Wachstum und Nanogaps - JuSER - Forschungszentrum Jülich

RESISTIVEN MATERIALIEN UND TIO 2 -NANOPUNKTE IN SPEICHERMATRIZEN 18
Die TiO 2 -Strukturen zeigten ein deutlich stabileres Schaltverhalten als die Crossbar-Strukturen mit einer
funktionalen BST Zwischenschicht. An einer TiO 2 Struktur mit einem Kreuzungspunkt konnte 1000mal
hintereinander eine identische Messkurve aufgezeichnet werden. Im Fall von BST konnten an selben
Strukturen maximal 5mal hintereinander gleiche Messwerte aufgezeichnet werden. Ein Langzeitstabilitätstest
an TiO 2 -Strukturen wurde zusätzlich durchgeführt, indem der eingeschriebene Zustand des Systems
mit einem Leseimpuls von U=-2,9V über einen Zeitraum von 22000s ausgelesen wurde. In Abb.
1.11b.) ist das Verhältnis zwischen Einschalt und Ausschaltstrom zu sehen. Der anfangs große Unterschied
der Ströme von Iein
I aus
=50relativiert sich nach einiger Zeit auf ungefähr Iein
I aus
=3 bis 5. Aufgrund
der erhaltenen Messwerte konnte für beide Schichtsysteme keine Korrelation zwischen der Schnittfläche
der Leiterbahnebenen und der Schaltwahrscheinlichkeit gefunden werden. TiO 2 weist aber im direkten
Vergleich mit BST eine deutlich höhere Ausbeute auf.
1.3.4 Bewertung der resistiven Speichermatrix nach dem „Top-Down“ -Verfahren
Die Integration von Perowskitschichten bestehend aus BST mit 0,2%Chrom-Dotierung und oxidischen
Schichten aus TiO 2 in eine Crossbar-Architektur ist durch die Herstellung von Prototypen untersucht
worden. Dabei wurde die Abscheidung von BST über das PLD-Verfahren realisiert. Titan Schichten
wurden über das Elektronenstrahl-Verdampfen und das Sputter-Verfahren realisiert und anschließend in
einer RTA unter definierten Sauerstoffatmosphären oxidiert.
Der hergestellte Prototyp basiert auf einer Speichermatrix mit Crossbar Architektur (siehe Abb. 1.4).
Die Struktur besteht zwei Leiterbahnebenen mit einer dazwischen liegenden ganzflächigen Perowskitoder
Oxidschicht. Für alle Prototypen besteht die untere Leiterbahnebene aus Titan und Platin, mit einer
gewissen Schichtdickenvariation (siehe Tabelle 1.1). Die obere Leiterbahnebene besteht einheitlich aus
200nm Platin, welches über ein reaktives Plasma-Verfahren indirekt strukturiert wird. Eine Zusammenfassung
der exakten Prozessparameter ist in Tabelle 5.1 gegeben.
Die Fertigung von Crossbar-Architekturen in einem CMOS-kompatiblen industrienahen Prozess konnte
bis zu Speichergrößen von 3kBIT durch die eingefahrene Herstellungskette zusammen mit der Infineon
Technologies GmbH nachgewiesen werden. Beide eingesetzten funktionalen Schichten zeigten das
erwartete resistive Schaltverhalten. Bei Prototypen mit BST Zwischenschicht ließen sich ungefähr 10%
der hergestellten Crossbar-Strukturen schalten. Die untere polykristalline Leiterbahnebene aus Platin ist
dafür verantwortlich, dass BST nicht epitaktische aufgewachsen werden kann. In der Literatur erwähnte,
auf einkristallinen Substraten abgeschiedene epitaktische BST Schichten zeigen eine deutlich größere
Ausbeute. Jedoch konnte wegen der geforderten industrienahen Prozesskette nur auf Silizium-Substrate
zurück gegriffen werden.
Bei Prototypen mit TiO 2 Zwischenschicht war die Ausbeute mit über 40% deutlich höher. Während der
elektrischen Charakterisierung fiel auf, dass sich nur unvollständig oxidierte aufgesputterte TiO 2 Schichten
schalten ließen. Belegt wurde diese durch XPS Tiefenprofil Messungen. Über die Elektronenstrahl-
Verdampfung aufgebrachtes und anschließend oxidiertes TiO 2 zeigte durchweg ohmsches Verhalten. An
einer TiO 2 Crossbar-Struktur konnte tausend mal hintereinander dieselbe resistive Schaltkurve durch-