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

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6 INTEGRATION VON

6 INTEGRATION VON METHYL-SILSESQUIOXAN Strombegrenzung nicht ganz korrekt ist. Die aufgetragene Spannung der x-Achse entspricht dabei nicht der tatsächlichen Spannung über das Bauelement. Die tatsächliche Spannung liegt im gezeigten Fall beispielsweise bei 80 mV, was genau dem Wert entspricht, bei dem der Strom aus der Begrenzung läuft. Die andersartige Darstellung ergibt sich aus der Messsoftware, die stets den vorgegebenen Spannungsbereich aufzeichnet, nicht aber die tatsächlich abfallende Spannung misst. Dazu sind Vierpunktmessungen nötig [109]. Werden die ON- und OFF-Widerstände der 3 μm x 3 μm-Zellen mit denen der 100 nm x 100 nm-Zellen verglichen, so fällt auf, dass die ON-Widerstände der größeren Crossbars (zwischen 100 Ω und 1 kΩ) deutlich geringer waren, als die der kleineren Strukturen (zwischen 500 Ω und 6 kΩ). Dies kann auf eine Abhängigkeit des ON- Widerstandes von der Zellgröße hindeuten, ist aber eher auf die höheren Zuleitungswiderstände der Nano-Crossbars zurückzuführen. Um den Sachverhalt einschätzen zu können, wurden die ON-Widerstände verschieden großer Mikro-Zellen miteinander verglichen. Abbildung 6.4 zeigt die Abhängigkeit des ON-Widerstandes R ON von der Zellgröße. 800 600 RON [Ω] 400 200 Abbildung 6.4: Verlauf des ON- Widerstandes R ON in Abhängigkeit von der Zellgröße. 0 0 100 200 Zellenfläche [μm 2 ] Es wurde auf der einen Seite Widerstandsstreuungen festgestellt, welche sich nicht auf Zellgrößenabhängigkeiten zurückführen ließen. Auf der anderen Seite konnte keine eindeutige Abhängigkeit des Widerstandsmittelwertes von der Zellgröße nachgewiesen werden, welches eher auf einen lokal begrenzten Schaltmechanismus schließen lässt, wie er auch in der Literatur für elektrolytische Systeme vermutet wird (vgl. Kapitel 3.1). Somit sind die oben aufgezeigten Differenzen der R ON auf die unterschiedlichen Zuleitungswiderstände von Mikro- und Nano-Crossbars zurückzuführen. Wie in 95

6 INTEGRATION VON METHYL-SILSESQUIOXAN Kapitel 5.3 gezeigt liegen die Leitungswiderstände der Nanoleitungen im Bereich von mehreren kΩ (z.B. 100 nm-Arrays Linienbreite ~ 4,5 kΩ), sodass sich höhere R ON - Widerstände erklären lassen. Geringe R ON -Widerstände ließen sich hingegen bei Einzel- Strukturen beobachten, bei denen sehr kurze Zuleitungen im Layout vorhanden waren, wie es beispielsweise Abbildung 6.3 a) zeigt. Bei der Auswertung des R OFF fiel auf, dass sowohl die Widerstände der 3 μm x 3 μm- Zellen als auch der 100 nm x 100 nm-Zellen während der Schaltzyklen zwischen 1 MΩ und mehreren 100 GΩ variierten, womit keine adäquate Aussage über die Skalierung des R OFF getroffen werden konnte. Ferner konnten die Variationen der ON- und OFF-Widerstände nicht auf Einflüsse von Strombegrenzungen, Ausschaltströmen oder Ein-/Ausschaltspannungen (etc.) zurückgeführt werden. Damit entfiel zunächst auch die Möglichkeit des Multi-Level- Schaltens, bei dem unterschiedliche Widerstandszustände kontrolliert eingestellt werden können (z.B. durch verschiedene Strombegrenzungen [71, 109]), für die hergestellten MSQ-Speicherzellen. In einer Testreihe mit 125 Crossbar-Zellen einer Größe von 100 nm x 100 nm wurden die Formierspannungen sowie die Schaltspannungen statistisch ausgewertet. Dazu wurde ein Programm der Prober-Software entwickelt, in dem die einzelnen Strukturen vollautomatisch angefahren und vermessen werden konnten. Für die initiale Formierung wurde die Spannung bis + 2 V erhöht. Schaltete das Bauelement während des Formierungs-Zyklusses ein, so wurde es als funktionsfähig auf einer automatisch angelegten Wafermap eingetragen. Es wurden dadurch 73 der 125 Strukturen, also 58,4 %, als funktionsfähig getestet. Hier waren jedoch ca. 20 % auf Defekte zurückzuführen, die während der Herstellung, also technologisch bedingt (z.B. durch Partikel), auftraten. Nach der Formierung wurden 5 der funktionsfähigen Zellen beliebig ausgewählt, an denen jeweils 20 Schaltzyklen durchgeführt wurden. Abbildung 6.5 zeigt die Auswertung der aufgetretenen Spannungen, welche über die prozentuale Anzahl der funktionsfähigen Strukturen aufgetragen sind. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Formierungsspannung (Abbildung 6.5 a) tendenziell höher liegt, als die SET-Spannung der anschließenden Schaltzyklen (Abbildung 6.5 b). Außerdem fällt die größere Streuung von U FORM auf, die zwischen 0,4 V und 2 V liegt. Die RESET- Spannung ist betragsmäßig tendenziell höher als die SET-Spannung und auch hier wurde eine größere Streuung der Spannungswerte zwischen -0,1 V und -1,6 V als die der SET-Spannung festgestellt. Diese statistischen Verteilungen von U FORM , U ON und U OFF waren für die spätere Applikation der hergestellten Einzelzellen in Crossbar- Arrays von großer Wichtigkeit. Wird Kupfer als Top-Elektrodenmaterial verwendet, so treten deutlich höhere Formierungsspannungen (bis zu 8 V) und SET-Spannungen (~ 1,5 V) auf. Diese sind 96