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

Kurzfassung
Neuartige Datenspeichermaterialien und –konzepte rücken immer mehr in den Fokus
heutiger Forschungsaktivitäten, da die derzeitigen CMOS-basierten
Speicherarchitekturen durch die fortschreitende Miniaturisierung der Bauelemente
zukünftig an ihre physikalischen Grenzen stoßen werden. Resistive Datenspeicher, kurz
RRAM (Resistive Random Access Memory), gewinnen damit zunehmend an
Bedeutung. Den Kern des RRAM bildet ein Material, welches durch Anlegen einer
elektrischen Spannung zwischen zwei Widerstandszuständen geschaltet werden kann.
Dem einen Zustand des Materials wird die logische „1“, dem anderen Zustand die
logische „0“ zugeordnet, wodurch ein binärer Speicher entsteht. Weil die Zustände auch
nach dem Abschalten der Betriebsspannung erhalten bleiben, ist der RRAM nichtflüchtig.
Das Speicherelement des RRAM besteht aus einem MIM-Plattenkondensator,
bei dem zwischen zwei Metallelektroden das resistive Material integriert wird.
Die Weiterentwicklung von Strukturierungsverfahren, welche die Herstellung von
Bauelementen im sub-100 nm-Bereich vor allem auf wirtschaftlich tragbare Weise
erlauben, stellt eine bedeutende Säule der Forschung zur Realisierung neuartiger
Speicherkonzepte dar. Insbesondere die Nanoimprint-Lithographie bietet hierbei ein
alternatives Verfahren, welches aufgrund der potentiell hohen Durchsätze und
Auflösungen < 10 nm konkurrenzfähig zu den heutigen optischen Lithographien zu
werden scheint.
Diese Arbeit behandelt die Entwicklung einer Herstellungstechnologie-Plattform auf
Basis der Nanoimprint-Lithographie, mit der resistive Speicherkonzepte umgesetzt
werden können. Es wurden dazu aus Glaswafern mittels Elektronenstrahllithographie
und reaktiven Ionenstrahl-Prozessen Stempel für die Imprint-Lithographie hergestellt.
Anschließend wurde ein UV-basierter Imprint-Prozess eingeführt. Neben der
Parameteroptimierung (Druck, Zeit, UV-Dosis und Temperatur) wurden die Fülleffekte
und die Dicken der UV-Lacke in Bezug auf das Stempellayout untersucht. Für die
Übertragung von Strukturen auf einen Substratwafer wurden Trockenätzprozesse
optimiert.
Crossbar-Speicher-Architekturen mit Linienbreiten von bis zu 30 nm konnten mit den
entwickelten Prozessen hergestellt werden. Ferner wurden mehrere Crossbar-Arrays
übereinander geschichtet, wodurch eine Steigerung der Integrationsdichte erzielt wurde.
Die Stapelung mehrerer Bauelemente bedurfte eines Planarisierungsschrittes der
einzelnen Metallisierungsebenen mittels Spin-On Glas, hier Methyl-Silsesquioxan.
Methyl-Silsesquioxan in Kombination mit Silber wurde in dieser Arbeit, neben der
Planarisierung, als schaltbares Material entdeckt. Es wurden RRAM-Zellen hergestellt,
welche aufgrund sehr schneller Schaltzeiten (10 ns) und hoher Integrationsdichten (100
nm Half-Pitch) großes Zukunftspotential zeigten. Durch die Silberdotierung der
Glasschicht war es zudem möglich, mehrere RRAM-Zellen übereinander zu stapeln.
Elektrische Messungen zeigten deren Funktionsfähigkeit, wodurch ein
Mehrlagenkonzept für sehr hohe Integrationsdichten demonstriert wurde.