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TiN/HfO 2 /Ti/TiN MIM Strukturen für zukünftige RRAM Applikationen 6 A n n u A l R e p o R t 2 0 0 9 A u S G e w ä H L t e p r o J e K t e – S e L e C t e d p r o J e C t S Das Hauptziel dieses Projekts ist die kostengünstige funktionelle Diversifizierung von SiGe:C-BiCMOS-Technologien durch die back-end-of-line (BEOL)-Integration von Metall-Isolator-Metall (MIM)-Speicherzellen. Diese Strukturen erlauben eine vergleichsweise einfache Realisierung eingebetteter nichtflüchtiger Speicherzellen (NVM), die auf dem resistiven Schalten von mindestens zwei Widerstandswerten eines geeigneten Materials basieren. Derzeit basiert die überwiegende Mehrheit nichtflüchtiger Speicher auf dem Floating-Gate (Flash). Verschiedene alternative nichtflüchtige Speicher, wie Resistive Random Access Memory (RRAM), Ferroelectric Random Access Memory (FeRAM), Phase-Change Random Access Memory (PCRAM) und Magnetic Random Access Memory (MRAM) sind Gegenstand der aktuellen Forschung. Derzeit stellen RRAM, die auf dem Widerstandsschalten in Übergangsmetalloxiden beruhen, einen viel versprechenden Ansatz für eingebettete nichtflüchtige Speicher dar. Die resistiven Schalteigenschaften wurden in kondensatorähnlichen Strukturen mit verschiedenen halbleitenden und isolierenden Übergangsmetalloxiden, wie NiO, TiO 2 , Cu 2 O, Cr-dotierten SrZrO 3 und Crdotierten SrTiO 3 beobachtet, die zwischen zwei metallischen Elektroden eingefügt sind. Aufgrund von dessen weiter Verbreitung in Siliziumtechnologien verfolgt das IHP den Ansatz, Hafniumdioxid (HfO 2 ) als schaltbares Metalloxid mit CMOS-kompatiblen Metallelektroden zu verwenden. tiN / Hfo 2 / ti / tiN MIM devices for Future rrAM Applications the main goal of this project is to provide cost-effective functional diversification of SiGe:C BiCMoS technologies by back-end-of-line (Beol) integration of metal-insulator-metal (MIM) memory cells. these structures allow a comparatively easy realization of embedded non-volatile memory (nVM) cells based on at least two resistance states in suitable materials. today, the majority of non-volatile memory devices are based on the floating gate device (Flash). Various alternative nVM concepts, such as resistive random access memory (RRAM), ferroelectric random access memory (FeRAM), phase-change random access memory (pCRAM) and magnetic random access memory (MRAM) are under investigation. Currently, RRAM based on resistive switching in transition-metal oxides is considered a promising candidate for embedded non-volatile memory. the resistive switching effect has been observed in capacitor-like MIM structures containing various semiconducting and insulating transition-metal oxides, such as nio, tio 2 , Cu 2 o, Cr-doped SrZro 3 and Cr-doped Srtio 3 sandwiched between two metal electrodes. the resistive switching behaviours differ depending on the oxides and /or combinations of oxide and metal electrode. Due to its widespread use in silicon technologies, IHp is focused on hafnium dioxide (Hfo 2 ) as a desirable switching oxide with CMoS compatible metal electrodes.
A u S G e w ä H L t e p r o J e K t e – S e L e C t e d p r o J e C t S Trotz der erheblichen bisherigen Forschung zu diesen Materialien stellt die Integration alternativer nichtflüchtiger Speicher in der Silizium-Mikroelektronik unter BEOL-Bedingungen wegen zahlreicher Randbedingungen eine Herausforderung dar, z.B. aufgrund des limitierten thermischen Budgets. Andererseits erweist sich die Integration von RRAM als vergleichsweise einfach, kosteneffektiv und BEOL-kompatibel. Darüber hinaus bietet RRAM die Vorteile einer hohen Retention und einer reduzierten Leistungsaufnahme. Denkbare Mechanismen für das resistive Schalten in MIM-Systemen bestehen häufig aus einer Kombination physikalischer und/oder chemischer Effekte. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die elektrochemische Migration von Sauerstoff-Ionen den resistiven Schalteffekt auslöst. Ein elektronenmikroskopisches Querschnittsbild der am IHP gefertigten 1×1 µm 2 grossen RRAM Zellen ist in Abb. 28(a) zu sehen. Die Schichtdicken der unteren TiN-Elektrode, des HfO 2 Films und der oberen Ti / TiN- Elektrode betragen jeweils 150, 10 und 10 / 150 nm. Die Grenzfläche zwischen Ti / TiN ist aufgrund des geringen Kontrasts nicht erkennbar. Die TiN-Schichten sind polykristallin mit hochgradig geordneten Körnern wie in der Vergrößerung der Abb. 28(a) zu erkennen ist. Despite the tremendous amount of research covering material properties, the integration of alternative nVM under Beol constraints in silicon microelectronics is still a challenge due to several requirements, e.g. the restricted thermal budget. However, with the RRAM approach, device integration promises to be comparatively easy, cost-effective and Beol compatible. Furthermore, RRAM attracts a growing interest due to its long data retention and reduced power consumption. Conceivable mechanisms for the resistive switching in MIM systems often consist of a combination of physical and /or chemical effects. Recent studies have shown that the electrochemical migration of oxygen ions induces the resistive switching effect. A transmission electron microscopy cross-sectional image of the 1×1 µm 2 device can be seen in Fig. 28(a). the thicknesses of the tin bottom electrode, the Hfo 2 film, and the ti / tin top electrode are about 150, 10, and 10 / 150 nm, respectively. the interface between the ti / tin top electrode is not distinguishable due to the low contrast. the tin thin films are polycrystalline with highly ordered grains as shown in the magnification of Fig. 28(a). Abb. 28(a): Transmissionselektronenmikroskopisches Bild einer 1×1 µm 2 RRAM-Zelle. Der Einsatz zeigt eine Vergrößerung. Fig. 28(a): transmission electron microscopy cross-sectional image of a 1×1 µm 2 cell. the inset shows the magnification. A n n u A l R e p o R t 2 0 0 9 7
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Annual Report 2009 A n n u A l R e
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Die Forschungsarbeiten des IHP erm
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Vorträge presentations (1) Formati
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(63) evaluation Criteria for effici
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(86) Si / Sio 2 MQw Stacks for 3 rd
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(105) Highly robust X-Band LNA with
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(124) electronic States of oxygen-f
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Monographien Monographs (1) Short-r
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(15) robuste Synchronisation für e
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