EP3453058A1 - Method for the production of layers of reram memories, and use of an implantation device - Google Patents

Method for the production of layers of reram memories, and use of an implantation device

Info

Publication number
EP3453058A1
EP3453058A1 EP17721514.2A EP17721514A EP3453058A1 EP 3453058 A1 EP3453058 A1 EP 3453058A1 EP 17721514 A EP17721514 A EP 17721514A EP 3453058 A1 EP3453058 A1 EP 3453058A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tmo
layer
oxide
tmo layer
ions
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Withdrawn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
EP17721514.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
René BOROWSKI
Won Joo Kim
Vikas Rana
Rainer Waser
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.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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 Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP3453058A1 publication Critical patent/EP3453058A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/20Multistable switching devices, e.g. memristors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/011Manufacture or treatment of multistable switching devices
    • H10N70/041Modification of switching materials after formation, e.g. doping
    • H10N70/043Modification of switching materials after formation, e.g. doping by implantation
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/20Multistable switching devices, e.g. memristors
    • H10N70/24Multistable switching devices, e.g. memristors based on migration or redistribution of ionic species, e.g. anions, vacancies
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/821Device geometry
    • H10N70/826Device geometry adapted for essentially vertical current flow, e.g. sandwich or pillar type devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/881Switching materials
    • H10N70/883Oxides or nitrides
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/881Switching materials
    • H10N70/883Oxides or nitrides
    • H10N70/8833Binary metal oxides, e.g. TaOx
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/881Switching materials
    • H10N70/883Oxides or nitrides
    • H10N70/8836Complex metal oxides, e.g. perovskites, spinels

Definitions

  • the invention relates to a method for producing layers of ReRAM memories and to the use of an implanter.
  • non-volatile data memories such as flash memories, with which information can be permanently stored.
  • limits of miniaturization are achieved, which creates the need for nonvolatile storage media that are smaller in size.
  • flash memories charge-based memories
  • ReRAM memories are composed of two opposite electrodes, between which transition metal oxide (TMO) layers are stacked.
  • TMO layers can have an active, electrically conductive layer region or be continuously active or electrically conductive or have a passive, non-electrically conductive layer region or be passive or electrically insulating.
  • Resistive Random Access Memory (ReRAM * s) among other non-volatile memory forms are considered as successors to the current charge-based memory cells.
  • ReRAM's can also be obtained by thermal processes in which TMO layers can be produced by thermal annealing at 200 ° C to 800 ° C with various gases, which have desired properties.
  • the first method requires a forming step, which is energy intensive because high voltages must be generated, as well as device components on the ReRAMs that enable formation, viz. Voltage regulators and voltage generators that must be precisely manufactured, but only used once for formation. This consumes material for ReRam ' s components and leads to costs.
  • the second method takes place at high temperatures, also consumes energy during thermal annealing (200 ° C ⁇ 800 ° C) with various gases. This requires one
  • Heat treatment step (200 ° C ⁇ 800 ° C) to the process gas for example, NH 3 , N 2 ,
  • the CMOS performance should not be reduced.
  • the reading tolerance should be increased in low-voltage operation.
  • the efficiency of the components below 20 nm should be increased. It is intended to enable the use of a device with which the method according to the invention can be carried out, wherein the objects mentioned for the method are achieved.
  • CMOS performance is not reduced. It is possible in the TMO layers Controlling oxygen and nitrogen ions or other ions in terms of location and quantity.
  • inventive method allows the miniaturization of ReRAM's. The efficiency of components below 20 nm is increased.
  • the ReRAM memories according to the invention have an upper and a lower electrode.
  • the upper and lower electrodes may be made of the same material, which is referred to as a symmetrical structure or of different materials, which is referred to as an asymmetric structure.
  • the electrodes may both be made of Pt, Ti, Ta, TiN, Hf, Al or W.
  • the upper and lower electrodes may have layer thicknesses of 25 nm to 100 nm, preferably 30 nm to 50 nm.
  • At least one TMO layer is applied to the lower electrode in each case.
  • all TMO layers known to the person skilled in the art can be applied.
  • materials consisting of a component of the group consisting of hafnium oxide, tungsten oxide, aluminum oxide, aluminum oxide nitride, titanium oxide, tantalum oxide, nickel oxide, niobium oxide, magnesium oxide, cobalt oxide, germanium oxide, molydine oxide, silicon oxide, silicon nitride, tin oxide, zirconium oxide, cerium oxide, Zinc oxide, copper oxide, strontium titanate can be applied.
  • the stoichiometry of the composition of the sputtered TMO layers proves to be not always well defined in practice. They can contain oxygen and / or nitrogen atoms.
  • They can contain oxygen and / or nitrogen atoms.
  • all TMO layers can be made of the same material, preferably a component from the group of materials mentioned in the preceding paragraph.
  • at least two TMO layers may be made of different materials, preferably materials from the group of materials mentioned in the preceding paragraph.
  • the stoichiometric ratios of metal to oxygen may also be broken so that they do not correspond to a composition resulting from the charge ratios of the ions.
  • a TMO layer may have a thickness of 1.5 nm-10 nm in the case of a thin TMO layer.
  • a thick layer may be between> 10 nm, for example 10.1 nm and 40 nm.
  • Embodiments are typical in which only one layer is applied between the lower and upper electrodes.
  • This layer may, for example, have a thickness of 1.5 nm-40 nm.
  • TMO layers are applied to the lower electrode, they are preferably thin and each have a thickness of 5 nm-10 nm.
  • the number of TMO layers is freely selectable and may for example be between one and five TMO layers.
  • the thickness of the individual TMO layers in a layer sequence is also freely selectable.
  • Each individual TMO layer can be applied to the lower electrode by methods known to those skilled in the art.
  • the TMO layers can be sputtered with a reactive PVD (physical vapor deposition) method.
  • reactive ALD methods atomic layer deposition method
  • reactive CVD methods chemical vapor deposition method
  • a reactive process is understood to mean a process in which the applied metal layer is oxidized with oxygen.
  • foreign ions for example oxygen ions, for example 0 + , 0 2+ or nitrogen ions, for example N + , N 2 + , are introduced into the TMO layer by an ion implantation process.
  • Ion implantation is a process of introducing impurities (in the form of ions) that are shot at the layer to be implanted.
  • the implantation of elements with cations of the elements Li, Be, B, C, F, Ne, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl and Ar is possible.
  • the charge of the cations depends on the conditions under which they are formed. As a result, little or no ions are left in the corresponding TMO layer, but rather oxygen, nitrogen atoms or atoms of another element.
  • all known ion implantation methods and ion implantation devices can be used.
  • TMO layers which and how many TMO layers are implanted with oxygen ions, nitrogen ions or other ions is the freedom of design left to the skilled person. It can be implanted in one, several or all TMO layers with oxygen ions, nitrogen ions or other ions.
  • a ReRAM memory In a ReRAM memory, either all TMO layers treated by ion implantation can be implanted with oxygen ions, or all TMO layers treated by ion implantation can be implanted with nitrogen ions or other ions, such that a ReRAM memory exclusively contains oxygen-implanted layers exclusively nitrogen-implanted or exclusively with contains another ion-implanted layers.
  • TMO layers in which various elements are implanted.
  • An implanter for example an ion gun, can be used with which the oxygen ions, nitrogen ions or other ions are accelerated.
  • the TMO layer to be treated is in a vacuum chamber and is bombarded with oxygen ions, nitrogen ions or other ions.
  • the energy for these ions is preferably 0.5 keV to 200 keV. At these energies, the oxygen, nitrogen ions or other ions reach velocities that are one Ion implantation of the TMO layer without causing excessive removal of TMO molecules result.
  • an ion density of 10 8 ions per cm 2 to 10 18 ions per cm 2 can be achieved.
  • ion optics are used, with which it is possible to direct ion currents on surfaces.
  • a plasma is initially generated which contains the desired ions.
  • the plasma can be the cations of o.g.
  • the ions of the plasma are subjected to an acceleration which is directed to the surface of the TMO layer.
  • anode grid can be used.
  • 1 to 3 anode lattices which are preferably arranged perpendicularly or substantially perpendicular to the ionic current in relation to the target direction of the ions.
  • Decisive here is that the ion beam is directed so that it hits as homogeneously as possible with respect to its cross-sectional area on the surface, so that a uniform implantation takes place.
  • the ion current in an embodiment with two anode gratings passes through an output voltage which directs the ion current in one direction and then an acceleration voltage which accelerates the ion current to the desired kinetic energy.
  • the ion streams thus directed can then impinge on the uppermost TMO layer.
  • the accelerated oxygen, nitrogen ions or other ions are at least partially neutralized by a neutralizer, so that no positive charge cloud forms when the ions strike in the vicinity of the TMO layer to be implanted, the penetration of ions or oxygen or nitrogen atoms in the TMO layer to be implanted prevented or reduced.
  • an electron source for example a cathode attached laterally over the TMO layer, may be present above the TMO layer, which emits electrons into the region of the surface of the TMO layer.
  • ion-implantation devices known in the art that can be used. These are known implanters or with appropriate process control, for example as described above, reactive ion beam etchers (RIBE).
  • At least one layer of the aforementioned TMO materials can be treated.
  • the number of TMO layers whose chemical composition Composition and their sequence, as well as the individual layer thicknesses can be chosen freely.
  • a TMO layer can over its entire layer thickness with the o.g. Be implanted or implanted ions or elements.
  • a TMO layer can also be implanted or implanted with ions or elements only up to a certain penetration depth.
  • the penetration depth of the ions into the TMO layer to be treated can be controlled via the kinetic energy. However, it also depends on the material to be treated for implantation of the TMO layer. Thus, the atomic mass of the cations of the TMO layer and thus the space filling of the atoms and the lattice properties of the TMO layer have an influence on the penetration depth of the atoms of the elements to be implanted.
  • the experimental parameters for the implantation must therefore be selected by the person skilled in the art according to the desired results. This is within the skill of the art.
  • the implanted part of a TMO layer is the active, electrically conductive layer of the TMO layer.
  • the non-implanted portion of the TMO layer is the passive electrically insulating portion of the TMO layer.
  • a cell consisting of a lower electrode of at least one TMO layer and an upper electrode may be differently composed.
  • entire TMO layers, or at least one can be active, ie electrically conductive, so that they are suitable as a switching function, or a layer region, according to the penetration depth of the import, can be active and thus electrically conductive.
  • At least one TMO layer can also be completely passive and thus electrically insulating, so that no ions have been imported into this TMO layer.
  • the TMO layer on the lower and / or upper electrode should be passive at least on the side facing the electrode. But it can also be passive over its entire layer thickness.
  • the TMO layer adjacent to the electrodes must not be an insulator, however, the resistance must be such that no short circuit occurs.
  • thin TMO layers can be implanted in the specified parameter ranges of kinetic energy in the range of 0.5 keV to 200 keV with oxygen, nitrogen ions or other ions.
  • a thin layer has a thickness of 1.5 nm-10 nm, for example, the implantation can take place up to half the thickness.
  • the depth of implantation can be chosen freely as needed and depends on the implantation energy.
  • the penetration depth of the import of the elements requires the storage duration, the switching speed, the efficiency or the duration of the storage capacity of the cell.
  • Hg. 1a The cell resulting from the process steps.
  • FIG. 1b Experimental comparison data for a cell according to FIG. 1a.
  • FIG. 2a another cell resulting from the method steps.
  • FIG. 2b Experimental comparative data for a cell according to FIG. 2a.
  • FIG. 2c Experimental comparison data for a cell according to FIG. 2a.
  • Fig. 3 Examples of cells with layer sequences, which were prepared by the method according to the invention.
  • FIG. 1 a shows on the left side a lower electrode 1, on which a TMO layer 2 is located, act on the oxygen ions 3, which are shown in the TMO layer as circles and oxygen vacancies 4, as branched arms are shown lead.
  • a further stage of the cell produced by the method according to the invention is shown in the middle, which has a further TMO layer 5 which has not been treated with ion implantation.
  • FIG. 1b shows experimental comparative data between cells produced by the method according to the invention according to FIG. 1a and cells according to the prior art.
  • a graph is shown in which the resistance of a cell in ohms against the reset voltage V ReS et is plotted.
  • the curve 1 shows the dependence of the resistance of the cell according to the invention as a function of the applied reset voltage V rese t.
  • Curve 2 shows the dependence of the resistance of a cell according to the prior art t- from the reset voltage V Rese It can be seen that the cell according to the invention produced at lower values for the restoring voltage V reset, over the prior art has higher bandwidth of the resistor.
  • curves 3 and 4 shown. In this case, curve 3 denotes the data for a cell according to the invention for the low-resistance state and curve 4 the data for the low-resistance state of a cell according to the prior art.
  • FIG. 1b On the right side of FIG. 1b, the relationship between the resistance for state 1 to state 0 for various reset voltages V Rese t in volts is shown.
  • the value range for cells produced by the method according to the invention is shown, on the right side of the range of values for cells is shown according to the prior art.
  • the size of the box shows the distribution of the measured values between 25% and 75% of the measured values.
  • the horizontal line in the boxes shows the median value.
  • the extension lines of the boxes mean 5% to 95% of the measurements.
  • the cells produced by the method according to the invention have a higher quotient for the ratio between the values of the resistance for the states 1 and 0 at the same reset voltages V Reset t.
  • the same components of the cell have the same reference numerals.
  • the left part of the figure is identical to FIG. 1a.
  • the middle part of the figure shows a second TMO layer 5 treated with injected oxygen ions 3.
  • FIG. 2b shows in the left part of the figure experimental comparison data between cells produced by the method according to the invention according to FIG. 2a and cells according to the prior art for every 50 cells which have been measured.
  • the forming stress in this representation is the abscissa and the Weibul distribution function in% is the ordinate.
  • curve 1 corresponds to a cell made in accordance with the invention
  • curve 2 corresponds to a cell according to the prior art. It shows for these cells the percentage of switched cells at a given forming voltage V.
  • the number of cells which have reached a certain resistance is shown as a function of the initial resistance.
  • the abscissa is the initial resistance of a cell in ohms and the ordinate is the Weibul distribution in%.
  • Curve 1 again denotes the values for the cell according to the invention.
  • Curve 2 shows the values for cells for the example in Figure 2a according to the prior art. It becomes apparent that no forming voltage is required for a cell produced according to the invention.
  • Figure 2c shows comparative experimental data between cells prepared by the method according to the invention according to Figure 2a and cells according to the prior art.
  • a graph is shown in which the resistance of a cell in ohms is plotted against the reset voltage V Re set.
  • Curve 1 shows the dependence of the high-impedance resistor of the cell according to the invention as a function of the applied reset voltage V Reset .
  • Curve 2 shows the dependence of the high-impedance resistance of a cell according to the prior art on the reset voltage V Reset t.
  • curves 3 and 4 In this case, curve 3 denotes the data for a cell according to the invention for the low-resistance state and curve 4 the data for the low-resistance state of a cell according to the prior art.
  • Figure 3 shows three examples of cells made according to the invention. It includes a third TMO layer 7.
  • the etching is carried out in a high-vacuum chamber in order to prevent interactions such as scattering of the particle beam with the residual gas atoms of the vacuum.
  • the ion beam has a diameter of 150 mm and is coherent in order to achieve the same ion density everywhere on the substrate and thus a homogeneous etching effect.
  • the etched profile obtained is anisotropic (directional).
  • a gas eg Ar, O 2 or N 2
  • a high-frequency alternating field whose frequency is typically 13.56 MHz.
  • the ions thus generated are simultaneously accelerated and brought to coherence in the direction of the substrate by means of an ion optic, in this case two gratings.
  • an ion optic in this case two gratings.
  • the etching process takes place depending on the gas flows used at about 4 x 10 " mbar.
  • the ion beam is penetrated by an electron beam after passing through the ion optics, in this case the grating, perpendicular to the direction of movement.
  • the electrons neutralize the positively charged gas ions in such a way that they can not give off any positive space charge when they strike the substrate. If no neutralization took place, then a positive electric field would build up very quickly over the substrate and distract the positively charged ions.
  • the kinetic energy of the gas atoms is also converted into thermal energy upon impact.
  • a cooling for example with helium gas, can be carried out on the back of the substrate.
  • the 1st TMO layer (Ta205 deposited on the surface of the lower electrode) already has an oxygen ion implantation.
  • the 2nd TMO layer (Ta205, disposed between the 1st TMO layer and the upper electrode) has NOT received any oxygen ion implantation, see Fig. 1 (a). So there are two TMO layers between the upper and the lower electrode.
  • Ron reading tolerance
  • FIG. 2 (c) shows the comparison of the electronic performance between the test and reference components. There is no drop in the observed behavior in the test components. Based on these experimental results, we can obtain various types of benefits depending on the location of the oxygen ion implantation. Depending on the application of the ReRAM components, we can selectively install the position of the oxygen ions and defects within a specific TMO layer.
  • FIG. 3 shows examples of variations of the components by means of oxygen ion implantation, as a result of which the individual layers produced were obtained with oxygen ions and oxygen vacancies specifically controlled in place and in quantity.
  • TMO layers such as e.g. HfOx, WOx, AlOx, etc.
  • TMO material selection for the ReRAM component design. This gives a great deal of flexibility to improve the performance of the components depending on the desired application.
  • Each single TMO layer could be made of the same TMO material (homo multi TMO) or different TMO material (hetero multi TMO).
  • Nitrogen ion implantation can be used instead of oxygen ion implantation. And also oxygen or nitrogen doping are possible as plasma-assisted process steps to install the oxygen or nitrogen ions in TMO layer can.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for producing layers of ReRAM memories and the use of an implantation device. According to the invention, in order to produce ReRAM memories, TMO layers are applied to an electrode in a desired sequence, a process during which at least one TMO layer is bombarded with ions, e.g. oxygen ions, by means of an ion implantation device such that ions are imported into said TMO layer.

Description

B e s c h r e i b u n g  Description
Verfahren zur Herstellung von Schichten von ReRAM-Speichern Method for producing layers of ReRAM memories
und Verwendung eines Implanters  and using an implanter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schichten von ReRAM-Speichern sowie die Verwendung eines Implanters. The invention relates to a method for producing layers of ReRAM memories and to the use of an implanter.
Nach dem Stand der Technik existieren nicht flüchtige Datenspeicher, wie ex- Flash- Speicher, mit denen Informationen dauerhaft gespeichert werden können. Für diese Spei- eher werden jedoch Grenzen der Miniaturisierung erreicht, was den Bedarf nach nicht flüchtigen Speichermedien erweckt, die kleinere Ausmaße besitzen. Weil die aktuell vorliegenden ladungsbasierten Speicher (ex - Flash-Speicher) die physikalischen Grenzen der Miniaturisierung in naher Zukunft erreicht haben werden, sind neue Speicherkonzepte notwendig. According to the state of the art, non-volatile data memories exist, such as flash memories, with which information can be permanently stored. However, for these supplies, limits of miniaturization are achieved, which creates the need for nonvolatile storage media that are smaller in size. Because the currently available charge-based memories (ex-flash memories) will have reached the physical limits of miniaturization in the near future, new memory concepts are needed.
ReRAM-Speicher setzen sich aus zwei gegenüberliegenden Elektroden zusammen, zwi- sehen denen Übergansmetalloxidschichten (TMO-Schichten) gestapelt sind. TMO-Schichten können einen aktiven, elektrisch leitenden Schichtbereich aufweisen oder durchgehend aktiv bzw. elektrisch leitend sein oder einen passiven, nicht elektrisch leitenden Schichtbereich aufweisen bzw. passiv bzw. elektrisch isolierend sein. Insbesondere werden Resistive- Random-Access Memory' s (ReRAM* s) unter anderen nicht-flüchtigen Speicherformen als Nachfolger der aktuellen ladungsbasierten Speicherzellen angesehen. Allerdings gibt es einige technische Herausforderungen zu überwinden, wie z.B. Schädigung des Bauteils während des Anlegens der notwendigerweise hohen Formierspannung, welche benachbarten Speicherzellen im Passiv-Array durch unerwünscht hohe Stromüberschläge zerstören können, eine schmale Lesetoleranz (lon/loff) im Niederspannungsbetrieb und eine zu erzie- lende gute Effizienz der Bauteile unterhalb von 20 nm Größe. ReRAM memories are composed of two opposite electrodes, between which transition metal oxide (TMO) layers are stacked. TMO layers can have an active, electrically conductive layer region or be continuously active or electrically conductive or have a passive, non-electrically conductive layer region or be passive or electrically insulating. In particular, Resistive Random Access Memory (ReRAM * s) among other non-volatile memory forms are considered as successors to the current charge-based memory cells. However, there are some technical challenges to overcome, such as damage to the device during application of the necessarily high forming voltage, which can destroy adjacent memory cells in the passive array by undesirably high current flashovers, a narrow read margin (lon / loff) in low voltage operation, and an erzie - Lende good efficiency of the components below 20 nm size.
Es ist bekannt, dass die Kontrolle des Sauerstoffionen- bzw. Fehlstellen-Profils innerhalb der Übergangmetalloxid-Schicht (TMO) der Schlüssel ist, um die ReRAM Leistung zu verbessern. So wurden zahlreiche Ansätze für Methoden gemacht, um die TMO Schichten mit Hilfe von Abscheidungsverfahren und Elementdotierung herzustellen. Es ist eine spezielle, aktive Oxid-Schaltschicht bekannt, deren Material gezielt mit Elementdotierung vorbehandelt wurde und in der Nano-Kristalle eingelagert sind, eingebettet innerhalb einer speziellen Schaltschicht (nc-Ti02). Dieser Aufbau liegt zwischen zwei metallischen Elektroden. Derartige ReRAM 's sind aus den Schriften US8569172, US8546781 , US8441835, US2013/0089949, US2014/0302659, US8791444, US2013/0187116, It is known that control of the oxygen ion (vacancy) profile within the transition metal oxide (TMO) layer is the key to improving ReRAM performance. Thus, numerous approaches have been made to methods for making the TMO layers by means of deposition methods and element doping. A special, active oxide switching layer is known whose material has been pretreated specifically with element doping and in which nano-crystals are embedded embedded within a special switching layer (nc-TiO 2). This structure is located between two metallic electrodes. Such ReRAM's are known from the documents US8569172, US8546781, US8441835, US2013 / 0089949, US2014 / 0302659, US8791444, US2013 / 0187116,
US2015/0034898, US8835890, US8487290 und US8907313 bekannt. Entsprechende ReRAM's können auch durch thermische Verfahren erhalten werden, bei denen durch thermisches Glühen bei 200° C bis 800° C mit verschiedenen Gasen TMO- Schichten erzeugt werden können, welche gewünschte Eigenschaften haben. US2015 / 0034898, US8835890, US8487290 and US8907313. Corresponding ReRAM's can also be obtained by thermal processes in which TMO layers can be produced by thermal annealing at 200 ° C to 800 ° C with various gases, which have desired properties.
Das erste Verfahren erfordert einen Formierschritt, welcher energieaufwendig ist, da hohe Spannungen erzeugt werden müssen sowie Vorrichtungsbestandteile an den ReRAM's, die die Formierung ermöglichen, nämlich Spannungsregler und Spannungserzeuger, die präzise gefertigt sein müssen, jedoch nur einmal zur Formierung gebraucht werden. Das verbraucht Material für Bauteile der ReRam's und führt zu Kosten. The first method requires a forming step, which is energy intensive because high voltages must be generated, as well as device components on the ReRAMs that enable formation, viz. Voltage regulators and voltage generators that must be precisely manufactured, but only used once for formation. This consumes material for ReRam ' s components and leads to costs.
Das zweite Verfahren findet bei hohen Temperaturen statt, verbraucht ebenfalls Energie beim thermischen Glühen (200° C ~ 800° C) mit verschiedenen Gasen. Dies erfordert einenThe second method takes place at high temperatures, also consumes energy during thermal annealing (200 ° C ~ 800 ° C) with various gases. This requires one
Wärmebehandlungsschritt (200° C ~ 800° C), um das Prozeßgas (beispielsweise NH3, N2,Heat treatment step (200 ° C ~ 800 ° C) to the process gas (for example, NH 3 , N 2 ,
02, 03, H20, Cl2, Ar, H2, N20, SiH4, CF4) innerhalb der aktiven Schaltoxidschicht zu aktivieren.0 2 , 0 3 , H 2 O, Cl 2 , Ar, H 2 , N 2 O, SiH 4 , CF 4 ) within the active switching oxide layer.
Wärmebehandlungen mit hoher Temperatur sollten besser so weit wie möglich vermieden werden, weil dies die CMOS Leistung schädigt. Und außerdem ist es auch hier immer noch schwierig, die Sauerstoffionen oder Stickstoffionen und Fehlstellen in Bezug auf Ort undBetter heat treatment at high temperature should be avoided as much as possible, because it damages CMOS performance. And besides, it is still difficult here, the oxygen ions or nitrogen ions and defects in place and
Menge zu steuern. Thermische Verfahren dieser Art sind in den Schriften US 2013/0336041 und US 8913418 offenbart. Amount to control. Thermal processes of this type are disclosed in US 2013/0336041 and US 8913418.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von ReRAM's zur Verfügung zu stellen, das Energie und elektrische Bauteile einspart, wobei Kosten gesenkt werden und Prozessgase eingespart werden. Formierungen und damit verbundene Schädigungen der ReRAM-Speicher oder thermische Verfahren sollen vermieden werden. Die CMOS Leistung soll nicht vermindert werden. Insbesondere soll es ermöglicht werden, Sauerstoffionen oder Stickstoffionen und Fehlstellen in den TMO-Schichten in Bezug auf Ort und Menge zu steuern. Eine weitere Miniaturisierung der ReRAM's soll ermöglicht werden. Die Lesetoleranz soll im Niederspanungsbetrieb erhöht werden. Die Effizienz der Bauteile unterhalb 20 nm soll erhöht werden. Es soll die Verwendung einer Vorrichtung ermöglicht werden, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, wobei die für das Verfahren genannten Aufgaben gelöst werden. It is therefore the object of the invention to provide a process for the preparation of ReRAM 's are available, which saves energy and electrical components, whereby costs are reduced and process gases can be saved. Formations and associated damage to the ReRAM memory or thermal processes should be avoided. The CMOS performance should not be reduced. In particular, it should be possible to control oxygen ions or nitrogen ions and defects in the TMO layers with respect to location and quantity. Further miniaturization of the ReRAMs should be made possible. The reading tolerance should be increased in low-voltage operation. The efficiency of the components below 20 nm should be increased. It is intended to enable the use of a device with which the method according to the invention can be carried out, wherein the objects mentioned for the method are achieved.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs wird die Aufgabe gelöst mit den im kennzeichnenden Teil dieser Ansprüche angegebenen Merkmalen. Starting from the preamble of claim 1 and the independent claim, the object is achieved with the features stated in the characterizing part of these claims.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung ist es nunmehr möglich, Energie und Material einzusparen und damit Kosten zu senken. Die CMOS Leistung wird nicht verringert. Es ist möglich in den TMO-Schichten Sauerstoff- und Stickstoffionen oder andere Ionen in Bezug auf Ort und Menge zu steuern. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Miniaturisierung von ReRAM's. Die Effizienz der Bauteile unterhalb 20 nm wird erhöht. With the method according to the invention and the use of the device according to the invention, it is now possible to save energy and material and thus to reduce costs. The CMOS performance is not reduced. It is possible in the TMO layers Controlling oxygen and nitrogen ions or other ions in terms of location and quantity. The inventive method allows the miniaturization of ReRAM's. The efficiency of components below 20 nm is increased.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Im Folgenden wird die Erfindung in ihrer allgemeinen Form beschrieben ohne dass dies einschränkend auszulegen ist. Advantageous developments are specified in the subclaims. In the following, the invention is described in its general form without this having to be construed restrictively.
Die erfindungsgemäßen ReRAM-Speicher besitzen eine obere und eine untere Elektrode. The ReRAM memories according to the invention have an upper and a lower electrode.
Die obere und die untere Elektrode können aus dem gleichen Material bestehen, was als symmetrischer Aufbau bezeichnet wird oder aus unterschiedlichen Materialien, was als asymmetrischer Aufbau bezeichnet wird. The upper and lower electrodes may be made of the same material, which is referred to as a symmetrical structure or of different materials, which is referred to as an asymmetric structure.
Beim symmetrischen Aufbau können die Elektroden beide aus Pt, Ti, Ta, TiN, Hf, AI oder W bestehen. In the symmetrical structure, the electrodes may both be made of Pt, Ti, Ta, TiN, Hf, Al or W.
Beim asymmetrischen Aufbau kann für die unten/oben Kombination die Materialkombination Pt Ti, Pt/ a, Pt/TiN, Pt/Hf, Pt/Al, Pt/W, Ti/Pt, Ti/ a, Ti/TiN, Ti/Hf, Ti/Al, Ti/W, Ta/Pt, Ta/TiN, Ta/Hf, Ta/Al, Ta/W, TiN/Pt, TiN/Ti, TiN/Ta, TiN/Hf, TiN/AI, TiN/W, Hf/Pt, Hf/Ti, Hf/Ta, Hf/TiN, Hf/Al, Hf/W, Al/Pt, Al/Ti, Al/Ta, AI/TiN, Al/Hf, AI/W, W/Pt, Wm, W/Ta, WmN, W/Hf, oder W/AI verwendet werden, wobei das erste Element das Material für die untere Elektrode ist und das zweite Element das Material für die obere Elektrode ist. For the asymmetric structure, the material combination PtTi, Pt / a, Pt / TiN, Pt / Hf, Pt / Al, Pt / W, Ti / Pt, Ti / a, Ti / TiN, Ti / Hf , Ti / Al, Ti / W, Ta / Pt, Ta / TiN, Ta / Hf, Ta / Al, Ta / W, TiN / Pt, TiN / Ti, TiN / Ta, TiN / Hf, TiN / Al, TiN / W, Hf / Pt, Hf / Ti, Hf / Ta, Hf / TiN, Hf / Al, Hf / W, Al / Pt, Al / Ti, Al / Ta, Al / TiN, Al / Hf, Al / W , W / Pt, Wm, W / Ta, WmN, W / Hf, or W / Al, wherein the first element is the material for the lower electrode and the second element is the material for the upper electrode.
Die obere und die untere Elektrode können Schichtdicken von 25 nm bis 100 nm vorzugs- weise 30 nm bis 50 nm haben. The upper and lower electrodes may have layer thicknesses of 25 nm to 100 nm, preferably 30 nm to 50 nm.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf die untere Elektrode mindestens eine TMO-Schicht jeweils aufgetragen. Dabei können alle dem Fachmann bekannten TMO- Schichten aufgetragen werden. Beispielsweise können für die TMO-Schichten Materialien bestehend aus einer Komponente der Gruppe bestehend aus Hafniumoxid, Wolframoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxidnitrid, Titanoxid, Tantaloxid, Nickeloxid, Nioboxid, Magnesiumoxid, Cobaldoxid, Germaniumoxid, Molydänoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Zinnoxid, Zirkonoxid, Ceroxid, Zinkoxid, Kupferoxid, Strontiumtitanat aufgebracht werden. According to the method of the invention, at least one TMO layer is applied to the lower electrode in each case. In this case, all TMO layers known to the person skilled in the art can be applied. For example, for the TMO layers, materials consisting of a component of the group consisting of hafnium oxide, tungsten oxide, aluminum oxide, aluminum oxide nitride, titanium oxide, tantalum oxide, nickel oxide, niobium oxide, magnesium oxide, cobalt oxide, germanium oxide, molydine oxide, silicon oxide, silicon nitride, tin oxide, zirconium oxide, cerium oxide, Zinc oxide, copper oxide, strontium titanate can be applied.
Die Stöchiometrie der Zusammensetzung der aufgesputterten TMO-Schichten erweist sich in der Praxis dabei als nicht immer scharf definiert. Sie können Sauerstoff- und/oder Stickstoff- atome enthalten. Es können beispielsweise Al203, HfOx, Hf02, HfO, HfOxNy, HfnOx, W203, W03, Τίθχ, Ti02, Ti203, TaOx, Ta205, TaON, NiO, Nb205, MgO, CoO, WnOx, TinOx, TanOx, Sn02, ZrxOy ZrO, GeOx,Ce02, ZnO, WO, Cu02, SrTi03, MoO, AIOxNy, AlnOx, SixNy als TMO- Schicht aufgesplittert sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich nicht auf bestimmte Materialien für TMO-Schichten beschränkt. The stoichiometry of the composition of the sputtered TMO layers proves to be not always well defined in practice. They can contain oxygen and / or nitrogen atoms. For example, Al 2 O 3 , HfO x , HfO 2 , HfO, HfO x N y , Hf n O x , W 2 0 3 , W0 3 , Τίθχ , Ti0 2 , Ti 2 0 3 , TaO x , Ta 2 0 5, TaON, NiO, Nb 2 0 5, MgO, CoO, W n O x, Ti n O x, Ta n O x, Sn0 2, Zr x O y ZrO, GeOx, Ce0 2, ZnO, WO, Cu0 2 , SrTiO 3 , MoO, AIO x N y , Al n O x , Si x N y as TMO- Layer be broken up. The inventive method is basically not limited to certain materials for TMO layers.
In einer Zelle können alle TMO-Schichten aus dem gleichen Material bestehen, vorzugsweise einer Komponente aus der Gruppe der im vorhergehenden Absatz genannten Materialien. Bei mehrschichtigen Zellen mit mindestens zwei TMO-Schichten können mindestens zwei TMO-Schichten aus verschiedenen Materialien bestehen, vorzugsweise aus Materialien aus der Gruppe der im vorhergehenden Absatz genannten Materialen. In a cell, all TMO layers can be made of the same material, preferably a component from the group of materials mentioned in the preceding paragraph. In multi-layer cells having at least two TMO layers, at least two TMO layers may be made of different materials, preferably materials from the group of materials mentioned in the preceding paragraph.
Die Stöchiometrischen Zahlenverhältnisse von Metall zu Sauerstoff können auch gebrochen sein, so dass sie keiner Zusammensetzung entsprechen, die sich aus den Ladungsverhält- nissen der Ionen ergibt. The stoichiometric ratios of metal to oxygen may also be broken so that they do not correspond to a composition resulting from the charge ratios of the ions.
Eine TMO-Schicht kann im Fall einer dünnen TMO-Schicht eine Dicke von 1 ,5 nm -10 nm aufweisen. A TMO layer may have a thickness of 1.5 nm-10 nm in the case of a thin TMO layer.
Eine dicke Schicht kann zwischen >10nm, beispielsweise 10,1 nm und 40 nm aufweisen. A thick layer may be between> 10 nm, for example 10.1 nm and 40 nm.
Es sind Ausführungsformen typisch, bei denen nur eine Schicht zwischen die untere und obere Elektrode aufgebracht wird. Diese Schicht kann beispielsweise eine Stärke von 1 ,5 nm - 40 nm haben. Embodiments are typical in which only one layer is applied between the lower and upper electrodes. This layer may, for example, have a thickness of 1.5 nm-40 nm.
Es können auch dünne und dicke Schichten in einer Schichtfolge auf die untere Elektrode aufgebracht sein. It is also possible for thin and thick layers to be applied in a layer sequence to the lower electrode.
Werden mindestens zwei TMO-Schichten auf die untere Elektrode aufgebracht, so sind diese vorzugsweise dünn und haben jeweils eine Dicke von 5 nm - 10 nm. If at least two TMO layers are applied to the lower electrode, they are preferably thin and each have a thickness of 5 nm-10 nm.
Die Zahl der TMO-Schichten ist frei wählbar und kann beispielsweise zwischen einer und fünf TMO-Schichten liegen. The number of TMO layers is freely selectable and may for example be between one and five TMO layers.
Die Dicke der einzelnen TMO-Schichten in einer Schichtabfolge ist ebenfalls frei wählbar. The thickness of the individual TMO layers in a layer sequence is also freely selectable.
Jede einzelne TMO-Schicht kann mit dem Fachmann bekannten Methoden auf die untere Elektrode aufgebracht werden. Each individual TMO layer can be applied to the lower electrode by methods known to those skilled in the art.
Beispielsweise können die TMO-Schichten mit einem reaktiven PVD-Verfahren (physical vapor deposition) aufgesputtert werden. Alternativ können reaktive ALD-Verfahren (atomic layer deposition-Verfahren) oder reaktive CVD Verfahren (chemical vapor deposition-Ver- fahren) eingesetzt werden. Unter einem reaktiven Verfahren wird ein Verfahren verstanden, bei welchem die aufgetragene Metallschicht mit Sauerstoff oxidiert wird. Erfindungsgemäß werden bei mindestens einer TMO-Schicht Fremdionen, beispielsweise Sauerstoffionen, beispielsweise 0+, 02+ oder Stickstoffionen, beispielsweise N+, N2 + mit einem lonenimplantationsverfahren in die TMO-Schicht eingebracht. Die Ionenimplantation ist ein Verfahren zur Einbringung von Fremdatomen (in Form von Ionen), die auf die zu implantierende Schicht geschossen werden. Weiterhin ist die Implantation von Elementen mit Kationen der Elemente Li, Be, B, C, F, Ne, Na, Mg, AI, Si, P, S, Cl und Ar möglich. Die Ladung der Kationen hängt von den Bedingungen ab unter denen sie gebildet werden. Im Resultat befinden sich in der entsprechenden TMO-Schicht kaum noch oder keine Ionen mehr, sondern Sauerstoff-, Stickstoffatome oder Atome eines anderen Elements. Grundsätzlich können alle bekannten lonenimplantationsverfahren und lonenimplantations- vorrichtungen eingesetzt werden. For example, the TMO layers can be sputtered with a reactive PVD (physical vapor deposition) method. Alternatively, reactive ALD methods (atomic layer deposition method) or reactive CVD methods (chemical vapor deposition method) can be used. A reactive process is understood to mean a process in which the applied metal layer is oxidized with oxygen. According to the invention, in at least one TMO layer, foreign ions, for example oxygen ions, for example 0 + , 0 2+ or nitrogen ions, for example N + , N 2 + , are introduced into the TMO layer by an ion implantation process. Ion implantation is a process of introducing impurities (in the form of ions) that are shot at the layer to be implanted. Furthermore, the implantation of elements with cations of the elements Li, Be, B, C, F, Ne, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl and Ar is possible. The charge of the cations depends on the conditions under which they are formed. As a result, little or no ions are left in the corresponding TMO layer, but rather oxygen, nitrogen atoms or atoms of another element. In principle, all known ion implantation methods and ion implantation devices can be used.
Welche und wie viele TMO-Schichten mit Sauerstoff ionen, Stickstoffionen oder andere Ionen implantiert werden ist der Gestaltungsfreiheit des Fachmanns überlassen. Es können in eine, in mehrere oder in alle TMO-Schichten mit Sauerstoffionen, Stickstoffionen oder anderen Ionen implantiert werden. Which and how many TMO layers are implanted with oxygen ions, nitrogen ions or other ions is the freedom of design left to the skilled person. It can be implanted in one, several or all TMO layers with oxygen ions, nitrogen ions or other ions.
In einem ReRAM-Speicher können entweder alle durch Ionenimplantation behandelten TMO-Schichten mit Sauerstoffionen implantiert werden oder es können alle durch Ionenimplantation behandelten TMO-Schichten mit Stickstoffionen oder anderen Ionen implantiert werden, so dass ein ReRAM Speicher ausschließlich Sauerstoffimplantierte Schichten, ausschließlich Stickstoffimplantierte oder ausschließlich mit einer anderen lonenart implantierte Schichten enthält. In a ReRAM memory, either all TMO layers treated by ion implantation can be implanted with oxygen ions, or all TMO layers treated by ion implantation can be implanted with nitrogen ions or other ions, such that a ReRAM memory exclusively contains oxygen-implanted layers exclusively nitrogen-implanted or exclusively with contains another ion-implanted layers.
Innerhalb eines ReRAM Speichers können jedoch auch TMO-Schichten vorhanden sein, in denen verschiedene Elemente implantiert sind. Within a ReRAM memory, however, there may also be TMO layers in which various elements are implanted.
Für die Ionenimplantation sind verschiedene Verfahren bekannt, die grundsätzlich eingesetzt werden können. For the ion implantation, various methods are known which can be used in principle.
Es kann ein Implanter, beispielsweise eine lonenkanone eingesetzt werden, mit der die Sauerstoffionen, Stickstoffionen oder andere Ionen beschleunigt werden. An implanter, for example an ion gun, can be used with which the oxygen ions, nitrogen ions or other ions are accelerated.
In dieser Ausführungsform befindet sich die zu behandelnde TMO-Schicht in einer Vakuumkammer und wird mit Sauerstoffionen, Stickstoffionen oder andere Ionen beschossen. Die Energie für diese Ionen beträgt vorzugsweise 0,5 keV bis 200 keV. Bei diesen Energien erreichen die Sauerstoff-, Stickstoffionen oder andere Ionen Geschwindigkeiten, die eine Ionenimplantation des TMO-Schicht bewirken ohne dabei einen zu großen Abtrag von TMO- Molekülen zur Folge zu haben. In this embodiment, the TMO layer to be treated is in a vacuum chamber and is bombarded with oxygen ions, nitrogen ions or other ions. The energy for these ions is preferably 0.5 keV to 200 keV. At these energies, the oxygen, nitrogen ions or other ions reach velocities that are one Ion implantation of the TMO layer without causing excessive removal of TMO molecules result.
Dabei kann eine lonendichte von 108 Ionen pro cm2 bis 1018 Ionen pro cm2 erreicht werden. In this case, an ion density of 10 8 ions per cm 2 to 10 18 ions per cm 2 can be achieved.
Die Gasflüsse an Sauerstoff, Stickstoff oder anderen Gasen, die vorzugsweise zu verwen- den sind, liegen bei 1 sccm (Standardkubikzentimeter = 1cm3 bei T = 0° und p = 1013,25 hPa) und 100 sccm. The gas flows of oxygen, nitrogen or other gases which are preferably to be used are 1 sccm (standard cubic centimeter = 1 cm 3 at T = 0 ° and p = 1013.25 hPa) and 100 sccm.
Bei den lonenimplantationsverfahren ist es wichtig, dass die lonenströme gerichtet auf das TMO-Substrat auftreffen. Hierzu werden sogenannte lonenoptiken eingesetzt, mit denen es ermöglicht wird, lonenströme auf Oberflächen zu richten. Dabei wird zunächst ein Plasma erzeugt, welches die gewünschten Ionen enthält. Das Plasma kann die Kationen der o.g.In ion implantation procedures, it is important that the ion fluxes be directed at the TMO substrate. For this purpose, so-called ion optics are used, with which it is possible to direct ion currents on surfaces. In the process, a plasma is initially generated which contains the desired ions. The plasma can be the cations of o.g.
Stoffe beinhalten. Die Ionen des Plasmas werden einer Beschleunigung unterzogen, die auf die Oberfläche der TMO-Schicht gerichtet ist. Dazu können Anodengitter eingesetzt werden. Beispielsweise können 1 - 3 Anodengitter eingesetzt werden, die bezogen auf die Zielrichtung der Ionen vorzugsweise senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zum lonenstrom angeordnet sind. Maßgeblich ist dabei, dass der lonenstrahl so gerichtet wird, dass er bezogen auf seine Querschnittsfläche möglichst homogen auf die Oberfläche trifft, so dass eine gleichmäßige Implantation erfolgt. Dabei durchläuft der lonenstrom in einer Ausführungsform mit zwei Anodengittern eine Ausgangsspannung, welche den lonenstrom in eine Richtung ausrichtet und danach eine Beschleunigungsspannung, die den lonenstrom auf die ange- strebte kinetische Energie beschleunigt. Die so gerichteten lonenströme können dann auf die oberste TMO-Schicht auftreffen. Contain substances. The ions of the plasma are subjected to an acceleration which is directed to the surface of the TMO layer. For this purpose, anode grid can be used. By way of example, it is possible to use 1 to 3 anode lattices, which are preferably arranged perpendicularly or substantially perpendicular to the ionic current in relation to the target direction of the ions. Decisive here is that the ion beam is directed so that it hits as homogeneously as possible with respect to its cross-sectional area on the surface, so that a uniform implantation takes place. In this case, the ion current in an embodiment with two anode gratings passes through an output voltage which directs the ion current in one direction and then an acceleration voltage which accelerates the ion current to the desired kinetic energy. The ion streams thus directed can then impinge on the uppermost TMO layer.
Dabei ist es üblich, dass die beschleunigten Sauerstoff-, Stickstoffionen oder andere Ionen durch einen Neutralisator wenigstens teilweise neutralisiert werden, damit sich beim Auftreffen der Ionen in der Umgebung der zu implantierenden TMO-Schicht keine positive La- dungswolke bildet, die das Eindringen von Ionen bzw. Sauerstoff- oder Stickstoffatomen in die zu implantierende TMO-Schicht verhindert oder reduziert. Dazu kann oberhalb der TMO- Schicht eine Elektronenquelle, beispielsweise eine seitlich über der TMO-Schicht angebrachte Kathode, vorhanden sein, die Elektronen in den Bereich der Oberfläche der TMO-Schicht abgibt. Es sind lonenimplantationsvorrichtungen nach dem Stand der Technik bekannt, die eingesetzt werden können. Diese sind bekannte Implanter oder bei entsprechender Prozessführung, beispielsweise wie oben beschrieben, reaktive lonenstrahlätzer (RIBE). It is customary that the accelerated oxygen, nitrogen ions or other ions are at least partially neutralized by a neutralizer, so that no positive charge cloud forms when the ions strike in the vicinity of the TMO layer to be implanted, the penetration of ions or oxygen or nitrogen atoms in the TMO layer to be implanted prevented or reduced. For this purpose, an electron source, for example a cathode attached laterally over the TMO layer, may be present above the TMO layer, which emits electrons into the region of the surface of the TMO layer. There are ion-implantation devices known in the art that can be used. These are known implanters or with appropriate process control, for example as described above, reactive ion beam etchers (RIBE).
Mit der Ionenimplantation kann mindestens eine Schicht der eingangs genannten TMO- Materialien behandelt werden. Die Anzahl der TMO-Schichten, deren chemische Zusam- mensetzung und deren Abfolge, sowie die einzelnen Schichtdicken können frei gewählt werden. With the ion implantation, at least one layer of the aforementioned TMO materials can be treated. The number of TMO layers whose chemical composition Composition and their sequence, as well as the individual layer thicknesses can be chosen freely.
Es sind verschiedene Ausgestaltungen der Ionenimplantation in eine TMO-Schicht möglich. Various embodiments of ion implantation into a TMO layer are possible.
Eine TMO-Schicht kann über ihre gesamte Schichtdicke mit den o.g. Ionen bzw. Elementen implantiert sein bzw. implantiert werden. A TMO layer can over its entire layer thickness with the o.g. Be implanted or implanted ions or elements.
Eine TMO-Schicht kann aber auch nur bis zu einer bestimmten Eindringtiefe mit Ionen bzw. Elementen implantiert sein bzw. implantiert werden. However, a TMO layer can also be implanted or implanted with ions or elements only up to a certain penetration depth.
Die Eindringtiefe der Ionen in die zu behandelnde TMO-Schicht kann über die kinetische Energie gesteuert werden. Sie hängt jedoch auch vom mit der Implantation zu behandelnden Material der TMO-Schicht ab. So haben die Atommasse der Kationen der TMO-Schicht und damit die Raumerfüllung der Atome und die Gittereigenschaften der TMO-Schicht einen Ein- fluss auf die Eindringtiefe der Atome der zu implantierenden Elemente. Die experimentellen Parameter für die Implantation müssen daher vom Fachmann, gemäß den gewünschten Resultaten gewählt werden. Das liegt innerhalb des fachmännischen Könnens. Der implantierte Teil einer TMO-Schicht ist die aktive, elektrisch leitende Schicht der TMO- Schicht. Der nichtimplantierte Teil der TMO-Schicht ist der passive elektrisch isolierende Teil der TMO-Schicht. The penetration depth of the ions into the TMO layer to be treated can be controlled via the kinetic energy. However, it also depends on the material to be treated for implantation of the TMO layer. Thus, the atomic mass of the cations of the TMO layer and thus the space filling of the atoms and the lattice properties of the TMO layer have an influence on the penetration depth of the atoms of the elements to be implanted. The experimental parameters for the implantation must therefore be selected by the person skilled in the art according to the desired results. This is within the skill of the art. The implanted part of a TMO layer is the active, electrically conductive layer of the TMO layer. The non-implanted portion of the TMO layer is the passive electrically insulating portion of the TMO layer.
Eine Zelle, bestehend aus einer unteren Elektrode mindestens einer TMO-Schicht und einer oberen Elektrode kann unterschiedlich zusammengesetzt sein. Innerhalb einer Zelle können ganze TMO-Schichten, oder mindestens eine, aktiv, also elektrisch leitfähig sein, so dass sie als Schaltfunktion geeignet sind, oder es kann ein Schichtbereich, entsprechend der Eindringtiefe der Importation aktiv und damit elektrisch leitfähig sein. A cell consisting of a lower electrode of at least one TMO layer and an upper electrode may be differently composed. Within a cell, entire TMO layers, or at least one, can be active, ie electrically conductive, so that they are suitable as a switching function, or a layer region, according to the penetration depth of the import, can be active and thus electrically conductive.
Innerhalb einer Zelle kann aber auch mindestens eine TMO-Schicht komplett passiv und damit elektrisch isolierend sein, so dass in diese TMO-Schicht keine Ionen importiert worden sind. Within a cell, however, at least one TMO layer can also be completely passive and thus electrically insulating, so that no ions have been imported into this TMO layer.
Wie genau die Abfolge und Zusammensetzung von TMO-Schichten in einer Zelle gestaltet ist, hängt von der gewünschten Eigenschaft der Zelle ab und ist frei gestaltbar. How exactly the sequence and composition of TMO layers in a cell is designed depends on the desired property of the cell and is freely configurable.
Die sich auf der unteren und/oder oberen Elektrode befindliche TMO-Schicht sollte zumin- dest auf der der Elektrode zugewandten Seite passiv sein. Sie kann aber auch über ihre gesamte Schichtdicke passiv sein. Die an den Elektroden angrenzende TMO-Schicht muss kein Isolator sein, jedoch muss der Widerstand so bemessen sein, dass kein Kurzschluss entsteht. The TMO layer on the lower and / or upper electrode should be passive at least on the side facing the electrode. But it can also be passive over its entire layer thickness. The TMO layer adjacent to the electrodes must not be an insulator, however, the resistance must be such that no short circuit occurs.
Insbesondere dünne TMO-Schichten können in den angegebenen Parameterbereichen von kinetischer Energie im Bereich von 0,5 keV bis 200 keV mit Sauerstoff-, Stickstoffionen oder andere Ionen implantiert werden. In particular, thin TMO layers can be implanted in the specified parameter ranges of kinetic energy in the range of 0.5 keV to 200 keV with oxygen, nitrogen ions or other ions.
Hat eine dünne Schicht eine Dicke von 1 ,5 nm -10 nm, so kann die Implantation zum Beispiel bis zur Hälfte der Dicke erfolgen. Die Tiefe der Implantation kann je nach Bedarf frei gewählt werden und hängt von der Implantationsenergie ab. If a thin layer has a thickness of 1.5 nm-10 nm, for example, the implantation can take place up to half the thickness. The depth of implantation can be chosen freely as needed and depends on the implantation energy.
Es können auch dicke TMO-Schichten einer Dicke von >10 nm - 40 nm mit höheren Energien beschossen werden, wobei die gesamte Schichtdicke mit Sauerstoff-, Stickstoffionen oder anderen Ionen implantiert ist. It is also possible to bombard thick TMO layers with a thickness of> 10 nm-40 nm with higher energies, the entire layer thickness being implanted with oxygen, nitrogen ions or other ions.
Die Eindringtiefe der Importation der Elemente bedingt die Speicherdauer, die Schaltgeschwindigkeit, die Effizienz oder auch die Dauer der Speicherfähigkeit der Zelle. The penetration depth of the import of the elements requires the storage duration, the switching speed, the efficiency or the duration of the storage capacity of the cell.
Die Figuren zeigen Beispiele für das erfindungsgemäße Verfahren und die damit erhaltenden Zellen sowie experimentelle Daten. The figures show examples of the method according to the invention and the cells thus obtained, as well as experimental data.
Es zeigt: It shows:
Hg. 1a: Die aus den Verfahrensschritten resultierende Zelle.  Hg. 1a: The cell resulting from the process steps.
Fig. 1 b: Experimentelle Vergleichsdaten für eine Zelle nach Figur 1a.  FIG. 1b: Experimental comparison data for a cell according to FIG. 1a.
Fig. 2a: Eine weitere aus den Verfahrensschritten resultierende Zelle.  FIG. 2a: another cell resulting from the method steps. FIG.
Fig. 2b: Experimentelle Vergleichsdaten für eine Zelle nach Figur 2a.  FIG. 2b: Experimental comparative data for a cell according to FIG. 2a.
Fig. 2c: Experimentelle Vergleichsdaten für eine Zelle nach Figur 2a.  FIG. 2c: Experimental comparison data for a cell according to FIG. 2a.
Fig. 3: Beispiele für Zellen mit Schichtabfolgen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.  Fig. 3: Examples of cells with layer sequences, which were prepared by the method according to the invention.
Figur 1 a zeigt auf der linken Seite eine untere Elektrode 1 , auf der sich eine TMO-Schicht 2 befindet, auf die Sauerstoffionen 3 einwirken, die in der TMO-Schicht als Kreise dargestellt sind und zu Sauerstoff-Fehlstellen 4, die als verzweigte Arme dargestellt sind, führen. Daneben ist in der Mitte eine weitere Stufe der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Zelle zu sehen, die eine weitere TMO-Schicht 5 aufweist, die nicht mit Ionenimplantation behandelt wurde. Auf der rechten Seite ist die vollendete Zelle abgebildet, bei der die obere Elektrode 6 aufgebracht ist. Figur 1 b zeigt experimentelle Vergleichsdaten zwischen Zellen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Figur 1a hergestellt wurden und Zellen nach dem Stand der Technik. Figure 1 a shows on the left side a lower electrode 1, on which a TMO layer 2 is located, act on the oxygen ions 3, which are shown in the TMO layer as circles and oxygen vacancies 4, as branched arms are shown lead. In addition, a further stage of the cell produced by the method according to the invention is shown in the middle, which has a further TMO layer 5 which has not been treated with ion implantation. On the right side of the completed cell is shown, in which the upper electrode 6 is applied. FIG. 1b shows experimental comparative data between cells produced by the method according to the invention according to FIG. 1a and cells according to the prior art.
Auf der linken Seite der Figur ist eine Graphik dargestellt in der der Widerstand einer Zelle in Ohm gegen die Rückstell-Spannung VReSet aufgetragen ist. Die Kurve 1 zeigt die Abhängigkeit des Widerstandes der erfindungsgemäßen Zelle in Abhängigkeit der angelegten Rückstell-Spannung VReset. Kurve 2 zeigt die Abhängigkeit des Widerstandes einer Zelle nach dem Stand der Technik von der Rückstell-Spannung VReset- Es ist zu erkennen, dass die erfindungsgemäß hergestellte Zelle bereits bei niedrigeren Werten für die Rückstell- Spannung VReset eine gegenüber dem Stand der Technik höhere Bandbreite des Widerstands aufweist. Darunter sind die Kurven 3 und 4 abgebildet. Dabei bezeichnet die Kurve 3 die Daten für eine erfindungsgemäße Zelle für den niederohmigen Zustand und die Kurve 4 die Daten für den niederohmigen Zustand einer Zelle nach dem Stand der Technik. On the left side of the figure, a graph is shown in which the resistance of a cell in ohms against the reset voltage V ReS et is plotted. The curve 1 shows the dependence of the resistance of the cell according to the invention as a function of the applied reset voltage V rese t. Curve 2 shows the dependence of the resistance of a cell according to the prior art t- from the reset voltage V Rese It can be seen that the cell according to the invention produced at lower values for the restoring voltage V reset, over the prior art has higher bandwidth of the resistor. Below are the curves 3 and 4 shown. In this case, curve 3 denotes the data for a cell according to the invention for the low-resistance state and curve 4 the data for the low-resistance state of a cell according to the prior art.
Auf der rechten Seite der Figur 1b) ist das Verhältnis zwischen dem Widerstand für den Zustand 1 zu dem Zustand 0 für verschiedene Rückstell-Spannungen VReset in Volt dargestellt. Auf der linken Seite dieser Figur ist der Wertebereich für mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt Zellen dargestellt, auf der rechten Seite ist der Wertebereich für Zellen nachdem Stand der Technik dargestellt. Die Größe des Kastens zeigt die Verteilung der Messwerte zwischen 25 % bis 75 % der Messwerte. Die waagerechte Linie in den Kästchen zeigt den Median-Wert. Die Verlängerungslinien der Kästchen bedeuten 5 % bis 95 % der Messwerte. Im Vergleich wird sichtbar, dass die Zellen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, bei gleichen Rückstell-Spannungen VReset einen höheren Quotienten für das Verhältnis zwischen den Werten des Widerstandes für die Zustände 1 und 0 hat. In Figur 2a haben die gleichen Bestandteile der Zelle dieselben Bezugszeichen. Der linke Teil der Figur ist mit Figur 1a identisch. Der mittlere Teil der Figur zeigt eine zweite TMO- Schicht 5, die mit injizierten Sauerstoffionen 3 behandelt ist. On the right side of FIG. 1b, the relationship between the resistance for state 1 to state 0 for various reset voltages V Rese t in volts is shown. On the left side of this figure, the value range for cells produced by the method according to the invention is shown, on the right side of the range of values for cells is shown according to the prior art. The size of the box shows the distribution of the measured values between 25% and 75% of the measured values. The horizontal line in the boxes shows the median value. The extension lines of the boxes mean 5% to 95% of the measurements. By comparison, it can be seen that the cells produced by the method according to the invention have a higher quotient for the ratio between the values of the resistance for the states 1 and 0 at the same reset voltages V Reset t. In Figure 2a, the same components of the cell have the same reference numerals. The left part of the figure is identical to FIG. 1a. The middle part of the figure shows a second TMO layer 5 treated with injected oxygen ions 3.
Figur 2b zeigt im linken Teil der Figur experimentelle Vergleichsdaten zwischen Zellen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Figur 2a hergestellt wurden und Zellen nach dem Stand der Technik für jeweils 50 Zellen, die vermessen wurden. Die Formierspannung ist in dieser Darstellung die Abszisse und die Weibulverteilungsfunktion in % ist die Ordinate. In der Graphik entspricht Kurve 1 einer erfindungsgemäß hergestellten Zelle und Kurve 2 einer Zelle nach dem Stand der Technik. Sie zeigt für diese Zellen die prozentuale Menge von geschalteten Zellen bei einer vorgegebenen Formierspannung V. Auf der rechten Seite der Figur 2b ist die Zahl der Zellen, die einen bestimmten Widerstand erreicht haben, in Anhängigkeit vom Initialwiderstand dargestellt. Hier ist die Abszisse der Initialwiderstand einer Zelle in Ohm und die Ordinate die Weibulverteilung in %. Kurve 1 bezeichnet wiederum die Werte für die erfindungsmäße Zelle. Kurve 2 die Werte für Zellen für das Beispiel in Figur 2a nach dem Stand der Technik. Es wird sichtbar, dass für eine erfindungsgemäß hergestellte Zelle keine Formierspannung benötigt wird. FIG. 2b shows in the left part of the figure experimental comparison data between cells produced by the method according to the invention according to FIG. 2a and cells according to the prior art for every 50 cells which have been measured. The forming stress in this representation is the abscissa and the Weibul distribution function in% is the ordinate. In the graph, curve 1 corresponds to a cell made in accordance with the invention, and curve 2 corresponds to a cell according to the prior art. It shows for these cells the percentage of switched cells at a given forming voltage V. On the right side of FIG. 2b, the number of cells which have reached a certain resistance is shown as a function of the initial resistance. Here, the abscissa is the initial resistance of a cell in ohms and the ordinate is the Weibul distribution in%. Curve 1 again denotes the values for the cell according to the invention. Curve 2 shows the values for cells for the example in Figure 2a according to the prior art. It becomes apparent that no forming voltage is required for a cell produced according to the invention.
Figur 2c zeigt experimentelle Vergleichsdaten zwischen Zellen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Figur 2a hergestellt wurden und Zellen nach dem Stand der Technik. Auf der linken Seite der Figur ist eine Graphik dargestellt, in der der Widerstand einer Zelle in Ohm gegen die Rückstell-Spannung VReset aufgetragen ist. Die Kurve 1 zeigt die Abhängigkeit des hochohmigen Widerstandes der erfindungsgemäßen Zelle in Abhängigkeit der angelegten Rückstell-Spannung VReset. Kurve 2 zeigt die Abhängigkeit des hochohmigen Wiederstandes einer Zelle nach dem Stand der Technik von der Rückstell-Spannung VReset. Darun- ter sind die Kurven 3 und 4 abgebildet. Dabei bezeichnet die Kurve 3 die Daten für eine erfindungsgemäße Zelle für den niederohmigen Zustand und die Kurve 4 die Daten für den niederohmigen Zustand einer Zelle nach dem Stand der Technik. Figure 2c shows comparative experimental data between cells prepared by the method according to the invention according to Figure 2a and cells according to the prior art. On the left side of the figure, a graph is shown in which the resistance of a cell in ohms is plotted against the reset voltage V Re set. Curve 1 shows the dependence of the high-impedance resistor of the cell according to the invention as a function of the applied reset voltage V Reset . Curve 2 shows the dependence of the high-impedance resistance of a cell according to the prior art on the reset voltage V Reset t. Below these are curves 3 and 4. In this case, curve 3 denotes the data for a cell according to the invention for the low-resistance state and curve 4 the data for the low-resistance state of a cell according to the prior art.
Auf der rechten Seite der Figur 2c ist das Verhältnis zwischen dem Widerstand für den Zustand 1 zu dem Zustand 0 für verschiedene Zurücksetzungsspannungen in Volt dargestellt. Auf der linken Seite dieser Figur ist der Wertebereich für mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zellen dargestellt, auf der rechten Seite ist der Wertebereich für Zellen nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Größe des Kastens zeigt die Verteilung der Messwerte zwischen 25 % bis 75 % der Messwerte. Die waagerechte Linie in den Kästchen zeigt den Median-Wert. Die Verlängerungslinien der Kästchen bedeuten 5 % bis 95 % der Messwerte. On the right side of Figure 2c, the relationship between the resistance for state 1 to state 0 for various reset voltages in volts is shown. On the left side of this figure, the value range for cells produced by the method according to the invention is shown, on the right side of the range of values for cells according to the prior art is shown. The size of the box shows the distribution of the measured values between 25% and 75% of the measured values. The horizontal line in the boxes shows the median value. The extension lines of the boxes mean 5% to 95% of the measurements.
Figur 3 zeigt drei Beispiele für Zellen, die erfindungsgemäß hergestellt wurden. Sie beinhaltet eine dritte TMO-Schicht 7. Figure 3 shows three examples of cells made according to the invention. It includes a third TMO layer 7.
Beispiel: Example:
Die Experimente wurden in einer lonenstrahlätzanlage der Firma Oxford durchgeführt (Oxford lonfab 300 plus). Diese Anlage wurde weder modifiziert noch umgebaut. Die grundsätzliche Funktion der Ätzanlage ist das physikalische Trockenätzverfahren. Dabei wird die Oberfläche des Substrates durch den Beschuss von Ionen geätzt. Der Beschuss führt zum Zerstäuben des Substratmaterials; die abgelaufenen Prozesse sind dabei ähnlich denen bei der Kathodenzerstäubung (Sputtern), das heist nicht zu den Trockenätzverfahren gezählt wird. Im Prinzip handelt es sich um einen„atomaren Sandstrahler", wenn es stark vereinfacht dargestellt wird. The experiments were carried out in an ion beam etching plant of Oxford (Oxford lonfab 300 plus). This facility has not been modified or rebuilt. The basic function of the etching system is the physical dry etching process. The surface of the substrate is etched by the bombardment of ions. The bombardment leads to sputtering of the substrate material; the expired processes are similar to those at Sputtering, which is not counted among the dry etching. In principle, it is an "atomic sandblaster" when it is presented in a greatly simplified manner.
Es wurde gefunden, dass als Nebeneffekt des lonenstrahlätzens eine Implantation von lo- nen, beispielsweise Sauerstoffionen oder Stickstoffionen, mit Hilfe des Sauerstoff- lonenstrahls oder des Stickstoff-Ionenstrahls mit geringer Energie erfolgen kann. It has been found that, as a side effect of ion beam etching, implantation of ions, for example oxygen ions or nitrogen ions, can take place with the aid of the oxygen ion beam or the nitrogen ion beam with low energy.
Die Ätzung erfolgt in einer Hochvakuumkammer, um Wechselwirkungen wie Streuung des Teilchenstrahls mit den Restgasatomen des Vakuums zu verhindern. Der lonenstrahl hat einen Durchmesser von 150 mm und ist kohärent, um auf dem Substrat möglichst überall die gleiche lonendichte und damit eine homogene Ätzwirkung zu erzielen. Das erzielte Ätzprofil ist anisotrop (gerichtet). The etching is carried out in a high-vacuum chamber in order to prevent interactions such as scattering of the particle beam with the residual gas atoms of the vacuum. The ion beam has a diameter of 150 mm and is coherent in order to achieve the same ion density everywhere on the substrate and thus a homogeneous etching effect. The etched profile obtained is anisotropic (directional).
Zum erzeugen des lonenstrahls wird zunächst ein Gas (z.B. Ar, 02 oder N2) in einem hochfrequentem Wechselfeld, dessen Frequenz typischerweise bei 13,56 Mhz liegt, zur Anregung gebracht. Die so erzeugten Ionen werden mit Hilfe einer lonenoptik, in diesem Fall zwei Gitter, gleichzeitig sowohl in Richtung des Substrats beschleunigt als auch zur Kohärenz gebracht. Um die freie, mittlere Weglänge der Ionen möglichst groß zu halten, findet der Ätzprozess in Abhängigkeit von den verwendeten Gasflüssen bei ca. 4 x 10" mBar statt. To generate the ion beam, first a gas (eg Ar, O 2 or N 2 ) is excited in a high-frequency alternating field whose frequency is typically 13.56 MHz. The ions thus generated are simultaneously accelerated and brought to coherence in the direction of the substrate by means of an ion optic, in this case two gratings. In order to keep the free, mean path length of the ions as large as possible, the etching process takes place depending on the gas flows used at about 4 x 10 " mbar.
Um zu verhindern, dass sich auf einem nicht leitenden Substrat eine positive Raumladung durch die eintreffenden Ionen ausbildet, wird der lonenstrahl nach Passage durch die lonen- optik, hier das Gitter, senkrecht zur Bewegungsrichtung von einem Elektronenstrahl durchdrungen. Die Elektronen neutralisieren die positiv geladenen Gasionen so, dass sie beim Auftreffen auf das Substrat keine positive Raumladung mehr abgeben können. Würde keine Neutralisation stattfinden, so würde sich sehr schnell ein positives elektrisches Feld über dem Substrat aufbauen und die positiv geladenen Ionen ablenken. Die kinetische Energie der Gasatome wird beim Auftreffen unter anderem auch in thermische Energie umgewandelt. Um die Substrate vor den thermischen Einflüssen zu schützen, kann auf der Rückseite es Substrates eine Kühlung, beispielsweise mit Helium-Gas, durchgeführt werden. In order to prevent a positive space charge from being formed on a non-conductive substrate by the incident ions, the ion beam is penetrated by an electron beam after passing through the ion optics, in this case the grating, perpendicular to the direction of movement. The electrons neutralize the positively charged gas ions in such a way that they can not give off any positive space charge when they strike the substrate. If no neutralization took place, then a positive electric field would build up very quickly over the substrate and distract the positively charged ions. The kinetic energy of the gas atoms is also converted into thermal energy upon impact. In order to protect the substrates from the thermal influences, a cooling, for example with helium gas, can be carried out on the back of the substrate.
Die 1. TMO Schicht (Ta205, die auf der Oberfläche der unteren Elektrode aufgebracht ist) hat bereits eine Sauerstoff-Ionenimplantation. Die 2. TMO Schicht (Ta205, zwischen 1. TMO Schicht und der oberen Elektrode angeordnet) hat jedoch KEINE Sauerstoff-Ionenimplantation erhalten, siehe Fig.1(a). Es gibt also zwei TMO Schichten zwischen der oberen und der unteren Elektrode. Eine deutliche Verbesserung der Lesetoleranz (Roff / Ron) wird in den Test-Bauteilen (mit Sauerstoff-Ionen-Implantat nur in der 1. TMO Schicht) über alle RESET Spannungsbedingungen von -1 ,0 V bis -1 ,6 V beobachtet, siehe Fig.1 (b). The 1st TMO layer (Ta205 deposited on the surface of the lower electrode) already has an oxygen ion implantation. However, the 2nd TMO layer (Ta205, disposed between the 1st TMO layer and the upper electrode) has NOT received any oxygen ion implantation, see Fig. 1 (a). So there are two TMO layers between the upper and the lower electrode. A significant improvement in reading tolerance (Roff / Ron) will be found in the test components (with oxygen-ion implant only in the 1st TMO layer) observed over all RESET voltage conditions of -1, 0 V to -1, 6 V, see Figure 1 (b).
Wenn sowohl die 1. TMO-Schicht als auch die 2. TMO-Schicht bereits Sauerstoff-Ionenimplantation erhalten haben, siehe Fig.2(a), wird kein Formierschritt mehr benötigt, während die Referenzbauteile (doppelte TMO-Schicht OHNE Sauerstoff-Ionenimplantation) mehr als +1 ,8 V Formierspannung benötigt, siehe Fig.2(b). If both the 1st TMO layer and the 2nd TMO layer have already received oxygen ion implantation, see Fig. 2 (a), no further forming step is needed while the reference components (double TMO layer WITHOUT oxygen ion implantation) more than +1, 8 V forming voltage required, see Fig.2 (b).
Alle der vermessenen Test-Bauteile haben niedrige Widerstandszustände (~ 1.4 k Ohm) vor dem Formierschritt, während die Referenzbauteile einen ziemlich hohen Widerstand (> 12 G Ohm) zeigen. Die absichtlich durch Sauerstoff-Ionenimplantation geschaffenen Sauerstoff- Fehlstellen verursachen den gut leitenden Pfad zwischen der oberen und der unterenAll of the measured test components have low resistance states (~ 1.4 k ohms) before the forming step, while the reference components show a fairly high resistance (> 12 G ohms). The oxygen vacancies intentionally created by oxygen ion implantation cause the good conducting path between the upper and lower ones
Elektrode vor dem Formen. Daher könnte das Bauteil mit der Doppel-Ionen-Implantat TMO- Schicht ohne Formierschritt einen geringeren Widerstandszustand haben. Fig.2 (c) zeigt den Vergleich der elektronischen Performance zwischen den Test- und den Referenz-Bauteilen. Es gibt keinen Abfall des beobachteten Verhaltens bei den Test-Bauteilen. Auf der Grundlage dieser experimentellen Ergebnisse können wir - in Abhängigkeit von der Lage der Sauerstoff-Ionenimplantation - verschiedene Arten von Vorteilen erhalten. Je nach Anwendung der ReRAM Bauteile können wir die Position der Sauerstoffionen und -Fehlstellen innerhalb einer spezifischen TMO Schicht gezielt einbauen. Fig. 3 zeigt Beispiele für Variationen der Bauteile durch Sauerstoff-Ionenimplantation, wodurch die erzeugten Einzel- lagen mit an Ort und Menge gezielt gesteuerte Sauerstoffionen und Sauerstoff-Fehlstellen erhalten wurden. Electrode before molding. Therefore, the component with the double ion implant TMO layer without forming step could have a lower resistance state. Fig. 2 (c) shows the comparison of the electronic performance between the test and reference components. There is no drop in the observed behavior in the test components. Based on these experimental results, we can obtain various types of benefits depending on the location of the oxygen ion implantation. Depending on the application of the ReRAM components, we can selectively install the position of the oxygen ions and defects within a specific TMO layer. FIG. 3 shows examples of variations of the components by means of oxygen ion implantation, as a result of which the individual layers produced were obtained with oxygen ions and oxygen vacancies specifically controlled in place and in quantity.
Da die Grundprinzipien der Ionenimplantation (loneninjektion und Fehlstellenbildung) für alle Arten von TMO Schichten, wie z.B. HfOx, WOx, AlOx, etc. anwendbar ist, gibt es keine Beschränkung der TMO Materialauswahl für das ReRAM Bauteildesign. Somit erhält man eine große Flexibilität, um je nach gewünschter Anwendung die Performance der Bauteile zu verbessern. Since the basic principles of ion implantation (ion injection and void formation) are applicable to all types of TMO layers, such as e.g. HfOx, WOx, AlOx, etc., there is no limitation of TMO material selection for the ReRAM component design. This gives a great deal of flexibility to improve the performance of the components depending on the desired application.
Jede Einzel-TMO-Schicht könnte aus dem gleichen TMO Material (homo multi TMO) oder unterschiedlichem TMO Material (hetero multi TMO) hergestellt werden. Each single TMO layer could be made of the same TMO material (homo multi TMO) or different TMO material (hetero multi TMO).
Anstelle von Sauerstoff-Ionenimplantation kann Stickstoff-Ionenimplantation genutzt werden. Und auch Sauerstoff- bzw. Stickstoffdotierung sind als plasmaunterstützte Prozessschritte möglich, um die Sauerstoff- oder Stickstoffionen in TMO Schicht einbauen zu können. Nitrogen ion implantation can be used instead of oxygen ion implantation. And also oxygen or nitrogen doping are possible as plasma-assisted process steps to install the oxygen or nitrogen ions in TMO layer can.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Herstellung von Schichten von ReRAM-Speichern bei dem auf eine 1. A method for producing layers of ReRAM memories in which
untere Elektrode (1) mindestens eine TMO-Schicht (1 ) aufgetragen wird,  lower electrode (1) at least one TMO layer (1) is applied,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass in mindestens eine TMO-Schicht mittels eines lonenimplantationsverfahrens Fremdatome implantiert werden.  that foreign atoms are implanted in at least one TMO layer by means of an ion implantation process.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine TMO-Schicht aus einer Komponente aus der Gruppe Hafniumoxid, Wolframoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxidnitrid, Titanoxid, Tantaloxid, Nickeloxid, Nioboxid, Magnesiumoxid, Cobaldoxid, Germaniumoxid, Molydänoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Zinnoxid, Zirkonoxid, Ceroxid, Zinkoxid, Kupferoxid, Strontiumtitanat aufgebracht wird.  a TMO layer of a component from the group consisting of hafnium oxide, tungsten oxide, aluminum oxide, aluminum oxide nitride, titanium oxide, tantalum oxide, nickel oxide, niobium oxide, magnesium oxide, cobalt oxide, germanium oxide, molydine oxide, silicon oxide, silicon nitride, tin oxide, zirconium oxide, cerium oxide, zinc oxide, copper oxide, strontium titanate is applied.
3. Verfahren nach Anspruch 2, 3. The method according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine TMO-Schicht aus einer Komponente aus der Gruppe Al203, HfOx, Hf02, HfO, HfOxNy, HfnOx, W203, W03, TiOx, Ti02, Ti203, TaOx, Ta205, TaON, NiO, Nb205, MgO, CoO, WnOx, TinOx, TanOx, Sn02, ZrxOy ZrO, GeOx,Ce02, ZnO, WO, Cu02, SrTi03, MoO, AIOxNy, ΑΙπΟχ, SixNy aufgebracht wird. that a TMO layer of a component selected from the group Al 2 0 3, HfO x, Hf0 2, HfO, HfO x N y, Hf n O x, W 2 0 3, W0 3, TiOx, Ti0 2, Ti 2 0 3 , TaO x , Ta 2 0 5 , TaON, NiO, Nb 2 0 5 , MgO, CoO, W n O x , TinOx , Ta n O x , SnO 2 , Zr x O y ZrO, GeOx, CeO 2 , ZnO , WO, Cu0 2 , SrTi0 3 , MoO, AIO x N y , ΑΙ π Οχ , Si x N y is applied.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. The method according to any one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die TMO-Schicht mittels einem reaktiven PVD- Verfahren, einem reaktiven ALD- Verfahren oder einem reaktiven CVD-Verfahren aufgebracht wird.  the TMO layer is applied by means of a reactive PVD method, a reactive ALD method or a reactive CVD method.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. The method according to any one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine TMO-Schicht 'mit einer Schichtdicke zwischen 1 ,5 nm bis 40 nm aufgebracht wird. that a TMO layer 'is applied with a layer thickness between 1, 5 nm to 40 nm.
6. Verfahren nach Anspruch 5, 6. The method according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine TMO-Schicht mit einer Schichtdicke zwischen 1 ,5 nm bis 10 nm aufgebracht wird. that a TMO layer is applied with a layer thickness between 1, 5 nm to 10 nm.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 7. The method according to any one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die mit dem Implantationsverfahren in die TMO-Schicht eingebrachten Elemente mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Li, Be, B, C, F, Ne, Na, Mg, AI, Si, P, S, Cl und Ar sind.  in that the elements introduced into the TMO layer by the implantation process comprise at least one component selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, Li, Be, B, C, F, Ne, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl and Ar are.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. The method according to any one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die implantierten Fremdatome mit einer Energie in einem Bereich zwischen 0,5 keV und 200 keV in die TMO-Schicht eingebracht werden.  that the implanted foreign atoms are introduced into the TMO layer with an energy in a range between 0.5 keV and 200 keV.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 9. The method according to any one of claims 1 to 8,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass ein lonenimplanter, beispielsweise eine lonenkanone, eingesetzt wird, wobei die austretenden Ionen durch eine lonenoptik auf die TMO-Schicht geführt werden.  that an ion implanter, for example an ion gun, is used, the emerging ions being guided by an ion optics onto the TMO layer.
10. Verfahren nach Anspruch 9, 10. The method according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die aus dem lonenimplanter oder der lonenkanone austretenden Ionen vor dem Eintritt in die TMO-Schicht zumindest teilweise neutralisiert werden.  the ions emerging from the ion implanter or the ion gun are at least partially neutralized before they enter the TMO layer.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüchel bis 10, 1 1. A method according to any one of Ansprüel to 10,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die in die TMO-Schicht eingebrachten Fremdatome wenigstens über einen Teil der Schichtdicke der TMO-Schicht in die TMO-Schicht eindringen.  that the foreign atoms introduced into the TMO layer penetrate into the TMO layer at least over part of the layer thickness of the TMO layer.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 12. The method according to any one of claims 1 to 10,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die in die TMO-Schicht eingebrachten Fremdatome über die gesamte Schichtdi- cke der TMO-Schicht in die TMO-Schicht eindringen.  that the foreign atoms introduced into the TMO layer penetrate into the TMO layer over the entire layer thickness of the TMO layer.
13. Verwendung eines Implanters, einer lonenkanone oder eines reaktiven lonenätzers zur Implantation von Ionen in eine TMO-Schicht. 13. Use of an implanter, an ion gun or a reactive ion etcher for the implantation of ions in a TMO layer.
14. Verwendung des Implanters, des reaktiven lonenätzers oder der lonenkanone nach Anspruch 13 in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12. 14. Use of the implanter, the reactive ion etcher or the ion gun according to claim 13 in a method according to one of claims 1 to 12.
EP17721514.2A 2016-05-04 2017-03-31 Method for the production of layers of reram memories, and use of an implantation device Withdrawn EP3453058A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016005537.5A DE102016005537A1 (en) 2016-05-04 2016-05-04 Method for producing layers of ReRAM memories and use of an implanter
PCT/DE2017/000080 WO2017190719A1 (en) 2016-05-04 2017-03-31 Method for the production of layers of reram memories, and use of an implantation device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3453058A1 true EP3453058A1 (en) 2019-03-13

Family

ID=58671313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP17721514.2A Withdrawn EP3453058A1 (en) 2016-05-04 2017-03-31 Method for the production of layers of reram memories, and use of an implantation device

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20190115533A1 (en)
EP (1) EP3453058A1 (en)
JP (1) JP2019517131A (en)
CN (1) CN109155363A (en)
DE (1) DE102016005537A1 (en)
WO (1) WO2017190719A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11245074B2 (en) * 2017-05-26 2022-02-08 Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences Resistance random access memory and method for fabricating the same
US11527717B2 (en) 2019-08-30 2022-12-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Resistive memory cell having a low forming voltage
CN111403599B (en) * 2020-02-26 2022-11-04 杭州未名信科科技有限公司 Semiconductor structure and preparation method thereof
US11404638B2 (en) 2020-07-28 2022-08-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Multi-doped data storage structure configured to improve resistive memory cell performance

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002517068A (en) * 1998-05-22 2002-06-11 バリアン・セミコンダクター・エクイップメント・アソシエイツ・インコーポレイテッド Method and apparatus for low energy ion implantation
CN1969365B (en) * 2004-05-25 2011-02-09 松下电器产业株式会社 Charge neutralization device
TWI397152B (en) 2008-09-25 2013-05-21 Nanya Technology Corp Rram with improved resistance transformation characteristic and the method of making the same
KR101083643B1 (en) * 2008-12-29 2011-11-16 주식회사 하이닉스반도체 Resistive memory device and method for manufacturing the same
US8420478B2 (en) * 2009-03-31 2013-04-16 Intermolecular, Inc. Controlled localized defect paths for resistive memories
US8278634B2 (en) * 2009-06-08 2012-10-02 Axcelis Technologies, Inc. System and method for ion implantation with improved productivity and uniformity
JP2011066285A (en) * 2009-09-18 2011-03-31 Toshiba Corp Nonvolatile memory element and nonvolatile memory device
US8441835B2 (en) 2010-06-11 2013-05-14 Crossbar, Inc. Interface control for improved switching in RRAM
US8551853B2 (en) * 2010-07-08 2013-10-08 Panasonic Corporation Non-volatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof
US8569172B1 (en) 2012-08-14 2013-10-29 Crossbar, Inc. Noble metal/non-noble metal electrode for RRAM applications
US8334517B2 (en) * 2011-01-24 2012-12-18 Advanced Ion Beam Technology, Inc. Apparatus for adjusting ion beam by bended bar magnets
US20120211716A1 (en) * 2011-02-23 2012-08-23 Unity Semiconductor Corporation Oxygen ion implanted conductive metal oxide re-writeable non-volatile memory device
US8546781B2 (en) 2011-05-31 2013-10-01 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Nitrogen doped aluminum oxide resistive random access memory
US8822265B2 (en) 2011-10-06 2014-09-02 Intermolecular, Inc. Method for reducing forming voltage in resistive random access memory
US8791444B2 (en) 2011-11-23 2014-07-29 National Chiao Tung University Resistive random access memory (RRAM) using stacked dielectrics and method for manufacturing the same
US20130187116A1 (en) 2012-01-19 2013-07-25 Globalfoundries Singapore Pte Ltd RRAM Device With Free-Forming Conductive Filament(s), and Methods of Making Same
US8779407B2 (en) 2012-02-07 2014-07-15 Intermolecular, Inc. Multifunctional electrode
KR101917294B1 (en) * 2012-03-23 2018-11-12 에스케이하이닉스 주식회사 Resistance variable memory device and method for fabricating the same
US9053781B2 (en) 2012-06-15 2015-06-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Structure and method for a forming free resistive random access memory with multi-level cell
US9472756B2 (en) * 2012-09-07 2016-10-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile memory device
US8907313B2 (en) 2012-12-18 2014-12-09 Intermolecular, Inc. Controlling ReRam forming voltage with doping
US8913418B2 (en) 2013-03-14 2014-12-16 Intermolecular, Inc. Confined defect profiling within resistive random memory access cells
WO2014194069A2 (en) * 2013-05-29 2014-12-04 Shih-Yuan Wang Resistive random-access memory formed without forming voltage
US9515262B2 (en) * 2013-05-29 2016-12-06 Shih-Yuan Wang Resistive random-access memory with implanted and radiated channels
US9070538B2 (en) * 2013-10-25 2015-06-30 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Pinched plasma bridge flood gun for substrate charge neutralization

Also Published As

Publication number Publication date
US20190115533A1 (en) 2019-04-18
WO2017190719A1 (en) 2017-11-09
DE102016005537A1 (en) 2017-11-09
JP2019517131A (en) 2019-06-20
CN109155363A (en) 2019-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3453058A1 (en) Method for the production of layers of reram memories, and use of an implantation device
DE102004020297B4 (en) Process for producing resistively switching memory components
DE102011018363A1 (en) Hochleistungszerstäubungsquelle
WO2006034946A1 (en) Resistively switching semiconductor memory
EP2778253B1 (en) Cylindrical evaporation source
EP3523684B1 (en) Multi-layer mirror for reflecting euv radiation, and method for producing the same
DE102006028977B4 (en) Sputterdepositions device
DE4142103A1 (en) DEVICE FOR PRODUCING THIN LAYERS
DE102016103493A1 (en) MATERIALS AND COMPONENTS IN PHASE CHANGE MEMORY DEVICES
DE102008032256B4 (en) Apparatus and method for sputter-enhanced vapor deposition
DE102004047630A1 (en) Method for producing a CBRAM semiconductor memory
DE10125370C1 (en) Integrated semiconductor circuit manufacturing method has dielectric or ferroelectric layer for integrated capacitors separately heated before reducing into small particles applied semiconductor circuit substrate
DE102011078243B4 (en) Manufacturing method for an electronic component with a step of embedding a metal layer
EP0012838B1 (en) Ion source, especially for ion implantation apparatus
DE10008617A1 (en) Process for producing a ferroelectric layer
RU2779436C1 (en) Method for obtaining an active layer for a formless element of a non-volatile resistive memory
DE102016013178A1 (en) Resistive RAM cell with concentrated electric field
US20230092998A1 (en) Method for manufacturing a memory resistor device
DE2709802A1 (en) Impurity removal from semiconductor device formed by ion implantation - by etching with hydrofluoric acid to remove surface layer
KR102058702B1 (en) Method of fabrication of NbOx selector device by pulsed laser annealing and selector device fabricated by the same
DE102006009254B3 (en) Integrated electronic circuit e.g. flash memory, manufacturing method, involves forming intermediate layer made of active electrode material and containing nitrogen of specific concentration on solid electrolyte
CN115224193A (en) Memristor and preparation method thereof
DE102022116981A1 (en) MEMRISTIVE STRUCTURE AND MEMRISTIVE DEVICE
WO2022144163A1 (en) Method and device for producing a semiconductor component
DE102011103464A1 (en) Plasma ion source for vacuum deposition system, has metal that is provided in region of electrical insulating element made of ceramic material

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20181011

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20190429