergangsmetalloxinitrid umfasst und das sich von der ersten Elektrode (12) zur zweiten Elektrode (20) erstreckt und zumindest teilweise in einer thermischen Sperrmatrix (24) mit einer Wärmeleitfähigkeit, die niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des resistiven Speicherstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d), eingebettet ist.
17. Speichermodul nach Anspruch 16, bei dem die thermische Sperrmatrix (24) Polyimid umfasst.
18. Speichermodul nach Anspruch 16 oder 17, das des Weiteren eine Benutzereingabeschnittstelle umfasst, um Daten zu empfangen, die in der mindestens einen Speicherzelle gespeichert werden sollen.
19. Verfahren zur Herstellung eines resistiven Schaltelements, das Folgendes umfasst: – Ausbilden eines Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d), welches Übergangsmetalloxinitrid umfasst und das zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand umschaltbar ist, – elektrisches Kontaktieren des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) mittels einer ersten Elektrode (12) und einer zweiten Elektrode (20) und – Wärmeisolieren zumindest eines Teils des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) durch Anordnen eines Materials, dessen Wärmeleitfähigkeit niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d), an zumindest einem Teil des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d).
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Wärmeisolieren zumindest eines Teils des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) das Einbetten zumindest eines Teils des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) in eine thermische Sperrmatrix (24) umfasst.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, bei dem das Wärmeisolieren zumindest eines Teils des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) das Anordnen von Material neben dem Widerstandsschaltstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d) umfasst, das Polyimid umfasst.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem das Widerstandsschaltstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d) mit einer Länge von weniger als 100 nm und einer Breite von weniger als 20 nm ausgebildet wird.
23. Verfahren zur Herstellung eines resistiven Speicherbauelements mit mehreren Speicherzellen, wobei das Verfahren für jede der mehreren Speicherzellen Folgendes umfasst: – Bereitstellen einer ersten Elektrode (12) mit einer ersten Kontaktfläche (14), – Anordnen eines Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d), welches Übergangsmetalloxinitrid umfasst, mit seinem ersten Ende an der ersten Kontaktfläche (14), – zumindest teilweises Einbetten des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) in einer thermischen Sperrmatrix (24) mit einer Wärmeleitfähigkeit, die niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d); und – Anordnen einer zweiten Elektrode (20) am zweiten Ende des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d).
24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem das Anordnen des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) mit seinem ersten Ende an der ersten Kontaktfläche (14) Folgendes umfasst: – Anordnen einer Widerstandsschaltschicht (16) an der ersten Kontaktfläche (14) und – Strukturieren der Widerstandsschaltschicht (16), um das Widerstandsschaltstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d) auszubilden.
25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Strukturieren der Widerstandsschaltschicht (16) Folgendes umfasst: – Abscheiden einer sich selbst organisierenden Lochmaske (72) auf der Widerstandsschaltschicht (16) und – Entfernen von Teilen der Widerstandsschaltschicht (16), die nicht von der sich selbst organisierenden Lochmaske (72) bedeckt sind.
26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die sich selbst organisierende Lochmaske (72) aus Nanopartikeln (74) gebildet wird, die einen Durchmesser von weniger als 10 nm aufweisen und Metall umfassen.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem das Strukturieren der Widerstandsschaltschicht (16) das Ausbilden mehrerer paralleler Widerstandsschaltstäbchen (18a, 18b, 18c, 18d) umfasst, die senkrecht zur ersten Kontaktfläche (14) verlaufen.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei dem das Einbetten des Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) in die thermische Sperrmatrix (24) das Abscheiden von Polyimid-Material angrenzend an das Widerstandsschaltstäbchens (18a, 18b, 18c, 18d) umfasst.

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