DE102017109082A1

DE102017109082A1 - Schichtanordnung, elektronisches Bauteil mit einer Schichtanordnung und Verwendung einer Schichtanordnung

Info

Publication number: DE102017109082A1
Application number: DE102017109082.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Schneider; Sarah Seidel; David Lehninger; Alexander Schmid; Johannes Heitmann; Lars Rebohle
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-10-31

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Schichtanordnung (100) bereitgestellt, welche Folgendes aufweist: eine erste Barriereschicht (102a) und eine zweite Barriereschicht (102b), wobei die beiden Barriereschichten (102a, 102b) elektrisch isolierend sind, und eine Schichtstruktur (110), welche zwischen den beiden Barriereschichten (102a, 102b) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass diese mittels eines elektrischen Feldes einer ersten Polarität (311a) und mittels eines elektrischen Feldes einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität (311b) remanent polarisierbar ist, wobei die Schichtstruktur (110) mindestens eine erste Ladungsspeicherschicht (104a), eine zweite Ladungsspeicherschicht (104b) und eine zwischen der ersten Ladungsspeicherschicht (104a) und der zweiten Ladungsspeicherschicht (104b) angeordnete elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht (106) aufweist.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine Schichtanordnung, ein elektronisches Bauteil mit einer Schichtanordnung und die Verwendung einer Schichtanordnung.
Im Allgemeinen werden auf dem Gebiet der Mikroelektronik die verschiedensten Materialien verwendet, wobei bei der Auswahl der Materialien eine Vielzahl von Aspekten zu berücksichtigen sind. In erster Linie sind beispielsweise die funktionellen elektrischen Eigenschaften der jeweils verwendeten Materialien relevant, wie beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit, dielektrische oder halbleitende Eigenschaften, und Ähnliches. Jedoch können auch die chemischen Eigenschaften, wie beispielsweise die chemische Beständigkeit gegenüber einer Oxidation mit Luft oder Wasser, relevant sein, oder auch thermischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Wärmeausdehnungskoeffizient, so dass beispielsweise die Langzeitstabilität elektronischer Bauteile gewährleistet werden kann. In Summe ergeben sich eine Vielzahl miteinander wechselwirkender Faktoren die sich gegenseitig beeinflussen, so dass große Anstrengungen unternommen werden, die jeweils geeigneten Materialkombinationen für das jeweils verwendetet Design des elektronischen Bauelements bereitzustellen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Schichtanordnung aus mehreren Schichten bereitgestellt, wobei die Schichtanordnung als Ganzes grundsätzlich andere physikalische Eigenschaften aufweist, als die jeweiligen Eigenschaften der einzelnen Schichten. Anschaulich wird somit mittels einer geeigneten Mikrostruktur in Form einer speziellen Schichtabfolge unter Verwendung geeigneter Materialien eine Schichtanordnung bereitgestellt, die vordefinierte oder auch einstellbare elektrische Eigenschaften aufweist. Eine derartige Materialschicht wird beispielsweise auch als Metamaterial bezeichnet, im Sinne einer künstlich hergestellten Struktur, deren elektrische Eigenschaften von den Eigenschaften der verwendeten Materialien selbst abweichen. Die Schichtanordnung wird beispielsweise derart bereitgestellt, dass diese ein spezielles Verhalten bezüglich der elektrischen Polarisierbarkeit aufweist, d.h. dass diese beispielsweise remanent polarisierbar ist bzw. dass ein permanentes Dipolmoment in die Schichtanordnung induziert werden kann.
Im Allgemeinen können beispielsweise auch ferroelektrische Materialien selbst remanent polarisiert werden, jedoch tritt die remanente Polarisierbarkeit aufgrund der speziellen Kristallstruktur dieser Materialien zu Tage, so dass sich für die Anwendung von ferroelektrischen Materialien in integrierten Schaltkreisen oder anderen elektronischen Bauteilen eine Vielzahl von Einschränkungen in deren Anwendung ergeben. Beispielsweise kommen nur spezielle Materialien in Frage (wie beispielsweise Bariumtitanat, BaTiO₃, oder Blei-Zirkonat-Titanat, Pb(Zr_xTi_1-x)O₃), wobei diese speziellen Materialien beispielsweise wiederum nicht kompatibel mit anderen Schichten eines elektronischen (z.B. integrierten) Bauelements sein können oder beispielsweise selbst nicht chemisch stabil genug sein können, oder Ähnliches. Ferner ist beispielsweise eine Richtungsabhängigkeit (d.h. eine Anisotropie) der Polarisation von der Kristallstruktur definiert, womit sich beispielsweise Einschränkungen bezüglich der Herstellung solcher Schichten, z.B. mittels chemischer (CVD) oder physikalischer (PVD) Gasphasenabscheidung, ergeben können. Ferner sind Ferroelektrika beispielsweise in der Regel elektrisch nichtleitend.
Die elektrische Remanenz, die beispielsweise in ferroelektrischen Materialien auftritt, kann beispielsweise in Analogie zur magnetischen Remanenz beschrieben werden, wobei diese Beschreibung auch auf die hierin beschriebene Schichtanordnung in analoger Weise angewendet werden kann. Die magnetische Remanenz beschreibt eine verbleibende, d.h. remanente, Magnetisierung (M_R), die nach einem gesättigten Aufmagnetisieren eines Materials (z.B. mittels eines äußeren Magnetfeldes) verbleibt, d.h. auch ohne ein äußeres Magnetfeld in dem Material verbleibt. In Analogie dazu beschreibt die elektrische Remanenz eine verbleibende, d.h. remanente, Polarisation (P_R), die mittels eines äußeren elektrischen Feldes in dem Material in Sättigung erzeugt wird, und auch ohne ein äußeres elektrisches Feld in dem Material verbleibt. Die elektrische Feldstärke, die nötig ist, um die remanente dielektrische Verschiebung (d.h. die remanente Polarisation) eines ferroelektrischen Materials aufzuheben, wird beispielsweise als elektrische Koerzitivfeldstärke bezeichnet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die hierin beschriebene Schichtanordnung aufgrund deren remanenter Polarisierbarkeit als Komponente in einem elektronischen Bauelement (z.B. in einem elektronischen integrierten Schaltkreis) verwendet werden, z.B. in einem nichtflüchtigen Datenspeicher-Bauelement oder in einem Sensor-Bauelement.
Als nichtflüchtige Datenspeicher (engl. non-volatile memory, NVM) werden im Allgemeinen verschiedene Typen von Datenspeichern bezeichnet, deren gespeicherte Informationen auf Dauer erhalten bleiben. In Abgrenzung zum flüchtigen Datenspeicher ist bei einem nichtflüchtigen Datenspeicher keine Energiezufuhr zum Erhalten der gespeicherten Informationen notwendig. Konzepte zum nichtflüchtigen Speichern von Informationen sind im großen Umfang bekannt, so dass hier nicht im Detail auf diese eingegangen wird. Beispielsweise können sogenannte Flash-Speicherzellen in integrierten Schaltkreisen verwendet werden, bei denen eine elektrische Ladung in eine elektrisch floatende Schicht eingebracht wird, wobei die elektrisch floatende Schicht über einem Kanal (einem sogenannten Channel) angeordnet ist, so dass mittels des Kanals der Zustand, d.h. die gespeicherte elektrische Ladung, der elektrisch floatenden Schicht ausgelesen werden kann.
Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, eine Schichtanordnung bereitzustellen, die ohne einen äußeren elektrischen Strom in mindestens zwei verschiedene Ladungszustände bzw. mindestens zwei voneinander verschiedene remanente Polarisationszustände gebracht werden kann. Anschaulich kann die hierin beschriebene Schichtanordnung nur mittels eines elektrischen Feldes in zwei einander entgegengesetzte Richtungen remanent polarisiert werden.
Ein weiterer Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, die remanent polarisierbare Schichtanordnung als Daten-Speicherschicht oder als Sensorschicht zu verwenden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die Schichtanordnung eine Schichtstruktur mit mindestens einer ersten Materialschicht (z.B. einer Ladungsspeicherschicht) und mindestens einer zweiten Materialschicht (z.B. eine Tunnelbarriereschicht) auf, wobei die erste Materialschicht und die zweite Materialschicht in einer alternierenden Abfolge angeordnet sind. Um eine alternierende Abfolge zu erreichen, sind insgesamt mindestens drei übereinander gestapelte Einzelschichten notwendig, so dass eine zweite Materialschicht zwischen den jeweils zwei anderen ersten Materialschichten angeordnet ist. Die elektrischen Eigenschaften der Schichtanordnung können beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die Anzahl der alternierenden Materialschichten angepasst wird, dass die Schichtdicke der mindesten einen ersten Materialschicht angepasst wird und/oder dass die Schichtdicke der mindesten einen zweiten Materialschicht angepasst wird, dass das Material der mindesten einen ersten Materialschicht angepasst wird und/oder dass das Material der mindesten einen zweiten Materialschicht angepasst wird, wie beispielsweise nachfolgend noch im Detail beschrieben wird. Anschaulich kann beispielsweise die (elektrische) Remanenz sowie das zeitliche Abklingverhalten der (elektrischen) Remanenz angepasst werden. Beispielsweise kann es zum Speichern von Daten über lange Zeiträume, von beispielsweise mehreren Jahren, hilfreich sein, wenn die Remanenz möglichst groß und möglichst langzeitstabil ist. Mittels einer entsprechenden geometrischen Anordnung der jeweiligen Materialschichten kann beispielsweise eine Richtungsabhängigkeit (d.h. eine Anisotropie) der Remanenz angepasst werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Materialschichten der Schichtstruktur im Wesentlichen in zueinander parallelen Ebenen bereitgestellt sein, d.h. anschaulich als planare Schichtstruktur. Alternativ dazu können die Materialschichten der Schichtstruktur eine dreidimensionale Schichtstruktur bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Schichtanordnung bereitgestellt, welche Folgendes aufweisen kann: eine erste Barriereschicht und eine zweite Barriereschicht, wobei die beiden Barriereschichten elektrisch isolierend sind, eine Schichtstruktur, welche zwischen den beiden Barriereschichten angeordnet ist, wobei die Schichtstruktur zwei Ladungsspeicherschichten aufweist sowie eine zwischen den zwei Ladungsspeicherschichten angeordnete Tunnelbarriereschicht, wobei die Tunnelbarriereschicht derart eingerichtet ist, dass die Durchlässigkeit für ein Tunneln von Ladungsträgern durch die Tunnelbarriereschicht hindurch größer ist als jeweils durch die erste Barriereschicht und die zweite Barriereschicht hindurch.
Anschaulich wird die Schichtstruktur der Schichtanordnung polarisiert, indem Ladungsträger von der einen der zwei Ladungsspeicherschichten in die andere verschoben werden, wobei die Ladungsträger durch die Tunnelbarriereschicht hindurch tunneln. Anschaulich werden dabei keine Ladungsträger von außen in die Schichtstruktur eingebracht, was dadurch verhindert wird, dass die beiden Barriereschichten entsprechend elektrisch isolierend und ausreichend dick bereitgestellt werden, so dass die Schichtstruktur insgesamt elektrisch floatend ist und das Tunneln von Ladungsträgern aus der Schichtstruktur heraus oder in die Schichtstruktur hinein im Wesentlichen blockiert (mit anderen Worten verhindert oder unterdrückt) wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die Schichtanordnung derart bereitgestellt, dass die Tunnelwahrscheinlichkeit für ein Tunneln durch die Tunnelbarriereschicht hindurch wesentlich größer ist (z.B. mindestens doppelt so groß, mindestens 10-mal so groß, oder mehrere (mindestens 2 oder mindestens 3) Größenordnungen größer) als die Tunnelwahrscheinlichkeit für ein Tunneln durch die jeweiligen Barriereschichten hindurch. Die Tunnelwahrscheinlichkeit nimmt exponentiell mit der Schichtdicke der Tunnelbarriereschicht ab. Somit kann die Schichtdicke der Tunnelbarriereschicht wesentlich geringer sein als die jeweilige Schichtdicke sowohl der ersten Barriereschicht als auch der zweiten Barriereschicht (z.B. weniger als halb so groß, oder weniger als ein Drittel).
Ferner wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, eine Schichtanordnung bereitgestellt, welche Folgendes aufweisen kann: eine erste Barriereschicht und eine zweite Barriereschicht, wobei die beiden Barriereschichten elektrisch isolierend sind, eine Schichtstruktur, welche zwischen den beiden Barriereschichten angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass diese mittels eines elektrischen Feldes einer ersten Polarität und mittels eines elektrischen Feldes einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität remanent polarisierbar ist, wobei die Schichtstruktur mindestens eine erste Ladungsspeicherschicht, eine zweite Ladungsspeicherschicht und eine zwischen der ersten Ladungsspeicherschicht und der zweiten Ladungsspeicherschicht angeordnete elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht aufweist.
Anschaulich wird ein elektrischer Dipol in der Schichtstruktur der Schichtanordnung gebildet, was hierin als Polarisieren bezeichnet wird. Ohne ein äußeres elektrisches Feld verhindert die elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht einen Ladungsausgleich, so dass die Polarisierung der Schichtstruktur remanent ist. Dabei kann die Schichtstruktur in zwei einander entgegengesetzte Richtungen polarisiert werden. Dabei verhindern die zwei Barriereschichten im Wesentlichen, dass Ladungen in die Schichtstruktur hinein oder aus der Schichtstruktur heraus gelangen können.
Die Schichtanordnung kann beispielsweise ferner eine erste Elektrodenschicht und eine zweite Elektrodenschicht aufweisen zum remanenten Polarisieren der Schichtstruktur mittels eines elektrischen Feldes, wobei die beiden Barriereschichten und die Schichtstruktur zwischen den beiden Elektrodenschichten angeordnet sind.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein elektronisches Bauteil bereitgestellt, welches Folgendes aufweisen kann: eine Schichtanordnung, wie hierin beschrieben, eine Sensorstruktur, welche mit der Schichtanordnung gekoppelt ist und welche zum Ermitteln einer Größe eingerichtet ist, welche die Polarisation der Schichtanordnung repräsentiert.
Ferner wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, ein elektronisches Bauteil bereitgestellt, welches Folgendes aufweisen kann: eine Schichtanordnung, wie hierin beschrieben, eine E-Feld-sensitive Schicht, welche derart eingerichtet und mit der Schichtanordnung gekoppelt ist, dass zumindest eine physikalische Eigenschaft der E-Feld-sensitiven Schicht von einer Änderung der Polarisation der Schichtanordnung beeinflusst wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Schichtanordnung, wie hierin beschrieben, als Speicherschichtanordnung in einem nichtflüchtigen Speicherbauelement verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein nichtflüchtiges Speicherelement bereitgestellt, welches Folgendes aufweisen kann: ein Halbleitersubstrat mit einem ersten Source/Drain-Bereich, einem zweiten Source/Drain-Bereich, und einem Kanal-Bereich, der sich zwischen dem ersten Source/Drain-Bereich und dem zweiten Source/Drain-Bereich erstreckt, eine Schichtanordnung, wie hierin beschrieben, wobei die Schichtanordnung über dem Kanal-Bereich angeordnet ist zum Beeinflussen der elektrischen Leitfähigkeit des Kanal-Bereichs mittels eines elektrischen Feldes, welches von der Schichtanordnung je nach deren Polarisationszustand erzeugt wird.
Anschaulich kann mittels einer Transistorstruktur aufweisend einen ersten Source/Drain-Bereich, einen zweiten Source/Drain-Bereich, und einen Kanal-Bereich, der sich zwischen dem ersten Source/Drain-Bereich und dem zweiten Source/Drain-Bereich erstreckt, die Polarisierung der Schichtstruktur der Schichtanordnung ausgelesen werden, ähnlich wie bei einer Floating-Gate Speicherzelle. Dabei wirkt das von der Schichtstruktur der Schichtanordnung remanent erzeugte elektrische Feld auf den Kanal und beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit des Kanals.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Floating-Gate Speicherzellen kann die Schichtstruktur ohne äußeren Stromfluss in zwei verschiedenen Ladungszustände gebracht werden. Dabei wird die Schichtstruktur anschaulich nicht aufgeladen, sondern polarisiert, d.h. es kann beispielsweise auf eine Injektion heißer Ladungsträger (engl. hot-carrier injection) vom Source- bzw. Drain-Anschluss verzichtet werden, und/oder es kann beispielsweise auf eine Fowler-Nordheim-Injektion von Ladungsträgern verzichtet werden. Somit kann die herkömmlicherweise verwendete empfindliche Tunnelbarriere zwischen einem Floating-Gate und dem Kanal (d.h. dem Halbleitersubstrat) durch eine dickere Schicht ersetzt werden, die im Wesentlichen ein Tunneln zum Halbleitersubstrat verhindert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Betreiben einer Schichtanordnung, wie hierin beschrieben, Folgendes aufweisen: remanentes Polarisieren einer Schichtstruktur der Schichtanordnung mittels eines elektrischen Feldes, wobei das elektrische Feld eine erste Polarität aufweist zum Schalten der Schichtanordnung in einen ersten Zustand oder wobei das elektrische Feld eine zweite Polarität aufweist zum Schalten der Schichtanordnung in einen zweiten Zustand; wobei die erste Ladungsspeicherschicht der Schichtstruktur relativ zu der zweiten Ladungsspeicherschicht der Schichtstruktur im ersten Zustand negativ geladen ist und im zweiten Zustand positiv geladen ist.
Anschaulich kann die Polarisierung derart erfolgen, dass in der Schichtstruktur ein Dipolmoment erzeugt wird, welches im Wesentlichen senkrecht zur flächigen Erstreckung der Tunnelbarriereschicht gerichtet ist.
Beispielsweise kann ein remanentes Polarisieren als Erzeugen eines elektrischen Dipols verstanden werden, wobei der elektrische Dipol auch ohne äußeres elektrisches Feld ausgebildet bleibt.
Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Figurenliste

1 eine Schichtanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2 ein Diagramm zum Veranschaulichen der Tunneleigenschaften einer Barriereschicht und einer Tunnelbarriereschicht in Abhängigkeit von deren jeweiliger Schichtdicke;
3A bis 3D jeweils eine Schichtanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4A und 4B ein Funktionsprinzip der Schichtanordnung beim Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5A bis 5F ein Funktionsprinzip der Schichtanordnung beim Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 ein elektronisches Bauteil in einer schematischen Querschnittsansicht, wobei das elektronische Bauteil mindestens eine Schichtanordnung aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
7 ein nichtflüchtiges Speicherelement in einer schematischen Querschnittsansicht, wobei das nichtflüchtige Speicherelement mindestens eine Schichtanordnung aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Schichtanordnung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Im Folgenden sind verschiedene Schichten beschrieben, die beispielsweise anhand deren elektrischen Leitfähigkeit charakterisiert sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine elektrisch isolierende Schicht ein elektrisch isolierendes (d.h. nichtleitendes) Material aufweisen oder daraus bestehen. Ein elektrisch isolierendes Material kann beispielsweise eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10^-6 S·m^-1 (z.B. weniger als 10^-8 S·m^-1, oder z.B. weniger als 10^-10 S·m^-1) bzw. einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 10⁶ Ω·m (z.B. mehr als 10⁸ Ω·m oder mehr als 10¹⁰ Ω·m) aufweisen (bei einer Temperatur von 25 °C). Beispiele für elektrisch isolierende Materialien sind Oxide, wie Siliziumoxid, Aluminiumoxid, oder andere Metall- oder Halbmetalloxide, wie beispielsweise Hafniumoxid, Zirkoniumoxid, Zinkoxid, und Ähnliches. Bei der Verwendung derartiger Materialien als eine dünne Schicht erfolgt die Herstellung der Schicht derart, dass die elektrischen Eigenschaften (z.B. die geringe elektrische Leitfähigkeit) im Wesentlichen erhalten bleiben, z.B. wird ein Erzeugen von elektrisch leitfähigen Mikrostrukturen in der Materialschicht, z.B. aufgrund von Korngrenzen oder Ähnlichem, vermieden. Dazu kann beispielsweise eine Schicht aus amorphem Material oder einkristallinem Material bereitgestellt werden. Die Schichtherstellung kann beispielsweise mittels chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung (CVD oder PVD) erfolgen. Ferner kann eine oxydische Schicht auch mittels thermischer Oxidation (z.B. mittels RTO, engl. rapid thermal oxidation) erzeugt werden, z.B. kann eine im Wesentlichen defektfreie und somit hochisolierende SiO₂-Schicht auf einer Silizium-Unterlage mittels thermischer Oxidation hergestellt werden.
In Analogie dazu kann eine elektrisch leitfähige Schicht ein elektrisch leitfähiges (d.h. leitendes) Material aufweisen oder daraus bestehen. Ein elektrisch leitfähiges Material, z.B. ein dotierter Halbleiter (z.B. p- oder n-dotiertes Silizium), ein Metall (z.B. Aluminium, Kupfer, Silber, Gold), eine Metalllegierung (z.B. Al/Cu, Al/Si/Cu, etc.) ein metallisches Material (z.B. NbN, TiN, MoN, etc.), oder Ähnliches, kann beispielsweise eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10⁴ S·m^-1 (z.B. von mehr als 10⁵ S·m^-1 oder mehr als 10⁶ S·m^-1) bzw. einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 10^-4 Ω·m (z.B. weniger als 10^-5 Ω·m oder weniger als 10^-6 Ω·m) aufweisen. Bei der Verwendung derartiger Materialien als eine dünne Schicht erfolgt die Herstellung der Schicht derart, dass die elektrischen Eigenschaften (z.B. die elektrische Leitfähigkeit) des Materials erhalten bleiben, z.B. wird ein Erzeugen von elektrisch isolierenden Mikrostrukturen in der Materialschicht, z.B. aufgrund von Korngrenzen oder Ähnlichem, vermieden.
Herkömmliche, kommerziell erhältliche nichtflüchtige Datenspeicher verwenden entweder eine kontinuierliche poly-Silizium-Schicht (als Floating-Gate-Speicher) oder eine Nitrid-Schicht (als Charge-Trapping-Speicher) um Informationen in Form von Ladungen zu speichern. Elektrisch ist diese Speicherschicht komplett von der Umgebung isoliert. Das Schreiben und Löschen von Informationen (Ladungen) erfolgt durch quantenmechanisches Tunneln. Angetrieben von einem starken elektrischen Feld durchdringen die Ladungsträger (d.h. Elektronen/Löcher) eine sehr dünne hochisolierende Schicht, das so genannte Tunneloxid oder Gate-Oxid. Aufgrund der hohen elektrischen Feldstärken wird das Tunneloxid bei jedem Schreib- und Löschzyklus stark belastet, was zu einer Degradation der elektrischen Eigenschaften führt und die Anzahl der Schreib- und Löschzyklen (als Endurance bezeichnet) begrenzt. Das Tunneloxid ist somit beispielsweise ein Schwachpunkt herkömmlicher nichtflüchtige Datenspeicher in derartigen Technologien.
Zum Verbessern der Endurance können beispielsweise im Falle der Floating-Gate-Speicher mehrere diskrete Nanokristalle anstatt einer kontinuierlichen poly-Si-Schicht verwendet werden. Somit kann beispielsweise verhindert werden, dass das gesamte Floating-Gate entladen wird, falls das Tunneloxid aufgrund der hohen Belastungen während der Schreib- und Löschzyklen degradiert und lokale Defekte entwickelt. In diesem Fall würden nur einzelne Nanokristalle entladen werden, welche von den jeweiligen lokalen Defekten betroffen sind. Somit bleibt der jeweilige Zustand der Daten-Speicherzelle bei geringer Defektdichte erhalten. Da die Strukturweite (die so genannte kritische Dimension, CD) mit jedem Technologieknoten schrumpft und die Anzahl der Nanokristalle, die das Floating-Gate ersetzen, folglich immer geringer wird, verliert dieser Ansatz jedoch zunehmend an technologischer Relevanz.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird hierin ein anderer Ansatz beschrieben, bei dem Ladungsträger zwischen zwei Sperroxiden (auch als Barriereschichten bezeichnet) in einer Schichtstruktur eingesperrt sind. Das Verändern des Zustands der Schichtstruktur (anschaulich z.B. das Schreiben und Löschen von Informationen in einer Daten-Speicherzelle) erfolgt durch eine remanente Verschiebung der Ladungen in der Schichtstruktur zwischen den beiden Sperroxiden. Da beispielsweise Ladungen an einer Grenzfläche zu einem Halbleitersubstrat einen größeren Einfluss auf die Bildung einer Raumladungszone in dem Halbleitersubstrat ausüben als an der gegenüberliegenden Grenzfläche, können unterschiedliche Zustände je nach Position der Ladungen ausgelesen werden. Ein Tunneln von Ladungsträgern in die Schichtstruktur hinein oder aus der Schichtstruktur 110 heraus, dass beispielsweise bei zu hohen Tunnelströmen zwangsweise zur Degradation eines Tunneloxides führen würde, ist somit nicht mehr notwendig. Die hierin beschriebene Schichtanordnung erlaubt somit eine potentiell längere Speicherdauer (Retention) sowie eine potentiell höhere Anzahl an Schreib- und Lesezyklen (Endurance) in einer integrierten Daten-Speicherzelle. Ein weiterer Vorteil ist, dass mittels der hierin beschriebenen Daten-Speicherzelle ein Schreiben und Lesen von Informationen leistungsfrei erfolgt, da hierfür kein Stromfluss notwendig ist.
1 zeigt eine Schichtanordnung 100 in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Schichtanordnung 100 weist beispielsweise eine erste Barriereschicht 102a und eine zweite Barriereschicht 102b auf. Die beiden Barriereschichten 102a, 102b sind elektrisch isolierend ausgestaltet. Beispielsweise kann jeweils eine Siliziumoxid-(SiO₂)-Schicht als erste und zweite Barriereschicht 102b verwendet werden.
Zwischen den beiden Barriereschichten 102a, 102b ist eine Schichtstruktur 110 angeordnet. Die Barriereschichten 102a, 102b sind derart angeordnet, dass die Schichtstruktur 110 elektrisch floatend ist. Anschaulich ist die Schichtstruktur 110 nicht körperlich elektrisch kontaktiert. Die Barriereschichten 102a, 102b können die Schichtstruktur 110 zumindest teilweise oder vollständig elektrisch isolierend einkapseln.
Die Schichtstruktur 110 weist zwei Ladungsspeicherschichten 104a, 104b auf, d.h. zumindest eine erste Ladungsspeicherschicht 104a und eine zweite Ladungsspeicherschicht 104b. Die jeweilige Ladungsspeicherschicht 104a, 104b weist beispielsweise ein halbleitendes Material, z.B. Germanium, oder ein elektrisch leitfähiges Material, z.B. ein Metall, eine Metallverbindung, etc., auf.
Ferner weist die Schichtanordnung 100 eine Tunnelbarriereschicht 106 auf. Die Tunnelbarriereschicht 106 ist zwischen den zwei Ladungsspeicherschichten 104a, 104b angeordnete. Die Tunnelbarriereschicht 106 ist elektrisch isolierend ausgestaltet. Beispielsweise kann eine Oxid-Schicht, z.B. eine Zirkoniumoxid-Schicht, eine Zinkoxid-Schicht, eine Aluminiumoxid-Schicht, etc., als Tunnelbarriereschicht 106 verwendet werden. Ferner kann auch eine Mehrlagenschicht als Tunnelbarriereschicht 106 verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Tunnelbarriereschicht 106 derart eingerichtet, dass die Durchlässigkeit für ein Tunneln von Ladungsträgern durch die Tunnelbarriereschicht 106 hindurch größer ist als jeweils durch die erste Barriereschicht 102a und die zweite Barriereschicht 102b hindurch. Mit anderen Worten ist die Schichtanordnung 100 derart eingerichtet, dass bei Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes Ladungsträger durch die Tunnelbarriereschicht 106 hindurch tunneln und sich gleichzeitig in der jeweiligen Ladungsspeicherschicht 104a, 104b ansammeln, d.h. ein Tunneln aus der Schichtstruktur 110 heraus mittels der Barriereschichten 102a, 102b blockiert ist.
Ohne die Barriereschichten 102a, 102b, bzw. in dem Fall, dass die jeweilige Barriereschicht 102a, 102b durchlässiger für das Tunneln der Ladungsträger wäre als die Tunnelbarriereschicht 106, würde lediglich ein Tunnelstrom die Schichtanordnung 100 durchfließen. Anschaulich sind beide Barriereschichten 102a, 102b notwendig, um Ladungsträger in den Ladungsspeicherschichten 104a, 104b ansammeln zu können, d.h. um die Schichtstruktur 110 zu polarisieren, ohne dass ein substantieller äußerer Strom fließt. Somit kann die Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 mittels eines elektrischen Feldes einer ersten Polarität und mittels eines elektrischen Feldes einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität remanent polarisiert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Tunnelbarriereschicht 106 eine geringere Schichtdicke 106d als jeweils die Schichtdicke 102d der ersten Barriereschicht 102a und der zweiten Barriereschicht 102b aufweisen. Die jeweilige Schichtdicke einer Schicht kann beispielsweise senkrecht zur flächigen Erstreckung der Schicht ermittelt werden, z.B. kann die jeweilige Schichtdicke der Barriereschichten 102a, 102b, der Ladungsspeicherschichten 104a, 104a und der Tunnelbarriereschicht 106 entlang der Richtung 105 ermittelt werden, wie in 1 veranschaulicht ist.
Mittels einer geeigneten Wahl bzw. Anpassens der jeweiligen Schichtdicke einer elektrisch isolierenden Schicht kann beispielsweise die Durchlässigkeit für ein Tunneln von Ladungsträgern durch die jeweilige Schicht eingestellt werden.
2 zeigt ein Diagramm, welches jeweils die Tunnelzeitkonstante, τ, in Abhängigkeit der Schichtdicke 102d einer Barriereschicht 102a, 102b und der Schichtdicke 106d einer Tunnelbarriereschicht 106 veranschaulicht, siehe 1. Dabei ist als Beispiel eine Barriereschicht 102a, 102b aus Siliziumoxid (SiO₂) in Kontakt mit einer Ladungsspeicherschicht 104a, 104b aus Germanium (Ge) und die Ladungsspeicherschicht 104a, 104b in Kontakt mit einer Tunnelbarriereschicht 106 aus Zirkoniumoxid (ZrO₂). Die Tunnelzeitkonstante, τ, ist jeweils indirekt proportional zur Durchlässigkeit für ein Tunneln, d.h. mit steigender Tunnelzeitkonstante, τ, nimmt das Tunneln von Elektronen durch die Barriereschicht 102a, 102b bzw. Tunnelbarriereschicht 106 hindurch ab. Dabei ist die Tunnelzeitkonstante, τ, exponentiell von der Schichtdicke, d, abhängig.
Die gestrichelten Linien 202a, 202b zeigen die Tunnelzeitkonstante, τ, an, die erreicht werden muss, um beispielsweise nach 10 Jahren noch 90% (Linie 202a) bzw. 50% (Linie 202b) der ursprünglich in der jeweiligen Ladungsspeicherschicht 104a, 104b gespeicherten Ladung zu erhalten.
Die Tunnelzeitkonstante, τ, kann beispielsweise wie folgt näherungsweise berechnet werden: $α = \frac{2}{ℏ} \sqrt{2 q m_{e}^{*} Φ_{B}} mit τ = τ_{0} exp (α \cdot d),$
wobei q die Elementarladung, ħ das reduzierte Planck'sche Wirkungsquantum, α der Tunnelkoeffizient, $m_{e}^{*}$
die effektive Tunnelmasse der Elektronen, Φ_B die Höhe der Barriere, d die Dicke der Barriere, und τ₀ die Rate für einen Tunnelversuch ist (τ₀ kann beispielsweise 10^-13 s sein).
Somit können beispielsweise die Schichtdicke 102d der Barriereschichten 102a, 102b und die Schichtdicke 106d der Tunnelbarriereschicht 106 der Schichtanordnung 100 derart bereitgestellt sein oder werden, dass die jeweiligen Ladungsträger „leichter“ (d.h. eine geringere Tunnelzeitkonstante) durch die Tunnelbarriereschicht 106 hindurch tunneln können als durch die erste Barriereschicht 102a und die zweite Barriereschicht 102b. Dazu kann beispielsweise die Schichtdicke 106d der Tunnelbarriereschicht 106 derart gewählt sein oder werden, dass die Ladung, die in den Ladungsspeicherschichten 104a, 104b voneinander separiert werden soll, ausreichend lange gespeichert werden kann, z.B. kann die Schichtdicke 106d der Tunnelbarriereschicht 106 einem Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 6 nm liegen. Dementsprechend kann die Schichtdicke 102d der Barriereschichten 102a, 102b größer sein als die Schichtdicke 106d der Tunnelbarriereschicht 106. Die Schichtdicke 102d der Barriereschichten 102a, 102b kann beispielsweise größer sein als 10 nm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 100 nm liegen.
Die Tunnelzeitkonstante, τ, wird beispielsweise durch weitere Faktoren beeinflusst, z.B. kann diese mittels eines elektrischen Feldes verringert werden, so dass die Schichtstruktur 110 entsprechend mittels eines internen Tunnelstroms nur zwischen der ersten Ladungsspeicherschicht 104a und der zweiten Ladungsspeicherschicht 104b polarisiert werden kann, indem ein äußeres elektrisches Feld angelegt wird, siehe 3C. Dabei sind die Barriereschichten 102a, 102b entsprechend derart eingerichtet, dass auch bei dem angelegten äußeren elektrischen Feld zum Polarisieren der Schichtstruktur 110 kein wesentlicher Tunnelstrom die Barriereschichten 102a, 102b durchfließt.
Wie in 2 dargestellt ist, können beispielsweise die Barriereschichten 102a, 102b die gleiche Schichtdicke aufweisen wie die Tunnelbarriereschicht 106, aber dennoch können die Ladungsträger aufgrund der verschiedenen Materials der Schichten leichter die Tunnelbarriereschicht 106 durchtunneln als die jeweilige Barriereschicht 102a, 102b. Wenn die Schichten aus dem gleichen Material gebildet sind, muss die jeweilige Barriereschicht 102a, 102b dicker sein als die Tunnelbarriereschicht 106, damit die Schichtstruktur 110 polarisiert werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Schichtanordnung 100 auf einer Unterlage, z.B. einem beliebigen geeigneten Substrat, angeordnet sein. Alternativ dazu, kann die Schichtanordnung 100 zumindest teilweise freistehend gebildet sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden im Folgenden mit Bezug auf die 3A bis 3D verschiedene Modifikationen bzw. zusätzliche Details der Schichtanordnung 100 beschrieben.
Wie vorangehend in 1 dargestellt ist, kann die Schichtanordnung 100 planar ausgestaltet sein, d.h. einen Schichtstapel aus planaren Schichten aufweisen. Als Unterlage kann beispielsweise eine planare Oberfläche eines Halbleitersubstrats dienen, z.B. kann die Schichtanordnung 100 auf einen Chip oder einen Wafer in üblicher Halbleitertechnologie hergestellt werden.
3A zeigt eine Schichtanordnung 100 in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die Schichtanordnung 100 in einer dreidimensionalen Form ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Schichtanordnung 100 auf einer strukturierten Unterlage 302 gebildet sein oder werden. Als strukturierte Unterlage 302 kann beispielsweise eine strukturierte Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder jedes anderen geeigneten Substrats dienen.
Die jeweiligen Schichten 102a, 102b, 104a, 104b, 106 der Schichtanordnung 100 können beispielsweise mittels konformer Abscheidung auf einer strukturieren Oberfläche eines beliebigen geeigneten Substrats abgeschieden werden, z.B. mittels Atomlagendeposition (ALD), plasmagestützter chemischer Gasphasenabscheidung (PE-CVD), oder anderen geeigneten PVD oder CVD-Verfahren.
Wie vorangehend in 1 dargestellt ist, kann die Schichtanordnung 100 zumindest zwei Ladungsspeicherschichten 104a, 104b aufweisen, die durch eine Tunnelbarriereschicht 106 voneinander separiert sind. In analoger Weise kann die Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 ferner mindestens eine weitere Ladungsspeicherschicht und mindestens eine weitere Tunnelbarriereschicht aufweisen, wobei die jeweiligen Ladungsspeicherschichten und Tunnelbarriereschichten der Schichtstruktur 110 in alternierender Folge übereinandergestapelt sind.
3B zeigt eine Schichtanordnung 100 in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 mehrere Ladungsspeicherschichten 204 und mehrere Tunnelbarriereschichten 206 aufweist, wobei die mehreren Ladungsspeicherschichten 204 und mehrere Tunnelbarriereschichten 206 in alternierender Folge angeordnet sind. Die Schichtstruktur 110 kann beispielsweise eine Anzahl von N Ladungsspeicherschichten 204 und entsprechend eine Anzahl von N oder N-1 Tunnelbarriereschichten 206 aufweisen, wobei N zwei oder größer als zwei ist, wie hierin beschrieben ist. Die Anzahl N der Ladungsspeicherschichten 204 kann beispielsweise größer als 5 sein, oder größer als 10.
In dem hierin beschriebenen Aufbau kann nur eine Schicht zwischen jeweils zwei einander benachbarten Ladungsspeicherschichten 204 als Tunnelbarriereschicht 206 verstanden werden. Ferner kann die jeweilige Barriereschicht 102a, 102b eine Mehrlagenschicht sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die größere Anzahl von Ladungsspeicherschichten 204 und Tunnelbarriereschichten 206 ermöglichen, dass eine größere Ladung in der Schichtstruktur 110 voneinander separiert werden kann. Ferner kann die Retention (d.h. die Fähigkeit zum Erhalten der gespeicherten Ladung über einen langen Zeitraum von beispielsweise mehreren Jahren) verbessert werden.
3C zeigt eine Schichtanordnung 100 in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Dabei weist die Schichtanordnung 100 ferner eine erste Elektrodenschicht 308a und eine zweite Elektrodenschicht 308b auf. Somit kann ein äußeres elektrisches Feld 311a, 311b zum remanenten Polarisieren der Schichtstruktur 110 bereitgestellt werden. Die beiden Barriereschichten 102a, 102b und die Schichtstruktur 110 sind entsprechend zwischen den beiden Elektrodenschichten 308a, 308b angeordnet. Beispielsweise kann jeweils eine elektrisch leitfähige Elektrodenschicht 308a, 308b auf der Seite der jeweiligen Barriereschicht 102a, 102b angeordnet sein, welche der Schichtstruktur 110 abgewandt ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann beispielsweise auch ein entsprechend dotiertes Halbleitersubstrat als zumindest eine der Elektrodenschichten 308a, 308b verwendet werden.
Je nachdem, welche Polarität das bereitgestellte äußere elektrische Feld 311a, 311b aufweist, kann die Schichtstruktur 110 in einander entgegengesetzter Richtungen polarisiert werden.
Wie vorangehend in 1 dargestellt ist, kann die Schichtanordnung 100 aus jeweils entsprechend übereinandergestapelten Schichten 102a, 102b, 104a, 104b, 106 gebildet sein oder werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die jeweiligen Schichten 102a, 102b, 104a, 104b, 106 der Schichtanordnung 100 bezüglich deren flächiger Erstreckung (z.B. in Richtung 101) durchgehend sein, d.h. nicht unterbrochen sein. Alternativ dazu können beispielsweise die Ladungsspeicherschichten 104a, 104b, 204 bezüglich deren flächiger Erstreckung segmentiert sein. Anschaulich kann jeweils eine Ladungsspeicherschicht 104a, 104b, 204 aus mehreren nebeneinander angeordneten Teilschichtbereichen gebildet sein oder werden.
3D zeigt eine Schichtanordnung 100 in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die erste Ladungsspeicherschicht 104a aus einer Vielzahl von Nanopartikeln 304n gebildet ist, und/oder wobei die zweite Ladungsspeicherschicht 104b aus einer Vielzahl von Nanopartikeln 304n gebildet ist. Dabei können die Nanopartikel 304n der jeweiligen Ladungsspeicherschicht 104a, 104b in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet sein. Dabei kann für das Einbetten der Nanopartikel 304n und für die Tunnelbarriereschicht 106 das gleiche elektrisch isolierende Material verwendet werden.
Ein Nanopartikel kann eine maximale Ausdehnung von weniger als 100 nm aufweisen, z.B. einen mittleren Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 3 nm bis ungefähr 100 nm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann für die Barriereschichten 102a, 102b und für die Tunnelbarriereschicht 106 das gleiche elektrisch isolierende Material verwendet werden. Somit kann beispielsweise auch für das Einbetten der Nanopartikel 304n, die Barriereschichten 102a, 102b und für die Tunnelbarriereschicht 106 das gleiche elektrisch isolierende Material verwendet werden.
4A und 4B veranschaulichen die Funktionsweise der Schichtanordnung 100 in einer beispielhaften Konfiguration, analog zu der in 3C dargestellten Schichtanordnung 100. Dabei ist die elektronische Struktur 400y über dem Ort 400x aufgetragen, wobei die Schichtabfolge sowie die jeweiligen Schichtdicken entsprechend schematisch dargestellt sind. Die Schichtanordnung 100 weist einen ersten Kontakt 308a (auch als Elektrodenschicht bezeichnet) auf, z.B. ein dotiertes Halbleitersubstrat, z.B. ein n-dotiertes Siliziumsubstrat. Ferner weist die Schichtanordnung 100 einen zweiten Kontakt 308b (auch als Elektrodenschicht bezeichnet), z.B. eine Metallschicht, z.B. eine Goldschicht. Ferner weist die Schichtanordnung 100 zwei Barriereschichten 102a, 102b auf, z.B. jeweils eine Oxidschicht, z.B. eine Siliziumoxidschicht (z.B. aufweisend oder bestehend aus SiO₂). Ferner weist die Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 zwei Ladungsspeicherschichten 104a, 104b auf, z.B. eine Metallschicht oder ein Halbleiterschicht (z.B. eine Germaniumschicht). Ferner weist die Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 eine Tunnelbarriereschicht 106 auf, z.B. eine Oxidschicht, z.B. eine Zirkoniumoxid-Schicht (z.B. aufweisend oder bestehend aus ZrO₂).
4A veranschaulicht die elektronische Struktur für einen ersten Fall, bei dem eine elektrische Spannung von -10 V zwischen den beiden Kontakten 308a, 308b angelegt ist, wobei ein elektrisches Feld zwischen den beiden Kontakten 308a, 308b mit einer ersten Polarität erzeugt wird. In diesem Fall ist ein negativer Pol an dem zweiten Kontakt 308b und ein positiver Pol an dem ersten Kontakt 308a bereitgestellt.
Anschaulich gesehen tunneln die Elektronen in diesem Fall aus der zweiten Ladungsspeicherschicht 104b durch die Tunnelbarriereschicht 106 hindurch in die erste Ladungsspeicherschicht 104a hinein und sammeln sich in der ersten Ladungsspeicherschicht 104a, da das Abfließen der Ladung bzw. Ladungsträger aus der ersten Ladungsspeicherschicht 104a mittels der ersten Barriereschicht 102a blockiert ist.
Nach dem Abschalten der elektrischen Spannung ist die Barrierewirkung der Tunnelbarriereschicht 106 derart groß, dass die in der ersten Ladungsspeicherschicht 104a gesammelte negative Ladung gespeichert bleibt.
4B veranschaulicht die elektronische Struktur für einen zweiten Fall, bei dem eine elektrische Spannung von +10 V zwischen den beiden Kontakten 308a, 308b angelegt ist, wobei ein elektrisches Feld zwischen den beiden Kontakten 308a, 308b mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität erzeugt wird. In diesem Fall ist ein negativer Pol an dem ersten Kontakt 308a und ein positiver Pol an dem zweiten Kontakt 308b bereitgestellt.
Anschaulich gesehen tunneln die Elektronen in diesem Fall aus der ersten Ladungsspeicherschicht 104a durch die Tunnelbarriereschicht 106 hindurch in die zweite Ladungsspeicherschicht 104b hinein und sammeln sich in der zweiten Ladungsspeicherschicht 104a, da das Abfließen der Ladung aus der ersten Ladungsspeicherschicht 104a mittels der ersten Barriereschicht 102a blockiert ist.
Das Trennen der Elektronen und der Löcher basiert beispielsweise darauf, dass das Abfließen der Ladungsträger (sowohl durch elektrisch leitenden Ladungsträgertransport als auch durch Tunneln der Ladungsträger) aus der Schichtstruktur 110 heraus mittels der ersten und der zweiten Barriereschicht 102a, 102b blockiert ist.
Nach dem Abschalten der elektrischen Spannung ist die Barrierewirkung der Tunnelbarriereschicht 106 derart groß, dass die in der zweiten Ladungsspeicherschicht 104a gesammelte negative Ladung gespeichert bleibt.
Der Effekt der Separation der Ladungsträger in den Ladungsspeicherschichten bzw. der Polarisation der Schichtstruktur 110 kann dadurch verstärkt werden, dass die Schichtstruktur 110 eine Vielzahl von Ladungsspeicherschichten 204 und Tunnelbarriereschichten 106 aufweist, wie vorangehend beschrieben ist, z.B. mit Bezug auf 3B.
In den 5A, 5C und 5E ist die Funktionsweise der Schichtanordnung 100 in einer beispielhaften Konfiguration veranschaulicht, analog zu der in 3C dargestellten Schichtanordnung 100. Dabei ist die elektronische Struktur 500y über dem Ort 500x aufgetragen, wobei die Schichtabfolge sowie die jeweiligen Schichtdicken entsprechend schematisch dargestellt sind.
Die Schichtanordnung 100 weist einen ersten Kontakt 308a (auch als Elektrodenschicht bezeichnet) auf, z.B. ein dotiertes Halbleitersubstrat, z.B. ein n-dotiertes Siliziumsubstrat. Ferner weist die Schichtanordnung 100 einen zweiten Kontakt 308b (auch als Elektrodenschicht bezeichnet), z.B. eine Metallschicht, z.B. eine Goldschicht. Ferner weist die Schichtanordnung 100 zwei Barriereschichten 102a, 102b auf, z.B. jeweils eine Oxidschicht, z.B. aufweisend oder bestehend aus SiO₂. Ferner weist die Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 eine Vielzahl von Ladungsspeicherschichten 204 auf, z.B. elf Ladungsspeicherschichten 204. Ferner weist die Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 eine Vielzahl von Tunnelbarriereschichten 206 auf, z.B. eine Oxidschicht, z.B. aufweisend oder bestehend aus ZrO₂.
In den 5B, 5D und 5F ist jeweils eine beispielhafte Kapazitätsmessung zu den zwei Polarisierungs-Zuständen der Schichtstruktur 110 dargestellt.
5A veranschaulicht die elektronische Struktur der Schichtanordnung 100 für einen ersten Zustand der Schichtstruktur 110, z.B. einem Ausgangszustand. In diesem Fall ist keine elektrische Spannung zwischen den beiden Kontakten 308a, 308b angelegt. Die jeweiligen Tunnelbarriereschichten 206 separieren jeweils zwei benachbarte Ladungsspeicherschichten 204 voneinander. Die Barriereschichten 102a, 102b isolieren die Schichtstruktur 110.
5B zeigt den Verlauf 500b der Kapazität C (dargestellt als normierte Kapazität auf der y-Achse 501y) für den ersten Zustand der Schichtstruktur 110 in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung (dargestellt auf der x-Achse 501x) .
5C veranschaulicht die elektronische Struktur der Schichtanordnung 100 für einen zweiten Zustand der Schichtstruktur 110, z.B. erster Polarisationszustand. In diesem Fall ist eine elektrische Spannung von -20 V zwischen den beiden Kontakten 308a, 308b angelegt, wobei ein elektrisches Feld zwischen den beiden Kontakten 308a, 308b mit einer ersten Polarität erzeugt wird. In diesem Fall ist ein negativer Pol an dem zweiten Kontakt 308b und ein positiver Pol an dem ersten Kontakt 308a bereitgestellt.
Anschaulich gesehen tunneln die Ladungsträger in diesem Fall entsprechend der Polarität des elektrischen Feldes zwischen den Ladungsspeicherschichten 204 durch die jeweiligen Tunnelbarriereschichten 206 hindurch. Dabei sammeln sich die Elektronen 504n in den Ladungsspeicherschichten 204n, die näher an dem ersten Kontakt 308a liegen und die Löcher 504p in den Ladungsspeicherschichten 204p, die näher an dem zweiten Kontakt 308b liegen. Das Trennen der Elektronen und der Löcher basiert beispielsweise darauf, dass das Abfließen der Ladungsträger (sowohl durch elektrisch leitenden Ladungsträgertransport als auch durch Tunneln der Ladungsträger) aus der Schichtstruktur 110 heraus mittels der ersten und der zweiten Barriereschicht 102a, 102b blockiert ist.
Nach dem Abschalten der elektrischen Spannung ist die Barrierewirkung der Tunnelbarriereschicht 106 derart groß, dass die in den Ladungsspeicherschichten 204n, 204p gesammelte Ladung erhalten bleibt. Dadurch wird die Kapazität C der Schichtstruktur 110 gegenüber dem ersten Zustand geändert, siehe jeweils Verlauf 500d und 500b, wie in 5D veranschaulicht ist (vgl. 5A und 5B).
5D zeigt den Verlauf 500d der Kapazität C (dargestellt als normierte Kapazität auf der y-Achse 501y) für den zweiten Zustand der Schichtstruktur 110 in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung (dargestellt auf der x-Achse 501x) .
5E veranschaulicht die elektronische Struktur der Schichtanordnung 100 für einen dritten Zustand der Schichtstruktur 110, z.B. einen zweiten Polarisationszustand. In diesem Fall ist eine elektrische Spannung von +20 V zwischen den beiden Kontakten 308a, 308b angelegt ist, wobei ein elektrisches Feld zwischen den beiden Kontakten 308a, 308b mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität erzeugt wird. In diesem Fall ist ein positiver Pol an dem zweiten Kontakt 308b und ein negativer Pol an dem ersten Kontakt 308a bereitgestellt.
Anschaulich gesehen tunneln die Ladungsträger in diesem Fall entsprechend der Polarität des elektrischen Feldes zwischen den Ladungsspeicherschichten 204 durch die jeweiligen Tunnelbarriereschichten 206 hindurch. Dabei sammeln sich die Löcher 504p in den Ladungsspeicherschichten 204n, die näher an dem ersten Kontakt 308a liegen und die Elektronen 504n in den Ladungsspeicherschichten 204p, die näher an dem zweiten Kontakt 308b liegen. Das Trennen der Elektronen und der Löcher basiert beispielsweise darauf, dass das Abfließen der Ladungsträger (sowohl durch elektrisch leitenden Ladungsträgertransport als auch durch Tunneln der Ladungsträger) aus der Schichtstruktur 110 heraus mittels der ersten und der zweiten Barriereschicht 102a, 102b blockiert ist.
Nach dem Abschalten der elektrischen Spannung ist die Barrierewirkung der Tunnelbarriereschichten 206 derart groß, dass die in den Ladungsspeicherschichten 204n, 204p gesammelte Ladung erhalten bleibt. Dadurch wird die Kapazität C der Schichtstruktur 110 gegenüber dem ersten Zustand sowie dem zweiten Zustand geändert, siehe jeweils Verlauf 500f und 500b, wie in 5F veranschaulicht ist (vgl. 5B und 5D) .
5F veranschaulicht den Verlauf 500f der Kapazität C (dargestellt als normierte Kapazität auf der y-Achse 501y) für den dritten Zustand der Schichtstruktur 110 in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung (dargestellt auf der x-Achse 501x).
Insgesamt ergibt sich somit eine Hysterese der Kapazität in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung aufgrund der Ladungsverschiebung in der Schichtstruktur 110 mittels Tunnelns durch die Tunnelbarriereschichten 206 hindurch.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Schichtstruktur 110 mittels Kapazitätsspektroskopie analysiert werden, z.B. mittels statischer (C-V) oder zeitaufgelöster Kapazitätsmessung (DLTS), und/oder mittels Strom-Spannungsmessungen (I-V.)
6 veranschaulicht ein elektronisches Bauteil 600 in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das elektronische Bauteil 600 kann beispielsweise Folgendes aufweisen: eine Schichtanordnung 100, wie sie hierin beschrieben ist, und eine Sensorstruktur 602, welche mit der Schichtanordnung 100 gekoppelt ist und zum Ermitteln einer Größe eingerichtet ist, welche die Polarisation der Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 repräsentiert.
Die Sensorstruktur kann beispielsweise einen elektrischen Treiberschaltkreis aufweisen (nicht dargestellt), welcher mit den Elektrodenschichten 308a, 308b der Schichtanordnung 100 gekoppelt ist zum Anlegen der entsprechenden elektrischen Spannung um die Schichtstruktur 110 zu polarisieren.
Die Sensorstruktur kann beispielsweise einen elektrischen Ausleseschaltkreis aufweisen (nicht dargestellt), welcher galvanisch, kapazitiv oder induktiv mit der Schichtanordnung 100 gekoppelt ist zum Auslesen einer Größe (z.B. der Kapazität), welche die Polarisation der Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 repräsentiert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Sensorstruktur eine E-Feld-sensitive Schicht aufweisen oder sein. Die E-Feld-sensitive Schicht kann beispielsweise derart eingerichtet sein und derart mit der Schichtanordnung gekoppelt sein, dass zumindest eine physikalische Eigenschaft der E-Feld-sensitiven Schicht (z.B. der elektrische Widerstand) von einer Änderung der Polarisation der Schichtanordnung beeinflusst wird. Die E-Feld-sensitive Schicht kann beispielsweise als Kanal eines Feldeffekt-Transistors ausgestaltet sein, wobei der jeweilige Polarisationszustand der Schichtanordnung die elektrische Leitfähigkeit des Kanals beeinflusst, wie beispielsweise in 7 dargestellt ist.
7 veranschaulicht ein nichtflüchtiges Speicherelement 700 in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das nichtflüchtige Speicherelement 700 kann beispielsweise Folgendes aufweisen: ein Halbleitersubstrat 602 mit einem ersten Source/Drain-Bereich 702s, einem zweiten Source/Drain-Bereich 702d, und einem Kanal-Bereich 702k, der sich zwischen dem ersten Source/Drain-Bereich 702s und dem zweiten Source/Drain-Bereich 702d erstreckt. Die Bereiche 702s, 702d, 702k sind wie in der Halbleitertechnologie üblich derart ausgestaltet, dass diese einen Teil einer Transistorstruktur bilden, wobei eine Schichtanordnung 100 über dem Kanal-Bereich 702k angeordnet ist zum Beeinflussen der elektrischen Leitfähigkeit des Kanal-Bereichs 702k mittels eines elektrischen Feldes, welches von der Schichtanordnung 100 je nach Polarisationszustand der Schichtstruktur 110 erzeugt wird.
Dabei ist die erste Elektrodenschicht 308a der Schichtanordnung 100 mittels des Halbleitersubstrats 702 bereitgestellt. Die zweite Elektrodenschicht 308b ist auf einer Seite der Schichtanordnung 100 bereitgestellt, die dem Halbleitersubstrat 702 abgewandt ist. Die zweite Elektrodenschicht 308b kann beispielsweise mittels Elektroden-Anschlusskontakts 712g kontaktiert sein oder werden. Die Source/Drain-Bereiche 702s, 702d können beispielsweise mittels Source/Drain-Anschlusskontakten 712s kontaktiert sein oder werden.
In ähnlicher Weise können weitere Strukturen bereitgestellt werden, welche eine Transistorstruktur mit der gleichen Funktionalität bilden.
Zum Polarisieren der Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 wird beispielsweise jeweils eine Spannung zwischen mindestens einem der Source/Drain-Anschlusskontakte 712s und dem Elektroden-Anschlusskontakts 712g angelegt, siehe beispielsweise 4A bis 5F.
8 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Betreiben der Schichtanordnung 100, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Verfahren 800 kann beispielsweise Folgendes aufweisen: in 810, ein erstes remanentes Polarisieren der Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 mittels eines ersten elektrischen Feldes 311a, wobei das erste elektrische Feld 311a eine erste Polarität aufweist zum Schalten der Schichtanordnung 100 in einen ersten Zustand, wobei eine erste Ladungsspeicherschicht 104a der Schichtstruktur 110 relativ zu einer zweiten Ladungsspeicherschicht 104b der Schichtstruktur 110 im ersten Zustand negativ geladen ist; und, in 820, zweites remanentes Polarisieren der Schichtstruktur 110 der Schichtanordnung 100 mittels eines zweiten elektrischen Feldes 311b, wobei das zweite elektrische Feld 311b eine zweite Polarität aufweist zum Schalten der Schichtanordnung 100 in einen zweiten Zustand, wobei die erste Ladungsspeicherschicht 104a der Schichtstruktur 110 relativ zu der zweiten Ladungsspeicherschicht 104b der Schichtstruktur 110 im zweiten Zustand positiv geladen ist (siehe beispielsweise 3C, und 4A bis 5F).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein alternierendes Zweikomponentensystem zwischen zwei isolierenden (blockierenden) Oxiden auf einem Si-Substrat bereitgestellt. Dabei eignen sich beispielsweise Kombinationen aus ZrO₂, ZnO als ein Schichtmaterial des Zweikomponentensystems und Germanium als das andere Schichtmaterial des Zweikomponentensystems. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Zweikomponentensystem als Stoffgemisch abgeschieden werden und zumindest teilweise entmischt werden zum Bilden einer alternierenden Schichtstruktur 110, wie hierin beschrieben. Das Entmischen kann beispielsweise mittels einer kurzzeitigen Wärmebehandlung, bevorzugt mittels Blitz- oder Halogenlampen-Ausheilung.
Die Ladungsträger, die mittels eines äußeren elektrischen Feldes in der Schichtstruktur 110 getrennt werden können, können mittels als Donator oder Akzeptor fungierenden Grenzflächenzuständen bereitgestellt sein, die in den während der Wärmebehandlung entstandenen Phasengrenzen lokalisiert sind.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können mindestens zwei auslesbare Zustände zur Informationsspeicherung in der Schichtstruktur 110 bzw. in der Schichtanordnung 100 erzeugt werden. Das Erzeugen der mindestens zwei auslesbaren Zustände kann leistungsfrei erfolgen, d.h. beispielsweise ohne einen wesentlichen Stromfluss.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Ladungsspeicherschicht 104a, 104b, 204 ein amorphes Material aufweisen oder daraus bestehen, z.B. amorphes Germanium.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann als Material der jeweiligen Ladungsspeicherschichten 104a, 104b, 204 ein Halbleitermaterial verwendet werden, z.B. ein Halbleitermaterial mit einer geringen Bandlücke, z.B. Germanium mit einer Bandlücke von ungefähr 0,67 eV. Die geringe Bandlücke von beispielsweise weniger als 1 eV kann dazu beitragen, dass eine in den Ladungsspeicherschicht Ladungsspeicherschichten 104a, 104b, 204 separierte Ladung länger erhalten bleibt. Anschaulich kann das Zurücktunneln der Ladungsträger durch die Tunnelbarriereschicht 106, 206 hindurch, und somit ein Ladungsausgleich, gehemmt werden.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, welche sich auf die vorangehende Schichtanordnung 100 und deren Verwendung beziehen.
Beispiel 1 ist eine Schichtanordnung 100, aufweisend: eine erste Barriereschicht 102a und eine zweite Barriereschicht 102b, wobei die beiden Barriereschichten 102a, 102b elektrisch isolierend sind, und eine Schichtstruktur 110, welche zwischen den beiden Barriereschichten 102a, 102b angeordnet ist, wobei die Schichtstruktur 110 zwei Ladungsspeicherschichten 104a, 104b aufweist sowie eine zwischen den zwei Ladungsspeicherschichten 104a, 104b angeordnete Tunnelbarriereschicht 106, wobei die Tunnelbarriereschicht 106 derart eingerichtet ist, dass die Durchlässigkeit für ein Tunneln von Ladungsträgern durch die Tunnelbarriereschicht 106 hindurch größer ist als jeweils durch die erste Barriereschicht 102a und die zweite Barriereschicht 102b hindurch.
In Beispiel 2 weist die Schichtanordnung 100 gemäß Beispiel 1 optional ferner folgendes auf: eine erste Barriereschicht 102a und eine zweite Barriereschicht 102b, wobei die beiden Barriereschichten 102a, 102b elektrisch isolierend sind, und eine Schichtstruktur 110, welche zwischen den beiden Barriereschichten 102a, 102b angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass diese mittels eines elektrischen Feldes einer ersten Polarität 311a und mittels eines elektrischen Feldes einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität 311b remanent polarisierbar ist, wobei die Schichtstruktur 110 mindestens eine erste Ladungsspeicherschicht 104a, eine zweite Ladungsspeicherschicht 104b und eine zwischen der ersten Ladungsspeicherschicht 104a und der zweiten Ladungsspeicherschicht 104b angeordnete elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht 106 aufweist.
In Beispiel 3 weist die Schichtanordnung 100 gemäß Beispiel 1 oder 2 optional ferner auf, dass die Tunnelbarriereschicht 106 eine geringere Schichtdicke 106d als jeweils die erste Barriereschicht 102a und die zweite Barriereschicht 102b aufweist, so dass die Durchlässigkeit für ein Tunneln von Ladungsträgern durch die Tunnelbarriereschicht 106 hindurch größer ist als jeweils durch die erste Barriereschicht 102a und die zweite Barriereschicht 102b hindurch.
In Beispiel 4 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 3 optional ferner auf, dass jeweils die erste Barriereschicht 102a und die zweite Barriereschicht 102b eine Schichtdicke 102d von mehr als 10 nm aufweisen zum Blockieren eines Tunnelns von Ladungsträgern in die Schichtstruktur 110 hinein und aus der Schichtstruktur 110 heraus.
In Beispiel 5 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 4 optional ferner auf, dass die Tunnelbarriereschicht 106 die beiden Ladungsspeicherschichten 104a, 104b elektrisch voneinander isoliert.
In Beispiel 6 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 5 optional ferner auf, dass die beiden Ladungsspeicherschichten jeweils elektrisch floatend eingerichtet sind.
In Beispiel 7 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 6 optional ferner auf, dass die erste Ladungsspeicherschicht 104a ein metallisch leitendes Material oder ein halbleitendes Material aufweist, und/oder dass die zweite Ladungsspeicherschicht 104b ein metallisch leitendes Material oder ein halbleitendes Material aufweist.
In Beispiel 8 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 7 optional ferner auf, dass die erste Ladungsspeicherschicht 104a ein halbleitendes Material mit einer Bandlücke von weniger als 1,0 Elektronenvolt aufweist, insbesondere von weniger als 0,8 Elektronenvolt, und/oder dass die zweite Ladungsspeicherschicht 104b ein halbleitendes Material mit einer Bandlücke von weniger als 1,0 Elektronenvolt aufweist, insbesondere von weniger als 0,8 Elektronenvolt.
In Beispiel 9 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 8 optional ferner auf, dass die erste Ladungsspeicherschicht 104a Germanium aufweist oder daraus besteht, und/oder dass die zweite Ladungsspeicherschicht 104b Germanium aufweist oder daraus besteht.
In Beispiel 10 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 9 optional ferner auf, dass die erste Ladungsspeicherschicht 104a aus einer Vielzahl von Nanopartikeln gebildet ist, und/oder dass die zweite Ladungsspeicherschicht 104b aus einer Vielzahl von Nanopartikeln gebildet ist.
In Beispiel 11 weist die Schichtanordnung 100 gemäß Beispiel 10 optional ferner auf, dass die Nanopartikel der jeweiligen Ladungsspeicherschicht 104a, 104b in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet sind. Dabei kann zum Einbetten der Nanopartikel das gleiche elektrisch isolierende Material verwendet werden wie für die Tunnelbarriereschicht 106.
In Beispiel 12 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 11 optional ferner auf, dass die Tunnelbarriereschicht 106 ein amorphes elektrisch isolierendes Material aufweist oder daraus besteht; oder dass die Tunnelbarriereschicht 106 ein einkristallines elektrisch isolierendes Material aufweist oder daraus besteht.
In Beispiel 13 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 12 optional ferner auf, dass die erste Barriereschicht 102a ein elektrisch isolierendes Oxid, insbesondere Siliziumoxid, aufweist oder daraus besteht; und/oder dass die zweite Barriereschicht 102b ein elektrisch isolierendes Oxid, insbesondere Siliziumoxid, aufweist oder daraus besteht.
In Beispiel 14 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 13 optional ferner auf, dass die Schichtstruktur 110 mindestens eine weitere Ladungsspeicherschicht 204 und mindestens eine weitere Tunnelbarriereschicht 206 aufweist. Dabei können die jeweiligen Ladungsspeicherschichten 204 und Tunnelbarriereschichten 206 alternierend angeordnet sein.
In Beispiel 15 weist die Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 14 optional ferner auf: eine erste Elektrodenschicht 308a und eine zweite Elektrodenschicht 308b zum remanenten Polarisieren der Schichtstruktur 110 mittels eines elektrischen Feldes 311a, 311b. Dabei können die Barriereschichten 102a, 102b und die Schichtstruktur 110 zwischen den Elektrodenschichten 308a, 308b angeordnet sein.
Beispiel 16 ist ein elektronisches Bauteil 600, aufweisend: mindestens eine Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 15; und eine Sensorstruktur 602, welche mit der mindestens einen Schichtanordnung 100 gekoppelt ist und zum Ermitteln einer Größe eingerichtet ist, welche die Polarisation der mindestens einen Schichtanordnung 100 repräsentiert.
Beispiel 17 ist ein elektronisches Bauteil 600, aufweisend: mindestens eine Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 15; und eine E-Feld-sensitive Schicht 602, welche derart eingerichtet und mit der mindestens einen Schichtanordnung 100 gekoppelt ist, dass zumindest eine physikalische Eigenschaft der E-Feld-sensitiven Schicht 602 von einer Änderung der Polarisation der mindestens einen Schichtanordnung 100 beeinflusst wird.
In Beispiel 18 wird eine Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 15 als Speicherschichtanordnung in einem nichtflüchtigen Speicherelement 700 verwendet.
Beispiel 19 ist ein nichtflüchtiges Speicherelement 700, aufweisend: ein Halbleitersubstrat 702 mit einem ersten Source/Drain-Bereich 702s, einem zweiten Source/Drain-Bereich 702d, und einem Kanal-Bereich 702k, der sich zwischen dem ersten Source/Drain-Bereich 702s und dem zweiten Source/Drain-Bereich 702d erstreckt, und eine Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 15. Dabei kann die Schichtanordnung 100 über dem Kanal-Bereich 702k angeordnet sein zum Beeinflussen der elektrischen Leitfähigkeit des Kanal-Bereichs 702k mittels eines elektrischen Feldes, welches von der Schichtanordnung 100 erzeugt wird.
In Beispiel 20 kann das nichtflüchtige Speicherelement 700 gemäß Beispiel 19 optional ferner aufweisen, dass eine erste Elektrodenschicht 308a der Schichtanordnung 100 mittels des Halbleitersubstrats 702 bereitgestellt ist und dass eine zweite Elektrodenschicht 308b auf einer Seite der Schichtanordnung 100 bereitgestellt ist, die dem Halbleitersubstrat 702 abgewandt ist.
Beispiel 21 ist ein Verfahren 800 zum Betreiben einer Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 15, das Verfahren aufweisend: erstes remanentes Polarisieren der Schichtstruktur der Schichtanordnung mittels eines ersten elektrischen Feldes, wobei das erste elektrische Feld eine erste Polarität aufweist zum Schalten der Schichtanordnung in einen ersten Zustand; und zweites remanentes Polarisieren der Schichtstruktur der Schichtanordnung mittels eines zweiten elektrischen Feldes, wobei das zweite elektrische Feld eine zweite Polarität aufweist zum Schalten der Schichtanordnung in einen zweiten Zustand. Dabei kann die erste Ladungsspeicherschicht der Schichtstruktur relativ zu der zweiten Ladungsspeicherschicht der Schichtstruktur im ersten Zustand negativ geladen sein und im zweiten Zustand positiv geladen sein.
Beispiel 22 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtanordnung 100 gemäß einem der Beispiele 1 bis 15, das Verfahren aufweisend: Bilden (z.B. Abscheiden) einer ersten Barriereschicht 102a und einer zweiten Barriereschicht 102b; und Bilden einer Schichtstruktur 110, welche zwischen den beiden Barriereschichten 102a, 102b angeordnet ist, wobei das Bilden des Schichtstruktur 110 aufweist: Abscheiden eines Mehrkomponentensystems als Stoffgemisch; und zumindest teilweises Entmischen des abgeschiedenen Stoffgemisches (z.B. mittels einer kurzzeitigen Wärmebehandlung) zum Bilden der Schichtstruktur 110. Beispielsweise kann eine Blitz- und/oder Halogenlampen-Ausheilung zum zumindest teilweisen Entmischen des abgeschiedenen Stoffgemisches verwendet werden. Mit anderen Worten kann das zumindest teilweise Entmischen einer Schicht, die ein Mehrkomponentensystem als Stoffgemisch aufweist, mittels Bestrahlung dieser Schicht erfolgen. Beispielsweise kann das Mehrkomponentensystem eine Kombination aus ZrO₂, ZnO und Ge aufweisen, d.h. das Mehrkomponentensystem kann beispielsweise aufweisen: ZrO₂ und Ge; ZnO und Ge; bzw. ZrO₂, ZnO und Ge.

Claims

Schichtanordnung (100), aufweisend: • eine erste Barriereschicht (102a) und eine zweite Barriereschicht (102b), wobei die beiden Barriereschichten (102a, 102b) elektrisch isolierend sind; und • eine Schichtstruktur (110), welche zwischen den beiden Barriereschichten (102a, 102b) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass diese mittels eines elektrischen Feldes einer ersten Polarität (311a) und mittels eines elektrischen Feldes einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität (311b) remanent polarisierbar ist, • wobei die Schichtstruktur (110) mindestens eine erste Ladungsspeicherschicht (104a), eine zweite Ladungsspeicherschicht (104b) und eine zwischen der ersten Ladungsspeicherschicht (104a) und der zweiten Ladungsspeicherschicht (104b) angeordnete elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht (106) aufweist.
Schichtanordnung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Tunnelbarriereschicht (106) eine geringere Schichtdicke (106d) als jeweils die erste Barriereschicht (102a) und die zweite Barriereschicht (102b) aufweist, so dass die Durchlässigkeit für ein Tunneln von Ladungsträgern durch die Tunnelbarriereschicht (106) hindurch größer ist als jeweils durch die erste Barriereschicht (102a) und die zweite Barriereschicht (102b) hindurch.
Schichtanordnung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jeweils die erste Barriereschicht (102a) und die zweite Barriereschicht (102b) eine Schichtdicke (102d) von mehr als 10 nm aufweisen zum Blockieren eines Tunnelns von Ladungsträgern in die Schichtstruktur (110) hinein und aus der Schichtstruktur (110) heraus.
Schichtanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Tunnelbarriereschicht (106) die beiden Ladungsspeicherschichten (104a, 104b) elektrisch voneinander isoliert, wobei die beiden Ladungsspeicherschichten insbesondere jeweils elektrisch floatend eingerichtet sind.
Schichtanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, • wobei die erste Ladungsspeicherschicht (104a) ein metallisch leitendes Material oder ein halbleitendes Material, insbesondere mit einer Bandlücke von weniger als 0,8 Elektronenvolt, aufweist, und/oder • wobei die zweite Ladungsspeicherschicht (104b) ein metallisch leitendes Material oder ein halbleitendes Material, insbesondere mit einer Bandlücke von weniger als 0,8 Elektronenvolt, aufweist.
Schichtanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schichtstruktur (110) ferner aufweist: • mindestens eine weitere Ladungsspeicherschicht (204) und mindestens eine weitere Tunnelbarriereschicht (206), wobei die jeweiligen Ladungsspeicherschichten (204) und Tunnelbarriereschichten (206) alternierend angeordnet sind.
Schichtanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend: eine erste Elektrodenschicht (308a) und eine zweite Elektrodenschicht (308b) zum remanenten Polarisieren der Schichtstruktur (110) mittels eines elektrischen Feldes (311a, 311b), wobei die Barriereschichten (102a, 102b) und die Schichtstruktur (110) zwischen den Elektrodenschichten (308a, 308b) angeordnet sind.
Elektronisches Bauteil (600), aufweisend: • mindestens eine Schichtanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7; und • eine Sensorstruktur (602), welche mit der mindestens einen Schichtanordnung (100) gekoppelt ist und zum Ermitteln einer Größe eingerichtet ist, welche die Polarisation der mindestens einen Schichtanordnung (100) repräsentiert; oder • eine E-Feld-sensitive Schicht (602), welche derart eingerichtet und mit der mindestens einen Schichtanordnung (100) gekoppelt ist, dass zumindest eine physikalische Eigenschaft der E-Feld-sensitiven Schicht (602) von einer Änderung der Polarisation der mindestens einen Schichtanordnung (100) beeinflusst wird.
Nichtflüchtiges Speicherelement (700), aufweisend: • ein Halbleitersubstrat (702) mit einem ersten Source/Drain-Bereich (702s), einem zweiten Source/Drain-Bereich (702d), und einem Kanal-Bereich (702k), der sich zwischen dem ersten Source/Drain-Bereich (702s) und dem zweiten Source/Drain-Bereich (702d) erstreckt, • eine Schichtanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schichtanordnung (100) über dem Kanal-Bereich (702k) angeordnet ist zum Beeinflussen der elektrischen Leitfähigkeit des Kanal-Bereichs (702k) mittels eines elektrischen Feldes, welches von der Schichtanordnung (100) erzeugt wird.
Verfahren (800) zum Betreiben einer Schichtanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das Verfahren aufweisend: • erstes remanentes Polarisieren der Schichtstruktur der Schichtanordnung mittels eines ersten elektrischen Feldes, wobei das erste elektrische Feld eine erste Polarität aufweist zum Schalten der Schichtanordnung in einen ersten Zustand; und • zweites remanentes Polarisieren der Schichtstruktur der Schichtanordnung mittels eines zweiten elektrischen Feldes, wobei das zweite elektrische Feld eine zweite Polarität aufweist zum Schalten der Schichtanordnung in einen zweiten Zustand, wobei die erste Ladungsspeicherschicht der Schichtstruktur relativ zu der zweiten Ladungsspeicherschicht der Schichtstruktur im ersten Zustand negativ geladen ist und im zweiten Zustand positiv geladen ist.