DE102006023609A1 - Programmable resistive memory cell for use in e.g. flash RAM, has programmable layer surrounded by insulating layer, where resistance of programmable layer and temperature dependence of resistance are adjusted by metal oxides - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine programmierbare resistive Speicherzelle mit einer programmierbaren Widerstandsschicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer resistiven Speicherzelle mit einer programmierbaren Widerstandsschicht.The The invention relates to a programmable resistive memory cell with a programmable resistive layer, as well as a process for producing a resistive memory cell with a programmable Resistance layer.
Herkömmliche elektronische Datenspeicher, wie beispielsweise der Dynamic Random Access Memory (DRAM) oder das Flash-RAM, stoßen zunehmend an Grenzen, wenn sie modernen Anforderungen gerecht werden sollen. Herkömmliche Konzepte zur elektronischen Datenspeicherung, wie sie auch beim DRAM oder Flash-RAM zum Einsatz kommen, speichern Informationseinheiten in Kondensatoren, wobei ein geladener bzw. ungeladener Zustand eines Kondensators etwa die beiden logischen Zustände „1" oder „0" darstellen kann.conventional Electronic data storage, such as the Dynamic Random Access Memory (DRAM) or Flash RAM are increasingly reaching their limits when They should meet modern requirements. conventional Concepts for electronic data storage, as with the DRAM or flash RAM are used to store information units in capacitors, wherein a charged or uncharged state of a capacitor can represent about the two logic states "1" or "0".
Im Falle des DRAM sind die Kondensatoren extrem klein ausgeführt, um eine hohe Informationsdichte und Integration zu erreichen und erfordern daher ein ständiges Auffrischen des gespeicherten Informationsinhalts. Dies erfordert neben zusätzlichen Speicher-Controllern zur Auffrischung auch einen erheblichen Energiebedarf. Das Flash-RAM behält zwar den in ihm gespeicherten Informationsgehalt auch ohne Zufuhr von Energie, jedoch benötigen die einzelnen Flash-RAM-Speicherzellen eine hohe Spannung zum Schreiben einer Information und die Anzahl der möglichen Schaltzyklen ist begrenzt. Moderne elektronische Datenspeicher müssen daher in der Lage sein, eine hohe Informationsdichte, eine kurze Zugriffszeit und eine Nichtflüchtigkeit zu vereinen. Die Nichtflüchtigkeit bezeichnet hier die Eigenschaft eines elektronischen Datenspeichers, dass dieser den Informationsgehalt auch ohne Energiezufuhr von außen eine längere Zeit zuverlässig abspeichern kann.in the In the case of the DRAM, the capacitors are made extremely small to to achieve and require a high density of information and integration therefore a permanent one Refresh the stored information content. This requires in addition to additional memory controllers for refreshment also a considerable energy requirement. The flash RAM keeps though the information content stored in it even without supply of Energy, however, need the individual flash RAM memory cells have a high voltage for writing information and the number of possible switching cycles is limited. Modern electronic data storage systems must therefore be able to a high information density, a short access time and a non-volatility to unite. The non-volatility here denotes the property of an electronic data store that this the information content even without external energy input longer Time reliable can save.
Die Anforderungen hinsichtlich der Integrationsdichte und der Nichtflüchtigkeit werden vor allem bei portablen Anwendungen deutlich, da dort sowohl der verfügbare Platz beschränkt ist als auch die als Stromversorgung dienenden Batterien nur eine beschränkte Energie und Spannung bereitstellen können. Um die Nichtflüchtigkeit mit einer kurzen Zugriffszeit und einer hohen Integration zu verbinden, wird in Wissenschaft und Industrie intensiv an Alternativen für den DRAM oder den Flash-RAM gearbeitet. Unter Anderem stellen dabei die so genannten resistiven elektronischen Speicher ein vielversprechendes Konzept dar.The Requirements for integration density and non-volatility are particularly evident in portable applications, since there both the available Limited space is as well as serving as a power supply batteries only one limited Can provide energy and voltage. To the non-volatility with a short access time and a high integration will be in science and industry intensively on alternatives for the DRAM or the flash RAM worked. Among other things, make the so-called resistive electronic memory is a promising concept.
Neben beispielsweise Festkörperelektrolyten, Phasenübergangszellen und anderen speziellen Materialien kann auch in Übergangsmetalloxidschichten ein entsprechender hoch- und niederohmiger elektrischer Zustand zuverlässig und stabil einer derartigen Oxidschicht aufgeprägt werden. Einem niederohmigen Zustand kann so beispielsweise ein logischer Zustand „1", und einem hochohmigen Zustand ein logischer Zustand „0" zugeordnet werden. Derartige Schichten erlauben des Weiteren auch eine Differenzierung mehrerer resistiver Zustände, sodass in einer Zelle auch mehrere zuverlässig unterscheidbare logische Zustände abgespeichert werden können, was auch als Multibitfähigkeit bezeichnet wird.Next for example, solid-state electrolytes, Phase transition cells and other special materials can also be used in transition metal oxide layers a corresponding high and low impedance electrical state reliable and stably impressed on such an oxide layer. A low impedance State can thus, for example, a logic state "1", and a high-impedance State are assigned a logical state "0." Such Layers also allow a differentiation of several resistive states, so in a cell also several reliably distinguishable logical conditions can be saved what also as a multi-capability referred to as.
Die Informationsspeicherung in einer Übergangsmetalloxid-(ÜMO)-schicht basiert auf dem Prinzip, dass in einem ÜMO durch lokale Erwärmung ein niederohmiges Filament gebildet werden kann. Die lokale Erwärmung wird durch einen Strom durch das initial hochohmige ÜMO erzeugt. Das Filament schließt dadurch das ansonsten hochohmige ÜMO kurz und verändert dadurch den effektiven elektrischen Widerstand wesentlich. Durch Anlegen einer Spannung kann ein hinreichend geringer Messstrom zur Bestimmung des resistiven und damit logischen Zustands einer ÜMO-Speicherzelle bestimmt werden. Ein bestehendes Filament kann durch einen hinreichend hohen Strom wieder unterbrochen werden und die ÜMO-Speicherzelle kehrt damit in einen hochohmigen Zustand zurück. Dieser Prozess ist reversibel und ist auch bereits für technisch relevante Wiederholraten im Bereich von 106 demonstriert worden. Eine ÜMO-Speicherzelle wird dabei in der Regel aus einer unteren Elektrode, einer oberen Elektrode und einer dünnen dazwischen angeordneten ÜMO-Schicht gebildet. Die minimale Größe einer derartigen ÜMO-Speicherzelle ist dabei hauptsächlich durch lithographische Beschränkungen hinsichtlich der Strukturierung der Elektroden gegeben.The information storage in a transition metal oxide (TMO) layer is based on the principle that a low-resistance filament can be formed in a TMO by local heating. The local heating is generated by a current through the initially high-resistance ÜMO. The filament thereby short-circuits the otherwise high-resistance ÜMO and thereby substantially changes the effective electrical resistance. By applying a voltage, a sufficiently low measuring current can be determined to determine the resistive and therefore logical state of a ÜMO memory cell. An existing filament can be interrupted again by a sufficiently high current and the ÜMO memory cell thus returns to a high-impedance state. This process is reversible and has already been demonstrated for technically relevant repetition rates in the range of 10 6 . A ÜMO memory cell is usually formed from a lower electrode, an upper electrode and a thin ÜMO layer arranged therebetween. The minimum size of such a ÜMO memory cell is given mainly by lithographic limitations with regard to the structuring of the electrodes.
Ein einzelnes Filament, das den elektrischen Widerstand einer ÜMO-Speicherzelle wesentlich absenkt, ist dabei oft viel kleiner im Querschnitt als die Kontaktfläche der Elektroden, die durch moderne Lithografie- und Strukturierungsverfahren hergestellt werden. Es bilden sich während des Programmierens einer ÜMO-Speicherzelle zunächst mehrere Filamente aus, bis dass ein erstes Filament die obere und die untere Elektrode kurzschließt. Damit endet auch die weitere Ausbildung der übrigen Filamente, die ab dem Kurzschluss durch das erste zusammenhängende Filament nicht weiter wachsen. Ist ein erstes zusammenhängendes Filament einmal ausgebildet, so kann dieses Filament durch einen entsprechenden Löschstrom wieder unterbrochen werden. Die so resultierende Unterbrechung des Filaments führt die ÜMO-Speicherzelle wieder in einen hochohmigen Zustand zurück.One single filament, the electrical resistance of a ÜMO memory cell significantly lower, is often much smaller in cross-section than the contact surface the electrodes produced by modern lithography and structuring techniques getting produced. They form during programming of a TMO memory cell first several filaments out until a first filament is the top and the lower electrode shorts. This completes the further training of the other filaments, starting from the Short circuit through the first continuous filament not further to grow. Is a first continuous filament once formed, so this filament can by a corresponding extinguishing current be interrupted again. The resulting interruption of the Filaments leads the TMO memory cell back to a high-impedance state.
Ein erneutes Programmieren der ÜMO-Speicherzelle in einen niederohmigen Zustand kann sich daher auf eine Veränderung des Widerstands in jenem Bereich des initial ausgebildeten Filaments beschränken, und erfordert daher wesentlich weniger Energie und Zeit als ein erstes Überführen der ÜMO-Speicherzelle von einem initialen hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand. Das erste Ausbilden von Filamenten erfordert in der Regel, abhängig von der Defektkonzentration, eine wesentlich höhere Programmierspannungen als das Hin- und Herschalten einer ÜMO-Speicherzelle während des regulären Betriebs. Ein erstes Programmieren mit einer hohen Spannung ist jedoch zunächst in der Regel notwendig.Reprogramming the ÜMO memory cell into a low-resistance state can therefore be based on a change in the resistance in that region of the initially formed filament Therefore, it requires much less energy and time than a first transfer of the UM memory cell from an initial high-impedance state to a low-impedance state. The first formation of filaments usually requires, depending on the defect concentration, a significantly higher programming voltages than switching a TMO memory cell back and forth during normal operation. A first programming with a high voltage, however, is usually necessary in the first place.
Die hohen initialen Programmierspannungen stehen jedoch im Konflikt mit der Integration von ÜMO-Speicherzellen. Umso kleiner ÜMO-Speicherzellen strukturiert werden, umso niedriger ist auch die Durchbruchspannung der verwendeten Isolatoren und der ÜMO-Schicht. Das Anlegen einer höheren Spannung im Bereich der Durchbruchsspannung verändert die Speicherzelle nachteilig und kann nach nur wenigen Schaltzyklen zu deren Ausfall führen.The however, high initial programming voltages are in conflict with the integration of UMM memory cells. The smaller ÜMO memory cells be structured, the lower the breakdown voltage the insulators used and the ÜMO layer. The creation of a higher voltage in the area of the breakdown voltage, the memory cell changes adversely and can lead to their failure after only a few switching cycles.
Herkömmliche ÜMO-Speicherzellen
nutzen zur Senkung des initialen Widerstands und damit auch zur
Senkung der erforderlichen initialen Programmierspannung ein Oxidationsdefizit
der ÜMO-Schicht
aus. Dabei wird das verwendete Übergangsmetalloxid
mit weniger Sauerstoff als stöchiometrisch
möglich
ausgebildet. Hierdurch wird sowohl der initiale elektrische Widerstand
bei Raumtemperatur als auch dessen Temperaturabhängigkeit gesenkt bzw. abgeflacht.
Eine Charakterisierung der Temperaturabhängigkeit eines Widerstandes ρ(T) kann
allgemein mit einer Aktivierungsenergie E durch
Eine Erniedrigung der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes führt dazu, dass die ÜMO-Schicht mit einer niedrigeren Spannung programmiert werden kann, und somit die erforderliche Programmierspannung auch während der Erwärmung abgesenkt werden kann. Bei der Ausbildung von sauerstoffdefizitären Übergangsmetalloxiden treten jedoch sowohl bei der Herstellung als auch beim regulären Betrieb Probleme auf. So ist die kontrollierte und wohl definierte sauerstoffdefizitäre Abscheidung von Übergangsmetalloxiden schwierig und nicht in befriedigender Weise reproduzierbar möglich. Ferner kann in die fertig strukturierte ÜMO-Speicherzelle Sauerstoff ein- bzw. aus der Zelle herausdiffundieren, und die elektrischen Eigenschaften der fertigen ÜMO-Speicherzelle können sich so a posteriori, insbesondere während nachfolgender Fertigungsschritte, die Teil eines sog. back-end of line (BEOL) sein können, oder auch während des Betriebs verändern.A Lowering the temperature dependence of resistance to that the ÜMO layer can be programmed with a lower voltage, and thus lowered the required programming voltage even during heating can be. In the formation of oxygen-deficient transition metal oxides However, both occur in the production as well as in regular operation Problems on. Such is the controlled and well-defined oxygen deficient deposition of transition metal oxides difficult and not reproducibly possible in a satisfactory manner. Further can oxygenate the finished structured OMO storage cell diffuse in and out of the cell, and the electrical Properties of the finished ÜMO storage cell can so a posteriori, especially during subsequent manufacturing steps, which may be part of a so-called back-end of line (BEOL), or even while change the operation.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte programmierbare resistive Speicherzelle mit einer programmierbaren Widerstandsschicht bereitzustellen. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer programmierbaren resistiven Speicherzelle mit einer programmierbaren Widerstandsschicht bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die programmierbare resistive Speicherzelle gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren zur Herstellung einer programmierbaren resistiven Speicherzelle gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.It It is therefore an object of the present invention to provide an improved programmable resistive memory cell with a programmable resistance layer provide. It is a further object of the present invention a method of making a programmable resistive To provide memory cell with a programmable resistance layer. This task is accomplished by the programmable resistive memory cell according to claim 1 and the method of making a programmable resistive Memory cell according to claim 14 solved. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine programmierbare resistive Speicherzelle mit einer ersten Elektrode, einer programmierbaren Widerstandsschicht und mit einer zweiten Elektrode vorgesehen. Die programmierbaren Widerstandsschicht enthält dabei ein erstes Übergangsmetalloxid und ein zweites Übergangsmetalloxid.According to one The first aspect of the present invention is a programmable one resistive memory cell having a first electrode, a programmable Resistor layer and provided with a second electrode. The Programmable resistance layer contains a first transition metal oxide and a second transition metal oxide.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer resistiven Speicherzelle vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden einer ersten Elektrode, Ausbilden einer programmierbaren Widerstandsschicht und Ausbilden einer zweiten Elektrode, wobei die programmierbare Widerstandsschicht ein erstes Übergangsmetalloxid und ein zweites Übergangsmetalloxid enthält.According to one second aspect of the present invention is a method for Provided a resistive memory cell, the following Steps comprises: forming a first electrode, forming a programmable resistance layer and forming a second An electrode, wherein the programmable resistance layer is a first transition metal oxide and a second transition metal oxide contains.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen zweier Übergangsmetalloxide kann sowohl der initiale Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht bei Raumtemperatur als auch die Temperaturabhängigkeit des Widerstands der programmierbaren Widerstandsschicht eingestellt werden. Durch die Mischung eines ersten Übergangsmetalloxids mit einem höheren elektrischen initialen Widerstand bei Raumtemperatur und mit einer steileren Temperaturabhängigkeit mit einem zweiten Übergangsmetalloxid mit einem niedrigeren initialen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und einer flacheren Temperaturabhängigkeit kann eine programmierbare Widerstandsschicht mit einem dazwischen liegenden initialen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und einer dazwischen liegenden Temperaturabhängigkeit des Widerstandes ausgebildet werden. Damit werden die erforderlichen Spannungen und Ströme zur Programmierung der programmierbare Widerstandsschicht in vorteilhafter Weise gesenkt, und der Energiebedarf einer Speichereinrichtung oder Logikschaltung mit erfindungsgemäßen programmierbaren resistiven Speicherzellen wesentlich reduziert.By providing two transition metal oxides according to the invention, both the initial resistance of the programmable resistance layer at room temperature and the temperature dependence of the resistance of the programmable resistance layer can be set. By mixing a first transition metal oxide with a higher electrical initial resistance at room temperature and a steeper temperature dependence with a second transition metal oxide having a lower initial electrical resistance at room temperature and a flatter temperature dependence, a programmable resistive layer having an intermediate initial electrical resistance at room temperature and a second intermediate temperature dependence of the resistance can be formed. This advantageously reduces the required voltages and currents for programming the programmable resistance layer, and substantially reduces the energy requirement of a memory device or logic circuit having programmable resistive memory cells according to the invention reduced.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erste und das zweite Übergangsmetalloxid von einem Übergangsmetall gebildet. Damit kann in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäße programmierbare resistive Speicherzelle unter minimalem Materialaufwand und möglichst einfach realisiert werden.According to one embodiment of the present invention, the first and the second transition metal oxide formed by a transition metal. Thus, the inventive programmable Resistive memory cell with minimal use of materials and possible easy to be realized.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erste Übergansmetalloxid von einem ersten Übergangsmetall und das zweite Übergangsmetalloxid von einem zweiten Übergangsmetall gebildet. Somit kann in vorteilhafter Weise der initiale Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit des Widerstands der programmierbaren Widerstandsschicht in einem möglichst großen Bereich unter Rückgriff auf die Palette der Übergangsmetalle eingestellt werden.According to one another embodiment the present invention, the first transition metal oxide of a first transition metal and the second transition metal oxide from a second transition metal educated. Thus, advantageously, the initial resistance the programmable resistance layer at room temperature and the temperature dependence of the resistance of the programmable resistor layer in one preferably huge Area under recourse on the range of transition metals be set.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eines der Übergangsmetalloxide höchsten Oxidationsgrad oxidiert. Die erfindungsgemäße resistive Speicherzelle kann daher ohne aufwändige Liner- und Diffusionsbarrieren ausgeführt werden, da ein Einbau von Sauerstoff in das Mischoxid reduziert ist, bzw. nicht stattfindet, und die Eigenschaften der programmierbaren Widerstandsschicht nicht beeinflusst werden. Dies vereinfacht nicht nur die Herstellung, sondern ermöglicht auch in vorteilhafter Weise eine weitere Miniaturisierung und eine höhere Integration der resistiven Speicherzellen. Ferner wird auch das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen resistiven Speicherzelle vereinfacht und ermöglicht in wohldefinierter und vorteilhafter Weise eine reproduzierbare Durchführung des Herstellungsverfahrens. Insbesondere bleibt die erfindungsgemäße resistive Speicherzelle auch während nachfolgender Fertigungsschritte, die Teil eines sog. back-end of line (BEOL) sein können, und auch während des Betriebs stabil und zuverlässig.According to one another embodiment The present invention is at least one of the transition metal oxides highest Oxidation degree oxidized. The resistive memory cell according to the invention can therefore without elaborate Liner and diffusion barriers are carried out as an installation of Oxygen is reduced or not taking place in the mixed oxide and the properties of the programmable resistor layer not to be influenced. This not only simplifies the production, but allows also advantageously a further miniaturization and a higher Integration of the resistive memory cells. Furthermore, the Process for producing the resistive memory cell according to the invention simplified and made possible in a well-defined and advantageous manner a reproducible implementation of Manufacturing process. In particular, the resistive invention remains Memory cell even while Subsequent manufacturing steps, which are part of a so-called back-end of line (BEOL), and also while stable and reliable.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird wenigstens eines der Übergangsmetalloxide mit einem der Übergangsmetalle Niob, Titan, Nickel, Zirkon, Chrom, Kobalt, Mangan, Vanadium, Tantal oder Eisen gebildet. Die genannten Übergangsmetalle erlauben in vorteilhafter Weise das Ausbilden von stabilen Übergangsmetalloxidschichten, die sich auch in etablierte Herstellungsprozesse, wie etwa in den CMOS-Prozess, integrieren lassen. Durch Mischung von Oxiden zweier oben genannter Übergangsmetalle lassen sich ferner in vorteilhafter Weise für die programmierbare Widerstandsschicht günstige initiale Widerstände bei Raumtemperatur und deren Temperaturabhängigkeiten einstellen. Die Widerstandsschicht kann ferner Nickeloxid und Kobaltoxid enthalten, wobei einerseits eine zuverlässige und stabile programmierbare Widerstandsschicht gebildet werden kann und andererseits sowohl der initiale elektrische Widerstand als auch deren Temperaturabhängigkeit in einem Bereich eingestellt werden kann, so dass die zur Programmierung erforderlichen Spannungen unterhalb der Durchbruchsspannungen der verwendeten Isolatoren und der programmierbaren Widerstandsschicht liegen. Ferner kann die programmierbare Widerstandsschicht wenigstens eines der Metalle Strontium, Blei, Praseodym, Wolfram oder Calcium enthalten. Diese Metalle dienen zur Dotierung und tragen in vorteilhafter Weise zur präzisen Einstellung der elektrischen Parameter der programmierbaren Widerstandsschicht bei. Ferner können die oben genannten Metalle mit etablierten und reproduzierbaren Verfahren in die programmierbare Widerstandsschicht eingebracht werden.According to one another embodiment The present invention provides at least one of the transition metal oxides with one of the transition metals Niobium, titanium, nickel, zirconium, chromium, cobalt, manganese, vanadium, tantalum or iron formed. The transition metals mentioned allow in advantageously, forming stable transition metal oxide layers, which are also used in established manufacturing processes, such as in the CMOS process, integrate. By mixing oxides of two above called transition metals can also be advantageously for the programmable resistor layer favorable initial resistances at room temperature and their temperature dependencies. The Resistance layer may further contain nickel oxide and cobalt oxide, where on the one hand a reliable and stable programmable resistance layer can be formed and on the other hand, both the initial electrical resistance and their temperature dependence can be set in one area, so that the programming required voltages below the breakdown voltages of used insulators and the programmable resistor layer lie. Furthermore, the programmable resistance layer can be at least one of the metals strontium, lead, praseodymium, tungsten or calcium. These metals are used for doping and wear in an advantageous manner for precise Adjustment of the electrical parameters of the programmable resistor layer at. Furthermore, can the above metals with established and reproducible Method introduced into the programmable resistance layer become.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der initiale elektrische Widerstand der programmierbaren Widerstandsschicht kleiner als der initiale elektrische Widerstand einer hochohmigen Übergangsmetalloxidschicht, wie beispielsweise einer Nickeloxidschicht, Hafniumoxidschicht oder Zirkoniumoxid, insbesondere kleiner als 109 Ωcm.According to a further embodiment of the present invention, the initial electrical resistance of the programmable resistance layer is less than the initial electrical resistance of a high-resistance transition metal oxide layer, such as a nickel oxide, hafnium oxide or zirconium oxide, in particular less than 10 9 Ωcm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verläuft die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der programmierbaren Widerstandsschicht flacher als die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes einer Nickeloxidschicht, insbesondere mit einer Aktivierungsenergie, die kleiner ist als 0.7 eV.According to one another embodiment of the present invention the temperature dependence the electrical resistance of the programmable resistor layer flatter than the temperature dependence the electrical resistance of a nickel oxide layer, in particular with an activation energy less than 0.7 eV.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die untere und/oder die obere Elektrode wenigstens eines der Metalle Wolfram, Platin, Titan oder Palladium. Die oben genannte Metalle, allgemein hochtemperaturschmelzende Metalle, bilden in vorteilhafter Weise die Elektroden, da die in der programmierbaren Widerstandsschicht und in deren Umgebung lokal auftretenden hohen Temperaturen die Elektroden bzw. das Elektrodenmaterial nicht wesentlich verändern.According to one another embodiment of the present invention the lower and / or the upper electrode of at least one of the metals tungsten, Platinum, titanium or palladium. The above metals, in general high-temperature melting metals, form in an advantageous manner the electrodes, as in the programmable resistor layer and in their environment locally occurring high temperatures the Do not change electrodes or the electrode material significantly.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die programmierbare Widerstandsschicht von einer Isolierschicht umgeben. Somit können einzelne resistive Speicherzellen auch dicht nebeneinander angeordnet sein, ohne dass eine Wechselwirkung benachbarter Speicherzellen die Zu verlässigkeit der Speicherung von logischen Zuständen verringert.According to one another embodiment The present invention is the programmable resistance layer surrounded by an insulating layer. Thus, individual resistive memory cells also be placed close to each other without any interaction neighboring memory cells to the reliability of the storage of logical states reduced.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen der unteren Elektrode und der programmierbaren Widerstandsschicht ein Kontakt angeordnet, wobei der Kontakt von einer isolierenden Kontaktformschicht umgeben ist und wobei der Kontakt eine Kontaktfläche zu der programmierbaren Widerstandsschicht gegenüber der Fläche der unteren Elektrode verringert. Der Kontakt kann ferner auch nach unten verjüngend ausgeführt sein. Somit kann während der Herstellung die Größe des Kontakts durch definiertes Zurücksetzen – beispielsweise durch Polieren – eingestellt und verringert werden. Der Kontakt verringert die effektive Fläche gegenüber der Elektrode und trägt damit zur Reduzierung der Bildung von unerwünschten weiteren Filamenten bei, während die Ausbildung wenigstens eines leitenden Filaments zur Speicherung eines resistiven Zustandes weiterhin gewährleistet bleibt.According to another embodiment of the present invention is between the lower electrode and the programmable resistor a contact is disposed, wherein the contact is surrounded by an insulating contact-forming layer and wherein the contact reduces a contact area to the programmable resistance layer with respect to the surface of the lower electrode. The contact can also be carried out tapering down. Thus, during manufacture, the size of the contact can be adjusted and reduced by defined resetting, for example by polishing. The contact reduces the effective area from the electrode and thereby helps to reduce the formation of unwanted additional filaments while still maintaining the formation of at least one conductive filament to store a resistive state.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Ausbilden der programmierbaren Widerstandsschicht durch ein reaktives Sputtern eines Elementtargets. Ferner können während des reaktiven Co-Sputterns wenigstens zwei Übergangsmetalle in einer sauerstoffhaltigen Prozessatmosphäre zerstäubt werden, wobei der Sauerstoffpartialdruck der sauerstoffhaltigen Prozessatmosphäre wenigstens gesättigt ist, so dass die Übergangsmetalle in ihrem jeweils höchsten Oxidationsgrad oxidieren. Ferner kann das Ausbilden der programmierbaren Widerstandsschicht durch ein HF-Sputtern von entsprechenden Oxidtargets erfolgen. Die Prozessatmosphäre muss hierbei keinen Sauerstoff enthalten.According to one another embodiment In accordance with the present invention, the formation of the programmable Resistive layer by reactive sputtering of an elemental target. Furthermore, can while of reactive co-sputtering, at least two transition metals are atomized in an oxygen-containing process atmosphere, wherein the oxygen partial pressure of the oxygen-containing process atmosphere at least saturated is, so the transition metals in their highest Oxidize the degree of oxidation. Furthermore, the formation of the programmable Resistive layer by RF sputtering of corresponding oxide targets respectively. The process atmosphere does not have to contain oxygen.
Damit ist ein stöchiometrisch ausgeglichenes Ausbilden der beiden Übergangsmetalloxide gewährleistet, und lokale Sauerstoff- und Oxidationsdefizite treten nicht auf. Damit ist die ausgebildete programmierbare Widerstandsschicht sowohl hinsichtlich ihres initialen Widerstandes als auch hinsichtlich ihres temperaturabhängigen Widerstandes einstellbar und ferner durch eine gesättigte Oxidation der Übergangsmetalle stabil. Aufwändige Diffusionsschutzbarrieren und andere Verkapselungen können somit entfallen. Die Prozessatmosphäre kann ferner ein inertes Gas, z.B. Argon, enthalten.In order to is a stoichiometric ensures balanced formation of the two transition metal oxides, and local oxygen and oxidation deficiencies do not occur. Thus, the formed programmable resistive layer is both in terms of their initial resistance as well as in terms of their temperature-dependent Resistant adjustable and further by a saturated oxidation the transition metals stable. elaborate Diffusion protection barriers and other encapsulations can thus omitted. The process atmosphere In addition, an inert gas, e.g. Argon, included.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Ausbilden der unteren Elektrode die Schritte: Ätzen eines Grabens in einem Substrat, Auffüllen des Grabens mit einem leitenden Material und Polieren des leitenden Materials. Ist das Substrat isolierend, so können mehrere untere Elektroden oder auch Leitungsbahnen zur Kontaktierung mehrerer Kontakte nebeneinander strukturiert werden, wobei diese voneinander elektrisch isoliert sind.According to one another embodiment The present invention includes forming the lower electrode the steps: etching a trench in a substrate, filling the trench with a conductive Material and polishing of the conductive material. Is the substrate insulating, so can several lower electrodes or also conductor tracks for contacting several contacts are structured next to each other, these are electrically isolated from each other.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Ausbilden der unteren Elektrode ferner folgende Schritte umfassen: Ausbilden einer Kontaktformschicht, Ausbilden eines Grabens in der Kontaktformschicht, Ausfüllen des Grabens in der Kontaktformschicht mit einem leitenden Material, und Polieren der Kontaktformschicht und des leitenden Materials in dem Graben. Der Graben kann dabei nach unten verjüngend in der Kontaktformschicht ausgebildet sein. Das Polieren des leitenden Materials in dem Graben und der Kontaktformschicht kann somit zur Verkleinerung einer oberen Fläche des Kontakts erfolgen. Die effektive Kontaktfläche kann somit nicht nur eingestellt werden und durch einen separaten Schritt eines Polierens verändert werden, sondern kann auch sublithografisch erfolgen, d.h. die Kontaktfläche kann gegenüber eventuell bestehender lithografischer Beschränkungen weiter verkleinert werden.According to one another embodiment According to the present invention, the formation of the lower electrode further comprising the steps of: forming a contact molding layer; Forming a trench in the contact forming layer, filling in the trench in the contact forming layer with a conductive material, and polishing the contact forming layer and the conductive material in the trench. The trench can taper downwards in the contact forming layer be educated. The polishing of the conductive material in the trench and the contact forming layer can thus be used to reduce an upper area of the contact. The effective contact surface can thus not only be adjusted be changed and by a separate step of polishing, but can also be done sublithographically, i. the contact surface can possibly over existing lithographic restrictions further reduced become.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Polieren durch einen chemisch-mechanischen Vorgang. Chemisch-mechanische Poliervorgänge (CMP) sind bereits etablierter Teil reproduzierbarer Herstellungsprozesse und weisen einen konstanten und gut beherrschbaren Materialabtrag auf und können ferner auch zu wohl definierten Zeitpunkten gestoppt werden und ermöglichen damit auch wohl definierte Schichtdicken.According to one another embodiment In the present invention, the polishing is carried out by a chemical-mechanical Process. Chemical-mechanical polishing processes (CMP) are already established Part of reproducible manufacturing processes and have a constant and well manageable material removal and can also be well defined Time points are stopped and thus also allow well-defined layer thicknesses.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It demonstrate:
Die
Wie
in
Die
Wie
in
Auf
die programmierbare Widerstandsschicht
Hinsichtlich
der Herstellung und der Materialien der Elektroden bzw. Kontakte
Die
Durch
Aktivieren der entsprechenden Bitleitung
In
0Hinsichtlich
der Herstellung und der Materialien der Elektroden bzw. Kontakte
- 1010
- untere Elektrodelower electrode
- 1111
- programmierbare Widerstandsschichtprogrammable resistance layer
- 1212
- obere Elektrodeupper electrode
- 1313
- leitender Bereichsenior Area
- 100100
- Sauerstoffoxygen
- 101101
- erstes Übergangsmetallfirst transition metal
- 102102
- zweites Übergangsmetallsecond transition metal
- 110110
- erstes Übergangsmetalloxidfirst transition metal oxide
- 120120
- zweites Übergangsmetalloxidsecond transition metal oxide
- 4040
- Substratsubstratum
- 4141
- untere Elektrodelower electrode
- 4242
- KontaktformschichtContact form layer
- 4343
- KontaktContact
- 4444
- mittlere Isolierschichtmiddle insulating
- 4545
- programmierbare Widerstandsschichtprogrammable resistance layer
- 4646
- obere Elektrodeupper electrode
- 4747
- obere Isolierschichtupper insulating
- 4848
- leitender Bereichsenior Area
- 400400
- Grabendig
- 420420
- KontaktformschichtContact form layer
- 430430
- KontaktContact
- 5050
- Substratsubstratum
- 5151
- dotierter Bereichdoped Area
- 5252
- WordlineWord Line
- 5353
- ViaVia
- 5454
- ViaVia
- 5555
- Bitlinebitline
- 5656
- untere Elektrodelower electrode
- 5757
- programmierbare Widerstandsschichtprogrammable resistance layer
- 5858
- obere Elektrodeupper electrode
- 5959
- ViaVia
- 7070
- Bitlinebitline
- 7171
- WordlineWord Line
- 7272
- Auswahltransistorselection transistor
- 7373
- resistive Speicherzelleresistive memory cell
- 7474
-
Elektrode
74 electrode74
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DE102006023609A DE102006023609A1 (en) | 2006-05-19 | 2006-05-19 | Programmable resistive memory cell for use in e.g. flash RAM, has programmable layer surrounded by insulating layer, where resistance of programmable layer and temperature dependence of resistance are adjusted by metal oxides |
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