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

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

6 INTEGRATION VON

6 INTEGRATION VON METHYL-SILSESQUIOXAN Um eventuell auftretende Einflüsse auf Nachbarzellen überprüfen zu können, mussten alternierende Bit-Muster, hier „10101010“ und „01010101“, in das Register geschrieben werden. Zwischen der Programmierung mit diesen Mustern wurde das Wort erneut vollständig gelöscht („00000000“). Abbildung 6.16 zeigt neben der ganzheitlichen Programmierung der Register das erfolgreiche Schreiben von alternierenden Wörtern. Somit war demonstriert, dass kein direkter Einfluss der geschalteten Zelle auf die benachbarten auftrat, da deren Zustand erhalten blieb. Der metallische Pfad des ON- Zustandes einer einzelnen Zelle wächst demzufolge nicht ungünstig (z.B. schräg zur Seite), wodurch Nachbarzellen unbeeinflusst bleiben. Die Schlussfolgerung des Experiments ist, dass mit den vorgestellten Technologien und Materialien die Möglichkeit besteht, Speicherzellen kleiner Fläche und hoher Integrationsdichte (Half-Pitch = 100 nm) zu realisieren. 6.6 Crossbar-Arrays Bei der Programmierung von Crossbar-Arrays traten im Gegensatz zu den Wort- Strukturen Einflüsse parasitärer Pfade auf. Es konnten zwar einzelne Zellen formiert werden, doch bei dem Versuch weitere, benachbarte Zellen zu formieren, wurde die bereits formierte Zelle stets mitgeschaltet. Das Problem lag hier bei der höheren Formierungsspannung der Pt/MSQ/Ag-Zellen im Gegensatz zu U SET und an der Streuung der Spannungswerte. (vgl. Kapitel 6.1, Abbildung 6.5: 0,4 V < U FORM < 2 V, 0,2 V < U SET < 0,75 V) Eine vereinfachte Darstellung der Problematik parasitärer Pfade zeigt Abbildung 6.17 anhand eines 4-bit- Arrays. Die Top-Elektroden seien hierin horizontal und die Bottom-Elektroden vertikal angeordnet. Alle vier Zellen des Arrays seien im OFF-Zustand und nur Zelle a sei bereits formiert. Wird nun eine Formierungsspannung über c angelegt, so entsteht ein parasitärer Spannungspfad über d-b-a, da alle Zellen im Array physikalisch miteinander verknüpft sind. In diesem Pfad teilt sich U FORM auf die drei Zellen auf, sodass je 1/3 · U FORM über d, b und a abfällt. Diese Teilspannung kann jedoch bereits ausreichen, um die formierte Zelle a zu schalten, da U SET < U FORM (im Mittel). Die Problematik der Spannungswertstreuung wird an einem ähnlichen Beispiel deutlich. Es seien nun alle vier Zellen im OFF-Zustand und formiert. Wird nun die Zelle c mit U SET zum Schalten gebracht, so ergibt sich der gleiche parasitäre Pfad über d-b-a und es fällt über jede der Zellen 1/3 · U SET ab. Nach der Spannungsverteilung (0,2 V < U SET < 0,75 V) muss U SET an c mindestens 0,75 V betragen, um c statistisch zu 100 % zu schalten. Dies bedeutet gleichzeitig, dass mit 1/3 · U SET jeweils 0,25 V über die Zellen d, b und a abfällt. Da 0,25 V jedoch innerhalb der Spannungsverteilung liegt, 109

6 INTEGRATION VON METHYL-SILSESQUIOXAN schaltet in ca. 20 % der Fälle (vgl. Abbildung 6.5) eine der drei Zellen d, b, a des parasitären Pfades an. Zunehmend komplexer wird der Sachverhalt, wenn die Zellen des Arrays sich in unterschiedlichen Widerstands-Zuständen (ON und OFF) befinden und die Array-Fläche wächst (siehe dazu [79]). U FORM a c b d parasitärer Pfad Abbildung 6.17: Parasitärer Spannungspfad in einem 2 x 2 bit Array. a, b, c, d sind im R OFF , wobei a bereits formiert wurde und teils durch 1/3 · U FORM geschaltet werden kann. Die parasitären Spannungspfade können durch verschiedene Potentiale auf allen Elektroden vermieden werden, da somit über alle Zellen des Arrays kontrolliert eingestellte Spannungen abfallen [79, 91]. Dazu ist allerdings ein Messplatz nötig, mit dem alle Elektroden des Arrays kontaktiert werden können (bis zu 64 + 64 = 128 Nadeln). Dieser stand hier nicht zur Verfügung, ist aber bereits in Planung. Die Problematik der Spannungswertestreuung kann jedoch auch bei der Verwendung eines neuen Messplatzes und Spannungsmustern kritisch bleiben. Es ist demzufolge notwendig, nichtlineare Bauelemente (z.B. Dioden) in die Crossbar-Architektur zu integrieren. Werden diese Bauelemente in Serie zu den resistiven Elementen geschaltet – dies bedeutet eine Aufeinanderschichtung von Diode und Speicherzelle –, so verschieben sich die Schaltspannungen und es entstehen größere Toleranzen bei der Wahl der unterschiedlichen Potentiale auf den Elektroden. Ohne jene Maßnahmen war es jedoch in dieser Arbeit nicht möglich, passive Crossbar- Arrays gezielt zu programmieren. 110