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

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6 INTEGRATION VON

6 INTEGRATION VON METHYL-SILSESQUIOXAN in Abbildung 6.5 a). Es zeigte sich, dass U FORM in 800°C-Spin-On Glas mit einer höheren Dichte (aufgrund fehlender Methyl-Gruppe) sowohl sehr niedrige Werte (0,2 V) als auch sehr hohe Werte (4 V) annehmen kann. Anhand dieser Beobachtung ließ sich vermuten, dass zwei unterschiedliche Strukturänderungseffekte des 800°C- MSQ die U FORM -Verteilung veränderten. Zum einen ist bekannt, dass eine höhere Dichte des Elektrolyts das Durchdringen von Ionen erschwert, wodurch höhere Formierungsspannungen entstehen [128]. Zum anderen sinkt die Formierungsspannung bei Reduzierung der Schichtdicke [71], welches im Fall des 800°C-MSQ auftreten kann, da die Lücken großer Methyl- Moleküle geschlossen werden und die MSQ-Dicke dadurch sinkt [122]. Derartige Effekte scheinen zudem lokal unterschiedlich dominant aufgetreten zu sein. Es entstanden inhomogene Schichten, wodurch sich die Verteilung der Formierungsspannung verbreiterte, da die Werte durch die Nanostrukturen zwar lokal aber über einen großen Bereich aufgenommen wurden. Werden die Schaltspannungen der anschließenden Schaltzyklen ausgewertet, so zeigt sich, dass die Verteilungen dieser (0,3 V < U ON < 1,1 V und -1,5 V < U OFF < -0,2 V) mit denen der Standard-MSQ-Schichten vergleichbar sind. Es ist also auch in dem Fall des Glases ohne Methyl-Gruppe davon auszugehen, dass zuerst ein bevorzugter Pfad mittels Formierung durch die Schicht gebildet werden muss. Dieser kann anschließend mit sehr ähnlichen Konditionen wie bei den herkömmlichen MSQ-Schichten durch SET- und RESET-Spannungen gebildet und abgebaut werden. 6.4 Performance der Speicherzellen Die Güte von Speicherzellen wird anhand diverser Charakteristika bewertet. Es spielen vor allem die Lebensdauer der Speicherzustände (Retention), die mögliche Anzahl der Schaltereignisse (Endurance) und die Schnelligkeit der Bauelemente eine große Rolle bei der Performance-Bewertung der Speicherzellen. Es wurden 100 nm x 100 nm Pt/MSQ/Ag-Zellen auf diese Charakteristika untersucht. Um die Lebensdauer der beiden resistiven Zustände (R ON und R OFF ) zu bestimmen, wurden die Zellen zunächst formiert und anschließend fünfmal quasistatisch gezykelt (vgl. Kapitel 6.1). Für die Retention-Messung wurde die Zelle dann in jeweils einen der beiden Speicherzustände versetzt. Mit einer Lesespannung von 10 mV wurden die Zustände in einigen Zeitabständen gemessen. Die niedrige Lesespannung war nötig, um den Einfluss dieser auf die Speicherzustände gering zu halten. Abbildung 6.11 zeigt das Ergebnis der Messung. R ON betrug ~ 2,8 kΩ und konnte über einen Zeitraum von ~ 8000 s gemessen werden, bis er zu 2 GΩ degradierte. Die Degradation beschreibt die Auflösung des metallischen Ag-Pfades und wird 103

6 INTEGRATION VON METHYL-SILSESQUIOXAN voraussichtlich durch Diffusion oder Elektromigration initiiert. Der OFF-Widerstand betrug hier ~ 4 GΩ und war wesentlich stabiler, da er bis zu 7 · 10 4 s lang gemessen wurde und auch kein Anzeichen einer Degradation zu erkennen war. Da der OFF- Zustand nicht durch Diffusion oder Ähnliches zerstört wird, kann generell davon ausgegangen werden, dass er über einen sehr langen Zeitraum stabil bleibt, welches für die nichtflüchtige Speicheranwendung von großer Wichtigkeit wäre. Der Stabilität des ON-Zustandes bedarf es hingegen einer Performance-Steigerung (z.B. durch Materialmodifizierung), um den Anforderungen der Speicheranwendung gerecht zu werden. 1E+10 1E+9 1E+9 1E+8 Widerstand [Ω] 1E+8 1E+7 1E+6 1E+5 1E+4 1E+3 ON OFF 0 15000 30000 Zeit [s] Widerstand [Ω] 1E+7 1E+6 1E+5 1E+4 1E+3 1E+2 0 1000 2000 Schaltzyklus Abbildung 6.11: Retention-Messung an einer 100 nm x 100 nm Pt/MSQ/Ag-Zelle mit einer Lesespannung der Zustände von 10 mV. Abbildung 6.12: Endurance-Messung an einer 100 nm x 100 nm Pt/MSQ/Ag-Zelle. U SET = 3 V, U RESET = -3 V, U Lesen = 10 mV. Pulslänge = 100 ms. Für die Überprüfung der möglichen Anzahl an Schaltzyklen wurden Pulsmessungen mit Hilfe eines Keithley 2611 SourceMeter durchgeführt. Dabei wurden Spannungspulse einer Länge von 100 ms auf die Zelle gegeben. Um das Bauelement an- bzw. auszuschalten, wurden U SET = + 3 V und U RESET = - 3 V gesetzt. Zwischen den SETund RESET-Pulsen wurde der Zustand der Zelle mit einer Strommessung bei einem 10 mV-Puls detektiert. Das Ergebnis der Lesepulse ist in Abbildung 6.12 als Widerstandsmessung in Bezug auf die Anzahl der Zyklen dargestellt. Die Zelle konnte 2000-mal zwischen R ON und R OFF geschaltet werden, bevor eine Degradation der Zustände eintrat bzw. die Zelle in einem der Zustände verharrte. Tendenziell konnten 104