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

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7 DIE

7 DIE MEHRLAGEN-ARCHITEKTUR Pt/Ag-MSQ/Pt-Zellen (Kapitel 7.2) erfolgen. Es wurden dazu zwei Crossbar-Strukturen, welche aus drei Metallebenen und zwei resistiven Schichten bestanden, übereinander gestapelt. Als funktionales Material wurde 20-30 nm dickes, Ag-dotiertes MSQ verwendet und die Elektroden bestanden aus 30 nm hohem Pt. Für die Strukturierung wurde die Nanoimprint-Lithographie eingesetzt. Abbildung 7.7 zeigt (links) den Aufbau des 3D-Crossbars anhand einer REM-Aufnahme. In ein Array mit 200 nm Elektroden wurde ein Fenster mittels FIB geschnitten. Widerstand [Ω] 1E+8 1E+7 1E+6 1E+5 1E+4 SET TE - ME RESET SET RESET U 1 U 2 + - + ME TE BE 400 nm Widerstand [Ω] 1E+3 1E+8 1E+7 1E+6 1E+5 1E+4 1 2 Zeit 3 4 SET BE - ME RESET SET RESET 1E+3 1 2 Zeit 3 4 Abbildung 7.7: Resistives Schalten in 3D-Pt/Ag-MSQ/Pt-Crossbar-Strukturen. Die linke Seite zeigt die hergestellte Doppellagen-Zelle und die schematisch eingezeichnete Verschaltung der elektrischen Charakterisierung. Die rechte Seite zeigt die Widerstandsmessungen der oberen und unteren Zelle nach den jeweiligen SET- und RESET-Schaltevents. Es konnten beide Zellen zwischen einem niederohmigen ON-Zustand (~ kΩ) und einem hochohmigen OFF-Zustand (> 1 MΩ) unipolar geschaltet werden. 119

7 DIE MEHRLAGEN-ARCHITEKTUR Nach der Herstellung der 3D-Zellen wurden quasistatische, elektrische Messungen an den einzelnen Strukturen der Architektur durchgeführt. Dazu wurde eine Spannung U 1 zwischen Top-Elektrode (TE) und Mittel-Elektrode (ME) sowie eine Spannung U 2 zwischen Bottom-Elektrode (BE) und Mittel-Elektrode (ME) angelegt (siehe Abbildung 7.7 links unten). Da die Pt/Ag-MSQ/Pt-Zellen unipolar schalten, war die Spannungsrichtung, welche zum Schaltevent führen sollte, nicht von Bedeutung. Es wurde somit die Mittel-Elektrode auf Massepotential und die Top- bzw. Bottom- Elektrode auf positives Potential gelegt. SET und RESET wurden über den Maximalstrom durch die Zelle kontrolliert. Beim SET wurde eine Strombegrenzung von 100 µA gewählt. Beim RESET entfiel die Strombegrenzung, sodass der nötige Ausschaltstrom (< 1mA) durch die Zelle fließen konnte. Abbildung 7.7 zeigt (rechts) die Ergebnisse der elektrischen Charakterisierung einer 200 x 200 nm 2 Zweilagen- Einzelkreuz-Struktur, wie sie beispielhaft auf der linken Seite zu sehen ist. Es sind die gemessenen Widerstände nach SET und RESET für die Pt/Ag-MSQ/Pt- Bottom-Zelle und -Top-Zelle dargestellt. Wie zu erkennen ist, konnte sowohl die obere als auch die untere Zelle reproduzierbar zwischen einem hochohmigen OFF-Zustand (> 1 MΩ) und einem niederohmigen ON-Zustand (~ kΩ) geschaltet werden. Das Experiment zeigt die prinzipielle Realisierbarkeit von Mehrlagen-Pt/Ag-MSQ/Pt- Speichern, da sowohl die Herstellung als auch die elektrische Charakterisierung erfolgreiche Resultate ergaben. Allerdings konnte reproduzierbares Schalten lediglich an vereinzelten Crossbar-Strukturen, die sich über den 4“-Wafer verteilten, nachgewiesen werden. Es ist davon auszugehen, dass die Temperaturbehandlungen, die bei der Herstellung erfolgen, – mehrere Lagen bedingen mehrere Ausheizschritte des MSQ – die Dotierungsprofile der MSQ-Schicht verschieben (vgl. Abbildung 7.6). Dies kann dazu führen, dass vor allem die Widerstandszustände der unteren Zellen instabil werden. Eine denkbare Lösung des Problems ist die längere Dotierung der MSQ- Schicht (beispielsweise über 60 min), sodass diese vollständig Ag-gesättigt ist, was in dem vorliegenden Fall möglicherweise nicht der Fall war. Eine weitere Problematik war höchst wahrscheinlich die inhomoge Verteilung der Ag- Dotierung über den 4“-Wafer, wodurch lediglich partiell genügend Ag für Schaltvorgänge vorhanden war. Diese Inhomogenitäten lassen sich bei einer Dotierung mittels Temperatur jedoch auch kaum kontrollieren. Eine Alternative kann hierbei beispielsweise die Dotierung durch Ionenimplantation bieten. Ferner ist es möglich, Sol-Gel-Techniken einzusetzen, wie es in Referenz [131] gezeigt wurde. Dabei wird die Menge an Ag in einer SiO 2 -Lösung genauestens eingestellt. Zudem ist es vorstellbar, dass die bei der Sol-Gel-Methode verwendeten Flüssigkeiten planarisierend wirken, welches einen zusätzlich attraktiven Vorteil bei der Herstellung von Speicher- Strukturen mittels Nanoimprint-Lithographie (vgl. Kapitel 5.5) darstellen würde. 120