EP1774606A2 - Resistiv arbeitender speicher - Google Patents

Resistiv arbeitender speicher

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Publication number
EP1774606A2
EP1774606A2 EP05771789A EP05771789A EP1774606A2 EP 1774606 A2 EP1774606 A2 EP 1774606A2 EP 05771789 A EP05771789 A EP 05771789A EP 05771789 A EP05771789 A EP 05771789A EP 1774606 A2 EP1774606 A2 EP 1774606A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sub
phenyl
general formula
independently
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05771789A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Walter
Recai Sezi
Reimund Engl
Anna Maltenberger
Jörg Schumann
Thomas Weitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qimonda AG
Original Assignee
Qimonda AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qimonda AG filed Critical Qimonda AG
Publication of EP1774606A2 publication Critical patent/EP1774606A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
    • G11C13/0009—RRAM elements whose operation depends upon chemical change
    • G11C13/0014—RRAM elements whose operation depends upon chemical change comprising cells based on organic memory material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/12—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • H01B1/121—Charge-transfer complexes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic element specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, covered by group H10K10/00
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/611—Charge transfer complexes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/615—Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor device with resistive working memory.
  • Memory cells have been described, which have a size of a few nanometers.
  • One concept for the construction of such memory cells is to arrange an active layer between two electrodes which, depending on the voltage, can reversibly change certain properties such as, for example, ferromagnetic properties or electrical resistance.
  • the cell can be switched between two states, so that one state, for example, the information state "0" and the other state, the information state "1" can be assigned.
  • the cell which has an active layer between two electrodes, which can change the electrical resistance depending on the applied voltage, has the advantage over the cells, which has a ferroelectric material between two electrodes, that they are a significantly higher Signal ratio between the OFF and ON state and does not need to be rewritten after the reading, since the reading of the state is not destructive.
  • Another memory cell with an active material which is a switchable
  • the active material consists of 2-amino-4, 5-imidazoledicarbonitrile (AIDCN)
  • the memory cell according to this prior art consists of several Layers constructed as follows: an aluminum anode deposited on glass, an AIDCN layer disposed thereon, a metal layer, another AIDCN layer and a cathode. For switchability, this system requires the above-described five layers, which makes the production very complex.
  • a further disadvantage of the cells according to this prior art is that the cells can be switched only with aluminum electrodes and that the active layer can be applied only by means of vacuum vapor deposition.
  • the object of the present invention is to vor ⁇ slam further memory cells with an arranged between two electrodes active layer (memory layer), wherein the memory cells allow a high integration density, between two stable states of different electrical resistance can be switched by common methods are easy to process in microelectronics and allow the use of commonly used in microelectronics electrodes.
  • Another object of the invention is to propose new active materials that can be used as an active layer in the memory cells.
  • the object of the invention is achieved by a memory cell with two electrodes and an active layer arranged therebetween, wherein the active layer
  • R to R independently of one another may have the following meanings:
  • R, -SR or a halogen atom wherein R and R may together form a ring, and wherein R and R are independently -H, alkyl, preferably with 1-10 C-
  • Mean atoms, aryl, heteroaryl, m is 0 or an integer in the range of 1-10, and n is an integer in the range of 2 to 1000; [017] and
  • R to R independently of one another may have the following meaning: -H, -
  • the end groups of the compound a which have not been shown in the general formula I, can mean -H, aryl, or alkyl radicals, if appropriate with heteroatoms such as N, O or S.
  • Comonomers of two or more thiophenes which have different R 1 and / or R 2 are also suitable.
  • Preferred compounds of group a) are polyalkylthiophenes and also polyhexylthiophenes or polythiophene.
  • the advantages of the cell structure according to the invention is a very simple construction, reversible, reproducible switchability, a ratio between the ON and OFF resistances of 2-1000 or higher, non-destructive reading, since there is no need for rewriting after Reads, non-volatile information storage, functionality down to film thicknesses of about 20 nm, high thermal stability, switchability in the presence of air and moisture, Compa ⁇ tivity with common electrodes such. As Cu, Ta, TaN, Al, AlCu, AlSiCu, Ti, TiN, W and common combinations of these electrodes, the suitability of the memory cell for the production in multiple layers, such as in Kupferdamascenetechnik etc.
  • the ratio of the component (a) to (b) can be varied widely.
  • the ratio of (a) to (b) is in the range of 5: 1 to 1: 5.
  • Electrodes may be incorporated, may be silicon, germanium, gallium arsenide, gallium liumnitrid or any material containing any compound of silicon, germanium or gallium.
  • the substrate may also be a polymer, that is to say plastic which is filled or unfilled or in the form of a molded part or foil, as well as ceramic, glass or metal.
  • the substrate may also be an already processed material and contain one to several layers of contacts, conductor tracks, insulating layers and further microelectronic components.
  • the substrate is silicon, which has already been processed correspondingly front-end-off-line (FEOL), that is, already has electrical components such as transistors, capacitors, etc., manufactured and silicon technology.
  • FEOL front-end-off-line
  • Between the substrate and the next electrode is preferably a Insulating layer, in particular when the substrate is electrically conductive. However, there may also be multiple layers between the substrate and the next electrode.
  • the substrate may serve as a carrier material or else an electrical function
  • the active layer of the invention is compatible with a variety of commonly used electrodes in microelectronics.
  • the electrodes are preferably made of Cu, Al, AlCu, AlSiCu, Ti, TiN, Ta, TaN, W, TiW, TaW, WN, WCN and common combinations of these electrodes.
  • thin layers of silicon, titanium silicon nitride, silicon oxynitride, silicon oxide, silicon carbide, silicon nitride or silicon carbonitride may also be present in combination with the abovementioned layers or materials.
  • Suitable method can be, for example, PVD, CVD, PECVD, vapor deposition, electroplatting, electroless platting or atomic layer deposition (ALCVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • PECVD vapor deposition
  • electroplatting electroless platting
  • ACVD atomic layer deposition
  • the methods are not limited to these, and any methods of manufacturing electrodes used in microelectronics can be used in principle.
  • the deposition of the electrode can be carried out from the gas phase or from solution.
  • the electrodes can be patterned by various common techniques.
  • the structuring can be done for example by means of shadow masks, printing techniques or lithography.
  • Particularly preferred printing techniques are screen printing, microcontact printing or nanoimprinting.
  • the electrodes can also be, for example, by means of the so-called
  • Damascene technique to be structured.
  • an insulating layer lying above the substrate preferably of silicon oxide
  • the electrode layer is deposited, so that it is completely filled with the electrode materials during trenches or holes formed in the insulating layer during patterning.
  • An ⁇ closing is a part of these materials, which is above the surface of Iso- lier Mrs stands, back ground.
  • the grinding process can be carried out by means of the so-called CMP technique (chemical mechanical planarization).
  • CMP technique chemical mechanical planarization
  • Electrode as well as the lower one are generated.
  • the upper conductor tracks are arranged transversely to the lower conductor tracks.
  • a so-called crosspoint cell is formed, consisting of three layers, namely lower electrode, active material and upper electrode.
  • the lateral geometry of the cell is not limited to the above-mentioned crosspoint
  • Electrodes and the intermediate layer of the active material can be applied not only once but also several times in stacked form on the substrate. This creates several levels for the memory cells, each level consists of two electrodes and the intermediate layer of the active material. Of course, several cells can be in one level (cell array). The different levels may be separated by an insulator or it is also possible that for two superposed levels not four, but only three electrodes are used, as they (middle electrode) as upper electrode for the lower level and as lower electrode for the upper level can serve.
  • the active material may be prepared, for example, by preparing a solution containing the
  • Components (a) and (b) are applied to the electrode by spin coating.
  • Suitable solvents are, for example, N-methylpyrrolidone, -
  • the solvent used may also be a mixture of the abovementioned solvents with, if appropriate, further solvents.
  • the formulation may also contain additives such as, for example, adhesion promoters (for example silanes).
  • the active material can also be done by vacuum evaporation.
  • the components (a) and (b) (co-evaporation) are simultaneously deposited on the electrode or the components are applied directly one behind the other and thus form the active layer.
  • a tempering step is carried out in each case, for
  • the substrate is treated to dry the film or optionally to complete the reaction, particularly when components (a) and (b) are deposited on the electrode by vacuum deposition become.
  • the temperature treatment can also be carried out in the vacuum chamber or even omitted.
  • the thickness of the layer containing the active material is in the range of preferably between 20 and 2000 nm, with the range between 20 and 200 nm being particularly preferred.
  • the advantages of the cell according to the invention are that the structure of the cell is very simple, so that the production can be carried out inexpensively. For the cell according to the invention only two electrodes and an intermediate active layer are necessary.
  • the cell has a reversible, reproducible switchability under various conditions such as in the presence of air and moisture and in a wide temperature range.
  • the active layer may be prepared by line compatible techniques such as spin coating or
  • the adhesion of the layer to the electrodes is excellent and the ratio of the
  • Low resistance state to the higher resistance state is higher than 2-1000.
  • the preparation can be carried out by means of conventional lithographic processes, since the active layer is compatible with a large number of processes.
  • a particular advantage of the present cell is that the active layer is compatible with common electrodes.
  • the active layer is switchable with the electrodes and electrode combinations used in microelectronics and it should be emphasized that the switchability is very reliable, especially with copper. This is important because copper has the lowest electrical resistance compared to the other electrical conductors that are commonly used in electronics.
  • the preparation of the cell according to the invention will be discussed in more detail by way of examples.
  • FIG. 1 The I-U diagram of the cell according to the invention is shown in FIG. As can be seen from Fig. 1, the switchability of the cell in the presence of air is completely reversible and reproducible.

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Abstract

Es werden neue Speicherzellen bereitgestellt, die zwei Elektroden aufweisen und eine dazwischen angeordnete Schicht aus einem aktiven Material, das (a) eine Verbindung der in der allgemeinen Formel (I) bezeichneten Struktur: (allgemeine Formel I) wobei R<SUB>1</SUB> bis R<SUB>2</SUB> unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können: -H, -(CH<SUB>2</SUB>)<SUB>m</SUB>CH<SUB>3</SUB>, -Phenyl , -O-(CH<SUB>2</SUB>)<SUB>m</SUB> CH<SUB>3</SUB>, -O-Phenyl, -S(CH<SUB>2</SUB>)<SUB>m</SUB>CH<SUB>3</SUB>, -S-Aryl, -NR<SUB>3</SUB>R<SUB>4</SUB> , -SR oder ein Halogenatom, wobei R<SUB>1</SUB> und R<SUB>2</SUB> zusammen ein Ring bilden können, und wobei R<SUB>3</SUB> und R<SUB>4</SUB> unabhängig voneinander -H, Alkyl, vorzugsweise mit 1-10 C- Atomen, -Aryl, -Heteroaryl bedeuten, m 0 oder eine ganze Zahl im Bereich von 1-10 ist und n eine ganze Zahl im Bereich von 2 bis 1000 ist; und (b) eine Verbindung der allgemeinen Formel II: (allgemeine Formel II) wobei R<SUB>5</SUB> bis R<SUB>12</SUB> unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können: -H, -(CH<SUB>2</SUB>)<SUB>m</SUB>CH<SUB>3</SUB>, -Phenyl, -0-(CH<SUB>2</SUB>)<SUB>m</SUB>CH<SUB>3</SUB>, -O-Phenyl, -CO(CH<SUB>2</SUB>)<SUB>m</SUB>CH<SUB>3</SUB>, -Halogen, -CN und/oder -NO<SUB>2</SUB> wobei R<SUB>5</SUB> und R<SUB>6</SUB> bzw. R<SUB>6</SUB> und R<SUB>7</SUB> , R<SUB>7</SUB> und R<SUB>8</SUB> , R<SUB>9</SUB> und R<SUB>10</SUB> , R<SUB>10</SUB> und R<SUB>11</SUB> und/oder R<SUB>11</SUB> und R<SUB>12</SUB> zusammen ein Ring bilden können, wobei m die vorstehend genannte Bedeutung hat, aufweist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zellen bereitgestellt sowie die neue Verwendung einer Zusammensetzung, die als aktives Material für die Speicherzellen verwendet werden kann.

Description

Beschreibung Resistiv arbeitender Speicher
[001] Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit resistiv arbeitendem Speicher.
[002] Eine der wesentlichen Bestrebungen bei der Weiterentwicklung moderner Speicher¬ technologien ist die Erhöhung der Integrationsdichte, so dass der Verringerung der Strukturgrößen der den Speichereinrichtungen zugrunde liegenden Speicherzellen eine große Bedeutung zukommt.
[003] In den letzten Jahren sind mehrere mikroelektronische Elemente und insbesondere
Speicherzellen beschrieben worden, die eine Größe von wenigen Nanometern aufweisen. Ein Konzept für den Aufbau derartiger Speicherzellen besteht darin, zwischen zwei Elektroden eine aktive Schicht anzuordnen, die abhängig von der Spannung gewisse Eigenschaften wie zum Beispiel ferromagnetische Eigenschaften oder elektrischen Widerstand reversibel verändern können. Abhängig von der angelegten Spannung kann die Zelle zwischen zwei Zuständen geschaltet werden, so dass ein Zustand zum Beispiel den Informationszustand "0" und der andere Zustand dem Informationszustand "1" zugeordnet werden kann.
[004] Es sind gemäß dem Stand der Technik verschiedene Speicherzellen mit einer aktiven Schicht beschrieben worden.
[005] Die Zelle, die zwischen zwei Elektroden eine aktive Schicht aufweist, die abhängig von der angelegten Spannung den elektrischen Widerstand ändern kann, weist gegenüber den Zellen, die zwischen zwei Elektroden ein ferroelektrisches Material aufweist, den Vorteil auf, dass sie ein deutlich höheres Signalverhältnis zwischen dem OFF- und ON-Zustand hat und nach dem Lesevorgang nicht neu beschrieben werden muss, da das Auslesen des Zustande nicht destruktiv ist.
[006] Bandyopadhyay et al.: Applied Physics Letters, Vol. 82, Seiten 1215 - 1217 "Large conductance switching memory effects in organic molecules for data-storage app- lications" beschreiben eine zwischen zwei Elektroden angeordnete aktive Schicht bestehend aus Bengalrosa (4,5,6,7-Tetrachlor-2',4',5',7'-tetraiodfluorescin) mit einem Polyallylaminhydrochloridpolymer. Die Elektrode besteht aus Indium-Zinn-Oxid auf Glas. Die Herstellung der aktiven Schicht ist aber sehr umständlich und verlangt eine mehrstündige Ofenbehandlung im Vakuum. Darüber hinaus ist die aktive Schicht auf die Indium-Zinn-Oxid-ElekDtrode beschränkt.
[007] Eine weitere Speicherzelle mit einem aktiven Material, das ein schaltbares
Verhalten aufweist, ist in Yang et al.: "Applied Physics Letters, Vol. 80, 2002, Seiten 2997 - 2999 "Organic Electrical Bistable Devices and Rewritable Memory Cells" be¬ schrieben. Das aktive Material besteht aus 2-Amino-4,5-imidazoldicarbonitril (AIDCN). Die Speicherzelle gemäß diesem Stand der Technik besteht aus mehreren Schichten, die wie folgt aufgebaut sind: eine auf Glas abgeschiedene Aluminiumanode, eine darauf angeordnete AIDCN-Schicht, eine Metallschicht, eine weitere AIDCN- Schicht und eine Kathode. Dieses System erfordert für die Schaltbarkeit die oben be¬ schriebenen fünf Lagen, was die Herstellung sehr komplex macht. Ein weiterer Nachteil der Zellen gemäß diesem Stand der Technik ist, dass die Zellen nur mit Alu¬ miniumelektroden schaltbar ist und dass die aktive Schicht nur mittels Vakuum- bedampfung aufgebracht werden kann.
[008] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, weitere Speicherzellen mit einer zwischen zwei Elektroden angeordneten aktiven Schicht (Speicherschicht) vor¬ zuschlagen, wobei die Speicherzellen eine hohe Integrationsdichte ermöglichen, zwischen zwei stabilen Zuständen von unterschiedlichem elektrischem Widerstand schaltbar sind, durch gängige Verfahren in der Mikroelektronik einfach zu verarbeiten sind und die Verwendung der in der Mikroelektronik gängigen Elektroden erlauben.
[009] Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, neue aktive Materialien vorzuschlagen, die als aktive Schicht in den Speicherzellen verwendet werden können.
[010] Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Speicherzelle mit zwei Elektroden und einer dazwischen angeordneten aktiven Schicht gelöst, wobei die aktive Schicht
[011] (a) eine Verbindung der in der allgemeinen Formel I bezeichneten Struktur:
[012] (allgemeine Formel I)
[013]
[014] wobei
[015] R bis R unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können:
[016] -H, -(CH ) CH , -Phenyl , -O-(CH ) CH , -O-Phenyl, -S(CH ) CH , -S-Aryl, -NR
2 m 3 2 m 3 2 m 3 3
R , -SR oder ein Halogenatom, wobei R und R zusammen ein Ring bilden können, und wobei R und R unabhängig voneinander -H, Alkyl, vorzugsweise mit 1-10 C-
3 4
Atomen, -Aryl, -Heteroaryl bedeuten, m 0 oder eine ganze Zahl im Bereich von 1-10 ist und n eine ganze Zahl im Bereich von 2 bis 1000 ist; [017] und
[018] (b) eine Verbindung der allgemeinen Formel II:
[019]
[020] (allgemeine Formel II )
[021] wobei R bis R unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können: -H, -
(CH ) CH , -Phenyl, -O-(CH ) CH , -O-Phenyl, -CO(CH ) CH , -Halogen, -CN und/
2 m 3 2 m 3 2 m 3 oder-NO 2,wobeiR 5undR 6bzw.R 6undR 7,R 7undR 8,R 9undR 10,R 10undR 11 und/ oder R und R zusammen ein Ring bilden können, wobei m die vorstehend genannte
11 12
Bedeutung hat, aufweist.
[022] Es können auch mehr als eine Verbindung der allgemeinen Formel I und ein
Verbindung der allgemeinen Formel II verwendet werden.
[023] Die Endgruppen der Verbindung a), die in der allgemeinen Formel I nicht dargestellt worden sind, können -H, Aryl, oder Alkylreste ggf. mit Heteroatomen wie N, O oder S bedeuten. Auch Comonomere aus zwei oder mehr Thiophenen, die verschieden Rl und/oder R2 aufweisen, sind ebenfalls geeignet.
[024] Bevorzugte Verbindungen der Gruppe a) sind Polyalkylthiophene sowie Polyhexyl- thiophene oder Polythiophen.
[025] Die Vorteile des erfindungsgemäßen Zellenaufbaus ist ein sehr einfacher Aufbau, sind reversible, reproduzierbare Schaltbarkeit, ein Verhältnis zwischen den ON- und OFF- Widerständen von 2-1000 oder höher, nicht destruktives Lesen, da keine Not¬ wendigkeit des Wiederbeschreibens nach dem Lesen besteht, nichtflüchtige Informati- onsspeicherung, Funktionalität bis herunter zu Filmstärken von ca. 20 nm, eine hohe thermische Stabilität, Schaltbarkeit in Gegenwart von Luft und Feuchtigkeit, Kompa¬ tibilität mit gängigen Elektroden, wie z. B. Cu, Ta, TaN, Al, AlCu, AlSiCu, Ti, TiN, W sowie gängige Kombinationen dieser Elektroden, die Eignung der Speicherzelle für die Herstellung in mehreren Lagen, wie zum Beispiel in der Kupferdamascenetechnik usw.
[026] Das Verhältnis der Komponente (a) zu (b) kann in breiten Bereichen variiert werden. In einer besonderen Ausführungsform ist das Verhältnis von (a) zu (b) im Bereich von 5:1 bis 1:5.
[027] Das Substrat auf dem die Elektroden aufgebracht worden sind bzw. in dem die
Elektroden eingearbeitet werden, kann Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Gal¬ liumnitrid sein oder ein beliebiges Material, das eine beliebige Verbindung von Silizium, Germanium oder Gallium enthält. Des Weiteren kann das Substrat auch ein Polymer sein, das heißt Kunststoff, der gefüllt oder ungefüllt ist oder als Formteil oder Folie vorliegt, sowie Keramik, Glas oder Metall sein. Das Substrat kann auch ein bereits prozessiertes Material sein und ein bis mehrere Lagen aus Kontakten, Lei¬ terbahnen, Isolierschichten und weiteren mikroelektronischen Bauteilen enthalten.
[028] In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat Silizium, das bereits ent¬ sprechend Front-End-Off-Line (FEOL) prozessiert ist, das heißt bereits elektrische Bauteile wie Transistoren, Kondensatoren etc. - gefertigt und Siliziumtechnik - enthält. Zwischen dem Substrat und der nächsten Elektrode befindet sich vorzugsweise eine Isolierschicht, insbesondere dann, wenn das Substrat elektrisch leitend ist. Jedoch können auch zwischen dem Substrat und der nächsten Elektrode mehrere Schichten vorhanden sein.
[029] Das Substrat kann als Trägermaterial dienen oder aber eine elektrische Funktion
(Auswertung, Steuerung) erfüllen. Für den letztgenannten Fall gibt es elektrische Kontakte zwischen dem Substrat und den Elektroden, die auf das Substrat aufgebracht werden. Diese elektrischen Kontakte sind beispielsweise mit einem elektrischen Leiter gefüllte Kontaktlöcher (Vias). Es ist jedoch möglich, dass die Kontakte von unteren in die oberen Lagen, durch Metallisierung in den Randbereichen des Substrats bzw. der Chips erfolgen.
[030] Wie schon oben festgestellt, ist die erfindungsgemäße aktive Schicht kompatibel mit einer Vielzahl der in der Mikroelektronik herkömmlich verwendeten Elektroden. Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus Cu, Al, AlCu, AlSiCu, Ti, TiN, Ta, TaN, W, TiW, TaW, WN, WCN sowie gängige Kombinationen dieser Elektroden. Weiterhin können, in Kombination mit den oben genannten Schichten bzw. Ma¬ terialien auch dünne Schichten aus Silizium, Titansiliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Si¬ liziumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbonitrid vorhanden sein.
[031] Die Abkürzungen, wie zum Beispiel TiN geben keine exakten stöchiometrischen
Verhältnisse wieder, da das Verhältnis der Komponenten in möglichen Grenzen beliebig geändert werden kann.
[032] Zur Abscheidung der oben genannten Elektrodenschichten sind verschiedene
Verfahren geeignet. Diese können zum Beispiel PVD, CVD, PECVD, Aufdampfen, Electro-Platting, Electroless-Platting oder Atomic Layer Deposition (ALCVD) sein. Jedoch sind die Methoden nicht auf diese beschränkt und alle in der Mikroelektronik verwendeten Verfahren zur Herstellung von Elektroden können prinzipiell verwendet werden.
[033] Die Abscheidung der Elektrode kann aus der Gasphase oder aus Lösung erfolgen.
[034] Die Elektroden können mittels verschiedenen gängigen Techniken strukturiert werden. Die Strukturierung kann zum Beispiel mittels Lochmasken, Drucktechniken oder Lithografie erfolgen. Als Drucktechniken sind insbesondere Siebdruck, Mikro- kontaktdrucken oder Nanoimprinting besonders bevorzugt.
[035] Die Elektroden können aber auch zum Beispiel mittels der so genannten
Damascene-Technik strukturiert werden. Hierzu wird beispielsweise eine über dem Substrat liegende Isolierschicht (vorzugsweise aus Siliziumoxid) durch Lithografie und Ätzung strukturiert. Nach dem Strippen des Fotolacks wird die Elektrodenschicht ab¬ geschieden, so dass sie während der Strukturierung entstandenen Gräben oder Löcher in der Isolierschicht vollständig mit den Elektrodenmaterialien gefüllt sind. An¬ schließend wird ein Teil dieser Materialien, der oberhalb der Oberfläche der Iso- lierschicht steht, zurückgeschliffen. Der Schleifprozess kann mittels der so genannten CMP-Technik erfolgen (chemisch-mechanische Planarisierung). Es entstehen dabei beispielsweise Leiterbahnen und/oder Kontaktlöcher, die mit den Elektrodenma¬ terialien gefüllt und in die Isolierschicht eingebettet sind, so dass sie die gleiche Höhe haben wie die Isolierschicht.
[036] Nachdem das aktive Material auf die Elektrode abgeschieden wird, kann die obere
Elektrode genauso wie die untere erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausfüh¬ rungsform der Erfindung sind die oberen Leiterbahnen quer zu den unteren Lei¬ terbahnen angeordnet. Somit entsteht an jedem Kreuzpunkt der oberen Elektrode mit der unteren Elektrode eine so genannte Crosspoint-Zelle, die aus drei Schichten, nämlich untere Elektrode, aktives Material und obere Elektrode besteht.
[037] Die laterale Geometrie der Zelle ist nicht auf die oben genannte Crosspoint-
Anordnung beschränkt, da aber die Crosspoint- Anordnung eine sehr hohe Integrati¬ onsdichte ermöglicht, ist sie für die vorliegende Erfindung bevorzugt.
[038] Die oben beschriebenen Sandwichstrukturen der Speicherzellen bestehend aus zwei
Elektroden und der dazwischen liegenden Schicht aus dem aktiven Material, kann nicht nur einmal sondern auch mehrere Male in übereinander gestapelter Form auf das Substrat aufgebracht werden. Dabei entstehen mehrere Ebenen für die Speicherzellen, wobei jede Ebene aus zwei Elektroden und der dazwischen liegenden Schicht aus dem aktiven Material besteht. Natürlich können auch mehrere Zellen in einer Ebene sein (cell array). Die verschiedenen Ebenen können mit einem Isolator voneinander getrennt sein oder es ist auch möglich, dass für zwei übereinander liegende Ebenen nicht vier, sondern nur drei Elektroden verwendet werden, da sie (mittlere Elektrode) als obere Elektrode für die untere Ebene und als untere Elektrode für die obere Ebene dienen kann.
[039] Das aktive Material kann zum Beispiel durch Herstellung einer Lösung, die die
Komponenten (a) und (b) enthält mittels Spinncoating auf die Elektrode aufgebracht werden. Als Lösungsmittel eignen sich beispielsweise N-Methylpyrrolidon, -, -
Butyrolacton, Methoxypropylacetat, Ethoxyethylacetat, Cyclohexanon, Cy- clopentanon, Ether des Ethylenglykols wie Diethylenglykoldiethylether, weiterhin Ethoxyethylpropionat, Ethyllactat, Chlorbenzol, Dichlorbenzol, Chloroform oder Me¬ thylenchlorid. Als Lösungsmittel kann auch eine Mischung der oben genannten Lö¬ sungsmittel mit gegebenenfalls weiteren Lösungsmitteln verwendet werden. Die For¬ mulierung kann auch Additive wie zum Beispiel Haftvermittler (zum Beispiel Silane) enthalten. Das aktive Material kann aber auch mittels Vakuumbedampfung erfolgen. Hierzu werden gleichzeitig die Komponenten (a) und (b) (Coverdampfung) auf die Elektrode abgeschieden oder die Komponenten werden direkt hintereinander aufgebracht und bilden somit die aktive Schicht. [040] Nach Spincoating oder Vakuumbedampfung erfolgt jeweils ein Temperschritt, zum
Beispiel auf einer Heizplatte (hot plate) oder in einem Ofen werden das Substrat behandelt, um den Film zu trocknen oder gegebenenfalls die Reaktion zu vervoll¬ ständigen, insbesondere dann, wenn die Komponenten (a) und (b) auf die Elektrode mittels Vakuumbedampfung abgeschieden werden. Im Falle der Vakuumbedampfung kann die Temperaturbehandlung aber auch in der Vakuumkammer durchgeführt werden oder gar ausgelassen werden.
[041] Die Stärke der Schicht, die das aktive Material enthält, bewegt sich im Bereich von vorzugsweise zwischen 20 und 2000 nm, wobei der Bereich zwischen 20 und 200 nm besonders bevorzugt ist.
[042] Die Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle sind, dass der Aufbau der Zelle sehr einfach ist, so dass die Herstellung kostengünstig erfolgen kann. Für die erfin¬ dungsgemäße Zelle sind lediglich zwei Elektroden und eine dazwischen liegende aktive Schicht notwendig. Die Zelle weist eine reversible, reproduzierbare Schaltbarkeit unter verschiedenen Bedingungen wie zum Beispiel in Gegenwart von Luft und Feuchte und in einem breiten Temperaturbereich auf.
[043] Die aktive Schicht kann mittels linienkompatibler Techniken wie Spinncoating oder
Bedampfen aufgebracht werden, ohne dass dafür Sondertechniken notwendig sind.
[044] Die Haftung der Schicht auf den Elektroden ist hervorragend und das Verhältnis des
Zustande mit niedrigem Widerstand zum Zustand des höheren Widerstands höher als 2-1000 beträgt.
[045] Die Herstellung kann mittels gängigen lithografischen Prozessen erfolgen, da die aktive Schicht mit einer Vielzahl von Prozessen kompatibel ist.
[046] Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Zelle ist es, dass die aktive Schicht mit gängigen Elektroden kompatibel ist. Die aktive Schicht ist mit den Elektroden und Elektrodenkombinationen, die in der Mikroelektronik eingesetzt werden, schaltbar und es ist hervorzuheben, dass die Schaltbarkeit insbesondere mit Kupfer sehr zuverlässig ist. Das ist deswegen wichtig, da Kupfer im Vergleich zu den anderen elektrischen Leitern, die standardmäßig in der Elektronik verwendet werden, den geringsten elektrischen Widerstand aufweist. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Zelle wird anhand von Beispielen näher erörtert.
[047] Das I-U-Diagramm der erfindungsgemäßen Zelle ist in Fig. 1 dargestellt. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist die Schaltbarkeit der Zelle in Gegenwart von Luft vollkommen reversibel und reproduzierbar.

Claims

Ansprüche
[001] Speicherzelle mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode und einer aktiven Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die aktive Schicht folgende Komponenten aufweist: (a) eine Verbindung der in der allgemeinen Formel I bezeichneten Struktur: (allgemeine Formel I)
wobei
R bis R unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können:
-H, -(CH ) CH , -Phenyl , -O-(CH ) CH , -O-Phenyl, -S(CH ) CH , -S-Aryl, -
2 m 3 2 m 3 2 m 3
NR R , -SR oder ein Halogenatom, wobei R und R zusammen ein Ring bilden
3 4 3 ° 1 2, ° können, und wobei R und R unabhängig voneinander -H, Alkyl, vorzugsweise
3 4 mit 1-10 C- Atomen, -Aryl, -Heteroaryl bedeuten, m 0 oder eine ganze Zahl im
Bereich von 1-10 ist und n eine ganze Zahl im Bereich von 2 bis 1000 ist; und
(b) eine Verbindung der allgemeinen Formel II:
(allgemeine Formel II) wobei R bis R unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können: - H, -(CH ) CH , -Phenyl, -O-(CH ) CH , -O-Phenyl, -CO(CH ) CH , -Halogen, -
2 m 3 2 m 3 2 m 3
CN und/oder -NO 2, wobei R 5 und R 6 bzw. R 6 und R 7 , R 7 und R 8 , R 9 und R 10 , R 10 und R 11 und/oder R 11 und R 12 zusammen ein Ring ° bilden können, wobei m die vorstehend genannte Bedeutung hat. [002] Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das Verhältnis der Komponente (a) : Komponente (b) von 1:5 bis 5:1 beträgt. [003] Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Speicherzelle auf ein Substrat ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumnitrid, eine beliebige Verbindung von Silizium, Germanium oder Gallium, ein Polymer, Keramik, Glas oder Metall aufgebracht ist. [004] Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Stärke des aktiven Materials zwischen 20 und 2000 nm beträgt. [005] Speicherzelle nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, dass die Stärke des aktiven Materials zwischen 20 und 200 nm liegt. [006] Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Elektrode aus Kupfer, Aluminium, Alumi¬ niumkupfer, Aluminiumsiliziumkupfer, Titan, Tantal, Wolfram, Titannitrid,
TiW, TaW, WN, WCN oder Tantalnitrid sowie deren Kombinationen besteht. [007] Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die erste Elektrode um 40° bis 140°, bevorzugt 90°, in Bezug auf die zweite
Elektrode verdreht ist. [008] Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle, gekennzeichnet durch folgende
Schritte: i) Bereitstellen eines Substrats; ii) Strukturieren einer ersten Elektrode; iii) Abscheiden einer Schicht, enthaltend die Komponenten
(a) eine Verbindung der in der allgemeinen Formel I bezeichneten Struktur:
(allgemeine Formel I)
wobei
R bis R unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können:
-H, -(CH ) CH , -Phenyl , -O-(CH ) CH , -O-Phenyl, -S(CH ) CH , -S-Aryl, -
2 m 3 2 m 3 2 m 3
NR R , -SR oder ein Halogenatom, wobei R und R zusammen ein Ring bilden
3 4 3 ° 1 2, ° können, und wobei R und R unabhängig voneinander -H, Alkyl, vorzugsweise
3 4 mit 1-10 C- Atomen, -Aryl, -Heteroaryl bedeuten, m 0 oder eine ganze Zahl im
Bereich von 1-10 ist und n eine ganze Zahl im Bereich von 2 bis 1000 ist; und
(b) eine Verbindung der allgemeinen Formel II:
(allgemeine Formel II) wobei R bis R unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können: - H, -(CH ) CH , -Phenyl, -O-(CH ) CH , -O-Phenyl, -CO(CH ) CH , -Halogen,
2 m 3 2 m 3 2 m 3
CN und/oder -NO wobei R und R bzw. R und R , R und R , R und R , R
2, 5 6 6 7 7 8 9 10 10 und R und/oder R und R zusammen ein Ring bilden können, wobei m die
11 11 12 Ö vorstehend genannte Bedeutung hat ; und
(iv) Abscheiden einer zweiten Elektrode auf das aktive Material.
[009] Verfahren nach Anspruch 8, dadurchgekennzeichnet, dass die Abscheidung von Komponenten (a) und (b) mittels Vakuum¬ verdampfung erfolgt.
[010] Verfahren nach Anspruch 8, dadurchgekennzeichnet, dass die Abscheidung des aktiven Materials durch Spincoating einer Lösung enthaltend Komponenten (a) und (b) erfolgt.
[011] Verwendung einer Zusammensetzung zur Herstellung eines Halbleiter¬ bauelements, wobei die Zusammensetzung folgende Komponenten aufweist: (a) eine Verbindung der in der allgemeinen Formel I bezeichneten Struktur: (allgemeine Formel I)
wobei
R bis R unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können:
-H, -(CH ) CH , -Phenyl , -O-(CH ) CH , -O-Phenyl, -S(CH ) CH , -S-Aryl, -
2 m 3 2 m 3 2 m 3
NR R , -SR oder ein Halogenatom, wobei R und R zusammen ein Ring bilden
3 4 3 ° 1 2, ° können, und wobei R und R unabhängig voneinander -H, Alkyl, vorzugsweise
3 4 mit 1-10 C- Atomen, -Aryl, -Heteroaryl bedeuten, m 0 oder eine ganze Zahl im
Bereich von 1-10 ist und n eine ganze Zahl im Bereich von 2 bis 1000 ist; und
(b) eine Verbindung der allgemeinen Formel II:
(allgemeine Formel II) wobei R bis R unabhängig voneinander folgende Bedeutung haben können: - H, -(CH ) CH , -Phenyl, -O-(CH ) CH , -O-Phenyl, -CO(CH ) CH , -Halogen,
2 m 3 2 m 3 2 m 3
CN und/oder -NO wobei R und R bzw. R und R , R und R , R und R , R
2, 5 6 6 7 7 8 9 10 10 und R und/oder R und R zusammen ein Ring bilden können, wobei m die
11 11 12 Ö vorstehend genannte Bedeutung hat.
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