DE112010003853B4 - Widerstandsschalten in stickstoffdotiertem MgO mittels einer Einheit, einem Verfahren zum Betreiben der Einheit und Verfahren zur Verwendung mit einem Widerstandsschaltelement - Google Patents

Widerstandsschalten in stickstoffdotiertem MgO mittels einer Einheit, einem Verfahren zum Betreiben der Einheit und Verfahren zur Verwendung mit einem Widerstandsschaltelement Download PDF

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Abstract

Einheit, umfassend: ein Feld von Speicherzellen, von denen jedes in elektrischer Verbindung mit einer Wortleitung und einer Bitleitung steht, wobei jede Speicherzelle ein jeweiliges Widerstandsschaltelement umfasst, wobei jedes der Widerstandsschaltelemente eine N-dotierte MgO-Schicht umfasst, deren N-Gehalt wenigstens 0,1 Atomprozent der Schicht beträgt, wobei der Widerstand jeder der N-dotierten MgO-Schichten reversibel zwischen einem Hochwiderstands- und einem Niederwiderstandszustand durch Anlegen einer Spannung quer über sie so änderbar ist, dass der Widerstand des jeweiligen Widerstandsschaltelements reversibel zwischen einem Hochwiderstands- und einem Niederwiderstandszustand umschaltbar ist, wobei der N-Gehalt jeder Schicht zwischen 0,1 und 14 Atomprozent beträgt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft Widerstandsschaltelemente und ihre Verwendung bei der Datenspeicherung und logischen Anwendungen, insbesondere Widerstandsschaltelemente, die stickstoffdotiertes Mg0-Material umfassen.
  • Nichtflüchtige Speicher sind aus den Druckschriften US 2008/0 232 002 A1 , US 2007/0 181 964 A1 , US 2005/0 063 221 A1 , US 2004/0 140 522 A1 , US 2004/0 137 681 A1 , US 6 794 696 B2 , US 2007/0 114 508 A1 und US 2009/0 154 222 A1 bekannt.
  • HINTERGRUND
  • Es besteht hoher Bedarf an nichtflüchtigen Speichern für viele Rechner- und Speicheranwendungen. In den letzten Jahren ist dieser Bedarf noch gewachsen, insbesondere als Folge der Verbreitung von Handelektronik-Verbrauchereinheiten. Die führende Technologie von nichtflüchtigen Speichern ist der FLASH-Speicher, hauptsächlich aufgrund seiner geringen Kosten pro Bit und der einfachen Skalierung seiner Kosten mit der Speichergröße (im Gegensatz zu beispielsweise Magnetplattenlaufwerken). Die ständige Skalierung der FLASH-Speicher zu höheren Kapazitäten führt aber zu erheblichen Herausforderungen, insbesondere durch Schwierigkeiten bei der Skalierung des Tunneloxids unter Beibehaltung der Langzeit-Ladungsspeicherung. Es besteht die Aufgabe alternative Technologien von skalierbaren nichtflüchtigen Speichern anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Einheit gemäß dem Anspruch 1, dem Verfahren gemäß dem Anspruch 9 und dem Verfahren gemäß dem Anspruch 14. Weiter Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist eine Einheit, die ein Feld von Speicherzellen umfasst, von denen jedes in elektrischer Verbindung mit einer Wortleitung und einer Bitleitung steht. Jede Speicherzelle umfasst ein jeweiliges Widerstandsschaltelement, wobei jedes der Widerstandsschaltelemente eine Stickstoff(N)-dotierte dielektrische MgO-Schicht umfasst. (beispielsweise mit einer Dicke zwischen 1 nm und 100 nm), deren N-Gehalt wenigstens 0,1 Atomprozent der Schicht beträgt, wobei der Widerstand jeder der N-dotierten MgO-Schichten reversibel zwischen einem Hochwiderstands- und einem Niederwiderstandszustand durch Anlegen einer Spannung quer über sie so änderbar ist, dass der Widerstand des jeweiligen Widerstandsschaltelements reversibel zwischen einem Hochwiderstands- und einem Niederwiderstandszustand umschaltbar ist. Es kann der N-Gehalt jeder dielektrischen Schicht wenigstens 2, 5 oder 8 (oder mehr) Atomprozent der Schicht betragen. Beispielsweise weist ein gegebenes Schaltelement einen „EIN”-Zustand mit einem Widerstand Rniedrig und einen „AUS”-Zustand mit einem Widerstand Rhoch auf, wobei das Verhältnis Rhoch/Rniedrig zwischen 10 und 106 beträgt. Beispielsweise ist kein Initialisierungsschritt (Formierungsschritt) erforderlich, bevor Daten in die Einheit geschrieben werden können. In den Schaltelementen gespeicherte Daten können durch Überschreiben der Daten mit anderen Daten ersetzt werden, beispielsweise können Daten hunderte Male oder öfter geschrieben, gelöscht und neu geschrieben werden.
  • Beispiele für ein Verfahren, umfassend das Anlegen von Spannung an ein bestimmtes (oder mehrere oder sogar alle) der vorstehend beschriebenen Elemente, wodurch der Widerstandszustand des bestimmten Elements geändert wird, wobei die Spannung in Hinblick auf den N-Gehalt gewählt wird. Beispielsweise kann der Widerstand des bestimmten Elements als Folge des Anlegens der Spannung erhöht oder verringert werden. Das Verfahren kann das Anlegen einer SET-Spannung an das bestimmte Element umfassen, wodurch es in einen „EIN”-Zustand mit einem Widerstand Rniedrig zwischen Ra und Rb geschaltet wird; und Anlegen einer RESET-Spannung an das bestimmte Element, wodurch es in einen „AUS”-Zustand mit einem Widerstand Rhoch zwischen Rc und Rd geschaltet wird, wobei Ra < Rb < Rc < Rd. Es können Spannungspulse an eine Vielzahl der Elemente angelegt werden, so dass sich die Leitfähigkeit der Einheit plastisch auf eine Weise entwickelt, die von den relativen Zeitpunkten des Eintreffens der Spannungspulse abhängt, wodurch die Einheit als Synapseneinheit wirkt.
  • Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren für die Verwendung mit einem Widerstandsschaltelement, wobei das Element i) eine erste leitfähige Schicht, ii) eine dielektrische Mg50[O50-xNx]-Schicht, wobei x wenigstens 0,1 beträgt, und iii) eine zweite leitfähige Schicht umfasst. Die erste leitfähige Schicht, die dielektrische Schicht und die zweite leitfähige Schicht sind einander benachbart, wodurch ein Strom durch die erste leitfähige Schicht, die dielektrische Schicht und die zweite leitfähige Schicht fließen kann. Das Verfahren umfasst das Anlegen einer Spannung an das Element, wodurch sein Widerstandszustand geändert wird. Die erste und die zweite leitfähige Schicht können beide ferromagnetisches Material umfassen oder sie können nichtmagnetisches Material umfassen. Bei einem beispielhaften Verfahren ist dieses Element Teil eines elektrischen Schaltkreises, der wenigstens eine andere elektrische Komponente umfasst, und das Verfahren umfasst ferner das Anlegen eines Spannungspulses an das Element, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Element und der wenigstens einen anderen elektrischen Komponente unterbrochen wird, wodurch das Element als Sicherung wirkt; das Verfahren kann ferner das Anlegen einer Spannung an das Element umfassen, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Element und der wenigstens einen anderen elektrischen Komponente wiederhergestellt wird. Bei einem weiteren beispielhaften Verfahren ist dieses Element einer elektrischen Komponente benachbart und das Verfahren umfasst das Anlegen einer Spannung an das Element, um einen EIN-Zustand zu erzeugen, wodurch innerhalb des Elements ein Filament gebildet wird, das einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der elektrischen Komponente, so dass das Element als Punktkontakt-Injektor für die elektrische Komponente wirkt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung des Molekülstrahl-Oxidepitaxiesystems (Oxid-MBE). Die MBE-Kammer besteht aus einer Knudsen-Zelle zum Verdampfen von elementarem Mg und zwei RF-Plasmageneratoren als unabhängige Quellen von O und N.
  • 2 zeigt das Verhältnis von N- zu O-Fluss gegenüber der N-Dotierung der MgO-Dünnschichten. Die dunklen Quadrate sind die Messwerte des N-zu-O-Verhältnisses in der Gasphase unter Wachstumsbedingungen, während die Linie eine Anpassung an die Daten unter Verwendung einer Exponentialgleichung (y = 2,15 exp(x/8,75) – 2,25) darstellt.
  • 3 zeigt das Ergebnis einer Rutherford-Rückstreuungs(RBS)-Analyse, die zur Charakterisierung von Dicke und Zusammensetzung der Dünnschicht verwendet wurde. Die Verwendung von Graphitsubstraten ermöglicht eine niedrige Nachweisgrenze von 0,5 Atom-% für die Zusammensetzung. Die obere Achse zeigt die Energie der rückgestreuten Helium-Ionen, während die untere Achse die Kanalnummer des Detektors zeigt: jeder Kanal integriert rückgestreute Helium-Ionen, wobei die Energieinkremente 5 keV betragen.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten N-dotierten MgO-Widerstandsschalteinheit. Mittels Elektronenstrahl- und optischer Lithographie wurden bipolare Einheiten hergestellt, deren Größen von 50 × 100 bis 90 × 270 nm2 bzw. von 1 × 2 bis 5 × 15 μm2 variieren.
  • 5 zeigt ein Schema des Schaltkreises, der bei der Prüfung der Widerstandsschalteinheiten verwendet wurde. Ein zu einer Diode paralleler N-MOSFET-Transistor wurde in Reihe mit der N-dotierten MgO-Widerstandsschalteinheit verdrahtet. Während des SET-Vorgangs fließt durch den Transistor ein Strom, dessen Größe durch die Gate-Spannung gesteuert wird. Während des RESET-Vorgangs fließt der Strom durch die Diode. Die Einheit wird in bipolarem Modus betrieben.
  • 6 zeigt eine typische I/V-Kennlinie von hierin offenbarten Einheiten mit 10 nm dicken N-dotierten MgO-Dünnschichten als Widerstandsschicht. Der Stickstoffdotierungsgrad wurde variiert. Alle Messungen wurden mit DC-Spannungsdurchlauf durchgeführt. Die Einheit war 50 × 100 nm2 groß und durch Elektronenstrahllithographie strukturiert.
  • 7 zeigt Widerstandszustände gegenüber dem Schaltschritt (d. h. Wechseln von SET-Zustand zu RESET-Zustand oder umgekehrt) für verschiedene Stickstoffdotierungsgrade. Der Widerstand wurde nach jedem SET oder RESET mit einer DC-Spannung von 100 mV ausgelesen.
  • 8 umfasst die 8A und 8B, wobei:
    8A Verteilungen von Rhoch und Rniedrig darstellt, die bei den in 7 zusammengefassten 500 Schaltschritten erhalten wurden; und
    8B Variationen von VSET und VRESET bei verschiedenen Stickstoffdotierungsgraden darstellt. (SD bedeutet Standardabweichung).
  • 9 umfasst die 9A und 9B, wobei:
    9A in-situ-Röntgen-Fotoemissionsspektren der N-dotierten MgO-Dünnschichten nahe dem Valenzbandbereich darstellt. Diese Spektren wurden an Dünnschichten mit verschiedenen N-Gehalten erhalten. Die Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Der Einschub zeigt eine Vergrößerung des Vergleichs für den 2p-Zustand von N;
    9B XRD-Scans für Dünnschichten mit verschiedenen Stickstoffgehalten darstellt. Die senkrechten gestrichelten Linien verdeutlichen die Verschiebung der Maxima.
  • 10 umfasst die 10A, 10B und 10C, wobei:
    10A die I/V-Kennlinie für mit 2,2 Atom-% N dotiertes MgO mit verschiedenen Betriebsströmen („compliance-currents”) darstellt;
    10B die Auftragung von Rniedrig und RESET-Strom gegen den Betriebsstrom darstellt; und
    10C den Schaltvorgang bei verschiedenen Betriebsströmen darstellt.
  • 11 umfasst die 11A und 11B, wobei:
    11A die I/V-Kennlinie des mehrstufigen Programmiervorgangs für mit 2,2 Atom-% N dotiertes MgO durch Manipulieren von VRESET darstellt; und
    11B zeigt, wie durch Steuern von VRESET mehrstufige Widerstandszustände erhalten werden können. Die Größe der Einheit beträgt 1 × 2 μm2 (durch Fotolithographie strukturiert) und die Dicke des N-dotierten MgO beträgt 50 nm. Durch Einstellen von VRESET in den Bereich vor dem vollständigen RESET der Einheit werden wenigstens sieben Zustände mit hohem Widerstand erhalten.
  • 12 zeigt zweistufiges Schalten für die ersten fünf Zyklen (entsprechend den ersten fünf vollständigen SET- und RESET-Vorgängen) bei einem SET-Vorgang für eine mehrschichtige N-dotierte MgO-Dünnschicht, bestehend aus: 10 nm dick, mit 2,2 Atom-% N dotiert/25 nm dick, mit 8 Atom-% N dotiert/10 nm dick, mit 2,2 Atom-% N dotiert. Die Größe der Einheit, die durch Fotolithographie strukturiert wurde, beträgt 1 × 2 μm2. Der Einschub stellt den ersten Schaltzyklus dar.
  • 13 umfasst die 13A, 13B und 13C, wobei:
    13A eine Koppelfeld(„Crosspoint”)-Speicherzellenarchitektur darstellt, die Widerstandsschalt Speicherelemente als Speichermedium einsetzt;
    13B ein Schema darstellt, das der Architektur von 13A entspricht; und
    13C ein Schema darstellt, das einer Architektur entspricht, bei der jede Speicherzelle ein Auswählelement und ein Widerstandsschalt-Speicherlelement umfasst.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Hierin offenbarte Beispiele umfassen dünne dielektrische Schichten und setzen Widerstandsschalten dieser Schichten ein. Die Grundstruktur einer Widerstandsschalteinheit ist eine dünne Schicht eines dielektrischen Materials, die zwischen zwei leitfähigen Elektroden in einer sogenannten MIM-Struktur (Metall-Isolator-Metall) angeordnet ist1. In derartigen Strukturen werden dielektrische Materialien mit einem weiten Bereich von elektrischen Eigenschaften verwendet, einschließlich normalerweise isolierender Oxide2-6 und Halbleiter mit breiter Bandlücke6,7. Eine typische MIM-Einheit weist wenigstens zwei Widerstandszustände auf: i) einen Zustand mit niedrigem Widerstand (Rniedrig), der auch als EIN-Zustand bezeichnet wird, und ii) einen Zustand mit hohem Widerstand (Rhoch), der auch als AUS-Zustand bezeichnet wird. Rniedrig kann um mehrere Größenordnungen kleiner als Rhoch sein. Das Umschalten zwischen diesen Zuständen erfolgt durch Anlegen eines Spannungspulses zwischen den leitfähigen Elektroden. Durch Anlegen einer Spannung, die eine SET-Spannung (VSET) genannte höhere Schwellenspannung übersteigt, wird die Einheit in einen besser leitfähigen Zustand geschaltet (EIN-Zustand), von dem typischerweise angenommen wird, dass er durch die Entstehung leitfähiger Pfade durch die dielektrische Schichtverursacht wird8. Durch nachfolgendes Anlegen einer niedrigeren Spannung, die RESET-Spannung (VRESET) genannt wird, wird die Einheit in den AUS-Zustand zurückgesetzt, vermutlich durch Unterbrechen der zuvor gebildeten leitfähigen Pfade. Es sind mehrere Mechanismen für die Entstehung leitfähiger Filamente vorgeschlagen worden, einschließlich der Drift von Defekten, wie z. B. von Sauerstoff-Leerstellen in Übergangsmetalloxiden9,10, und Metallwanderung von bestimmten Metall-Elektroden, wie z. B. solchen aus Ag oder Cu11,12. Da die Widerstandsschalteinheit eine schnelle Ansprechzeit aufweist, skalierbar ist und eine sehr geringe Leistungsaufnahme aufweist, kann sie Anwendung als nichtflüchtiges Speicherelement finden1,8,13.
  • Die bisherigen Halbleiter- und Isolatormaterialien, die Widerstandsschalten zeigen, sind typischerweise gegen das Auftreten von Defekten empfindlich, deren Konzentration von den Einzelheiten der Herstellungsbedingungen des Materials abhängt. Im Gegensatz dazu enthalten Erdalkalimetalloxide (die MgO, CaO und SrO umfassen) aufgrund ihrer sehr starken und ionischen Bindung gewöhnlich nur wenige Sauerstoff-Leerstellen. Daher wäre nicht zu erwarten, dass diese isolierenden Oxide Widerstandsschalten zeigen, und tatsächlich gab es bislang nur wenige überzeugende experimentelle Belege, dass sie es tun. Im Gegensatz dazu ist ZnO gut für seine Defekte bekannt, und es wurde gezeigt, dass ein ganzer Bereich von Oxiden der Form MgxZn1-xO Widerstandsschalt-Eigenschaften aufweist14,15. Diese Oxide können aber mehrere Strukturen bilden, die von dem Mg/Zn-Verhältnis abhängen, und darüber hinaus verändert die Variation des Mg/Zn-Verhältnisses die elektronische Bandlücke des Oxids erheblich, wodurch sich seine Transporteigenschaften dramatisch verändern.
  • Hierin wird Widerstandsschalten in dünnen Schichten offenbart, wobei die dünnen Schichten mit kleinen Mengen Stickstoff dotiertes MgO umfassen. Das Hinzufügen von Stickstoff verändert weder die einfache kubische Struktur des MgO noch verändert sie seine elektronische Bandlücke wesentlich, so dass eine systematische Variation der Widerstandsschalt-Eigenschaften des MgO möglich ist. Insbesondere können durch Variieren des Stickstoffgehalts der Schicht das Widerstandsänderungsverhältnis (Rhoch/Rniedrig) über mehrere Größenordnungen variiert und die SET- und RESET-Spannungen systematisch verringert werden. Die Widerstandsschalt-Eigenschaften der N-dotierten MgO-Strukturen weisen einige weitere interessante Merkmale auf. Insbesondere wurde gezeigt, dass bei Anlegen von SET- und RESET-Spannungspulsen mit einer Dauer von 1–100 nsec Widerstandsschalten wenigstens mit einer Geschwindigkeit von einer Nanosekunde auftritt. Auch mehrstufiges Widerstandsschalten wurde nachgewiesen.
  • Experimentelle Einzelheiten
  • Aus Ta/Pt/Mg50O50-xNx/Pt gebildete MIM-Strukturen wurden auf amorphes, auf Si(100)-Substraten gewachsenes Siliciumoxid (25 nm dick) aufgebracht. Die untere und die obereMetallelektrode aus 10 nm Ta/30 nm Pt bzw. 10 nm Pt wurden beiRaumtemperatur durch Magnetron-Sputtern in einerHochvakuumkammer (Basisdruck ~6,66 × 10–7 Pa, bzw. ~5 × 10–9 Torr) abgeschieden. Die N-dotierte MgO-Schicht, Mg50O50-xNx, wurde durch Wärmeverdampfen in einer unabhängigen Ultrahochvakuum(UHV)-Kammer (Basisdruck < 1,33 × 10–8 Pa, bzw. 1 × 10–10 Torr) abgeschieden. Die beiden Abscheidungskammern waren über eine dritte UHV-Kammer miteinander verbunden, die mit einem computergesteuerten Roboter ausgestattet war, durch den die Proben unter Hochvakuum zwischen den Kammern bewegt werden konnten. 1 zeigt eine schematische Abbildung eines Wärmeverdampfungssystems 310, das mit einer Knudsen-Zelle 304 (K-Zelle) zum Verdampfen von elementarem Mg und mit zwei Quellen 308, 312 von atomarem Sauerstoff bzw. atomarem Stickstoff ausgestattet ist. Diese Quellen 308, 312 verwenden RF-Energie, um die Bindungen von molekularem Sauerstoff (O2) bzw. Stickstoff (N2), die in einem Reaktionsgefäß enthalten sind (in jeder der Quellen 308, 312), zu brechen, um atomares O bzw. N zu bilden. Das Reaktorgefäß weist einen Durchmesser von 24,5 mm und eine Länge von 80 mm auf und ist für die Abgabe von atomaren Spezies an Wafer 324 mit einem Durchmesser von 1 Inch ausgelegt. Die Reaktorgefäße für O- und N-Atome sind aus Quarz bzw. pyrolytischem Bornitrid hergestellt. Das atomare O bzw. N wird der Vakuumabscheidungskammer 320 durch eine kleine Zahl von kleinen lasergebohrten Löchern 328 in den Reaktorgefäßen zugeführt, wodurch in den Reaktorgefäßen viel höhere Gasdrucke als in der Vakuumabscheidungskammer 320 selbst möglich sind. Das Reaktorgefäß der O-Atom-Quelle weist 16 Öffnungen 328 mit Durchmessern von jeweils ~0,15–0,25 mm auf, wobei die Öffnungen 328 mit gleichen Abständen entlang eines Kreises mit einem Durchmesser von ~18 mm angeordnet sind. Das N-Atom-Reaktorgefäß weist 150 Öffnungen 328 mit Durchmessern von jeweils ~0,5 mm auf, wobei die Öffnungen 328 regelmäßig über die Fläche eines Kreises mit einem Durchmesser von ~18 mm angeordnet sind.
  • Da die Reaktivität von O mit Mg wesentlich höher als jene von N ist, muss es in der Vakuumabscheidungskammer 320 einen wesentlichen Überschuss der Zahl von N-Atomen gegenüber den O-Atomen geben, wenn dem MgO eine wesentliche Menge an N einverleibt werden soll. Dies wurde durch Entwerfen und Herstellen spezieller Reaktorgefäße für die Atomquellen 308, 312 erzielt; diese Gefäße weisen eine kleine Anzahl von Öffnungen an einem Ende des Reaktorgefäßes auf, wobei die Anzahl der Öffnungen der Sauerstoffquelle viel kleiner als jene der Stickstoffquelle ist. Dies ermöglichte die Abscheidung von hochqualitativen, stöchiometrischen Mg50O50-xNx-Dünnschichten in der Kammer 320 bei einem Gesamt-Betriebsdruck der Größenordnung von 10–4 Pa bis 10–3 Pa, bzw. 10–6 Torr bis 10–5 Torr, abhängig vom Grad der N-Dotierung. Der Grad der N-Dotierung wurde durch Verändern des Verhältnisses der N-zu-O-Partialdrucke in der Kammer 320 durch Einstellen der Flussraten von molekularem Sauerstoff und Stickstoff, die den entsprechenden RF-Atomquellen zugeführt wurden, variiert. 2 zeigt eine Auftragung des Verhältnisses der N- zu den O-Partdialdrucken in der Kammer während der Abscheidung gegenüber dem N-Dotierungsgrad, der anschließend durch das Rutherford-Rückstreu-Analyseverfahren in den abgeschiedenen Mg50O50-xNx-Dünnschichten gemessen wurde. Diese Daten zeigen klar, dass das Verhältnis von N zu O, das zum Erzielen einer bestimmten N-Konzentration in der Mg50O50-xN-Dünnschicht erforderlich ist, nichtlinear mit der N-Konzentration zunimmt. Eine Anpassung an die Daten in 2 (durchgezogene Linie) zeigt, dass das N-zu-O-Verhältnis exponentiell mit x ansteigt.
  • Während der Abscheidung wurde die Temperatur der Magnesium-K-Zelle bei 358°C gehalten. Diese Temperatur wurde als Kompromiss zwischen einer Wachstumsrate, die nicht so gering war, dass nicht mehrere Proben pro Tag hergestellt werden konnten, und einer vernünftigen Lebensdauer der Mg-Charge in der K-Zelle, um die Charge nicht zu oft ersetzen zu müssen, gewählt. Die Temperatur der K-Zelle konnte in einem Temperaturbereich von ~275 bis ~400°C geführt werden. Das Substrat wurde während der Abscheidung geheizt (mithilfe einer sauerstoffbeständigen Heizvorrichtung aus Siliciumcarbid). Alle Dünnschichten wurden mit einer nominellen Substrattemperatur von 350°C hergestellt. Die Abscheidungsrate hängt von dem Gasdruck in der Kammer ab: eine typische Rate betrug ~0,007 nm/sec. Die RF-Plasmageneratoren wurden bei der Abscheidung typischerweise mit 300 W betrieben.
  • Zur Bestimmung der Abscheidungsrate und der Dünnschicht-Zusammensetzung wurde Rutherford-Rückstreuungs(RBS)-Analyse verwendet. Zur genauen Bestimmung der Zusammensetzung des Mg50O50-xNx wurden besondere Dünnschichten auf Graphitsubstraten (die keinen Sauerstoff enthielten) anstelle auf SiO2/Si abgeschieden. Dann war eine Nachweisgrenze der RBS-Analyse von x ~ 0,5% möglich. 3 zeigt RBS-Daten von 4 verschiedenen Mg50O50-xNx-Dünnschichtproben mit x = 0, 2, 2, 5,1 und 8%. Die RBS-Daten zeigen klar, dass diese Proben Stickstoff enthalten.
  • Die MIM-Strukturen wurden mittels Elektronenstrahllithographie, optischer Lithographie und Argon-Ionenstrahlätzen zu Einheiten strukturiert, die für elektrische Prüfungen geeignet sind. Die Struktur dieser Einheiten wird in 4 schematisch dargestellt. Zuerst wird ein Fotolack auf die abgeschiedene Dünnschichtstruktur aufgeschleudert, exponiert und entwickelt. Anschließend wird der Fotolack als Maske verwendet, um das Gebiet der MIM-Einheit für das Argon-Ionenstrahlätzen zu definieren. Die Größen der MIM-Einheiten variierten von ~50 × 100 bis ~90 × 270 nm2 und von ~1 × 2 bis ~5 × 15 μm2 bei Verwendung von Elektronenstrahl- bzw. optischer Lithographie. Der Endpunkt der Ätzung (nicht gezeigt) lag etwa in der Mitte der Mg50O50-xNx-Schicht. Anschließend wird eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht, um die Ränder der MIM-Einheiten zu umgeben, und nach Entfernen des Fotolacks wird eine obere Kontaktschicht aus Ta/Au aufgebracht und mithilfe eines optischen Lithographieverfahrens und Argon-Ionenstrahlätzen strukturiert.
  • Bei den elektrischen Messungen wurde der Effekt der Streukapazität sorgfältig minimiert. Die in den Streukapazitäten der Kontaktdrähte gespeicherte Ladung kann bei den SET-Vorgängen zu unerwünschter Ladungsinjektion führen, und diese kann ohne sorgfältige Steuerung leicht den Betriebsstrom übersteigen. Derartige Überströme können die Einheiten beschädigen, beispielsweise durch Elektromigration aus den Metallelektroden.
  • Um eine Beschädigung der MIM-Einheit durch übermäßig hohe Ströme beim Anlegen der SET-Spannung (zum Verändern der Einheit von dem Hoch- zu dem Niederwiderstandszustand) zu vermeiden muss ein Mechanismus verwendet werden, um den Maximalstrom, der durch die Einheit fließen kann, zu beschränken. Das hier verwendete Verfahren ist das Verbinden der MIM-Einheit mit einem Transistor. Durch Anlegen einer Gate-Spannung an den Transistor kann der Maximalstrom, der durch die Einheit fließen kann, sowohl beschränkt als auch variiert werden. Hier war ein mit einer Diode parallel geschalteter N-MOSFET-Transistor mit der MIM-Einheit verbunden. Dies machte die Prüfung der MIM-Einheit in einem bipolaren Betriebsmodus erforderlich. 5 (die auch in der kurzen Beschreibung der Abbildungen beschrieben wird) zeigt eine schematische Darstellung des Schaltkreises. Die Gate-Spannung des N-MOSFET beschränkt den Strom, der durch den N-MOSFET-Transistor fließt. Dies wurde verwendet, um den Strom zu beschränken, der während des SET-Vorgangs durch die MIM-Einheit fließen kann. Bei dem RESET-Vorgang wurde eine entgegengesetzte Spannung verwendet, so dass der Strom nur durch die Diode fließt: dadurch konnte bei dem RESET-Vorgang ein größerer Strom als bei dem SET-Vorgang fließen.
  • Experimentelle Ergebnisse
  • 6 zeigt typische Strom-Spannungs(I/V)-Kennlinien von drei Mg50O50-xNx-MIM-Einheiten mit x = 2,2, 5,1 und 8%. Die Ergebnisse werden für Einheiten gezeigt, die durch Elektronenstrahllithographie mit Flächen von 50 × 100 nm2 strukturiert wurden. Es ist zu beachten, dass für keine dieser Einheiten ein Formierungsschritt erforderlich ist4. (Für x = 0, d. h. MgO ohne Stickstoff, wurde kein reversibles Schalten beobachtet). Die Einheit befindet sich nach der Herstellung zunächst im Hochwiderstandszustand. Wie in 6 gezeigt, wird bei Ansteigen der Spannung in positiver Richtung von V = 0 ausgehend bei einer Spannung von VSET ein abruptes Ansteigen des Stromes beobachtet, wenn die Einheit zu dem Niederwiderstandszustand schaltet. VSET hängt von dem N-Gehalt ab und nimmt mit steigendem N-Dotierungsgrad ab. Wie in 6 gezeigt, wird der Strom, der nach dem Schalten der Einheit in den Niederwiderstandszustand fließt, durch den mit der Einheit in Reihe geschalteten Transistor auf ~2 × 10–5 A beschränkt. Anschließend wird die Spannung auf Null gesenkt und zu negativen Werten geführt. Bei einer Spannung VRESET, bei der die Einheit in den Hochwiderstandszustand (Rhoch) zurückschaltet, wird ein plötzliches Abfallen des Stromes in der Einheit beobachtet. VRESET beträgt etwa –1,5 V, variiert aber ebenfalls systematisch mit dem N-Gehalt der MgO-Schicht, wobei sie mit zunehmendem N-Gehalt abnimmt. Es ist zu beachten, dass die RESET-Spannung immer niedriger als die SET-Spannung ist.
  • Nach dem Schalten des Widerstands der MIM-Einheit zu Rhoch oder Rniedrig bleibt dieser Widerstand unverändert, bis eine Spannung mit einer Höhe angelegt wird, deren Absolutwert jenen von VSET bzw. VRESET übersteigt, so dass das nichtzerstörende Auslesen der MIM-Einheit möglich ist. Stickstoffdotierte MgO-Schichten zeigen also Nieder- und Hochwiderstandszustände, die durch Spannung umgeschaltet werden können. Ferner unterscheiden sich diese Widerstandszustände um viele Größenordnungen voneinander, was stickstoffdotiertes MgO für vielfältige Anwendungen, einschließlich Anwendungen in nichtflüchtigen Speichern, nahe legt.
  • Wie in 7 gezeigt, kann das in stickstoffdotierten MgO-Schichten beobachtete Schaltverhalten viele Male wiederholt werden. 7 zeigt die Widerstandswerte von drei MIM-Einheiten (mit einer Querschnittfläche von 50 × 100 nm2 und mit x = 2,2, 5,1 und 8,0%), die bei aufeinanderfolgenden Zyklen dieser Einheiten zwischen ihren EIN-AUS-Zuständen durch Anlegen geeigneter Spannungshöhen gemessen wurden. Der Widerstand jeder Einheit wurde nach jedem Schaltschritt bei einer Spannung von 100 mV gemessen. Wie in 7 klar zu sehen ist, hängt der Widerstand im AUS-Zustand (Rhoch) stark von dem N-Dotierungsgrad ab. Bei den in 7 gezeigten Einheiten variiert Rhoch von ~80 MΩ bei x = 2,2% bis ~200 kΩ bei x = 8,0%. Im Gegensatz dazu ist der Widerstand im EIN-Zustand (Rniedrig) beinahe unabhängig von dem N-Dotierungsgrad. Bei den Einheiten, die zum Gewinnen der in 7 gezeigten Daten verwendet wurden, beträgt Rniedrig ~9 kΩ. Diese Einheiten wurden 500-mal zwischen den EIN- und AUS-Zuständen umgeschaltet, und bei keiner der Einheiten wurde eine wesentliche Veränderung der EIN- und AUS-Widerstandswerte gefunden. Aufgrund von Beschränkungen der Prüfvorrichtung wurde mehr als 500-maliges Schalten nicht geprüft.
  • Es ist zu beachten, dass kleine Veränderungen des Stickstoffdotierungsgrads zu erheblichen Veränderungen des Widerstands des AUS-Zustands führen. Rhoch/Rniedrig variiert von ~10.000 für x = 2,2% bis 10 für x = 8,0%. Es kann spekuliert werden, dass möglicherweise das Einverleiben von N in MgO zu Defekten führt, die als Keime für die Entstehung von leitfähigen filamentartigen Pfaden durch die Mg50O50-xNx-Schicht wirken. Je höher der N-Gehalt, desto größer ist die Anzahl der Defekte und desto besser leitfähig sind diese filamentartigen Pfade, wodurch der Widerstand im AUS-Zustand verringert wird9,16.
  • Wie in 7 zu sehen ist, gibt es Variationen der Widerstandswerte der EIN- und AUS-Zustände von einem Schaltzyklus zu dem nächsten. In 8A ist die kumulative Wahrscheinlichkeit, dass eine Einheit einen vorgegebenen Widerstandswert aufweist, gegen ihren Widerstand aufgetragen. Die Ergebnisse werden für die gleichen MIM-Einheiten wie in 7 sowohl für Rhoch (dunkle Symbole) als auch für Rniedrig (offene Symbole) gezeigt. Die Verteilungen entsprechen einem 500-maligen EIN- und AUS-Schalten jeder Einheit. Die kumulative Wahrscheinlichkeitsverteilung von Rniedrig variiert nur wenig mit der N-Dotierung, zudem ist diese Verteilung wesentlich schmaler als die Verteilungen von Rhoch. Dennoch sind die Verteilungen von Rniedrig und Rhoch gut getrennt, was darauf hinweist, dass bei der Planung von Schaltkreisen erheblicher Spielraum verfügbar ist, um Widerstandsschalteinheiten auf der Basis von Mg50O50-xNx zu realisieren. Es ist zu beachten, dass die schmalere Verteilung von Rniedrig gegenüber jener von Rhoch in der genauen Steuerung des Betriebsstromes bei dem SET-Vorgang begründet sein könnte, während der Strom bei dem RESET-Vorgang nicht beschränkt ist.
  • 8B zeigt die Abhängigkeit der Schalt-Schwellenspannungen (VSET und VRESET) von der Stickstoffdotierung. In dem betrachteten Bereich der N-Dotierung verändert sich VRESET nur wenig mit der N-Dotierung, während VSET mit zunehmender N-Dotierung wesentlich abnimmt. Die Werte von VRESET und VSET variieren von einem Zyklus zum nächsten. 8B zeigt die entsprechenden Standardabweichungen unter der Annahme einer Gauß-Verteilung der Werte. Die Verteilungen von VRESET sind wesentlich schmaler als jene von VSET. Dies kann durch das Modell des Widerstandsschaltens erklärt werden, bei dem die Entstehung leitfähiger Filamente angenommen wird17. Es wird angenommen, dass die Entstehung eines leitfähigen Filaments regelloser als die Unterbrechung eines bestehenden Filaments erfolgt.
  • Die chemischen Eigenschaften der Mg50O50-xNx-Dünnschichten wurden durch in-situ-Röntgen-Fotoemissionsspektroskopie (XPS) charakterisiert. Als Anregungsquelle wurden Mg-Kα-Röntgenstrahlen verwendet und die kinetische Energie der ausgesandten Fotoelektronen wurde mithilfe eines hemisphärischen Energieanalysators mit einer Passenergie von 20 eV gemessen. Die Emission von Fotoelektronen aus einer isolierenden Probe kann zu einer Akkumulation von positiver Ladung an der Probenoberfläche führen, wodurch eine Verschiebung der XPS-Maxima des Spektrums zu höheren Bindungsenergien entstehen kann. Zum Korrigieren dieses Effekts wurde an den gemessenen Spektren ein Energieausgleich durchgeführt, um die Kohlenstoff-1s-Linie an ihren erwarteten Wert von 284,6 eV zu bringen. In 9A sind die XPS-Daten aus dem Valenzband von vier Dünnschichten mit x, das von 0 bis 8 variiert, zusammengefasst. Die in den Spektren beobachteten Maxima entsprechen den 2s- und 2p-Niveaus von Sauerstoff und Stickstoff. Bei zunehmendem N-Gehalt der Dünnschicht nimmt die Intensität der 2s- und 2p-Maxima von N zu, während die Intensität der 2s- und 2p-Maxima von O abnimmt. Dies zeigt, dass der Stickstoff tatsächlich den Mg50O50-xNx-Dünnschichten einverleibt ist.
  • Das 2p-Niveau von N liegt bei einer tieferen Bindungsenergie als das 2p-Niveau von O. Dies bedeutet, dass N-Dotierung die Bandlücke der Mg50O50-xNx-Dünnschichten absenkt. Diese Dünnschichten wurden auch durch Röntgendiffraktion (XRD) charakterisiert. Wie in 9B gezeigt, verschieben sich die (200)- und (220)-Röntgendiffraktionsmaxima von MgO mit zunehmender N-Dotierung zu kleineren Diffraktionswinkeln. Dies zeigt, dass Einverleiben von Stickstoff zu einer Gitterexpansion führt. Diese Gitterexpansion wird sehr wahrscheinlich durch Besetzen von Zwischengitterplätzen durch N-Atome verursacht. In dieser Hinsicht ist das Einverleiben von N in MgO-Dünnschichten einem Ionenimplantationsvorgang ähnlich, bei dem implantierte Ionen Zwischengitterplätze besetzen und das Wirtsgitter expandieren. Somit wird erwartet, dass Erhöhen der N-Dotierung von MgO zu einer erhöhten Anzahl von Defektzuständen durch die größere Gitterexpansion führt. Die kombinierte Wirkung einer größeren Defektdichte und einer abgesenkten Bandlücke wird in einer Verringerung von Rhoch mit zunehmendem N-Gehalt bestehen.
  • Bei den Mg50O50-xNx-MIM-Einheiten wurde gefunden, dass der Betriebsstrom der bestimmende Faktor für den Widerstand des EIN-Zustands (Rniedrig) ist. Wie oben erwähnt, erlaubte das Kombinieren eines N-MOSFET-Transistorschaltkreises mit der Widerstandsschalteinheit die genaue Steuerung des Betriebsstromes bei dem SET-Vorgang. 10 zeigt, wie Rniedrig durch Variieren des Betriebsstromes variiert werden kann. 10A zeigt die Abhängigkeit der I/V-Kennlinie einer Einheit (mit x = 2,2 Atom-% und einer Querschnittfläche von 50 × 100 nm2) von dem bei dem SET-Vorgang fließenden Betriebsstrom. Es werden Daten für Betriebsströme von 0,3, 1,2, 5 und 100 μA gezeigt. VSET ist bei kleineren Betriebsströmen eindeutig kleiner. In 10B ist die Abhängigkeit von Rniedrig und dem RESET-Strom (IRESET) von dem bei dem SET-Vorgang verwendeten Betriebsstrom zusammengefasst. Diese Ergebnisse können dem Mechanismus der Entstehung leitfähiger Filamente zugeschrieben werden18,19. Bei N-dotierten MgO-Widerstandsschalteinheiten werden die Filamente sehr wahrscheinlich durch Elektromigration des Pt-Elektrodenmaterials gebildet. Bei höherem Betriebsstrom während des SET-Vorgangs unterliegen vermutlich mehr Pt-Atome einer Elektromigration, wodurch ein substanzielleres leitfähiges Pt-Filament entsteht, was in Übereinstimmung mit den in 10B gezeigten Ergebnissen zu einem niedrigeren Widerstand der Einheit führen sollte. Da das Unterbrechen des leitfähigen Filaments durch einen ähnlichen Mechanismus wie das Durchbrennen einer herkömmlichen elektrischen Sicherung erfolgt, würde das Unterbrechen eines substanzielleren leitfähigen Filaments höhere Werte von VRESET und IRESET erfordern. Dies wurde tatsächlich bei den Widerstandsschalteinheiten auf der Basis von N-dotiertem MgO beobachtet, 10A und 10B.
  • Die Ergebnisse in 10 beleuchten eine weitere wichtige Eigenschaft der Widerstandsschalteinheiten auf Mg50O50-xNx-Basis, nämlich ihren „leistungsarmen Betrieb” mit kleinen RESET-Strömen von ~100 nA. Die Verwendung kleiner Betriebsströme führt zu kleineren Werten von Rhoch/Rniedrig, wobei diese Werte aber abhängig von dem Betriebsstrom immer noch erheblich sein können (siehe 10C). Es ist zu beachten, dass 10C eine leichte Verschiebung von Rhoch zu kleineren Widerstandswerten zeigt. Diese Verschiebung wird aber nur bei den ersten ~100 Schaltschritten beobachtet, anschließend sind die Widerstandswerte der EIN- und AUS-Zustände stabil.
  • Zusätzlich zu der Manipulation von Rhoch durch Variation des Stickstoffdotierungsgrads kann die Einheit durch Variieren der Höhe von VRESET während des RESET-Vorgangs in verschiedene Rhoch-Zustände geschaltet. werden, wie in 11 für eine 1 × 2 μm2 große Einheit mit x = 2,2% gezeigt wird. Die genaue Struktur des MIM wird in 11 dargestellt. 11A zeigt die I/V-Kennlinie der Einheit während eines mehrstufigen Programmiervorgangs, bei dem die RESET-Spannung bei wiederholten Experimenten systematisch erhöht wurde. Wie in 11 gezeigt, nahm der Widerstand der Einheit bei jeder Erhöhung der RESET-Spannung systematisch zu. Die mehrstufige Widerstandsänderung kann durch Beschränken von VRESET auf einen kleineren Wert als er für ein vollständiges RESET erforderlich ist erzielt werden. Der Widerstand der Einheit nach jedem SET- oder RESET-Schritt ist in 11B aufgetragen. Bei diesem Experiment konnten durch Manipulation der Höhe von VRESET 8 Hochwiderstandszustände erhalten werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass Mg50O50-xNx-MIM-Einheiten mehrstufige (d. h. Multibit-)Widerstandsschalt-Speicherzellen bilden können.
  • Eine weitere Möglichkeit der Herstellung von Einheiten mit mehreren spannungsgesteuerten Widerstandszuständen ist das Herstellen mehrschichtiger Stapel aus mehreren Mg50O50-xNx-Schichten, bei denen x von Schicht zu Schicht variieren kann. 12 zeigt ein derartiges Beispiel. Eine Struktur besteht aus 3 Mg50O50-xNx-Schichten mit einer ersten Schicht mit einer Dicke von 10 nm und x = 2,2%, einer zweiten Schicht mit einer Dicke von 25 nm und x = 8% und einer dritten Schicht, die mit der ersten Schicht nominell identisch ist. 12 zeigt Ergebnisse für eine Einheit, die durch optische Lithographie so strukturiert ist, dass sie eine Querschnittfläche von ~1 × 2 μm2 aufweist. Der Einschub von 12 zeigt, dass der Strom durch die Einheit bei erstmaligem Anlegen von Spannung an die Einheit ein erstes schrittartiges Ansteigen bei ~2 V und ein zweites schrittartiges Ansteigen bei ~4,5 V zeigt. Dies entspricht zwei unabhängigen SET-Vorgängen in den Mg50O50-xNx--Schichten mit verschiedenen N-Dotierungsgraden.
  • Die beiden Schritte verlaufen vermutlich folgendermaßen. Wie vorstehend gezeigt, wird der Anfangswiderstand der mit x = 2,2% dotierten Schicht viel höher sein als jener der mit x = 8% dotierten Schicht. Daher wird der Spannungsabfall durch die dreischichtige Struktur von 12 anfangs hauptsächlich durch die mit x = 2,2% dotierte Schichten erfolgen, so dass diese Schichten die erste Widerstandsumwandlung durchlaufen werden. Anschließend durchläuft vermutlich die zweite Schicht (x = 8%) eine Umwandlung bei dem Schritt mit höherer Spannung. Die benötigte Spannung ist höher als bei der Schicht, die direkt mit der Metallelektrode in Kontakt steht, vermutlich weil die Bildung des Niederwiderstandszustands schwieriger ist, wenn die Schicht von der Metallelektrode entfernt liegt. Dies legt nahe, dass die Entstehung dieses Zustands mit der Wanderung von Metall aus den Metall-Kontaktelektroden verbunden ist.
  • Im Gegensatz zu dem SET-Vorgang findet der RESET-Vorgang immer in einem einzigen Schritt statt, wie in 12 gezeigt wird. Diese Beobachtung weist im Rahmen des Modells der Filamentbildung darauf hin, dass das Unterbrechen des leitfähigen Filaments bei dem RESET-Vorgang lokal und nicht entlang der gesamten Länge des Filaments stattfindet. Somit wäre zu erwarten, dass nach der Entstehung des Filaments bei dem ersten Anlegen von Spannung nachfolgende SET-Vorgänge bei einer einzigen Spannung stattfinden sollten. Wie in 12 gezeigt, wird der 2-stufige SET-Vorgang bei nachfolgendem Anlegen von Spannung weniger stark ausgeprägt.
  • Während also Mg50O50-xNx-Mehrfachschichten bei wiederbeschreibbaren Mehrzustand-Speichern nicht verwendbar wären, ist eine derartige Struktur für mehrstufige Speicher für einmaliges Beschreiben verwendbar, beispielsweise für Archivspeicheranwendungen mit hoher Dichte. Durch Erhöhen der Anzahl von Mg50O50-xNx-Schichten kann die Anzahl von SET-Schaltschritten erhöht werden, um Speicher für einmaliges Beschreiben mit noch höherer Dichte zu ermöglichen.
  • Anwendungen
  • 13A zeigt ein Festspeichellenfeld 100, das eine Koppelfeld-Speicherzellenarchitektur darstellt. Wie in 13A gezeigt, sind die Speicherzellen 110 an den entsprechenden „Koppelfeld”-Kreuzungen einer leitfähigen „Wort”-Leitung 120 und einer leitfähigen „Bit”-Leitung 122 angeordnet. Jede Speicherzelle 110 umfasst ein Widerstandsschaltelement (umfassend eine wie oben beschriebene stickstoffdotierte MgO-Schicht) zum Speichern von wenigstens einem Datenbit, wobei durch selektives Anlegen von Spannung an die geeignete Kombination von Wort- und Bitleitungen Strom durch das Element einer bestimmten Speicherzelle geleitet werden kann. Das Koppelfeld von 13A kann durch das in 13B gezeigte Schema dargestellt werden.
  • Wie von dem Beispiel der 13C nahegelegt wird, können die Speicherzellen selbst recht kompliziert sein. Bei dieser Ausführungsform umfasst jede Zelle einen MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) 134 und ein Widerstandsschalt-Speicherelement 135, das eine stickstoffdotierte MgO-Schicht umfasst (und auch Elektroden umfassen kann, die mit der stickstoffdotierten MgO-Schicht in Kontakt stehen). Jedes Speicherelement 135 steht in elektrischer Verbindung mit einer bestimmten Wortleitung 120 und einer bestimmten Bitleitung 122. Der MOSFET 134 ist über eine leitfähige Leitung 136 mit dem Speicherelement 135 verbunden, während das Gate des MOSFET mit einer Wortleitung 120 verbunden ist. Das Speicherelement 135 ist über eine weitere leitfähige Leitung 137 auch mit einer Bitleitung 122 verbunden. Als Alternative zu dem in 13C gezeigten Beispiel kann eine vereinfachte Speicherzelle eingesetzt werden, bei der die Zelle nur aus einem Speicherelement 135 besteht, das direkt mit einer entsprechenden Wortleitung 120 und einer entsprechenden Bitleitung 122 verbunden ist. Bei weiteren Beispielen kann die Speicherzelle einen Bipolartransistor (BJT) und ein Widerstandsschalt-Speicherelement; eine Diode und ein Widerstandsschalt-Speicherelement; eine Tunneldiode und ein Widerstandsschalt-Speicherelement; einen magnetischen Tunnelübergang in Reihe mit einem Widerstandsschalt-Speicherelement; ein Widerstandsschaltelement, das mehrere Mg50O50-xNx-Schichten umfasst; oder eine Kombination der oben Genannten umfassen.
  • Zusammengefasst bewirkt die Dotierung von isolierenden MgO-Schichten mit Stickstoff, dass diese Schichten spannungsgesteuerte Widerstandszustände aufweisen. Einzelne Mg50O50-xNx-Schichten zwischen metallischen Platinelektroden zeigen einen spannungsgesteuerten Übergang zwischen zwei Widerstandszuständen, einem Hochwiderstands- und einem Niederwiderstandszustand. Strukturierte Nanoeinheiten auf dem 100-nm-Maßstab zeigen hochgradig reproduzierbare Schaltkennlinien. Die Spannungswerte, bei denen die Einheit zwischen den beiden Widerstandsniveaus schaltet, können durch Erhöhen der Stickstoffkonzentration systematisch verringert werden. Ähnlich kann der Widerstand des Hochwiderstandszustands durch Variieren der Stickstoffkonzentration variiert werden, wobei er bei Variation der Stickstoffkonzentration um wenige Prozent um Größenordnungen abnimmt. Der Widerstand des Niederwiderstandszustands ist beinahe unempfindlich gegen den Stickstoffdotierungsgrad, was darauf hinweist, dass der spannungsinduzierte Widerstandseffekt aus der Bildung eines einzelnen (oder höchstens einiger weniger) leitfähigen filamentartigen Pfads durch die Einheit folgt. Der Widerstand von Einheiten mit einer einzelnen Mg50O50-xNx-Schicht kann durch Beschränken des Stromes, der bei dem SET-Vorgang fließen kann, über einen weiten Bereich variiert werden. Durch Verwendung von Strukturen mit mehreren Mg50O50-xNx-Schichten mit unterschiedlichen Stickstoffkonzentrationen kann eine Einheit für einmaliges Beschreiben mit mehreren Bits pro Einheit entworfen werden.
  • Andere Anwendungen der Widerstandseigenschaften von Mg50O50-xNx-Einzelschichten und Mehrfachschichten umfassen ihre Verwendung als Sicherung, Punktkontakt-Injektor und synaptische Einheit. Bei vielen elektronischen Anwendungen ist es sinnvoll, über in die Schaltkreise eingefügte Einheiten zu verfügen, die als Sicherung wirken können, wodurch die Einheit EIN- oder AUS-geschaltet werden kann, um eine elektrische Verbindung bereitzustellen oder eine elektrische Verbindung zu unterbrechen. Die Einheit auf Mg50O50-xNx-Basis kann als derartige Sicherung dienen, deren Zustand durch einen Spannungspuls EIN/AUS-geschaltet wird. Es ist zu beachten, dass die Sicherung aus einer vertikalen oder einer lateralen Einheit bestehen kann, d. h. die leitfähigen Kontakte, zwischen denen der leitfähige Pfad erzeugt wird, können so angeordnet sein, dass ein Kontakt über und ein Kontakt unter dem Mg50O50-xNx-Material angeordnet ist, oder alternativ dazu können die Kontakte an der gleichen Seite dieses Materials angeordnet sein (d. h. in diesem Fall sind beide über oder beide unter dem Material angeordnet).
  • Der EIN-Zustand der Einheit auf Mg50O50-xNx-Basis besteht vermutlich aus einem einzelnen leitfähigen Filament mit endlicher Größe, das in der Einheit durch Anlegen des Spannungspulses erzeugt wird. Somit kann dieses Filament als Punktkontakt zu einer anderen elektrischen Einheit dienen, beispielsweise einer magnetischen Tunnelübergangseinheit. Bei Anlegen einer Spannung an die Einheit auf Mg50O50-xNx-Basis zum Erzeugen eines ON-Zustands wird innerhalb des Materials auf Mg50O50-xNx-Basis ein Filament gebildet, dessen Durchmesser viel kleiner als die Größe der Einheit auf Mg50O50-xNx-Basis ist, wodurch zu einer zweiten elektrischen Einheit eine elektrischen Verbindung entstehen kann, die viel kleiner als die Größe dieser Einheit ist. Wenn diese Einheiten beispielsweise mittels eines Verfahrens auf CMOS-Basis hergestellt werden, hängt die kleinste Größe von Merkmalen von dem Technologieknoten ab und ist bei heute gängig verwendeten Technologien auf 65 nm oder 45 nm beschränkt oder bei in Entwicklung stehenden Technologieknoten auf beispielsweise 32 nm oder 22 nm oder 15 nm. Daher können elektrische Verbindungen oder Drähte nicht kleiner als diese Abmessungen sein (sofern nicht fortgeschrittene Prozesstechnologien verwendet werden). Bei einigen Anwendungen kann eine weitere Beschränkung der Abmessung einer elektrischen Verbindung oder eines Drahts vorteilhaft sein. Beispielsweise kann es bei einer magnetischen Tunnelübergangseinheit, die aus wenigstens zwei magnetischen Elektroden besteht, die von einer dünnen dielektrischen Schicht, die als Tunnelbarriere wirkt, getrennt sind, von Vorteil sein, das Gebiet der Einheit, durch welches der Strom fließt, auf eine Größe zu beschränken, die viel kleiner als die physische Größe der magnetischen Tunnelübergangseinheit ist. Dies kann durch Reihenanordnung eines Widerstandsschaltelements mit der magnetischen Tunnelübergangseinheit erzielt werden. Dieses Widerstandsschaltelement kann aus einer oder mehreren Mg50O50-xNx-Schichten bestehen, könnte aber auch aus anderen Materialien bestehen, die Widerstandsschalt-Verhalten aufweisen.
  • Eine weitere Anwendung der Widerstandsschalt-Eigenschaften von Mg50O50-xNx betrifft die Herstellung von Einheiten, die synaptische Merkmale aufweisen. In der Patentschrift US 2010/0 220 523 A1 wird die Herstellung einer magnetischen Tunnelübergangseinheit diskutiert, die Plastizität (d. h. eine Veränderung der Leitfähigkeit der Einheit während des Betriebs) und „Spike-timig-abhängige Plastizität” aufweist. Ferner können aus Mg50O50-xNx-Materialien hergestellte MIM-Einheiten anstelle von oder in Verbindung mit magnetischen Tunnelübergangseinheiten verwendet werden, um mit synaptischen Eigenschaften zu arbeiten. MIM-Einheiten unter Verwendung von Mg50O50-xNx-Materialien können beispielsweise in Koppelfeldgeometrie (wie in 13 gezeigt) verwendet werden, um eine Rechnereinheit zu bilden, die Vorteil aus den synaptischen Eigenschaften der Mg50O50-xNx-Materialien zieht. Beispielsweise wird sich durch Anlegen von Spannungspulsen mit bestimmten zeitlichen Formen an diese Materialien die Leitfähigkeit der Einheit entwickeln. Auch hier können die Mg50O50-xNx-Materialien in einer vertikalen oder in einer lateralen Geometrie verwendet werden. Eine der wichtigsten Merkmale der biologischen Synapse ist STDP, wobei es sich um die Änderung der Leitfähigkeit der Synapse unter dem Einfluss einer Kombination von zwei oder mehr Spannungsspitzen von den präsynaptischen und postsynaptischen Neuronen handelt, mit denen die Synapse verbunden ist. Diese Neuronen senden eine Serie von Spannungsspitzen aus. Wenn das präsynaptische Neuron eine Spitze vor und innerhalb eines charakteristischen Zeitraums (typischerweise 0 bis 100 Millisekunden) der Spitze des postsynaptischen Neurons aussendet, wird die Leitfähigkeit der Synapse erhöht, typischerweise um einige Prozent. Wenn das präsynaptische Neuron umgekehrt innerhalb eines ähnlichen Zeitraums nach dem postsynaptischen Neuron eine Spitze aussendet, wird die Synapse um typischerweise einige Prozent abgeschwächt, d. h. ihre Leitfähigkeit wird verringert. Dieses Verhalten, bei dem sich die Leitfähigkeit der Synapse abhängig von dem zeitlichen Aussenden von Spitzen der prä- und postsynaptischen Neuronen plastisch entwickelt, definiert im Wesentlichen einen Schalter mit synaptischen Merkmalen. Stickstoffdotierte MgO-Einheiten können sich als Synapse verhalten, wenn eine Kombination von zwei oder mehr Spannungspulsen mit einer geeigneten zeitlichen Form an die Einheit abgegeben wird, so dass die Leitfähigkeit der Einheit abhängig von der relativen Zeit des Eintreffens der Impulse erhöht oder verringert wird.
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Claims (22)

  1. Einheit, umfassend: ein Feld von Speicherzellen, von denen jedes in elektrischer Verbindung mit einer Wortleitung und einer Bitleitung steht, wobei jede Speicherzelle ein jeweiliges Widerstandsschaltelement umfasst, wobei jedes der Widerstandsschaltelemente eine N-dotierte MgO-Schicht umfasst, deren N-Gehalt wenigstens 0,1 Atomprozent der Schicht beträgt, wobei der Widerstand jeder der N-dotierten MgO-Schichten reversibel zwischen einem Hochwiderstands- und einem Niederwiderstandszustand durch Anlegen einer Spannung quer über sie so änderbar ist, dass der Widerstand des jeweiligen Widerstandsschaltelements reversibel zwischen einem Hochwiderstands- und einem Niederwiderstandszustand umschaltbar ist, wobei der N-Gehalt jeder Schicht zwischen 0,1 und 14 Atomprozent beträgt.
  2. Einheit nach Anspruch 1, wobei die Einheit ein zweidimensionales Koppelfeld ist.
  3. Einheit nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Speicherzelle einen magnetischen Tunnelübergang umfasst, der in elektrischer Reihe mit dem Widerstandsschaltelement der wenigstens einen Speicherzelle steht.
  4. Einheit nach Anspruch 1, wobei in den Speicherzellen Daten gespeichert werden, wobei der Hochwiderstands- und der Niederwiderstandszustand jedes Widerstandsschaltelements zum Speichern eines jeweiligen Datenbits verwendbar ist.
  5. Einheit nach Anspruch 1, wobei jede der Schichten eine Dicke zwischen 1 nm und 100 nm aufweist.
  6. Einheit nach Anspruch 1, wobei der N-Gehalt jeder Schicht wenigstens 2 Atomprozent beträgt.
  7. Einheit nach Anspruch 1, wobei der N-Gehalt jeder Schicht wenigstens 5 Atomprozent beträgt.
  8. Einheit nach Anspruch 1, wobei der N-Gehalt jeder Schicht wenigstens 8 Atomprozent beträgt.
  9. Verfahren, umfassend: Anlegen einer Spannung an ein bestimmtes der Widerstandsschaltelemente der Einheit nach Anspruch 1, wodurch der Widerstandszustand des bestimmten Elements geändert wird, wobei die Spannung in Hinblick auf seinen N-Gehalt ausgewählt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Widerstand des bestimmten Widerstandsschaltelements als Folge des Anlegens der Spannung zunimmt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Widerstand des bestimmten Widerstandsschaltelements als Folge des Anlegens der Spannung abnimmt.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend: Anlegen einer SET-Spannung an das bestimmte Widerstandsschaltelement, wodurch es in einen „EIN”-Zustand mit einem Widerstand Rniedrig der N-dotierten MgO-Schicht des bestimmten Widerstandsschaltelements zwischen Ra und Rb geschaltet wird; und Anlegen einer RESET-Spannung an das bestimmte Widerstandsschaltelement, wodurch es in einen „AUS”-Zustand mit einem Widerstand Rhoch der N-dotierte MgO-Schicht des bestimmten Widerstandsschaltelements zwischen Rc und Rd geschaltet wird, wobei Ra < Rb < Rc < Rd.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren bei allen Widerstandsschaltelementen der Einheit angewendet wird.
  14. Verfahren zur Verwendung mit einem Widerstandsschaltelement, wobei das Widerstandsschaltelement i) eine erste leitfähige Schicht, ii) eine Mg50[O50-xNx]-Schicht, wobei x wenigstens 0,1 beträgt, und iii) eine zweite leitfähige Schicht umfasst, wobei die erste leitfähige Schicht, die Mg50[O50-xNx]-Schicht und die zweite leitfähige Schicht einander benachbart sind, wodurch ein Strom durch die erste leitfähige Schicht, die Mg50[O50-xNx]-Schicht und die zweite leitfähige Schicht fließen kann, wobei der Widerstand jeder der N-dotierte MgO-Schichten reversibel zwischen einem Hochwiderstands- und einem Niederwiderstandszustand durch Anlegen einer Spannung quer über sie so änderbar ist, dass der Widerstand des jeweiligen Widerstandsschaltelements reversibel zwischen einem Hochwiderstands- und einem Niederwiderstandszustand umschaltbar ist, wobei der N-Gehalt jeder Schicht zwischen 0,1 und 14 Atomprozent beträgt, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen von Spannung an das Widerstandsschaltelement, um so seinen Widerstandszustand zu verändern.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste und die zweite leitfähige Schicht beide ferromagnetisches Material umfassen.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste und die zweite leitfähige Schicht beide nichtmagnetisches Material umfassen.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Widerstandsschaltelement Teil eines elektrischen Schaltkreises ist, der wenigstens eine andere elektrische Komponente umfasst, wobei das Verfahren ferner umfasst: Anlegen eines Spannungspulses an das Widerstandsschaltelement, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Element und der wenigstens einen anderen elektrischen Komponente unterbrochen wird, wobei das Widerstandsschaltelement als Reaktion auf das Anlegen von Spannung an das Widerstandsschaltelement wie eine Sicherung wirkt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend das Anlegen von Spannung an das Widerstandsschaltelement, so dass wieder eine elektrische Verbindung zwischen dem Element und der wenigstens einen anderen elektrischen Komponenten gebildet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Widerstandsschaltelement einer elektrischen Komponente benachbart ist, wobei das Verfahren das Anlegen einer Spannung an das Element zum Erzeugen eines EIN-Zustands umfasst, wodurch innerhalb des Elements ein Filament mit einem Durchmesser entsteht, der kleiner ist als der Durchmesser der elektrischen Komponente, wobei das Element als Punktkontakt-Injektor für die elektrische Komponente wirkt.
  20. Verfahren nach Anspruch 14, wobei x wenigstens 2 beträgt.
  21. Verfahren nach Anspruch 14, wobei x wenigstens 5 beträgt.
  22. Verfahren nach Anspruch 14, wobei x wenigstens 8 beträgt.
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