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Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

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6 Integration von

6 Integration von Methyl-Silsesquioxan Spin-On Gläser, wie das hier eingesetzte Methyl-Silsesquioxan (CH 3 SiO 1.5 ), werden in der Halbleitertechnologie im Wesentlichen für die Planarisierung von Oberflächen und für die Auffüllung von Gräben verwendet [122]. Dabei müssen verschiedene Kriterien von unterschiedlichen Gläsern, je nach Anwendung, erfüllt werden. Beispielsweise wird MSQ als Low-k-Dielektrikum zur Isolierung von Leiterbahnen eingesetzt [123]. MSQ bietet aufgrund der größeren Methyl-Gruppe (CH 3 ) eine geringere Dichte als reines SiO 2 . Ferner führen die Si-CH 3 -Bindungen zu einer geringeren Polarisierbarkeit als die Si-O-Bindungen oder Si-H-Bindungen (bei Hydrogen-Silsesquioxan, HSQ), woraus schließlich eine niedrigere Dielektrizitätskonstante (ε r < 3) resultiert [124]. Das in dieser Arbeit verwendete MSQ T-111 der Firma Honeywell beinhaltet 10 Gew.-% CH 3 . Die Bezeichnung Silsesquioxan rührt von dem 3/2-Verhältnis bzw. der Sesquistoichiometrie der Sauerstoffatome, welche an das Si gebunden sind. Die molekulare Struktur des MSQ besteht (in den meisten Fällen) aus einer Kombination von Käfig- und Leiterstrukturen, deren Rückgrat aus SiO 2 gebildet wird (siehe Abbildung 6.1). R R Si O Si CH 3 CH 3 R R Si O Si O O R O O O Si Si O Si a) O R O O R O Si R O O O CH 3 Si O Si CH 3 O Si O O Si O b) n Abbildung 6.1: Molekulare Struktur des MSQ: a) Käfigstruktur, worin R = CH 3 für MSQ und R = H für HSQ, b) Leiterstruktur des MSQ. 91

6 INTEGRATION VON METHYL-SILSESQUIOXAN Bei der thermischen Aushärtung des MSQ (vgl. Kapitel 5.1) ändern sich teilweise die Käfigstrukturen (Abbildung 6.1 a) zu Leiterstrukturen (Abbildung 6.1 b), sodass großflächige Netzwerke entstehen [125]. Das Ziel dieser Arbeit war es, das MSQ neben der Planarisierung von Crossbar- Elektroden auch als schaltendes Material für resistive Speicher zu verwenden. Somit konnte eine Kombination aus zwei Prozessschritten (der Planarisierung und der Deposition des funktionalen Materials) zu einem einzelnen Prozessschritt erfolgen. Da resistives Schalten in SiO 2 unter Verwendung von Cu- oder Ag-Elektroden bekannt ist [126, 127], bot sich SiO 2 -basiertes Spin-On-Glas zunächst als mögliches, alternatives Speichermaterial an. Dabei ist MSQ ein Festkörperelektrolyt, durch welches Metallionen des leicht oxidierbaren Top-Metalls transportiert werden können (vgl. Kapitel 3.1). 6.1 Resistives Schalten in Pt/MSQ/Ag-Zellen Die Herstellung von Crossbar-Zellen mit integriertem MSQ geschah auf zwei Arten. Für eine erste Abschätzung der Funktionalität wurden Zellen im Mikrometerbereich mittels optischer Lithographie realisiert (vgl. Abbildung 5.12). Für die Verringerung der Speicherzellenfläche in den Sub-Mikrometerbereich wurde die Nanoimprint- Lithographie eingesetzt. Die prinzipielle Herstellungsweise und der resultierende Aufbau der Crossbar-Elemente sind in Abbildung 6.2 dargestellt. a) b) c) Abbildung 6.2: Herstellung von Crossbar-Strukturen mit integriertem MSQ: a) Pt-Bottom- Elektroden, b) Planarisierung der Oberfläche und Dünnen der MSQ-Schicht, c) Realisierung von Top-Elektroden aus Ag oder Cu. Nach der Einbettung der Pt-Bottom-Elektroden (Abbildung 6.2 a) wurde die MSQ- Schicht, wie in Kapitel 5.1 beschrieben, gedünnt. Dabei wurde jedoch nicht die Oberfläche der Bottom-Elektroden freigelegt, sondern es blieb eine 20 – 30 nm hohe Glasschicht über den Leiterbahnen erhalten (Abbildung 6.2 b). Diese MSQ-Schicht bildete die funktionale Lage (vgl. Kapitel 3.2, Abbildung 3.5). Nach der Abscheidung der funktionalen Schicht wurde die Top-Elektrode, welche aus Ag bestand, realisiert 92