DE102017000743A1 - Nanopartikelmatrix für 3d nvm rram - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine Nanopartikelmatrix in einer 3D-NVM-RRAM-Vorrichtung. Die RRAM-Vorrichtung verwendet ein Material, das in Kanälen mit hohem Seitenverhältnis abgeschieden werden kann, eine gute Zyklusfähigkeit, kurze Lösch- und Schreibzeiten und Schreib/Löschspannungen aufweist, die mit CMOS kompatibel sind. Das RRAM-Material ist zwischen zwei Elektroden der Vorrichtung angeordnet und weist leitfähige Nanopartikel auf, die innerhalb einer isolierenden Matrix verteilt sind. Die Partikel sind unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt.

Description

  • HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
  • Gebiet der Offenbarung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen allgemein eine Menge von Nanopartikeln, die in einer nichtflüchtigen 3D-Speicher(engl. Non-Volatile Memory – NVM)-Resistive-Random-Access-Memory(RRAM)-Vorrichtung verteilt sind.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Heutzutage gibt es eine Anzahl unterschiedlicher Speichertechnologien zum Speichern von Informationen zur Verwendung in Rechensystemen. Diese verschiedenen Speichertechnologien können allgemein in zwei Hauptkategorien, flüchtiger Speicher und nichtflüchtiger Speicher, unterteilt werden. Als flüchtiger Speicher können allgemein Typen von Rechnerspeicher bezeichnet werden, die Leistung erfordern, um gespeicherte Daten zu behalten. Als nichtflüchtiger Speicher können hingegen allgemein Typen von Rechnerspeicher bezeichnet werden, die keine Leistung erfordern, um gespeicherte Daten zu behalten. Beispiele für Typen von flüchtigem Speicher weisen bestimmte Typen von Random Access Memory (RAM) auf, wie beispielsweise dynamischen RAM (DRAM) und statischen RAM (SRAM). Beispiele für Typen von nichtflüchtigem Speicher weisen Read-Only Memory (ROM), Flash-Speicher, wie beispielsweise NOR- und NAND-Flash usw., auf.
  • In den letzten Jahren bestand eine Nachfrage nach Vorrichtungen mit höherer Dichte (Kapazität), die relativ niedrige Kosten pro Bit aufweisen, zur Verwendung in Speicheranwendungen mit hoher Kapazität. Heute sind die Speichertechnologien, die in der Rechenindustrie allgemein vorherrschen, DRAM und NAND-Flash; es kann indes sein, dass diese Speichertechnologien nicht in der Lage sind, die gegenwärtigen und zukünftigen Kapazitätsanforderungen von Rechensystemen der nächsten Generation zu erfüllen.
  • In letzter Zeit hat eine Anzahl aufkommender Technologien eine zunehmende Aufmerksamkeit als potenzielle Kandidaten für den Speichertyp der nächsten Generation geweckt. Einige dieser aufkommenden Technologien weisen Phase Change Memory (PCM), Resistive RAM (sowohl unter der Abkürzung ReRAM als auch RRAM bekannt) und andere auf. RRAM, der mit PCM insofern einige Ähnlichkeiten gemein hat, als dass sie beide über Mechanismen arbeiten, die einen zustandsabhängigen Widerstand aufweisen, ist auch ein Typ von nichtflüchtiger Speichertechnologie, die allgemein Daten unter Verwendung von Änderungen beim elektrischen Widerstand speichert.
  • Jede dieser verschiedenen aufkommenden Speichertechnologien kann ein ernst zu nehmender Kandidat für die Verdrängung von NOR- und NAND-Flash-Speicher in Festkörperspeicheranwendungen und, im Fall von NAND-Flash, Solid-State Drives (SSDs) sein. Von daher kann es wünschenswert sein, Techniken bereitzustellen, die verwendet werden können, um eine höhere Kapazität in nichtflüchtigem Speicher bei gleichzeitiger Minimierung der Kosten pro Bit zu erzielen.
  • KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine Nanopartikelverteilung in einer 3D-NVM-RRAM-Vorrichtung. Die RRAM-Vorrichtung verwendet ein Material, das in Kanälen mit hohem Seitenverhältnis abgeschieden werden kann, eine gute Zyklusfähigkeit, kurze Lösch- und Schreibzeiten und Schreib/Löschspannungen aufweist, die mit CMOS kompatibel sind. Das RRAM-Material ist zwischen zwei Elektroden der Vorrichtung angeordnet und weist leitfähige Nanopartikel auf, die innerhalb einer isolierenden Matrix verteilt sind. Die Partikel sind räumlich unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt.
  • In einer Ausführungsform weist eine nichtflüchtige Speichervorrichtung Folgendes auf: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; und ein erstes Speichermaterial, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei das erste Speichermaterial ein isolierendes Material aufweist, das mehrere elektrisch leitfähige Nanopartikel aufweist, die innerhalb des isolierenden Materials verteilt sind, wobei die Nanopartikel räumlich auf eine Art und Weise verteilt sind, die derart ist, dass eine wesentliche Anzahl der Partikel unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt ist, und wobei die elektrisch leitfähigen Nanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus den Metallen Palladium Rhodium, Ruthenium, Platin, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Zirconium, Vanadium und Legierungen davon besteht.
  • In einer anderen Ausführungsform weist eine nichtflüchtige Speichervorrichtung Folgendes auf: ein Substrat; eine erste isolierende Schicht, die über dem Substrat angeordnet ist; eine erste Elektrodenschicht, die auf der ersten isolierenden Schicht angeordnet ist; eine zweite isolierende Schicht, die auf der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist; eine zweite Elektrodenschicht, die auf der zweiten isolierenden Schicht angeordnet ist; eine dritte isolierende Schicht, die auf der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, wobei eine Durchkontaktierung oder ein Graben durch die dritte isolierende Schicht, die zweite Elektrodenschicht, die zweite isolierende Schicht, die erste Elektrodenschicht und die erste isolierende Schicht gebildet ist, um einen Abschnitt des Substrats freizulegen; eine Speichermaterialschicht, die innerhalb der Durchkontaktierung oder des Grabens angeordnet ist, wobei das Speichermaterial ein isolierendes Material aufweist, das mehrere metallische Nanopartikel aufweist, die innerhalb des isolierenden Materials verteilt sind, wobei eine Mehrheit der Nanopartikel unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt ist und wobei die metallischen Nanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht; und mindestens eine obere Elektrode, die auf der Speichermaterialschicht angeordnet ist.
  • In einer anderen Ausführungsform weist ein Verfahren zur Herstellung einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung Folgendes auf: Abscheiden eines Speichermaterials über einer ersten Elektrode, wobei das erste Speichermaterial ein isolierendes Material aufweist, das mehrere metallische Nanopartikel aufweist, die innerhalb des isolierenden Materials verteilt sind, wobei eine Mehrheit der Nanopartikel unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt ist, und wobei die metallischen Nanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht; und wobei das Abscheiden Atomlagenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung aufweist; und Bilden einer zweiten Elektrode über dem Speichermaterial.
  • In einer anderen Ausführungsform weist eine nichtflüchtige 3D-Speichervorrichtung Folgendes auf: mehrere leitfähige Schichten, die sich mit mehreren isolierenden Schichten abwechseln, wobei die mehreren leitfähigen Schichten und die mehreren isolierenden Schichten über einem Substrat angeordnet sind, wobei eine Durchkontaktierung oder ein Graben durch die mehreren leitfähigen Schichten und die mehreren isolierenden Schichten gebildet ist, um das Substrat freizulegen; ein Speichermaterial, das innerhalb der Durchkontaktierung oder des Grabens entlang den mehreren leitfähigen Schichten und den mehreren isolierenden Schichten angeordnet ist, wobei das Speichermaterial ein isolierendes Material aufweist, das mehrere metallische Nanopartikel aufweist, die innerhalb des isolierenden Materials verteilt sind, wobei die Nanopartikel unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt sind und wobei die metallischen Nanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht; und mehrere Elektroden, die auf dem Speichermaterial angeordnet sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Zum detaillierten Verständnis der vorhergehend angeführten Merkmale der vorliegenden Offenbarung erfolgt eine genauere Beschreibung der vorhergehend kurz zusammengefassten Offenbarung unter Bezugnahme auf Ausführungsformen, von denen einige in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Es sei indes erwähnt, dass die beigefügten Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen dieser Offenbarung veranschaulichen und aus diesem Grund nicht als ihren Schutzbereich einschränkend zu betrachten sind, da die Offenbarung andere gleichermaßen wirksame Ausführungsformen zulassen kann.
  • 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Querschnitts einer Speichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
  • 2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Querschnitts einer 3D-Speichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
  • 3 ist eine schematische isometrische Veranschaulichung einer 3D-Speichervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform.
  • 4 ist eine schematische isometrische Veranschaulichung einer 3D-Speichervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform.
  • Zur Vereinfachung des Verständnisses wurden, wo möglich, identische Bezugszeichen verwendet, um identische Elemente zu bezeichnen, die den Figuren gemein sind. Es wird ins Auge gefasst, dass Elemente, die in einer Ausführungsform offenbart sind, auf vorteilhafte Weise in anderen Ausführungsformen verwendet werden können, ohne dass dies erneut spezifisch erwähnt wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der Folge wird auf Ausführungsformen der Offenbarung verwiesen. Es versteht sich indes, dass die Offenbarung nicht auf spezifische beschriebene Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen wird eine beliebige Kombination der folgenden Merkmale und Elemente, unabhängig davon, ob sie unterschiedliche Ausführungsformen betreffen oder nicht, zur Ausführung und Umsetzung der Offenbarung in die Praxis ins Auge gefasst. Ferner wird, obgleich Ausführungsformen der Offenbarung Vorteile gegenüber anderen möglichen Lösungen und/oder dem Stand der Technik erzielen können, die Tatsache, ob ein bestimmter Vorteil durch eine gegebene Ausführungsform erreicht wird oder nicht, die Offenbarung nicht einschränken. Daher sind die folgenden Gesichtspunkte, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile lediglich veranschaulichend und werden, außer, wo dies ausdrücklich in (einem) Anspruch/Ansprüchen angegeben wird, nicht als Elemente oder Einschränkungen der beigefügten Ansprüche betrachtet. Ebenso ist die Bezugnahme auf „die Erfindung” nicht als eine Verallgemeinerung eines hier offenbarten Erfindungsgegenstands zu verstehen und ist, außer, wo dies ausdrücklich in (einem) Anspruch/Ansprüchen angegeben wird, nicht als ein Element oder eine Einschränkung der beigefügten Ansprüche zu betrachten.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine Nanopartikelmatrix in einer 3D-NVM-RRAM-Vorrichtung. Die RRAM-Vorrichtung verwendet ein Material, das in Kanälen mit hohem Seitenverhältnis abgeschieden werden kann, eine gute Zyklusfähigkeit, kurze Lösch- und Schreibzeiten und Schreib/Löschspannungen aufweist, die mit CMOS kompatibel sind. Das RRAM-Material ist zwischen zwei Elektroden der Vorrichtung angeordnet und weist leitfähige Nanopartikel auf, die innerhalb einer isolierenden Matrix verteilt sind. Eine Mehrheit der Nanopartikel ist unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt.
  • 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Querschnitts einer Speichervorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Speichervorrichtung 100 weist eine erste Elektrode 102 und eine zweite Elektrode 104 auf. Ein Speichermaterial, wie beispielsweise eine RRAM-Materialschicht 106, ist zwischen den Elektroden 102, 104 angeordnet. Zwischen den Elektroden 102, 104 und der RRAM-Materialschicht 106 können Keimbildungsschichten 108, 110 vorhanden sein. In einer Ausführungsform weisen die Elektroden 102, 104 elektrisch leitfähige Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium, Molybdän, Platin, Tantal und Legierungen davon, auf.
  • Die Keimbildungsschichten 108, 110 können aus dem gleichen Material wie das Material der Partikel 114 hergestellt sein. Die Keimbildungsschicht weist eine Flächentopographie auf, die eine Oberflächenrauheit aufweisen kann, die auf einer Fläche senkrecht zu einer Grenzfläche mit der ersten Elektrode höher ist als an einer Fläche, die mit der ersten Elektrode in Kontakt ist, oder die Keimbildungsschicht kann eine hohe Dichte an Defekten in der Fläche aufweisen. Die Keimbildungsschicht kann aus anderen Materialien bestehen, die eine Oberflächenenergie aufweisen, die niedriger ist als die Oberflächenenergie des Materials der Partikel 114.
  • Die RRAM-Materialschicht 106 weist eine isolierende Matrix 112 mit mehreren darin angeordneten Nanopartikeln 114 auf. In einer Ausführungsform weist die isolierende Matrix 112 isolierendes Material auf, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiOx, SiNx, AlOx, AlNx, TiNx, TiOx, TaOx, TaNx, WOx, WNx, ZrOx und HfOx, komplexen Metalloxiden, komplexen Nitriden und komplexen Oxinitriden besteht. Die Nanopartikel 114 können metallische Nanopartikel aufweisen, die elementare Metalle sind. Die elementaren Metalle können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Palladium, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium, Molybdän, Platin, Tantal und Legierungen davon besteht.
  • Die Legierung von Nanopartikeln 114 kann sowohl aus metallischen Elementen bestehen als auch zusätzlich weniger elektrisch leitfähige Elemente enthalten. Beispiele für diese weniger elektrisch leitfähigen Elemente, die Teil der Legierung sein können, schließen Silizium, Germanium, Bor, Stickstoff und Sauerstoff ein. Die Zusammensetzung der Nanopartikel kann gleichförmig sein oder räumlich durch den Nanopartikel variieren. Die räumliche Verteilung der Zusammensetzung kann regelmäßig oder radial abhängig oder nicht durch die Dicke des Nanopartikels gleichförmig sein. Die Nanopartikel können eine Zusammensetzung oder Eigenschaften an der Fläche des Nanopartikels aufweisen, die sich von der Zusammensetzung oder den Eigenschaften im Inneren des Nanopartikels unterscheiden. Metallische und/oder weniger elektrisch leitfähige Elemente können eine Beschichtung auf den Nanopartikeln bilden, deren Zusammensetzung sich vom Inneren des Nanopartikels unterscheidet. Die Nanopartikel können eine Vielzahl geometrischer Formen aufweisen und die Form kann sich von Nanopartikel zu Nanopartikel unterscheiden und variieren. Die Matrix in der Nähe der Nanopartikel 114 kann einen hohen oder einen niedrigen Widerstand für verschiedene Speicherzustände aufweisen. Die Nanopartikel 114 sind innerhalb der isolierenden Matrix 112 verteilt, wobei eine Mehrheit der Nanopartikel räumlich unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt ist.
  • Die Perkolationsschwelle ist die niedrigste Anzahl von Partikeln, die erforderlich ist, um ein Perkolationsnetzwerk zu bilden, und ein Perkolationsnetzwerk ist eine Netzwerkstruktur, in der Partikeleinheiten zufällig angeordnet und dennoch miteinander verbunden sind. Für die Perkolationsschwelle ist die Schwelle ein Anteil an Nanopartikelstellen in einer Anordnung von möglichen Nanopartikelstellen, die mit Nanopartikeln gefüllt sind, um einen durchgehenden Pfad von benachbarten Nanopartikeln zu erzeugen, der sich von einer Seite einer Struktur (in diesem Fall der Schicht 106) zu einer anderen Seite der Struktur erstreckt, wobei die Nanopartikelstellen auf zufällige Art und Weise gefüllt sind.
  • Die vorhergehende Beschreibung betrifft eine allgemeine RRAM-Struktur. Es versteht sich, dass die allgemeine RRAM-Struktur auf andere RRAM-Vorrichtungen, wie diejenigen, die in der Folge beschrieben sind, anwendbar sein kann.
  • 2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Querschnitts einer 3D-Speichervorrichtung 200 gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung 200 weist ein Substrat 202 und sich abwechselnde isolierende Schichten 204 und leitfähige Schichten 206 auf. Die leitfähigen Schichten 206 werden während des Betriebs der Vorrichtung 200 als Elektroden wirken. Das Substrat 202 kann irgendein zweckmäßiges Material, wie beispielsweise Silizium, Glas, Kunststoff oder irgendein zweckmäßiges Halbleitermaterial, aufweisen. Ferner versteht sich, dass das Substrat 202 mehrere Schichten, wie beispielsweise ein CMOS-Substrat, aufweisen kann. Der Einfachheit des Verständnisses halber wurde eine einzige Schicht gezeigt.
  • Die sich abwechselnden isolierenden Schichten 204 und leitfähigen Schichten 206 können aufeinanderfolgend unter Verwendung gut bekannter Techniken, wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung (engl. Chemical Vapor Deposition – CVD), plasmaunterstützte CVD (Plasma Enhanced CVD – PECVD), Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition – ALD), physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition – PVD), Elektroplattierung (im Fall der leitfähigen Schicht 206), stromlose Plattierung (im Fall der leitfähigen Schicht 206) oder andere zweckmäßige Abscheidungstechniken, abgeschieden werden. Zweckmäßige Materialien, die für die isolierenden Schichten 204 verwendet werden können, weisen SiOx, SiNx, AlOx, AlNx, TiNx, TiOx, TaOx, TaNx, WOx, WNx, ZrOx und HfOx auf, wobei x angibt, dass die Zusammensetzung stöchiometrisch oder nicht stöchiometrisch sein kann. Zweckmäßige Materialien weisen komplexe Oxide und Nitride, die mehr als ein Element zusätzlich zu Sauerstoff oder Stickstoff aufweisen, und Oxinitride auf, die sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff sowie ein oder mehrere zusätzliche Elemente aufweisen. Zum Beispiel kann die isolierende Matrix SiOxNy, TaOxNy, TazSiwOxNy und andere Systeme mit mehreren Elementen sein, wobei x, y, z und w die Zusammensetzung angeben. Es wird ins Auge gefasst, dass andere isolierende Materialien, die typischerweise in CMOS-Strukturen verwendet werden, für die isolierenden Schichten 204 verwendet werden können. ALD und CVD eignen sich besonders gut zur Abscheidung von Materialien in oder auf Merkmalen mit hohem Seitenverhältnis, wie beispielsweise für 3D-Speicherstrukturen. Die leitfähigen Schichten 206 können elektrisch leitfähige Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium, Molybdän, Platin, Tantal und Legierungen davon, aufweisen.
  • Im Anschluss an die Bildung der sich abwechselnden isolierenden Schichten 204 und leitfähigen Schichten 206 kann eine Durchkontaktierung oder ein Graben 208 dort hindurch gebildet werden, um das Substrat 202 freizulegen. Danach kann die RRAM-Materialschicht 210 innerhalb der Durchkontaktierung oder des Grabens 208 abgeschieden werden. In einer Ausführungsform kann eine Keimbildungsschicht (nicht gezeigt) vor der Abscheidung der RRAM-Materialschicht 210 in die Durchkontaktierung oder den Graben 208 abgeschieden werden. Die RRAM-Materialschicht 210 kann aufgrund des hohen Seitenverhältnisses der Durchkontaktierung oder des Grabens 208 durch ALD abgeschieden werden. In einer Ausführungsform kann das Seitenverhältnis 10:1 oder mehr betragen und kann einen Teil einer 3D-Speicherstruktur bilden. Die RRAM-Materialschicht 210 weist die isolierende Matrix 112 mit den darin angeordneten mehreren Nanopartikeln 114 auf, wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 1 erörtert. Über der RRAM-Materialschicht 210 sind Elektroden 212 gebildet. Die Elektroden 212 können elektrisch leitfähige Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium, Platin, Tantal und Legierungen davon, aufweisen.
  • 3 ist eine schematische isometrische Veranschaulichung einer 3D-Speichervorrichtung 300 gemäß einer anderen Ausführungsform. Wie in 3 gezeigt, ist ein Graben 304 innerhalb der sich abwechselnden isolierenden Schichten 204 und leitfähigen Schichten 206 vorhanden. Es sind Elektroden 320 vorhanden, die sich von der Oberseite des Grabens 304 zum Boden des Grabens 304 erstrecken. Es wird ins Auge gefasst, dass die Elektroden 302 sich horizontal entlang des Grabens 304 erstrecken können. Die Elektroden 302 können elektrisch leitfähige Materialien, wie Kupfer, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium, Platin, Tantal und Legierungen davon, aufweisen.
  • 4 ist eine schematische isometrische Veranschaulichung einer 3D-Speichervorrichtung 400 gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Vorrichtung 400 weist erste Elektroden 402A bis 402E, zweite Elektroden 404A bis 404D und Speicherelemente 406 auf. Die Speicherelemente 406 weisen die isolierende Matrix 112 mit den darin angeordneten mehreren Nanopartikeln 114 auf, wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 1 erörtert.
  • Die ersten Elektroden 402A bis 402E sind alle in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander. Umgekehrt sind die zweiten Elektroden 404A bis 404D in einer Ebene angeordnet, die sich von der Ebene unterscheidet, in der die ersten Elektroden 402A bis 402E liegen. Die zweiten Elektroden 404A bis 404D sind indes ähnlich wie die ersten Elektroden 402A bis 402E in einer gemeinsamen zweiten Ebene angeordnet und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander. Die zweiten Elektroden 404A bis 404D erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu den ersten Elektroden 402A bis 402E. Sowohl die ersten Elektroden 402A bis 402E als auch die zweiten Elektroden 404A bis 404D können elektrisch leitfähige Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium, Platin, Tantal und Legierungen davon, aufweisen.
  • Wie in 4 gezeigt, sind die Speicherelemente 406 im Wesentlichen senkrecht zu sowohl den ersten Elektroden 402A bis 402E als auch den zweiten Elektroden 404A bis 404D. Die in 4 gezeigte 3D-Anordnung ermöglicht den Zugriff auf die einzelnen Speicherelemente 406. Zum Beispiel wird durch Anlegen eines Stroms an die Elektroden 402A und 404A auf ein einzelnes Speicherelement 406A zugegriffen. Auf ähnliche Weise wird durch Anlegen von Strom an die Elektroden 402B und 404C auf das Speicherelement 406B zugegriffen.
  • Das in den hier beschriebenen 3D-Vorrichtungen verwendete Speichermaterial ist vorteilhaft zum Erreichen einer höheren Kapazität im nichtflüchtigen Speicher bei gleichzeitiger Minimierung der Kosten pro Bit. Die Verwendung von Material, das sowohl einen hohen als auch einen niedrigen Widerstand aufweist, ermöglicht einen hohen und einen niedrigen Speicherzustand. Die Materialien für das isolierende Material, die Materialien und Zusammensetzungen der Nanopartikel und die räumliche Abhängigkeit der Zusammensetzung der Nanopartikel einschließlich gegebenenfalls vorhandener Flächenbeschichtungen auf den Nanopartikeln beeinflussen alle die elektrische Abstimmung der Speichermaterialschicht. So kann die Speichermaterialschicht spezifisch an die Bedürfnisse des Benutzers angepasst werden. Ferner wird ins Auge gefasst, dass verschiedene Mischungen von Materialien für das isolierende Material, Materialien für die Nanopartikel und die räumliche Abhängigkeit der Geometrien des isolierenden Materials und der Nanopartikel an verschiedenen Stellen der gleichen Speichermaterialschicht verwendet werden können, derart, dass kundenspezifisch angepasster Speicher innerhalb einer Speichervorrichtung bewerkstelligt wird.
  • Obgleich Vorhergehendes auf Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung abzielt, können andere und weitere Ausführungsformen der Offenbarung ersonnen werden, ohne von ihrem grundlegenden Schutzumfang abzuweichen, und ihr Schutzumfang wird durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims (26)

  1. Nichtflüchtige Speichervorrichtung, die Folgendes aufweist: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; und ein erstes Speichermaterial, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei das erste Speichermaterial ein isolierendes Material aufweist, das mehrere metallische Nanopartikel aufweist, die innerhalb des isolierenden Materials verteilt sind, wobei die Nanopartikel unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt sind und wobei die metallischen Nanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht.
  2. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das isolierende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiOx, SiNx, AlOx, AlNx, TiNx, TiOx, TaOx, TaNx, WOx, WNx, ZrOx und HfOx, komplexen Oxiden, komplexen Nitriden und komplexen Oxinitriden besteht.
  3. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Elektrode ist.
  4. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes aufweist: eine dritte Elektrode, die sich im Wesentlichen parallel zur ersten Elektrode erstreckt; eine vierte Elektrode, die sich im Wesentlichen parallel zur zweiten Elektrode erstreckt; ein zweites Speichermaterial, das zwischen der ersten Elektrode und der vierten Elektrode angeordnet ist; und ein drittes Speichermaterial, das zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
  5. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 4, wobei das zweite Speichermaterial und das dritte Speichermaterial jeweils ein isolierendes Material aufweisen, das mehrere metallische Nanopartikel aufweist, die innerhalb des isolierenden Materials verteilt sind, wobei die Nanopartikel unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt sind, und wobei die metallischen Nanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht.
  6. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine erste Keimbildungsschicht aufweist, die zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Speichermaterial angeordnet ist.
  7. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Keimbildungsschicht Folgendes aufweist: das gleiche Material wie das Nanopartikelmaterial; oder ein unterschiedliches Material als das Nanopartikelmaterial; oder ein Material, das eine niedrigere Oberflächenenergie aufweist als das Nanopartikelmaterial; oder die Keimbildungsschicht eine Flächentopographie aufweist, die eine Oberflächenrauheit aufweist, die auf einer Fläche senkrecht zu einer Grenzfläche mit der ersten Elektrode höher ist als auf einer Fläche, die mit der ersten Elektrode in Kontakt ist; oder die Keimbildungsschicht eine hohe Dichte an Defekten in der der Matrix zugewandten Fläche aufweist.
  8. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine zweite Keimbildungsschicht aufweist, die zwischen der zweiten Elektrode und dem ersten Speichermaterial angeordnet ist.
  9. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Speichermaterial Nanopartikel aufweist, die eine Zusammensetzung oder Eigenschaften auf der Fläche der Nanopartikel aufweisen, die sich von der Zusammensetzung oder den Eigenschaften im Inneren der Nanopartikel unterscheiden.
  10. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Nanopartikel ferner ein Material aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Elementen, Kohlenstoff, Silizium, Germanium, Bor, Stickstoff, Sauerstoff, Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht.
  11. Nichtflüchtige Speichervorrichtung, die Folgendes aufweist: ein Substrat; eine erste isolierende Schicht, die über dem Substrat angeordnet ist; eine erste Elektrodenschicht, die auf der ersten isolierenden Schicht angeordnet ist; eine zweite isolierende Schicht, die auf der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist; eine zweite Elektrodenschicht, die auf der zweiten isolierenden Schicht angeordnet ist; eine dritte isolierende Schicht, die auf der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, wobei eine Durchkontaktierung oder ein Graben durch die dritte isolierende Schicht, die zweite Elektrodenschicht, die zweite isolierende Schicht, die erste Elektrodenschicht und die erste isolierende Schicht gebildet ist, um einen Abschnitt des Substrats freizulegen; eine Speichermaterialschicht, die innerhalb der Durchkontaktierung oder des Grabens angeordnet ist, wobei das Speichermaterial ein isolierendes Material aufweist, das mehrere metallische Nanopartikel aufweist, die innerhalb des isolierenden Materials verteilt sind, wobei eine wesentliche Anzahl der Nanopartikel unterhalb der Perkolationsschwelle verteilt ist und wobei die metallischen Nanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht; und mindestens eine obere Elektrode, die auf der Speichermaterialschicht angeordnet ist.
  12. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 11, wobei das isolierende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiOx, SiNx, AlOx, AlNx, TiNx, TiOx, TaOx, TaNx, WOx, WNx, ZrOx und HfOx, komplexen Oxiden, komplexen Nitriden und komplexen Oxinitriden besteht.
  13. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Elektrode im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Elektrode ist.
  14. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Speichermaterialschicht innerhalb eines Grabens angeordnet ist.
  15. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine obere Elektrode mehrere obere Elektroden aufweist.
  16. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 11, wobei das erste Speichermaterial einen darin dispergierten Dotierstoff aufweist.
  17. Nichtflüchtige Speichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Nanopartikel ferner ein Material aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus metallischen Elementen, Kohlenstoff, Silizium, Germanium, Bor, Stickstoff, Sauerstoff, Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht.
  18. Verfahren zur Herstellung einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung, das Folgendes aufweist: Abscheiden eines Speichermaterials über einer ersten Elektrode, wobei das erste Speichermaterial ein isolierendes Material aufweist, das mehrere metallische Nanopartikel aufweist, die innerhalb des isolierenden Materials verteilt sind, wobei die Nanopartikel unterhalb einer Perkolationsschwelle verteilt sind, und wobei die metallischen Nanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht; und wobei das Abscheiden Atomlagenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung aufweist; und Bilden einer zweiten Elektrode über dem Speichermaterial.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Speichermaterial ferner ein nicht metallisches Element aufweist.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das isolierende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiOx, SiNx, AlOx, AlNx, TiNx, TiOx, TaOx, TaNx, WOx, WNx, ZrOx und HfOx, komplexen Oxiden, komplexen Nitriden und komplexen Oxinitriden besteht.
  21. Nichtflüchtige 3D-Speichervorrichtung, die Folgendes aufweist: mehrere leitfähige Schichten, die sich mit mehreren isolierenden Schichten abwechseln, wobei die mehreren leitfähigen Schichten und die mehreren isolierenden Schichten über einem Substrat angeordnet sind, wobei eine Durchkontaktierung oder ein Graben durch die mehreren leitfähigen Schichten und die mehreren isolierenden Schichten gebildet ist, um das Substrat freizulegen; ein Speichermaterial, das innerhalb der Durchkontaktierung oder des Grabens entlang den mehreren leitfähigen Schichten und den mehreren isolierenden Schichten angeordnet ist, wobei das Speichermaterial ein isolierendes Material aufweist, das mehrere metallische Nanopartikel aufweist, die innerhalb des isolierenden Materials verteilt sind, wobei die Nanopartikel unterhalb einer Perkolationsschwelle verteilt sind und wobei die metallischen Nanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirconium, Zinn, Molybdän, Chrom, Tantal, Hafnium, Vanadium und Legierungen davon besteht; und mehrere Elektroden, die auf dem Speichermaterial angeordnet sind.
  22. Nichtflüchtige 3D-Speichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei das isolierende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiOx, SiNx, AlOx, AlNx, TiNx, TiOx, TaOx, TaNx, WOx, WNx, ZrOx und HfOx, komplexen Oxiden, komplexen Nitriden und komplexen Oxinitriden besteht.
  23. Nichtflüchtige 3D-Speichervorrichtung nach Anspruch 21, die ferner eine erste Keimbildungsschicht aufweist, die zwischen den mehreren leitfähigen Schichten und dem Speichermaterial angeordnet ist.
  24. Nichtflüchtige 3D-Speichervorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Keimbildungsschicht das gleiche Material wie das Nanopartikelmaterial oder ein unterschiedliches Material als das Nanopartikelmaterial oder ein Material aufweist, das eine niedrigere Oberflächenenergie aufweist als das Nanopartikelmaterial, oder die Keimbildungsschichten eine Oberflächentopographie aufweisen können, die eine Oberflächenrauheit aufweist, die auf der der Schicht 106 zugewandten Seite höher ist als auf den entgegengesetzten, den Materialien 102 oder 104 zugewandten Seiten, oder eine hohe Dichte an Defekten in ihrer Fläche aufweisen können.
  25. Nichtflüchtige 3D-Speichervorrichtung nach Anspruch 23, die ferner eine zweite Keimbildungsschicht aufweist, die zwischen den mehreren zweiten Elektroden und dem Speichermaterial angeordnet ist.
  26. Nichtflüchtige 3D-Speichervorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Speichermaterial Nanopartikel aufweist, die eine Zusammensetzung oder Eigenschaften auf der Fläche der Nanopartikel aufweisen, die sich von der Zusammensetzung oder den Eigenschaften im Inneren der Nanopartikel unterscheiden.
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