Resistive Speicher (2011-2014)

Heutige Halbleiterspeicher speichern Informationen in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle als Ladung in einem MOS-Transistor oder auf einem Kondensator. Für Datenspeicher steht der Aspekt sehr geringer Kosten im Vordergrund, da diese mit magnetischen und optischen Speichern konkurrieren müssen. Im Hinblick auf die gewünschte weitere Miniaturisierung scheint heute der Übergang zu resistiven Schalteffekten ein zukunftsweisender Weg, um kostengünstig hohe Speicherdichten zu erzielen.

Materialsynthese: Herstellung von MIM-Crossbar-Strukturen

Dafür wurden elektrisch schaltbare Metall-Isolator-Metall (MIM)-Schichtstapel mittels Halbleiterprozesstechnik hergestellt und untersucht. Bei der Erzeugung der resistiv schaltenden Schicht wurde zusätzlich zur thermischen Verdampfung auch die Kathodenzerstäubung (Sputtern) eingesetzt. Für das resistive Schalten ist eine Mindestleitfähigkeit der Zuleitungen zur schaltenden Zelle notwendig. Auch bei der Auswahl der Elektrodenmaterialien ist man durch sehr gute elektrische Leiter begrenzt. Bei den Schichtstapeln wurden die Metallkontakte in ihrem Material variiert (Al, Cr, Pt, Ag), um gezielt die Rauigkeit der Grenzflächen des schaltenden Oxids zu beeinflussen. Um die elektrische Belastung des zu schaltenden isolierenden Oxids möglichst gering zu halten und so eine gute Stabilität des Schichtstapels zu erreichen, war eine optimale Schichtdicke des Oxids nötig, damit mit möglichst kleinen Spannungen energieeffizient geschaltet werden konnte.

Materialcharakterisierung: Charakterisierung der Eigenschaften

Als Standardmethoden zur mikrostrukturellen Charakterisierung der hergestellten Schichtstapel wurden die Rasterelektronenmikroskopie (REM), die Röntgenreflektometrie (XRR) und die Röntgendiffraktometrie unter streifendem Einfall (GAXRD) eingesetzt. Für die nähere Untersuchung der Schichtsysteme, insbesondere der Grenzflächen zwischen Oxid und Metallkontakt, kam in Einzelfällen die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zum Einsatz. Hier wurden Querschnittsproben mit der fokussierten Ionenstrahl-Technik (FIB) hergestellt.

Funktionsprüfung: Resistives Schalten

Die im Reinraum prozessierten MIM-Strukturen wurden elektrisch charakterisiert. Sie zeigten nach dem Anlegen einer Formierspannung ein nichtflüchtiges und elektrisch reversibles uni- und bipolares Schaltverhalten. Die elektrische Leitfähigkeit konnte in bis zu 100 Zyklen um mehrere Größenordnungen in zwei separaten Zuständen variiert werden. Der Zustand hoher Leitfähigkeit entspricht dabei dem On-Zustand und der niedriger Leitfähigkeit dem Off-Zustand. Das Versagen der Zelle zeigte sich überwiegend im Beibehalten des On-Zustandes bei Anlegen des Löschstromes.

Struktur-Funktions-Beziehung

Für das Schalten wurde ein Mechanismus postuliert, der einem Schalten durch Filament-Bildung entspricht. Im Formierschritt sollen sich leitfähige Filamente ausbilden, die dann während des Schaltens zum Teil unterbrochen und anschließend wieder gebildet werden.


Kooperationen

Die Elektronenmikroskopie und Röntgenbeugungs- und Röntgenreflexionsuntersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffwissenschaften (Leiter Prof. D. Rafaja) der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt.

Finanzierung

Die Untersuchungen wurden als Teilprojekt 8 „Gezielte Strukturbeeinflussung resistiv schaltender Schichten zur Anwendung in nichtflüchtigen Speicherzellen“ des Projekts „Funktionales Strukturdesign neuer Hochleistungswerkstoffe durch Atomares Design und Defekt-Engineering (ADDE)“ der sächsischen Landesexzellenzinitiative auf der Basis von Spitzentechnologieclustern  von der EU (ESF/EFRE) gefördert.

Ausgewählte Publikationen

  1. M. Franke: Keramik unter Strom – Resistive Datenspeicher, Acamonta 19(2012), 60.
  2. R. Klemm: Resistives Schalten an Ag-Nb2O5-Ag-Stapeln, Diplomarbeit 2013, TU Bergakademie Freiberg.
  3. M. Franke, R. Klemm, U. Ratayski, Y. Joseph: Studies on microstructural properties and resistive switching of Ag/Nb2O5/Ag structures, Euro Intelligent Materials 2013, 25.-27.9. 2013, Kiel, Germany, (Vortrag).
  4. M. Franke, U. Ratayski, B. Abendroth: Strukturen für resistives Schalten, 64. Berg- und Hüttenmännischer Tag, 13.-14.06.13, Freiberg, (Vortrag).
  5. B. Abendroth, J. Heitmann, Y. Joseph, E. Weber, D. C. Meyer: Materialkonzepte für elektronische Datenspeicher; 65. Berg- und Hüttenmännischer Tag, 11.06.14 - 13.06.14, Freiberg, (Vortrag).