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

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7 DIE

7 DIE MEHRLAGEN-ARCHITEKTUR sich initial die positive Spannung an der Crossbar-Struktur, so schaltet die Zelle bei 0,75 V, ausgehend von einem hochohmigen Zustand, in den niederohmigen Zustand (SET siehe Abbildung 7.5 a). Auch hier konnte nicht auf einen Formierungsschritt, aufgrund fehlender signifikanter Spannungswertunterschiede, geschlossen werden. Der maximal zulässige Strom durch die Crossbar-Struktur wurde auf 100 µA begrenzt. Wird nach dem SET die Strombegrenzung entfernt und die Spannung über das Bauelement mit gleicher Polarität erhöht, so findet ein RESET bei ~ 0,5 V statt (Abbildung 7.5 b). Der Ausschaltstrom liegt hierin bei ~ 650 µA. Es zeigte sich demzufolge, dass in Pt/Ag-MSQ/Pt-Zellen „echtes“ unipolares (im Vergleich zu Pt/Ag-MSQ/Ag-Zellen) Schalten auftritt. Dies konnte mit beiden Spannungspolaritäten reproduziert werden (siehe Abbildung 7.5 c). Da das hier realisierte System eher symmetrischer Natur war, im Gegensatz zu dem, welches mit Ag-Top-Elektroden hergestellt wurde, konnten die Bauelemente unipolar geschaltet werden. Das Reservoir an Ag, welches sich bei einer Ag-Top-Elektrode über der dotierten MSQ befindet, entfällt bei dem Pt/Ag-MSQ/Pt-System. Dadurch scheint der RESET mit positiver Spannung, aufgrund des weniger dominanten Eintreibens von Ag in die MSQ-Schicht, möglich zu werden. Das Auftreten von Schaltmechanismen in Ag-dotierten MSQ-Systemen, welche lediglich inerte Pt-Elektroden beinhalten, bietet eine Basis zur Realisierung von Speicherzellen, die temperaturstabil für nachfolgende BEOL-Prozesse oder Mehrlagen- Architekturen sind. Abschließend zu den Dotierungsexperimenten sollte mit Hilfe von TOF-SIMS (Time of Flight - Secondary Ion Mass Spectroscopy)-Analysen das Dotierungsprofil bzw. die Diffusionstiefe des Ag in die MSQ-Schicht ermittelt werden. Beim TOF-SIMS wird die Probenoberfläche sukzessive durch ein Sputterverfahren abgetragen. Die entstehenden Sekundärionen werden beschleunigt und nach deren Masse selektiert. Dabei wird aus der jeweils gemessenen Flugzeit die zugehörige Masse des nachgewiesenen Sekundärions bestimmt, wodurch eine Materialanalyse der Oberfläche gewonnen wird. Abbildung 7.6 stellt das Tiefenprofil unterschiedlich behandelter MSQ-Schichten dar. Es ist hier das Ag-Signal in [counts] – der SIMS-Detektor zählt die auftreffenden Ag- Ionen – über die Probentiefe aufgetragen. Die Proben des TOF-SIMS-Experiments bestanden aus einem Pt/MSQ/Ag- Schichtstapel, wobei die MSQ-Schicht nicht gedünnt und somit 160 nm dick war. Es wurden drei Proben analysiert. Eine Probe war unbehandelt (as deposited), eine Probe wurde einer Temperatur von 450°C für 5 min ausgesetzt und die letzte Probe wurde einer Temperatur von 450°C für 60 min ausgesetzt. Anhand der Tiefenprofilmessung in Abbildung 7.6 ist die Diffusion des Ag bei den Temperatur behandelten Proben deutlich zu erkennen. 117

7 DIE MEHRLAGEN-ARCHITEKTUR Ag-Signal [counts] 8000 6000 4000 2000 0 unbehandelt 5 min @ 450°C 60 min @ 450°C 0 40 80 120 160 200 Tiefe [nm] Abbildung 7.6: TOF-SIMS-Analyse an drei verschiedenen Pt/MSQ/Ag- Schichtstapeln, welche unterschiedlichen Temperaturbedingungen ausgesetzt waren. Der erste Peak zwischen 0 nm und 30 nm stellt bei allen drei Proben den Bereich der Ag-Topelektrode dar. Nach diesem ersten Maximum verlaufen die drei Kurven auf unterschiedliche Weise. Das Ag-Signal der unbehandelten Probe fällt unmittelbar nach dem Peak auf 0 counts ab. Es war also ab einer Tiefe von 30 nm kein Ag mehr detektierbar. Im Gegensatz zu den anderen beiden Kurven, welche zunächst eine Schulter bilden, bevor das Ag-Signal auf 0 counts abfällt. Hier war das Ag in die darunter liegende MSQ-Schicht eindiffundiert. Dabei drang das Ag bei einer 5- minütigen Temperaturbehandlung ca. 20-30 nm und bei einer 60-minütigen Temperaturbehandlung ca. 50-60 nm tief ein. Es war somit davon auszugehen, dass die oben charakterisierten Pt/Ag-MSQ/Pt-Bauteile über eine nahezu vollständig gesättigte MSQ-Schicht verfügten, da dessen Dicke mit 20-30 nm der Diffusionslänge des Ag bei einer fünfminütigen Temperaturbehandlung entsprach. Im weiteren Verlauf aller Kurven der Abbildung 7.6 ist ein erneuter Anstieg des Ag- Signals bei einer Tiefe von 150 nm – 190 nm zu erkennen. Dies ist die Grenzschicht zur Pt-Bottom-Elektrode. Das Auftreten von Ag an der Pt-Grenze lässt sich hier zunächst nicht erklären. Es scheint allerdings, als trete eine Anhäufung von Ag auf, da das Pt eine weitere Ag-Diffusion in die Tiefe verhindert. Zur Aufklärung dieses Phänomens müssen jedoch weiterführende Untersuchungen stattfinden. 7.3 Drei-dimensionale MSQ-Speicher Mehrlagen Architekturen, wie sie in Kapitel 7.1 vorgestellt wurden, bieten den Vorteil einer erhöhten Integrationsdichte gegenüber einlagiger Crossbar-Arrays. Die Realisierung dreidimensionaler Crossbar-Speicher sollte durch die Kombination der Herstellungstechnologie für Mehrlagen-Architekturen (Kapitel 7.1) und schaltbarer 118