DE102007037117A1

DE102007037117A1 - Temperatursensor, integrierte Schaltung, Speichermodul sowie Verfahren zum Sammeln von Temperaturbehandlungsdaten

Info

Publication number: DE102007037117A1
Application number: DE102007037117A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Kund
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-08-08
Also published as: US20090028213A1; US7997791B2; DE102007037117B4

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Temperatursensor bereitgestellt, der eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, nanoporöses Material, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und Diffusionsmaterial, das außerhalb des nanoporösen Materials angeordnet ist und in das nanoporöse Material diffundieren kann, aufweist. Die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, ist abhängig von der Temperatur, der der Temperatursensor ausgesetzt ist. Der Widerstand des nanoporösen Materials ist abhängig von der Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor, eine integrierte Schaltung, ein Speichermodul sowie ein Verfahren zum Sammeln von Temperaturbehandlungsdaten.
Es ist bekannt, in integrierte Schaltungen Temperatursensoren zu integrieren. Die Temperatursensoren können beispielsweise dazu dienen, die integrierten Schaltungen vor Überhitzung zu schützen.
Der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist, einen neuen Temperatursensortyp bereitzustellen, um die Anwendungsbreite von Temperatursensoren zu erhöhen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen Temperatursensor gemäß Patentanspruch 1 bereit. Weiterhin stellt die Erfindung eine integrierte Schaltung gemäß Patentsanspruch 16 sowie ein Speichermodul gemäß Patentanspruch 23 bereit. Schließlich stellt die Erfindung ein Verfahren zum Sammeln von Temperaturbehandlungsdaten gemäß Patentanspruch 25 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen oder Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Temperatursensor bereitgestellt, mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode, nanoporösem Material, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und Diffusionsmaterial, das außerhalb des nanoporösen Materials angeordnet ist, und das in das nanoporöse Material diffundieren kann, wobei die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, abhängig ist von der Temperatur, der der Temperatursensor ausgesetzt ist, und wobei der Widerstand des nanoporösen Materials abhängig ist von der Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Menge des Diffusionsmaterials, die in das nanoporöse Material diffundiert, abhängig von der Höhe der Temperatur einer Temperaturbehandlung, der der Temperatursensor unterzogen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, abhängig von der Dauer einer Temperaturbehandlung, der der Temperatursensor ausgesetzt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, proportional zur akkumulativen Temperatur, der der Temperatursensor ausgesetzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Elektrode eine reaktive Elektrode, und die zweite Elektrode eine inerte Elektrode.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Diffusionsmaterial Material, das sich innerhalb der reaktiven Elektrode befindet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Diffusionsmaterial leitendes Material auf oder besteht daraus, wobei das nanoporöse Material isolierendes Material aufweist oder daraus besteht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das nanoporöse Material Chalcogenidglas auf oder besteht daraus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das nanoporöse Material dielektrisches Material auf oder besteht daraus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das nanoporöse Material Kohlenstoff-dotiertes SiO₂ auf oder besteht daraus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die reaktive Elektrode eine Metallschicht mit einem großen Diffusionskoeffizienten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die reaktive Elektrode Silber, Kupfer oder Aluminium auf oder besteht daraus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die inerte Elektrode Gold, Wolfram, Titan, Titannitrid, Platin, Tantal, Tantalnitrid oder Kohlenstoff auf oder besteht daraus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das nanoporöse Material als nanoporöse Materialschicht ausgestaltet, und die erste Elektrode als Elektrodenschicht ausgestaltet, wobei die nanoporöse Materialschicht die gleichen lateralen Ausmaße aufweist wie die der Elektrodenschicht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das nanoporöse Material in einen Plug (Trench) gefüllt, der innerhalb einer Isolationsschicht ausgebildet ist, wobei die Isolationsschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, und wobei der Plug die erste Elektrodenschicht mit der zweiten Elektrodenschicht verbindet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine integrierte Schaltung mit einem Temperatursensor bereitgestellt, wobei der Temperatursensor aufweist: Eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, nanoporöses Material, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und Diffusionsmaterial, das sich außerhalb des nanoporösen Materials befindet, jedoch in das nanoporöse Material hinein diffundieren kann in Abhängigkeit der Temperatur, der der Temperatursensor ausgesetzt ist, wobei der Widerstand des nanoporösen Materials abhängig ist von der Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die integrierte Schaltung Widerstandsänderungsspeicherzellen auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die integrierte Schaltung programmierbare Metallisierungsspeicherzellen auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die integrierte Schaltung Festkörperelektrolytspeicherzellen auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die integrierte Schaltung Phasenänderungsspeicherzellen auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die integrierte Schaltung magnetoresistive Speicherzellen auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die integrierte Schaltung Kohlenstoffspeicherzellen auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Speichermodul mit wenigstens einer integrierten Schaltung, die einen Temperatursensor aufweist, bereitgestellt, wobei der Temperatursensor aufweist: Eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, nanoporöses Material, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und Diffusionsmaterial, das außerhalb des nanoporösen Materials angeordnet ist; wobei die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, abhängig ist von der Temperatur, der der Temperatursensor ausgesetzt wird; und wobei der Widerstand des nanoporösen Materials abhängig ist von der Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Speichermodul stapelbar.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Sammeln von Temperaturbehandlungsdaten bereitgestellt, das aufweist: Wärmebehandeln einer Verbundsstruktur mit einer nanoporösen Materialschicht und einer Diffusionsmaterialschicht, die auf oder oberhalb der nanoporösen Materialschicht angeordnet ist, derart, das Diffusionsmaterial aus der Diffusionsmaterialschicht hinaus in die nanoporöse Materialschicht hinein diffundiert; Bestimmen der Menge von Diffusionsmateral, die in die nanoporöse Materialschicht hinein diffundiert; und Bestimmen von Wärmebehandlungsdaten in Abhängigkeit der Menge an Diffusionsmaterial, ermittelt wurde.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Wärmebehandlungsdaten Akkumulativtemperaturdaten auf, die den Verlauf der Temperatur repräsentieren, der die Verbundsstruktur ausgesetzt war.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Wärmebehandlungsdaten ermittelt in Abhängigkeit der Stärke einer Widerstandsänderung des nanoporösen Materials, das durch eine Konzentrationsänderung des Diffusionsmaterials innerhalb des nanoporösen Materials verursacht wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweise Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Temperatursensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2a den Diffusionskoeffizienten von Silber in Abhängigkeit der Temperatur innerhalb eines ersten Materials;
2B den Diffusionskoeffizienten von Silber in Abhängigkeit der Temperatur innerhalb eines zweiten Materials;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Sammeln von Temperaturbehandlungsdaten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Phasenänderungsspeicherzelle;
7 eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung, die Widerstandänderungsspeicherzellen einsetzt;
8a eine schematische Querschnittsdarstellung einer Kohlenstoffspeicherzelle in einen ersten Speicherzustand;
8b eine schematische Querschnittsdarstellung einer Kohlenstoffspeicherzelle in einen zweiten Speicherzustand;
9a einen Teil einer integrierten Schaltung mit Widerstandänderungsspeicherzellen;
9b einen Teil einer integrierten Schaltung mit Widerstandänderungsspeicherzellen;
10a eine schematische Darstellung eines Speichermoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
10b eine schematische Darstellung eines Speichermoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
11a eine schematische Querschnittsdarstellung einer Leitungsbrückenspeicherzelle in einen ersten Schaltzustand; und
11b eine schematische Querschnittsdarstellung einer Leitungsbrückenspeicherzelle in einen zweiten Schaltzustand.
In den Figuren können in identische oder einander entsprechende Bereiche, Bauteile sowie Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet sein. Des Weiteren ist zu erwähnen, dass die Zeichnungen schematische Zeichnungen sind, das heißt nicht maßstabsgetreu zu sein brauchen.
1 zeigt einen Temperatursensor 100 mit einer ersten Elektrode 101, einer zweiten Elektrode 102 sowie nanoporösem Material 103, das zwischen der ersten Elektrode 101 und der zweiten Elektrode 102 angeordnet ist. Der Temperatursensor 100 weist weiterhin Diffusionsmaterial 104 auf, das außerhalb des nanoporösen Materials 103 lokalisiert ist. Hier befindet sich das Diffusionsmaterial 104 innerhalb der ersten Elektrode 101. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt: Das Diffusionsmaterial 104 kann auch innerhalb der zweiten Elektrode 102, zwischen der ersten Elektrode 101 und dem nanoporösen Material 103 (beispielsweise innerhalb einer Materialschicht, die zwischen der ersten Elektrode 101 und dem nanoporösen Material 103 angeordnet ist) oder zwischen der zweiten Elektrode 102 und dem nanoporösen Material 103 (beispielsweise innerhalb einer Materialschicht, die zwischen der zweiten Elektrode 102 und dem nanoporösen Material 103 angeordnet ist) lokalisiert sein. Der Temperatursensor 100 ist so angeordnet, dass die Menge an Diffusionsmaterial 104, die in das nanoporöse Material 103 diffundiert, abhängig ist von der Temperatur, welcher der Temperatursensor 100 ausgesetzt ist. Weiterhin ist der Temperatursensor 100 so angeordnet, dass der Widerstand des nanoporösen Materials von der Menge des Diffusionsmaterials 104 abhängt, das in das nanoporöse Material diffundiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Menge an Diffusionsmaterial 104, die in das nanoporöse Material 103 diffundiert, abhängig von dem Temperaturwert einer Temperaturbehandlung, welcher der Temperatursensor 100 unterzogen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Temperatursensor 100 so ausgestaltet, dass die Menge an Diffusionsmaterial 104, die in das nanoporöse Material 103 diffundiert, von der Dauer der Temperaturbehandlung abhängt, welcher der Temperatursensor 100 unterzogen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Temperatursensor 100 so ausgestaltet, dass die Menge an Diffusionsmaterial 104, die in das nanoporöse Material 103 diffundiert, proportional ist zum akkumulativen Temperaturbudget (Wärmebudget), mit dem der Temperatursensor 100 beaufschlagt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Elektrode 101 eine reaktive Elektrode, und die zweite Elektrode 102 eine inerte Elektrode.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich das Diffusionsmaterial 104 innerhalb der reaktiven Elektrode.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Diffusionsmaterial 104 leitendes Material auf oder besteht daraus, und das nanoporöse Material 103 aufweist isolierendes Material auf oder besteht daraus. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das nanoporöse Material 103 Chalcogenidglas auf oder besteht hieraus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das nanoporöse Material 103 dielektrisches Material auf oder besteht hieraus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das nanoporöse Material 103 Kohlenstoff-dotiertes SiO₂ auf oder besteht hieraus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die reaktive Elektrode Metall mit einem hohen Diffusionskoeffizienten auf oder besteht hieraus. In diesem Fall können das Diffusionsmaterial 104 und das reaktive Elektrodenmaterial identische Materialien sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die reaktive Elektrode Silber, Kupfer oder Aluminium auf oder besteht hieraus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die inerte Elektrode Gold, Wolfram, Titan, Titannitrid, Platin, Tantal, Tantalnitrid oder Kohlenstoff auf oder besteht hieraus.
1 zeigt den Fall, in dem das nanoporöse Material 103 als nanoporöse Materialschicht ausgestaltet ist, wobei die erste Elektrode 101 Diffusionsmaterial 104 beinhaltet und als Elektrodenschicht ausgestaltet ist, und die zweite Elektrode 102 als Elektrodenschicht ausgestaltet ist. Jedoch sind die Ausführungsformen der Erfindung nicht hierauf beschränkt.
Wenn das nanoporöse Material 103, die erste Elektrode 101 sowie die zweite Elektrode 102 als Schichten ausgestaltet sind, kann die nanoporöse Materialschicht die gleichen lateralen Ausmaße aufweisen wie die der ersten Elektrodenschicht.
Alternativ kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das nanoporöse Material 103 in einen Plug gefüllt sein, der innerhalb einer Isolationsschicht ausgebildet ist, wobei die Isolationsschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, und wobei der Plug die erste Elektrodenschicht mit der zweiten Elektrodenschicht verbindet. Ein Beispiel einer derartigen Ausführungsform ist in 3 gezeigt:
3 zeigt einen Temperatursensor 300 mit einer ersten Elektrodenschicht 301, einer zweiten Elektrodenschicht 302 sowie eine Isolationsschicht 303, die zwischen der ersten Elektrodenschicht 301 und der zweiten Elektrodenschicht 302 angeordnet ist. Die Isolationsschicht 303 weist einen Plug 304 auf, der mit nanoporösem Material 305 gefüllt ist (oberer Teil des Plugs 304) und mit leitendem Material 306 gefüllt ist (unterer Teil des Plugs 304). Der Plug 304 verbindet die erste Elektrodenschicht 301 mit der zweiten Elektrodenschicht 302.
Das leitende Material 306 kann als Teil der zweiten Elektrodenschicht 302 interpretiert werden. Die erste Elektrodenschicht 301 weist Material mit einem hohen Diffusionskoeffizient auf oder besteht hieraus. Wie aus 3 entnommen werden kann, weichen die lateralen Dimensionen des Plugs 304 von den lateralen Dimensionen der ersten Elektrodenschicht 301 ab. Mit anderen Worten: Die lateralen Dimensionen des Plugs 304 sind kleiner als die lateralen Dimensionen der ersten Elektrodenschicht 301, das heißt die lateralen Dimensionen der ersten Elektrodenschicht 301 weichen von den lateralen Dimensionen des nanoporösen Materials 305 ab.
Im Gegensatz hierzu wird, wie in 4 gezeigt ist, der obere Teil der Isolationsschicht, der den oberen Teil des Plugs 104 beinhaltet, durch eine nanoporöse Materialschicht 307 ersetzt, die die gleichen lateralen Dimensionen wie die der ersten Elektrodenschicht 301 aufweist. Verglichen mit dem Temperatursensor 300 ist der Temperatursensor 400 leichter herzustellen, da das nanoporöse Material 307 nicht in ein Via (Trench) eingeführt werden muss, was notwendig ist, wenn der Temperatursensor 300 hergestellt wird. Jedoch kann beim Temperatursensor 400 aufgrund der großen lateralen Ausdehnung der nanoporösen Materialschicht 307 erhöhtes Übersprechen zwischen dem Temperatursensor 400 und Gebieten (beispielsweise Speicherzellen) auftreten, die den Temperatursensor 400 umgeben. Da das nanoporöse Material 305 eine relativ kleine laterale Ausdehnung aufweist, tritt im Gegensatz hierzu lediglich geringes Übersprechen zwischen dem Temperatursensor 300 und Gebieten (beispielsweise Speicherzellen) auf, die den Temperatursensor 300 umgeben.
2a zeigt den Diffusionskoeffizienten von Silber innerhalb von Ag-Ge-S-Gläsern (nanoporöses Material), wobei 2b den Diffusionskoeffizient von Silber innerhalb von Ag-Ge-Sd-Se-Gläsern (nanoporöses Material) zeigt. Folgendes kann den 2a und 2b entnommen werden: Je höher die Temperatur, umso höher ist der Diffusionskoeffizient. Bezug nehmend auf 3 und 4 bedeutet dies: Je höher die Temperatur einer Temperaturbehandlung ist, denen die Temperatursensoren 100, 300 und 400 unterzogen werden, um so höher ist der Diffusionskoeffizient des Diffusionsmaterials, das sich innerhalb der ersten Elektrodenschicht 301 befindet, und, konsequenterweise, um so mehr Diffusionsmaterial diffundiert von der ersten Elektrodenschicht 301 in das nanoporöse Material 305. Die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material 305 diffundiert ist, ist proportional der akkumulativen Temperatur, welcher die Temperatursensoren 300, 400 ausgesetzt waren.
Die Erfindung stellt weiterhin eine integrierte Schaltung mit einem Temperatursensor bereit, wobei der Temperatursensor aufweist: Eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, nanoporöses Material, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, sowie Diffusionsmaterial, das sich außerhalb des nanoporösen Materials befindet, und das in das nanoporöse Material diffundieren kann. Die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, ist abhängig von der Temperatur, welcher der Temperatursensor ausgesetzt ist. Der Widerstand des nanoporösen Materials ist abhängig von der Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert.
Alle Ausführungsformen des vorangehend beschriebenen Temperatursensors können in analoger Weise auf die oben beschriebene integrierte Schaltung angewandt werden.
Die integrierte Schaltung kann eine beliebige integrierte Schaltung sein. Beispielsweise weisen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die integrierten Schaltungen Widerstandsänderungsspeicherzellen auf. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Widerstandsänderungsspeicherzellen programmierbare Metallisierungsspeicherzellen (beispielsweise CBRAM-Zellen), Phasenänderungsspeicherzellen (zum Beispiel PCRAM-Zellen), Kohlenstoffspeicherzellen oder magnetoresistive Speicherzellen (beispielsweise MRAM-Zellen). Da der Temperatursensor eine Architektur aufweisen kann, die ähnlich der einer Widerstandsänderungsspeicherzelle ist (siehe beispielsweise 3 und 4), kann der Temperatursensor zusammen mit den Widerstandsänderungsspeicherzellen hergestellt werden, das heißt keine oder lediglich einige wenige Extraprozesse sind notwendig, um den Temperatursensor herzustellen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die integrierte Schaltung eine Mehrzahl von Temperatursensoren auf, die über die integrierte Schaltung verteilt sind, um die Temperatur unterschiedlicher Teile der integrierten Schaltung zu bestimmen.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Speichermodul bereit, das wenigstens eine integrierte Schaltung mit einem Temperatursensor aufweist, wobei der Temperatursensor aufweist: Eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, nanoporöses Material, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, sowie Diffusionsmaterial, das sich außerhalb des nanoporösen Materials befindet. Die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, ist abhängig von der Temperatur, der der Temperatursensor ausgesetzt ist. Der Widerstand des nanoporösen Materials ist abhängig von der Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Speichermodul stapelbar.
5 zeigt ein Verfahren 500 zum Sammeln von Temperaturbehandlungsdaten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Bei 501 wird eine Verbundsstruktur, die eine nanoporöse Materialschicht und eine Diffusionsmaterialschicht, die auf oder oberhalb der nanoporösen Materialschicht angeordnet ist, einen Temperaturbehandlungsprozess unterzogen, derart, dass Diffusionsmaterial aus der Diffusionsmaterialschicht hinaus in die nanoporöse Materialschicht hinein diffundiert.
Bei 502 wird die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material hinein diffundiert, bestimmt.
Bei 503 werden Temperaturbehandlungsdaten bestimmt in Abhängigkeit der Menge an Diffusionsmaterial, die zuvor bestimmt wurde.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhalten die Wärmebehandlungsdaten Akkumulativtemperaturdaten, die den Verlauf der Temperatur repräsentieren, welcher die Verbundstruktur ausgesetzt worden ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Temperaturbehandlungsdaten ermittelt in Abhängigkeit der Stärke einer Widerstandsänderung des nanoporösen Materials, die durch eine Konzentrationsänderung des Diffusionsmaterials innerhalb des nanoporösen Materials hervorgerufen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Temperatursensor in einen Anfangszustand versetzt werden, indem dem Temperatursensor entsprechende Spannungen/Ströme zugeführt werden. Der Temperatursensor kann beispielsweise zurückgesetzt werden ("reset") unter Verwendung einer Spannung von 300 mV und eines Stroms von 10 μA bis 50 μA (unter Verwendung eines Strombegrenzers) über eine lange Zeitdauer (quasi statisch); alternativ kann der Temperatursensor zurückgesetzt werden unter Verwendung eines Spannungspulses von 1,5 V über eine kurze Zeitdauer wie beispielsweise 50 ns (dynamisch).
Allgemeiner: Die Ausführungsformen der Erfindung können auf beliebige integrierte Schaltungen angewandt werden, die Widerstandsänderungsspeicherzellen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Widerstandsänderungsspeicherzellen Phasenänderungsspeicherzellen sein, die Phasenänderungsmaterial aufweisen. Das Phasenänderungsmaterial kann zwischen wenigstens zwei Kristallisierungszuständen geschaltet werden (d. h. das Phasenänderungsmaterial kann wenigstens zwei Kristallisierungsgrade annehmen), wobei jeder Kristallisierungszustand einen Speicherzustand repräsentiert. Wenn die Anzahl möglicher Kristallisierungszustände zwei beträgt, wird der Kristallisierungszustand, der einen hohen Kristallisierungsgrad aufweist, auch als „kristalliner Zustand" bezeichnet, wohin gegen der Kristallisierungszustand, der einen niedrigen Kristallisierungsgrad aufweist, auch als „amorpher Zustand" bezeichnet wird. Unterschiedliche Kristallisierungszustände können durch entsprechende unterschiedliche elektrische Eigenschaften voneinander unterschieden werden, insbesondere durch unterschiedliche Widerstände, die hierdurch impliziert werden. Beispielsweise hat ein Kristallisierungszustand, der einen hohen Kristallisierungsgrad (geordnete atomare Struktur) aufweist, im Allgemeinen einen niedrigeren Widerstand als ein Kristallisierungszustand, der einen niedrigen Kristallisierungsgrad aufweist (ungeordnete atomare Struktur).
Der Einfachheit halber soll im Folgenden angenommen werden, dass das Phasenänderungsmaterial zwei Kristallisierungszustände annehmen kann (einen „amorphen Zustand" und einen „kristallinen Zustand"). Jedoch sei erwähnt, dass auch zusätzliche Zwischenzustände verwendet werden können.
Phasenänderungsspeicherzellen können vom amorphen Zustand in den kristallinen Zustand (und umgekehrt) überwechseln, wenn Temperaturschwankungen innerhalb des Phasenänderungsmaterials autreten. Derartige Temperaturänderungen können auf unterschiedliche Art und Weisen hervorgerufen werden. Beispielsweise kann ein Strom durch das Phasenänderungsmaterial geleitet werden (oder eine Spannung kann an das Phasenänderungsmaterial angelegt werden). Alternativ hierzu kann einem Widerstandsheizelement, das neben dem Phasenänderungsmaterial vorgesehen ist, ein Strom oder eine Spannung zugeführt werden. Um den Speicherzustand einer Widerstandsänderungsspeicherzelle festzulegen, kann ein Messstrom durch das Phasenänderungsmaterial geleitet werden (oder eine Messspannung kann an das Phasenänderungsmaterial angelegt werden), womit der Widerstand der Widerstandsänderungsspeicherzelle, der den Speicherzustand der Speicherzelle repräsentiert, gemessen wird.
6 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer beispielhaften Phasenänderungsspeicherzelle 600 (Aktiv-In-Via-Typ). Die Phasenänderungsspeicherzelle 600 weist eine erste Elektrode 602, Phasenänderungsmaterial 604, eine zweite Elektrode 606 sowie isolierendes Material 608 auf. Das Phasenänderungmaterial 604 wird lateral durch das isolierende Material 608 eingeschlossen. Eine Auswahlvorrichtung (nicht gezeigt) wie beispielsweise ein Transistor, eine Diode oder eine andere aktive Vorrichtung kann mit der ersten Elektrode 602 oder der zweiten Elektrode 606 gekoppelt sein, um das Beaufschlagen des Phasenänderungsmaterials 604 mit Strom oder Spannung unter Verwendung der ersten Elektrode 602 und/oder der zweiten Elektrode 606 zu steuern. Um das Phasenänderungsmaterial 604 in den kristallinen Zustand zu überführen, kann das Phasenänderungsmaterial 604 mit einem Strompuls und/oder einem Spannungspuls beaufschlagt werden, wobei die Pulsparameter so gewählt werden, dass die Temperatur des Phasenänderungsmaterials 604 über die Phasenänderungsmaterial-Kristallisisierungstemparatur steigt, jedoch unterhalb der Phasenänderungsmaterial-Schmelztemperatur gehalten wird. Wenn das Phasenänderungsmaterial 604 in den amorphen Zustand überführt werden soll, kann das Phasenänderungsmaterial 604 mit einem Strompuls und/oder einem Spannungspuls beaufschlagt werden, wobei die Pulsparameter so gewählt werden, dass die Temperatur des Phasenänderungsmaterials 604 schnell über die Phasenänderungsmaterial-Schmelztemperatur steigt, wobei das Phasenänderungsmaterial 604 anschließend schnell abgekühlt wird.
Das Phasenänderungsmaterial 604 kann eine Vielzahl von Materialien enthalten. Gemäß einer Ausführungsform kann das Phasenänderungsmaterial 604 eine Chalcogenidlegierung aufweisen (oder daraus bestehen), die eine oder mehrere Elemente aus der Gruppe VI des Periodensystems beinhaltet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Phasenänderungsmaterial 604 Chalcogenid-Verbundmaterial aufweisen oder daraus bestehen, wie beispielsweise GeSbTe, SbTe, GeTe oder AbInSbTe. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Phasenänderungsmaterial 604 ein chalgogenfreies Material aufweisen oder daraus bestehen, wie beispielsweise GeSb, GaSb, InSb, oder GeGaInSb. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Phasenänderungsmaterial 604 jedes geeignetes Material aufweisen oder daraus bestehen, das eines oder mehrere der Elemente Ge, Sb, Te, Ga, Bi, Pb, Sn, Si, P, O, As, In, Se, und S aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist zumindest eine der ersten Elektrode 602 und der zweiten Elektrode 606 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W oder Mischungen oder Legierungen hieraus auf (oder bestehen hieraus). Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist zumindest eine der ersten Elektrode 602 und der zweiten Elektrode 606 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W und zwei oder mehrere Elemente der Gruppe: B, C, N, O, Al, Si, P, S und/oder Mischungen und Legierungen hieraus auf (oder bestehen hieraus). Beispiele derartiger Materialien sind TiCN, TiA1N, TiSiN, W-Al₂O₃, und Cr-Al₂O₃.
7 zeigt ein Blockdiagramm einer Speichervorrichtung 700, die einen Schreibpulsgenerator 702, eine Verteilungsschaltung 704, Phasenänderungsspeicherzellen 706a, 706b, 706c, 706d (beispielsweise Phasenänderungsspeicherzellen 600 wie in 6 gezeigt) und einen Leseverstärker 708 aufweist. Gemäß einer Ausführungsform erzeugt der Schreibpulsgenerator 702 Strompulse oder Spannungspulse, die den Phasenänderungsspeicherzellen 706a, 706b, 706c, 706d mittels der Verteilungsschaltung 704 zugeführt werden, wodurch die Speicherzustände der Phasenänderungsspeicherzellen 706a, 706b, 706c, 706d programmiert werden. Gemäß einer Ausführungsform weist die Verteilungsschaltung 704 eine Mehrzahl von Transistoren auf, die den Phasenänderungspeicherzellen 706a, 706b, 706c, 706d oder Heizelementen, die neben den Phasenänderungsspeicherzellen 706a, 706b, 706c, 706d vorgesehen sind, Gleichstrompulse oder Gleichspannungspulse zuführen.
Wie bereits angedeutet wurde, kann das Phasenänderungsmaterial der Phasenänderungsspeicherzellen 706a, 706b, 706c, 706d von dem amorphen Zustand in den kristallinen Zustand (oder umgekehrt) überführt werden durch Ändern der Temperatur. Allgemeiner kann das Phasenänderungsmaterial von einem ersten Kristallisierungsgrad in einen zweiten Kristallisierungsgrad überführt werden aufgrund einer Temperaturänderung. Beispielsweise kann der Bitwert „Null" dem ersten (niedrigen) Kristallisierungsgrad, und der Bitwert „1" dem zweiten (hohen) Kristallisierungsgrad zugewiesen werden. Da unterschiedliche Kristallisierungsgrade unterschiedliche elektrische Widerstände implizieren, ist der Leseverstärker 708 dazu im Stande, den Speicherzustand einer der Phasenänderungspeicherzellen 706a, 706b, 706c oder 706d in Abhängigkeit des Widerstands des Phasenänderungsmaterials zu ermitteln.
Um hohe Speicherdichten zu erzielen, können die Phasenänderungsspeicherzellen 706a, 706b, 706c und 706d zur Speicherung mehrerer Datenbits ausgelegt sein (d. h. das Phasenänderungsmaterial kann auf unterschiedliche Widerstandswerte programmiert werden). Beispielsweise können, wenn eine Phasenänderungsspeicherzelle 706a, 706b, 706c und 706d auf einen von drei möglichen Widerstandsleveln programmiert wird, 1.5 Datenbits pro Speicherzelle gespeichert werden. Wenn die Phasenänderungsspeicherzelle auf einen von vier möglichen Widerstandsleveln programmiert wird, können zwei Datenbits pro Speicherzelle gespeichert werden, und so weiter.
Die in 7 gezeigte Ausführungsform kann auf ähnliche Art und Weise auch auf andere Widerstandsänderungsspeicherelemente angewandt werden wie programmierbare Metallisierungszellen (PMCs), magnetorresistive Speicherzellen (beispielsweise MRAMs), organische Speicherzellen (beispielsweise ORAMs), oder Übergangsmetalloxid-Speicherzellen (TMOs).
Ein weiterer Typ von Widerstandsänderungsspeicherzellen, der zum Einsatz kommen kann, besteht darin, Kohlenstoff als Widerstandsänderungsmaterial einzusetzen. Im Allgemeinem hat amorpher Kohlenstoff, der reich an sp³-hybridisiertem Kohlenstoff ist (d. h. tetraedisch gebundener Kohlenstoff) einen hohen Widerstand, wohin gegen amorpher Kohlenstoff, der reich an sp²-hybridisiertem Kohlenstoff ist (das heißt trigonal gebundener Kohlenstoff), einen niedrigen Widerstand. Dieser Widerstandsunterschied kann in Widerstandsänderungsspeicherzellen ausgenutzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Kohlenstoffspeicherzelle auf ähnliche Art und Weise ausgebildet, wie oben im Zusammenhang mit den Phasenänderungsspeicherzellen beschrieben wurde. Eine temperaturinduzierte Änderung zwischen einem sp³-reichen Zustand und einem sp³-reichen Zustand kann dazu genutzt werden, den Widerstand von amorphem Kohlenstoffmaterial zu ändern. Diese variierenden Widerstände können genutzt werden, um unterschiedliche Speicherzustände zu darzustellen. Beispielsweise kann ein sp³-reicher Zustand (Hochwiderstandszustand) "Null" repräsentieren, und ein sp²-reicher Zustand (Niedrigwiderstandszustand) "Eins" repräsentieren. Zwischenwiderstandszustände können dazu genutzt werden, mehrere Bits darzustellen, wie oben beschrieben wurde.
Bei diesem Kohlenstoffspeicherzellentyp verursacht die Anwendung einer ersten Temperatur im Allgemeinem einen Übergang, der sp³-reichen amorphen Kohlenstoff in sp²-reichen amorphen Kohlenstoff überführt. Dieser Übergang kann durch die Anwendung einer zweiten Temperatur, die typischerweise höher ist als die erste Temperatur, rückgängig gemacht werden. Wie oben erwähnt wurde, können diese Temperaturen beispielsweise durch Beaufschlagen des Kohlenstoffmaterials mit einem Strompuls und/oder einem Spannungspuls erzeugt werden. Alternativ können die Temperaturen unter Einsatz eines Widerstandsheizelements, das neben dem Kohlenstoffmaterial vorgesehen ist, erzeugt werden.
Eine weitere Möglichkeit, Widerstandsänderungen in amorphem Kohlenstoff zum Speichern von Information zu nutzen, ist das Feldstärken-induzierte Ausbilden eines leitenden Pfades in einem isolierenden amorphen Kohlenstofffilm. Beispielsweise kann das Anwenden eines Spannungspulses oder Strompulses das Ausbilden eines leitenden sp²-Filaments in isolierendem, sp³-reichem amorphem Kohlenstoff bewirken. Die Funktionsweise dieses Widerstandskohlenstoffspeichertyps ist in den 8A und 8B gezeigt.
8A zeigt eine Kohlenstoffspeicherzelle 800, die einen Topkontakt 802, eine Kohlenstoffspeicherschicht 804 mit isolierendem amorphem Kohlenstoffmaterial, das reich an sp³-hybridiesierten Kohlenstoffatomen ist, und einen Bottomkontakt 806 aufweist. Wie in 8B gezeigt ist, kann mittels eines Stroms (oder einer Spannung), der durch die Kohlenstoffspeicherschicht 804 geleitet wird, ein spe-Filament 850 in der sp³-reichen Kohlenstoffspeicherschicht 804 ausgebildet werden, womit der Widerstand der Speicherzelle geändert wird. Das Anwenden eines Strompulses (oder Spannungspulses) mit hoher Energie (oder mit umgekehrter Polarität) kann das sp²-Filament 850 zerstören, womit der Widerstand der Kohlenstoffspeicherschicht 804 erhöht wird. Wie oben diskutiert wurde, können die Änderungen des Widerstands den Kohlenstoffspeicherschicht 804 dazu benutzt werden, Information zu speichern, wobei beispielsweise ein Hochwiderstandszustand „Null", und ein Niedrigwiderstandszustand „Eins" repräsentiert. Zusätzlich können in einigen Ausführungsformen Zwischengrade der Filamentausbildung oder das Ausbilden mehrerer Filamente in sp³-reichen Kohlenstofffilmen genutzt werden, um mehrere variierende Widerstandslevel bereit zu stellen, womit in einer Kohlenstoffspeicherzelle mehrere Informationsbits speicherbar sind. In einigen Ausführungsformen können alternierend sp³-reiche Kohlenstofffschichten und sp²-reiche Kohlenstoffschichten zum Einsatz kommen, wobei die sp³-reichen Schichten das Ausbilden leitender Filamente anregen, so dass die Stromstärken und/oder Spannungsstärken, die zum Schreiben eines Werts in diesen Kohlenstoffspeichertyp zum Einsatz kommen, reduziert werden können.
Die Widerstandsänderungsspeicherzellen wie beispielsweise die Phasenänderungsspeicherzellen und die Kohlenstoffspeicherzellen, die vorangehend beschrieben wurden, können mit einem Transistor, einer Diode oder einem anderen aktiven Element zum Auswählen der Speicherzelle versehen sein. 9A zeigt eine schematische Darstellung einer derartigen Speicherzelle, die ein Widerstandsänderungsspeicherelement benutzt. Die Speicherzelle 900 weist einen Auswahltransistor 902 und ein Widerstandsänderungsspeicherelement 904 auf. Der Auswahltransistor 902 weist einen Source-Abschnitt 906, der mit einer Bitleitung 908 verbunden ist, einen Drainabschnitt 910, der mit dem Speicherelement 904 verbunden ist, und einen Gateabschnitt 912, der mit einer Wortleitung 914 verbunden ist, auf. Das Widerstandsänderungsspeicherelement 904 ist weiterhin mit einer gemeinsamen Leitung 916 verbunden, die geerdet oder mit einer anderen Schaltung verbunden sein kann, wie beispielsweise einer Schaltung (nicht gezeigt) zum Bestimmen des Widerstands der Speicherzelle 900, was bei Lesevorgängen zum Einsatz kommen kann. Alternativ kann in einigen. Konfigurationen eine Schaltung (nicht gezeigt) zum Ermitteln des Zustands der Speicherzellen 900 während des Lesevorgangs mit der Bitleitung 908 verbunden sein.
Wenn in die Speicherzelle 900 beschrieben werden soll, wird die Wortleitung 914 zum Auswählen der Speicherzelle 900 genutzt, und das Widerstandsänderungsspeicherelement 904 wird mit einem Strompuls (oder Spannungspuls) unter Verwendung der Bitleitung 908 beaufschlagt, womit der Widerstand des Widerstandsänderungsspeicherelements 904 geändert wird. Auf ähnliche Art und Weise wird, wenn aus der Speicherzelle 900 gelesen wird, die Wortleitung 914 dazu genutzt, die Zelle 900 auszuwählen, und die Bitleitung 908 wird dazu genutzt, das Widerstandsänderungsspeicherelement 904 mit einer Lesespannung oder einem Lesestrom zu beaufschlagen, um den Widerstand des Widerstandsänderungsspeicherelements 904 zu messen.
Die Speicherzelle 900 kann als 1T1J-Zelle bezeichnet werden, da sie einen Transistor und einen Speicherübergang (das Widerstandsänderungsspeicherelement 904) nutzt. Typischerweise weist eine Speichervorrichtung ein Array auf, das eine Vielzahl derartiger Zellen aufweist. Anstelle einer 1T1J-Speicherzelle können andere Konfigurationen zum Einsatz kommen. Beispielsweise ist in 9B ein alternativer Aufbau einer 1T1J-Speicherzelle 950 gezeigt, in dem ein Auswahltransistor 952 und ein Widerstandänderungsspeicherelement 954 auf andere Art und Weise angeordnet sind, verglichen zu dem in 9A gezeigten Aufbau. In diesem alternativem Aufbau ist das Widerstandsänderungsspeicherelement 954 mit einer Bitleitung 958 sowie mit einem Source-Abschnitt 956 des Auswahltransistors 952 verbunden. Ein Drainabschnitt 960 des Auswahltransistors 952 ist mit einer gemeinsamen Leitung 966 verbunden, die geerdet oder mit einer anderen Schaltung (nicht gezeigt) verbunden sein kann, wie oben diskutiert wurde. Ein Gateabschnitt 962 des Auswahltransistors 952 wird mittels einer Wortleitung 964 gesteuert.
Wie in 10A und 10B gezeigt ist, können Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Temperatursensoren/integrierten Schaltungen in Modulen zum Einsatz kommen. In 10A ist ein Speichermodul 1000 gezeigt, das ein oder meherere Temperatursensoren/integrierte Schaltungen 1004 aufweist, die auf einem Substrat 1002 angeordnet sind. Jede(r) Temperatursensore/integrierte Schaltung 1004 kann mehrere Speicherzellen beinhalten. Das Speichermodul 1000 kann auch ein oder mehrere elektronische Vorrichtungen 1006 aufweisen, die Speicher, Verarbeitungsschaltungen, Steuerschaltungen, Addressschaltungen, Busverbindungsschaltungen oder andere Schaltungen oder elektronische Einrichtungen beinhalten, die mit Speichervorrichtung(en) eines Moduls kombiniert werden können, beispielsweise den Temperatursensoren/integrierten Schaltungen 1004. Weiterhin kann das Speichermodul 1000 eine Mehrzahl elektrischer Verbindungen 1008 aufweisen, die eingesetzt werden können, um das Speichermodul 1000 mit anderen elektronischen Komponenten, beispielsweise anderen Modulen, zu verbinden.
Wie in 10B gezeigt ist, können diese Module stapelbar ausgestaltet sein, um einen Stapel 1050 auszubilden. Beispielsweise kann ein stapelbares Speichermodul 1052 ein oder mehrere integrierte Schaltungen 1056 enthalten, die auf einem stapelbaren Substrat 1054 angeordnet sind. Jede integrierte Schaltung 1056 kann mehrere Speicherzellen enthalten. Das stapelbare Speichermodul 1052 kann auch ein oder mehrere elektronische Vorrichtungen 1058 aufweisen, die Speicher, Verarbeitungsschaltungen, Steuerschaltungen, Addressschaltungen, Busverbindungsschaltungen oder andere Schaltungen oder elektronische Einrichtungen beinhalten, und die mit Speichervorrichtungen eines Moduls kombiniert werden können, beispielsweise mit den integrierten Schaltungen 1056. Elektrische Verbindungen 1060 werden dazu benutzt, um das stapelbare Speichermodul 1052 mit anderen Modulen innerhalb des Stapels 1050 zu verbinden. Andere Module des Stapels 1050 können zusätzliche stapelbare Speichermodule sein, die dem oben beschriebenen stapelbaren Speichermodul 1052 ähneln, oder andere Typen stapelbarer Module sein, beispielsweise stapelbare Verarbeitungsmodule, Kommunikationsmodule, oder Module, die elektronische Komponenten enthalten.
Da die erfindungsgemäßen Ausführungsformen auf programmierbare Metallisierungszellen (PMC's = "programmable metallization cells") wie beispielsweise CBRAM-Vorrichtungen ("conductive bridging random access memory"-Vorrichtungen) anwendbar sind, soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf 1a und 1b ein wichtiges Prinzip erläutert werden, das CBRAM-Vorrichtungen zugrundeliegt.
Eine CBRAM-Zelle weist eine erste Elektrode 1101, eine zweite Elektrode 1102 sowie einen Festkörperelektrolytblock (auch als Ionenleiterblock bekannt) 1103, der zwischen der ersten Elektrode 1101 und der zweiten Elektrode 1102 angeordnet ist, auf. Der Festkörperelektrolytblock kann auch von mehreren Speicherzellen gemeinsam benutzt werden (hier nicht gezeigt). Die erste Elektrode 1101 kontaktiert eine erste Oberfläche 1104 des Festkörperelektrolytblocks 1103, die zweite Elektrode 1102 kontaktiert eine zweite Oberfläche 1105 des Festkörperelektrolytblocks 1103. Der Festkörperelektrolytblock 1103 ist gegenüber seiner Umgebung durch eine Isolationsstruktur 1106 isoliert. Die erste Oberfläche 1104 ist üblicherweise die Oberseite, die zweite Oberfläche 1105 die Unterseite des Festkörperelektrolytblocks 1103. Die erste Elektrode 1101 ist üblicherweise die obere Elektrode, die zweite Elektrode 1102 die untere Elektrode der CBRAM-Zelle. Eine der ersten und zweiten Elektrode 1101, 1102 ist eine reaktive Elektrode, die jeweils andere eine inerte Elektrode. Beispielsweise ist die erste Elektrode 1101 die reaktive Elektrode, und die zweite Elektrode 1102 die inerte Elektrode.
In diesem Fall kann die erste Elektrode 1101 beispielsweise aus Silber (Ag), der Festkörperelektrolytblock 1103 aus Chalkogenid-Material, und die Isolationsstruktur 1106 aus SiO₂. oder Si₃N₄ bestehen. Die zweite Elektrode 1102 kann alternativ oder zusätzlich Nickel (Ni), Platin (Pt), Iridium (Ir), Rhenium (Re), Tantal (Ta), Titan (Ti), Ruthenium (Ru), Molybdän (Mo), Vanadium (V), leitende Oxide, Silizide sowie Nitride der zuvor erwähnten Materialien beinhalten, und kann weiterhin Legierungen der zuvor erwähnten Materialien beinhalten. Die Dicke des Ionenleiterblocks 1103 kann beispielsweise 5 nm bis 500 nm betragen. Die Dicke der ersten Elektrode 1101 kann beispielsweise 10 nm bis 100 nm betragen. Die Dicke der zweiten Elektrode 1102 kann beispielsweise 5 nm bis 500 nm, 15 nm bis 150 nm, oder 25 nm bis 100 nm betragen. Die Ausführungsformen der Erfindung sind nicht auf die oben erwähnten Materialien und Dicken beschränkt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist unter Chalkogenid-Material (allgemeiner: das Material des Ionenleiterblocks 1103) eine Verbindung zu verstehen, die Sauerstoff, Schwefel, Selen, Germanium und/oder Tellur aufweist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist Chalkogenid-Material eine Verbindung aus einem Chalkogenid und zumindest einem Metall der Gruppe I oder Gruppe II des Periodensystems, beispielsweise Arsen-Trisulfid-Silber. Alternativ enthält das Chalkogenid-Material Germaniumsulfid (GeS_x), Germaniumselenid (GeSe_x), Wolframoxid (WO_x), Kupfersulfid (CuS_x) oder ähnliches. Weiterhin kann das Chalkogenid-Material Metallionen enthalten, wobei die Metallionen ein Metall sein können, das aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Silber, Kupfer und Zink besteht oder aus einer Kombination oder einer Legierung dieser Metalle. Der Ionenleiterblock 1103 kann aus Festkörperelektrolytmaterial bestehen.
Wenn eine Spannung über dem Festkörperelektrolytblock 1103 abfällt, wie in 11a angedeutet ist, wird eine Redoxreaktion in Gang gesetzt, die Ag⁺-Ionen aus der ersten Elektrode 1101 heraus löst und in den Festkörperelektrolytblock 1103 hinein treibt, wo diese zu Silber reduziert werden. Auf diese Art und Weise werden silberhaltige Cluster 1108 in dem Festkörperelektrolytblock 1103 ausgebildet. Wenn die Spannung über dem Festkörperelektrolytblock 1103 lange genug abfällt, erhöht sich die Größe und die Anzahl der silberreichen Cluster innerhalb des Festkörperelektrolytblocks 1103 so stark, dass eine leitende Brücke (leitender Pfad) 1107 zwischen der ersten Elektrode 1101 und der zweiten Elektrode 1102 ausgebildet wird. Wenn die in 11b gezeigte Spannung über dem Festkörperelektrolytblock 1103 abfällt (inverse Spannung verglichen zu der in 11a dargestellten Spannung), wird eine Redoxreaktion in Gang gesetzt, die Ag⁺-Ionen aus dem Festkörperelektrolytblock 1103 hinaus zur ersten Elektrode 1101 treibt, an der diese zu Silber reduziert werden. Damit wird die Größe und die Anzahl silberreicher Cluster 1108 innerhalb des Festkörperelektrolytblocks 1103 verringert. Erfolgt dies lange genug, wird die leitende Brücke 1107 gelöscht.
Um den momentanen Speicherzustand der CBRAM-Zelle festzustellen, wird ein Messstrom durch die CBRAM-Zelle geleitet. Der Messstrom erfährt einen hohen Widerstand, wenn in der CBRAM-Zelle keine leitende Brücke 1107 ausgebildet ist, und erfährt einen niedrigen Widerstand, wenn in der CBRAM-Zelle eine leitende Brücke 1107 ausgebildet ist. Ein hoher Widerstand repräsentiert beispielsweise logisch "0", wohingegen ein niedriger Widerstand logisch "1" repräsentiert, oder umgekehrt. Anstelle eines Messtroms kann auch eine Messpannung zum Einsatz kommen.
In der folgenden Beschreibung sollen weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Temperatursensor bereitgestellt, der das akkumulierte Temperaturbudget, dem der Temperatursensor ausgesetzt worden ist, in elektronisch lesbare Form zur Verfügung stellt. Der Temperatursensor ändert seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur, wobei die höchste Temperatur und/oder die Dauer der Temperatur als Widerstandswert detektierbar sind. Der Temperatursensor kann in einen typischen Halbleiterherstellungsprozess integriert werden. Des Weiteren ist der Temperatursensor skalierbar, das heißt es ist möglich, einen On-Chip-Temperatursensor oder einen diskreten (eigenständigen) Temperatursensor herzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Temperatursensor auf dem Gebiet der Speicherchipprodukte oder der Logikchipprodukte eingesetzt werden. Die Ausführungsformen der Erfindung können beispielsweise auf dem Gebiet "known-good-die" eingesetzt werden. In diesem Fall ist es dem Hersteller möglich, die Temperatur zu bestimmen, der ein Chip ausgesetzt war (beispielsweise durch Löten, Ronden, die Temperatur der flüssigen Einschlussmasse, etc.), wobei das Bestimmen der angewandten Temperatur beispielsweise ausgeführt werden kann, indem in einen Testmodus geschaltet wird und ein externer oder interner Text durchgeführt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Temperatursensor zurückgesetzt werden ("reset"), indem eine geeignete Spannung oder ein geeigneter Strom eingesetzt wird. Von den so erhaltenen Daten kann abgeleitet werden, ob sich das angewandte Temperaturbudget innerhalb eines Spezifikationsbereichs des Chips bewegt hat oder nicht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Temperatursensor dazu im Stande, die akkumulative Temperatur über eine lange Zeitdauer hinweg zu messen. In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Temperatursensor ein Metall auf (inerte Kathode, beispielsweise Au, W, Ti, TiN, Pt, Ta, TaN, C, etc.), auf die ein elektrisches, nicht leitfähiges Material abgeschieden wird, das nanoporös ist. Ein Metall (reaktive Anode, beispielsweise Silber, Kupfer oder Aluminium) wird auf dem nanoporösen Material abgeschieden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung basiert die Funktion des Temperatursensors auf der Tatsache, dass der Silberdiffusionskoeffizient eine Funktion der Temperatur in mehreren nanoporösen Materialien ist. Das Silber, das in die nanoporöse Matrix eindiffundiert, reduziert den Widerstand zwischen Metallelektroden, zwischen denen das nanoporöse Material angeordnet ist, wobei der Widerstand ein Maß für das Temperaturbudget ist, dem der Temperatursensor (und damit die integrierte Schaltung, die den Temperatursensor beinhaltet) ausgesetzt worden ist seit dem letzten Reset (Zurücksetzen) des Temperatursensors. In diesem Fall bildet die Anode ein Silberreservoir, von dem aus der Silbergradient, der sich über die nanoporöse Matrix erstreckt, beginnt. Als poröse Matrix können Chalcogenidgläser, Dielektrika, beispielsweise Kohlenstoff-dotiertes SiO₂ und alle anderen isolierenden Materialien/Dielektrika verwendet werden. Der Temperaturlesebereich kann beeinflusst werden/definiert werden, indem ein geeignetes nanoporöses Material gewählt wird, und indem eine spezielle Art und Weise gewählt wird, wie das nanoporöse Material hergestellt wird. Weiterhin spielt die Art des Diffusionsmaterials (beispielsweise Metallatome) sowie die Konzentration davon eine Rolle.

100: Temperatursensor
101: erste Elektrode
102: zweite Elektrode
103: nanoporöses Material
104: Diffusionsmaterial
300: Temperatursensor
301: erste Elektrode
302: zweite Elektrode
303: Isolationsschicht
304: Plug
305: nanoporöses Material
306: leitendes Material
307: nanoporöses Material
400: Temperatursensor
600: Speichermodul
602: Substrat
604: Speichervorrichtung/Speicherzelle/integrierte Schaltung
606: elektronische Vorrichtung
608: elektrische Verbindung
650: Stapel
652: Speichermodul
654: Substrat
656: Speichervorrichtung
658: elektronische Vorrichtung
660: elektrische Verbindung
700: Phasenänderungsspeicherzelle
702: erste Elektrode
704: Phasenänderungsmaterial
706: zweite Elektrode
708: Isoliermaterial
800: Speichervorrichtung
802: Schreibpulserzeuger
804: Verteilungsschaltung
806: Phasenänderungsspeicherzelle
900: Kohlenstoffspeicherzelle
902: Topkontakt
904: Kohlenstoffspeicherschicht
906: Bottomkontakt
950: Filament
1000: Speicherzelle
1002: Auswahltransistor
1004: Widerstandsänderungsspeicherelement
1006: Source
1008: Bitleitung
1010: Drain
1012: Gate
1014: Wortleitung
1016: gemeinsame Leitung
1050: Speicherzelle
1052: Auswahltransistor
1054: Widerstandsänderungsspeicherelement
1056: Source
1058: Bitleitung
1060: Drain
1062: Gate
1064: Wortleitung
1066: gemeinsame Leitung
1100: CBRAM-Zelle
1101: erste Elektrode
1102: zweite Elektrode
1103: Festkorperelektrolytblock
1104: erste Oberfläche
1105: zweite Oberfläche
1106: Isolationsstruktur
1107: Leitungsbrücke
1108: Cluster

Claims

Temperatursensor, mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode, nanoporösem Material, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und Diffusionsmaterial, das außerhalb des nanoporösen Materials angeordnet ist, und das in das nanoporöse Material diffundieren kann, – wobei die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, abhängig ist von der Temperatur, welcher der Temperatursensor ausgesetzt ist, und – wobei der Widerstand des nanoporösen Materials abhängig ist von der Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert.
Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei die Menge des Diffusionsmaterials, die in das nanoporöse Material diffundiert, abhängig ist von der Höhe der Temperatur einer Temperaturbehandlung, der der Temperatursensor unterzogen wird.
Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, abhängig ist von der Dauer einer Temperaturbehandlung, der der Temperatursensor ausgesetzt ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, proportional ist zur akkumulativen Temperatur, der der Temperatursensor ausgesetzt wird.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Elektrode eine reaktive Elektrode, und die zweite Elektrode eine inerte Elektrode ist.
Temperatursensor nach Anspruch 5, wobei das Diffusionsmaterial Material ist, das sich innerhalb der reaktiven Elektrode befindet.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Diffusionsmaterial leitendes Material aufweist oder daraus besteht, und wobei das nanoporöse Material isolierendes Material aufweist oder daraus besteht.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das nanoporöse Material Chalcogenidglas aufweist oder daraus besteht.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das nanoporöse Material dielektrisches Material aufweist oder daraus besteht.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das nanoporöse Material Kohlenstoff-dotiertes SiO₂ aufweist oder daraus besteht.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die reaktive Elektrode eine Metallschicht mit einem großen Diffusionskoeffizienten ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei die reaktive Elektrode Silber, Kupfer oder Aluminium aufweist oder daraus besteht.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei die inerte Elektrode Gold, Wolfram, Titan, Titannitrid, Platin, Tantal, Tantalnitrid oder Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das nanoporöse Material als nanoporöse Materialschicht ausgestaltet ist, und die erste Elektrode als Elektrodenschicht ausgestaltet ist, wobei die nanoporöse Materialschicht die gleichen lateralen Ausmaße aufweist wie die der ersten Elektrodenschicht.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das nanoporöse Material in einen Plug gefüllt ist, der innerhalb einer Isolationsschicht ausgebildet ist, wobei die Isolationsschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, und wobei der Plug die erste Elektrodenschicht mit der zweiten Elektrodenschicht verbindet.
Integrierte Schaltung mit einem Temperatursensor, wobei der Temperatursensor aufweist: Eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, nanoporöses Material, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und Diffusionsmaterial, das sichaußerhalb des nanoporösen Materials befindet, jedoch in das nanoporöse Material hinein diffundieren kann in Abhängigkeit der Temperatur, der der Temperatursensor ausgesetzt ist, wobei der Widerstand des nanoporösen Materials abhängig ist von der Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei die integrierte Schaltung Widerstandsänderungsspeicherzellen aufweist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 17, wobei die integrierte Schaltung programmierbare Metallisierungsspeicherzellen aufweist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei die integrierte Schaltung Festkörperelektrolytspeicherzellen aufweist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die integrierte Schaltung Phasenänderungsspeicherzellen aufweist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die integrierte Schaltung magnetoresistive Speicherzellen aufweist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die integrierte Schaltung Kohlenstoffspeicherzellen aufweist.
Speichermodul mit wenigstens einer integrierten Schaltung, die einen Temperatursensor aufweist, wobei der Temperatursensor aufweist: Eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, nanoporöses Material, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und Diffusionsmaterial, das außerhalb des nanoporösen Materials angeordnet ist; – wobei die Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert, abhängig ist von der Temperatur, der der Temperatursensor ausgesetzt wird, und – Wobei der Widerstand des nanoporösen Materials abhängig ist von der Menge an Diffusionsmaterial, die in das nanoporöse Material diffundiert.
Speichermodul nach Anspruch 23, wobei der Speichermodul stapelbar ist.
Verfahren zum Sammeln von Temperaturbehandlungsdaten, mit: – Wärmebehandeln einer Verbundsstruktur mit einer nanoporösen Materialschicht und einer Diffusionsmaterialschicht, die auf oder oberhalb der nanoporösen Materialschicht angeordnet ist, derart, das Diffusionsmaterial aus der Diffusionsmaterialschicht hinaus in die nanoporöse Materialschicht hinein diffundiert; – Bestimmen der Menge von Diffusionsmateral, die in die nanoporöse Materialschicht hinein diffundiert; und – Bestimmen von Wärmebehandlungsdaten in Abhängigkeit der Menge an Diffusionsmaterial, ermittelt wurde.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Wärmebehandlungsdaten Akkumulativtemperaturdaten aufweisen, die den Verlauf der Temperatur repräsentieren, der die Verbundsstruktur ausgesetzt war.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26, wobei die Wärmebehandlungsdaten ermittelt werden in Abhängigkeit der Stärke einer Widerstandsänderung des nanoporösen Materials, das durch eine Konzentrationsänderung des Diffusionsmaterials innerhalb des nanoporösen Materials verursacht wird.