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

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7 DIE

7 DIE MEHRLAGEN-ARCHITEKTUR Substrat freigelegt wurden. Am Rand des Grabens, welcher bis in das Substrat reicht, erscheint die Elektrodenkonfiguration in vertikaler Ausrichtung (gekennzeichneter Bereich Abbildung 7.1 c). Hieraus wird eine mögliche, vertikale Anordnung der Speicherzellen deutlich, die übereinander gestapelt sind. Gestapelte Speicherzellen sind mit der konventionellen CMOS-Technologie (z.B. Flash) nicht realisierbar. Dies untermauert den Vorteil der Crossbar-Architektur für die Anwendung hochintegrierter Speicherzellen. Einen Nachteil enthält jedoch auch das vorgestellte Mehrlagenkonzept in Bezug auf die Materialauswahl der Nanoelektroden. Es kann hierbei beispielsweise kein Ag verwendet werden, da durch die Planarisierung Temperaturprozesse notwendig sind, um das MSQ zu härten (vgl. Kapitel 5.1). Diese Temperaturprozesse führen zur Zerstörung von Ag- Elektroden. Somit müssen für Speicherkonzepte, bei denen derartige Materialien Anwendung finden, alternative Lösungen, beispielsweise durch Silberdotierung, entwickelt werden [132]. 7.2 Ag-Dotieren der MSQ-Zellen Das Dotieren der Glasmatrix bei resistiv schaltenden Systemen, welche ein leicht oxidierbares Top-Material beinhalten, ist aus der Literatur bekannt [68, 70]. Es wurden thermisch oder UV-Licht induzierte Diffusionen der Top-Elektroden-Metalle in die funktionale Schicht verwendet, um das Schalten derartiger Systeme stabiler zu gestalten. Die Möglichkeit der Dotierung von SiO 2 -basierten Schichten durch kontrollierte thermisch aktivierte Diffusion umfasst gleichermaßen jedoch auch die begrenzte Stabilität derartiger resistiver Speicherzellen bei thermischer Belastung. Wird beispielsweise eine Pt/MSQ/Ag-Zelle einer Temperatur von 400°C ausgesetzt, so diffundiert die Ag-Top-Elektrode in die darunter liegende MSQ Schicht. Dies führt zur Zerstörung jener Leiterbahnen, wie in Abbildung 7.2 anhand einer REM-Aufnahme zu erkennen ist. Demnach bleibt eine Temperaturbehandlung der Pt/MSQ/Ag-Zellen, wie sie z.B. in Back-End-Of-Line (BEOL) - Prozessen der CMOS-Linie vorkommen kann, nicht ohne Konsequenzen. In Folge dessen sollte die Diffusion des Ag in die MSQ-Schicht kontrolliert ausgenutzt werden, um die Zerstörung der Top-Elektrode durch thermische Belastung zu vermeiden. Dies war bei der Weiterverarbeitung hergestellter Speicherzellen, entweder in BEOL-Prozessen (z.B. SiN-Passivierung) oder der Stapelung mehrerer Crossbar-Elemente übereinander (siehe Kapitel 7.1), von großer Wichtigkeit. Es wurden dazu zwei Experimente durchgeführt, um den Einfluss der Ag- Diffusion in Pt/MSQ/Ag-Systemen zu Untersuchen. 113

7 DIE MEHRLAGEN-ARCHITEKTUR In dem ersten Experiment wurde eine fertig gestellte Pt/MSQ/Ag-Probe für 5 min auf 450°C unter N 2 -Atmosphäre erhitzt. Das Ag diffundierte dabei in die MSQ Schicht, wodurch die Top-Elektrode an der Oberfläche partiell verschwand (vgl. Abbildung 7.2). Anschließend wurde die Top-Elektrode mit Ag übermetallisiert, strukturiert und somit erneuert. Eine dotierte Pt/Ag-MSQ/Ag-Zelle war hergestellt. Diese Zellen wurden anschließend mittels quasistatischer, elektrischer Messungen charakterisiert. Eine typische I(U)-Kurve ist in Abbildung 7.3 dargestellt. Diese wurde an einer 2 x 3 µm 2 - Zelle aufgenommen, die mittels optischer Lithographie und Lift-Off-Verfahren hergestellt wurde. Ag Pt 2500 nm Strom [mA] 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1 -1,2 -0,2 0 0,2 0,4 Spannung [V] Abbildung 7.2: Zerstörung der Ag-Top- Elektrode durch Temperaturbehandlung. Abbildung 7.3: Resistives Schalten einer Ag-dotierten Pt/Ag-MSQ/Ag-Zelle. Es ist zu erkennen, dass auch die dotierten Zellen resistives Schalten zeigten. Allerdings waren deutliche Unterschiede zu den undotierten Zellen zu beobachten. Auf der einen Seite fand bei den Pt/Ag-MSQ/Ag-Zellen kein eindeutiger Formierungs-Prozess statt, da es während des ersten, initialen Schaltvorgangs keiner signifikant höheren Spannung bedarf. Die Zellen schalteten initial bereits zwischen 0,1 V und 0,6 V. Auf der anderen Seite waren die Ausschaltströme deutlich höher als bei den undotierten Zellen. Der maximale Ausschaltstrom wurde hier auf -1 mA begrenzt, sodass die Struktur nicht zerstört wurde. Die hohen Ausschaltströme deuten auf einen unipolaren Schaltmechanismus hin, welcher im Wesentlichen durch das Limitieren des maximalen Stromes durch die resistive Zelle gesteuert wird (vgl. Kapitel 3). Unipolares Schalten ist auch aus der Literatur an Cu-dotierten SiO 2 -Strukturen bekannt [69]. Der Versuch die 114