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Dokumentenidentifikation DE60203321T2 02.02.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001446806
Titel FERROELEKTRISCHE ODER ELEKTRET-SPEICHERSCHALTUNG
Anmelder Thin Film Electronics ASA, Oslo, NO
Erfinder GUDESEN, Gude, Hans, B-1000 Brussels, BE;
NORDAL, Per-Erik, N-1387 Asker, NO
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60203321
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.11.2002
EP-Aktenzeichen 028035764
WO-Anmeldetag 22.11.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/NO02/00437
WO-Veröffentlichungsnummer 0003044801
WO-Veröffentlichungsdatum 30.05.2003
EP-Offenlegungsdatum 18.08.2004
EP date of grant 16.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.02.2006
IPC-Hauptklasse G11C 11/22(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse H01L 27/115(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H01L 23/532(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung, insbesondere eine ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung mit verbesserter Ermüdungsbeständigkeit, die eine Speicherzelle mit einem ferroelektrischen oder Elektret-Speichermaterial umfasst, das eine Hysterese aufweist und in einen positiven oder negativen Polarisationszustand mit einem gegebenen Polarisationswert polarisiert werden kann, wobei das ferroelektrische oder Elektret-Speichermaterial ein Polymer- oder Oligomaterial oder Mischungen oder Verbundwerkstoffe mit Materialien, dieser Art ist, und wobei eine erste und zweite Elektrode das Speichermaterial in eine Anordnung direkt oder indirekt kontaktierend so vorgesehen sind, dass durch Anlegen entsprechender Spannungen an die Elektroden über das Speichermaterial eine Potentialdifferenz erzeugt werden kann, um eine unpolarisierte Speicherzelle zu polarisieren oder eine Umschaltung zwischen einem Polarisationszustand der Speicherzelle und dem entgegengesetzten Polarisationszustand oder eine vorübergehende Änderung beim Polarisationszustand oder dem Wert davon in der Speicherzelle zu induzieren.

In den letzten Jahren sind nichtflüchtige Datenspeicherbauelemente aufgezeigt worden, bei denen jedes Informationsbit als Polarisationszustand in einem örtlich begrenzten Volumenelement eines elektrisch polarisierbaren Materials gespeichert wird. Ein Material dieser Art bezeichnet man als Elektret- oder ferroelektrisches Material. Formal ferroelektrische Materialien sind eine Unterklasse von Elektret-Materialien und dazu in der Lage, spontan entweder in einen positiven oder negativen, dauerhaften Polarisationszustand polarisiert zu werden. Durch das Anlegen eines elektrischen Felds entsprechender Polarität ist es außerdem möglich, ein Umschalten zwischen den Polarisationszuständen zu induzieren. Es wird eine Nichtflüchtigkeit erreicht, da das Material seine Polarisation selbst bei Abwesenheit von von außen auferlegten elektrischen Feldern beibehalten kann. Die polarisierbaren Materialien waren bisher typischerweise ferroelektrische Keramikwerkstoffe, und das Schreiben, Lesen und Löschen von Daten bedeutete das Anlegen von elektrischen Feldern am ferroelektrischen Material in örtlich begrenzten Zellen in den Speicherbauelementen, wobei das Material in einer bestimmten Zelle dazu gebracht wurde, abhängig von deren bisherigen Schaltverlauf, seine Polarisationsrichtung umzuschalten oder nicht. Beim Normalbetrieb besagten Bauelements kann das ferroelektrische Material für längere Zeit oder oftmals hintereinander der Belastung eines elektrischen Felds unterworfen sein und/oder viele Male eine Polarisationsumkehr durchmachen. Dies kann dazu führen, dass das ferroelektrische Material an Ermüdung leidet, also an einer Verschlechterung der Stromkennlinien, die für den Normalbetrieb des Bauelements erforderlich sind. Ermüdung ist gekennzeichnet durch eine Verringerung der remanenten Polarisation, was wiederum zu einem abgeschwächten Umschaltstromsignal bei einer induzierten Polarisationsumkehr führt. Auch geht der Ermüdungsprozess manchmal mit einem verstärkten Koerzitivfeld einher, wodurch das Bauelement nicht mehr so leicht von einem Polarisationszustand zum anderen umschalten kann, und was somit den Umschaltprozess verlangsamt. Ein anderes unerwünschtes Alterungsphänomen ist die Entwicklung einer Prägung, d.h. wenn eine ferroelektrische Speicherzelle eine Zeit lang in einem bestimmten Polarisationszustand belassen wird, dann kann es immer schwieriger werden, die Polarisationsrichtung umzukehren, und es entwickelt sich eine Asymmetrie in den Feldern, die man zum Umschalten der Polarisation in jede der beiden Richtungen benötigt.

Eine Lösung der mit Ermüdung und Prägung in Zusammenhang stehenden Probleme ist für eine erfolgreiche Kommerzialisierung von wie hier beschriebenen Bauelementen, die auf ferroelektrischen oder Elektret-Materialien basieren, essenziell. Ein großer Teil der zu diesen Fragestellungen unternommenen Anstrengungen bezieht sich auf Bauelemente, die anorganische ferroelektrische Materialien einsetzen. Diese basieren im Wesentlichen auf zwei Familien von Ferroelektrika auf Oxidbasis, nämlich Bleizirconattitanat (PZT) und geschichtete Verbindungen wie Strontiumbismuttantalat (SBT) und mit Lanthan modifiziertes Bismuttitanat (BLT). Unter diesen zeigen SBT und BLT eine gute Ermüdungsbeständigkeit in einfachen, kondensatorartigen Speicherzellstrukturen mit Metallelektroden, wie aus Platin (Pt). Verglichen mit PZT sind aber die Umschaltpolarisierung und einige ferroelektrischen Eigenschaften bei SBT- und BLT-Kondensatoren nicht so gut. Diese Zellen benötigen auch höhere Herstellungstemperaturen. Andererseits haben sich anfängliche Versuche, PZT zusammen mit Metallelektroden zu verwenden, für die meisten Speicheranwendungen als nicht erfolgreich herausgestellt, und zwar auf Grund einer rapiden Verschlechterung der umschaltbaren Polarisation mit einer steigenden Anzahl von Lesezyklen. Als Ergebnis intensiver Forschungsanstrengungen zeigte sich, dass die Umverteilung von Ladungsdefekten (z.B. Sauerstoff-Leerstellen) zu einer Ladungsansammlung an den Grenzflächen führt, wodurch sich durchlöcherte Bereiche ergeben, die ein bereichsbezogenes Umschalten unterbinden und der Ermüdung der Bauelemente Vorschub leisten. Eine Strategie, die sich bei der Bekämpfung dieses Phänomens als erfolgreich herausgestellt hat, ist der Einsatz von Elektroden aus leitfähigem Oxid, vorzugsweise mit einer Gitterstruktur, die derjenigen der Hauptmasse des ferroelektrischen Materials ähnlich ist, und die die Sauerstoff-Leerstellen neutralisieren, die an die Grenzfläche Elektrode/Ferroelektrikum gelangen. Beispiele für Anwärter auf Elektrodenmaterialien im Falle von Ferroelektrika auf Oxidbasis (wie z.B. PZT) sind RuO2, SrRuO3, Indiumzinnoxid (ITO), LaNiO3, Lanthanstrontiumkobaltat (LSCo) und Yttriumbariumkupferoxid (YBCO). Eine Alternative zu der oben erwähnten Strategie der Bereitstellung eines Vorrats von kritischen, atomaren Spezies in den Elektroden besteht darin, über eine Dotierung und/oder Einstellung der Stöchiometrien Sammelstellen für Leerstellen bzw. Gitterlücken in die Hauptmasse des Ferroelektrikums einzubringen. Diesen Lösungsansatz hat man bei PZT verfolgt, und zwar durch das Einbringen von Donator-Dotierstoffen, wie z.B. Nb, die den Platz von Zr oder Ti einnehmen und die Sauerstoff-Leerstellen neutralisieren.

Es sind noch weitere Verfeinerungen und Anpassungen an verschiedene anorganische, ferroelektrische Zusammensetzungen hervorgebracht worden, die eine große Masse an Stand der Technik in Bezug auf anorganische, und insbesondere auf keramische ferroelektrische Dünnschichten bilden. Bezüglich weitergehender Hintergrundinformation über den Stand der Technik sei der Leser beispielsweise verwiesen auf: S. B. Desu, „Minimization of Fatigue in Ferroelectric Films", Phys. Stat. Sol. (a) 151, 467–480 (1995); K.-S. Liu and T.-F. Tseng, „Improvement of (Pb1-xLax)(ZryTi1-y)1-x/4O3 ferroelectric thin films by use of SrRuO3/Ru/Pt/Ti bottom electrodes", Appl. Phys. Lett. 72 1182–1184 (1998), and S. Aggarwal et al.: „Switching properties of Pb(Nb,Zr,Ti)O3 capacitors using SrRuO3 electrodes", Appl. Phys. Lett. 75 1787–1789 (1999). Wie jedoch nachstehend erläutert werden soll, kennen die vorliegenden Erfinder keinerlei relevanten Stand der Technik im vorliegenden Kontext der Ermüdungsreduzierung in Bauelementen, die Elektrete oder Ferroelektrika auf organischer oder Polymerbasis einsetzen.

Wie in von dem vorliegenden Anmelder eingereichten Patentanmeldungen beschrieben ist, z.B. in der veröffentlichten internationalen Anmeldung WO99/12170, bieten ferroelektrische Materialien auf organischer Basis und insbesondere auf Polymerbasis im Vergleich zu ihren anorganischen Pendants beträchtliche Vorteile beim Einsatz in Speicher- und/oder Verarbeitungsbauelementen. Aber auch bei ferroelektrischen Kondensatoren auf organischer Basis treten Probleme bezüglich Ermüdung und Prägung auf, die, wenn sie nicht gelöst werden, ernstzunehmende Hindernisse für die Kommerzialisierung heraufbeschwören. Leider können die Hilfsmaßnahmen, die man zur Bekämpfung der Ermüdung bei anorganischen ferroelektrischen Systemen entwickelt hat, in diesem Fall nicht zur Anwendung kommen; der Grund dafür liegt in den fundamentalen Unterschieden sowohl in der Chemie als auch in den grundlegenden ferroelektrischen Eigenschaften (z.B. Verschiebungsneigung im Gegensatz zu permanenten Dipolen). Daher hat der vorliegende Anmelder in der veröffentlichten internationalen Anmeldung WO02/43071 eine ferroelektrische Speicherschaltung vorgeschlagen, bei der wenigstens eine der Elektroden ein leitendes Polymer aufweist, das ein Speichermaterial aus ferroelektrischem Polymer kontaktiert. Optional kann die leitende Polymerschicht auch als Zwischenschicht zwischen einer herkömmlichen Metallelektrode und dem Speichermaterial vorgesehen sein. Diese Anordnung lieferte eine verbesserte Steuerung der Ladungsinjektionseigenschaften der Elektrode, mit dem zusätzlichen Vorteil, eine adäquate Ermüdungsbeständigkeit von mehr als 106 Polarisierungs-/Umschalt-Zyklen zu erhalten. Es wird jedoch als wünschenswert erachtet, dass ferroelektrische bzw. besagte Elektret-Speicher für weit mehr als 109 Polarisierungs-/Umschalt-Zyklen keine Anfälligkeit für Ermüdung zeigen sollen. Erst seit kurzem zeichnet es sich auch ab, dass Transportierungsphänomene, also der Austausch von beispielsweise ionischen Spezies zwischen den Elektroden und dem Speichermaterial, nicht nur für beide abträglich sein können, sondern zusätzlich auch noch nachteilige Auswirkungen auf die Ermüdungsbeständigkeit des Speichermaterials haben können.

Es besteht also ein dringender Bedarf an Strategien und Hilfsmaßnahmen, welche Ermüdungsvorgänge in Speicher- und/oder Verarbeitungsbauelementen minimieren, die auf organischen Elektreten oder Ferroelektrika und insbesondere auf Elektrete oder Ferroelektrika auf Polymerbasis beruhen.

In US-B1-6 284 654 (vgl. 3) ist eine ferroelektrische Speicherzelle mit einem ferroelektrischen Speichermaterial 202 offenbart, das erste und zweite Elektroden 208, 210; 204, 206 kontaktiert. Das ferroelektrische Material umfasst z.B. PZT (vgl. Spalte 1, Zeile 29) und das Elektrodenmaterial enthält z.B. leitfähige Oxide (vgl. Spalte 1, Zeile 38). Der Einsatz dieser Materialien führt zu einer Speicherzelle mit einer geringen ferroelektrischen Ermüdung.

Gemäß dem oben Gesagten besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, grundlegende Strategien zur Reduzierung und/oder Vermeidung der Auswirkung von Ermüdung bereitzustellen, die durch eine Belastung durch ein elektrisches Feld in Speicherschaltungen hervorgerufen wird, die organische Elektret- oder ferroelektrische Materialien einsetzen und wie sie in Bauelementen für die Datenspeicherung und/oder Datenverarbeitung angewendet werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, detaillierte Beschreibungen zu Speicherschaltungsstrukturen anzugeben, bei denen bestimmte, grundlegende Ermüdungsmechanismen verhindert sind oder in ihrem Einsetzen verzögert sind.

Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bestimmte Klassen von Materialien für die Inkorporation bzw. Einlagerung in ermüdungsbeständigen Speicherschaltungen aufzuzählen, und eine Reihe von bevorzugten Ausführungsformen von besonderer Relevanz aufzuführen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die oben genannten Aufgaben gelöst bzw. weitere Merkmale und Vorteile erzielt mit einer ferroelektrischen oder Elektret-Speicherschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine der Elektroden mindestens ein funktionelles Material umfasst, das ausgewählt ist unter einem oder mehreren der folgenden, nämlich ein diamantartiges Nanocomposite-Dünnfilmmaterial, ein leitendes Carbidmaterial, ein leitendes Oxidmaterial, ein leitendes Boridmaterial, ein leitendes Nitridmaterial, ein leitendes Silicidmaterial, ein leitendes Material auf Kohlenstoffbasis oder ein leitendes Polymer- oder Copolymermaterial, wobei das mindestens eine funktionelle Material zur physikalischen und/oder chemischen Volumeninkorporation von atomaren oder molekularen Spezies, die entweder in dem Elektrodenmaterial oder dem Speichermaterial der Speicherzelle enthalten sind, in der Lage ist und eine Neigung zum Migrieren in Form beweglicher geladener und/oder neutraler Teilchen von einem Elektrodenmaterial in das Speichermaterial oder von letzterem in ersteres aufweist, wodurch ein nachteiliger Effekt auf die funktionellen Eigenschaften entweder des Elektrodenmaterials oder des Speichermaterials der Speicherzelle ausgeglichen werden kann.

In der vorliegenden Erfindung wird es als vorteilhaft angesehen, dass das mindestens eine funktionelle Material entweder getrennt oder in Verbindung jeweils elektrische und/oder chemische Eigenschaften aufweist, die mit denen des Elektrodenmaterials kompatibel sind; eine Elektrizitätskonstante, die etwa gleich oder größer ist als die des Speichermaterials; eine Elektrizitätskonstante, die nach Einlagerung der atomaren oder molekularen Spezies im Wesentlichen unverändert bleibt; und eine spezifische Leitfähigkeit, die nach Einlagerung der atomaren oder molekularen Spezies im Wesentlichen unverändert bleibt.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine funktionelle Material gleichmäßig in dem Elektrodenmaterial verteilt bereitgestellt. In einer Variante dieser bevorzugten Ausführungsform wird das mindestens eine funktionelle Material in einem Abschnitt des Elektrodenmaterials bereitgestellt, der sich bis zu einer Oberfläche der mindestens einen Elektrode erstreckt und das Speichermaterial kontaktiert. Wenn zwei oder mehr funktionelle Materialien verwendet werden, können diese in jeweiligen getrennten Lagen des Abschnitts des Elektrodenmaterials bereitgestellt werden.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Speicherschaltung gemäß der Erfindung ist das mindestens eine funktionelle Material in einer oder mehreren Oberflächenschichten der mindestens einen Elektrode bereitgestellt, wobei die eine oder mehreren Oberflächenschichten als eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen der mindestens einen Elektrode und dem Speichermaterial bereitgestellt sind, und wenn zwei oder mehr funktionelle Materialien verwendet werden, dann können diese in entsprechenden (zwei oder mehr) Zwischenschichten bereitgestellt werden.

In diesem Zusammenhang kann ein leitendes Carbidmaterial eines oder mehrere der folgenden sein, nämlich Tantalcarbid, Titancarbid, Zirconiumcarbid oder Hafniumcarbid; ein leitendes Oxidmaterial kann eines oder mehrere der folgenden sein, nämlich binäre Oxide, ternäre Oxide, dotierte oder undotierte binäre Oxide, oder dotierte oder undotierte ternäre Oxide; ein leitendes Boridmaterial kann eines oder mehrere der folgenden sein, nämlich Hafniumborid, Zirconiumborid oder Chromborid; ein leitendes Nitridmaterial kann eines oder mehrere der folgenden sein, nämlich Titannitrid, Zirconiumnitrid, Hafniumnitrid, Tantalnitrid, Vanadiumnitrid, Niobnitrid oder Chromnitrid; ein leitendes Silicidmaterial kann Titansilicid sein; oder ein leitendes Material auf Kohlenstoffbasis kann eines oder mehrere der folgenden sein, nämlich graphitischer Kohlenstoff, Fullerene oder Substanzen mit Cyano-(CN)-Einheiten.

Vorteilhafter Weise kann das leitende Polymer- oder Copolymermaterial ausgewählt sein als eines oder mehrere der folgenden, nämlich dotiertes Polypyrrol (PPy), dotierte Derivate von Polypyrrol (PPy), dotiertes Polyanilin, dotierte Derivate von Polyanilin, dotierte Polythiophene und dotierte Derivate von Polythiophenen.

Vorteilhafter Weise kann ein ferroelektrisches oder Elektret-Polymer-Speichermaterial als eines oder mehrere der folgenden ausgewählt sein, nämlich Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinyliden mit einem beliebigen seiner Copolymere, Terpolymere auf der Basis entweder von Copolymeren oder PVDF-Trifluorethylen (PVDF-TrFE), ungeradzahligen Nylons, ungeradzahligen Nylons mit einem beliebigen ihrer Copolymere, Cyanopolymere und Cyanopolymere mit beliebigen ihrer Copolymere.

Vorteilhafter Weise kann das Elektrodenmaterial ausgewählt sein als eines der folgenden Materialien, nämlich Aluminium, Platin, Gold, Titan, Kupfer, oder Legierungen oder Verbundwerkstoffe davon.

Vorteilhafter Weise ist das Speichermaterial in der Speicherschaltung mit Hilfe physikalischer oder chemischer Dampfabscheidung oder mit Hilfe von Aufschleuder- oder Tauchbeschichtungsprozessen vorgesehen, wobei das Elektrodenmaterial in der Speicherschaltung mit Hilfe physikalischer oder chemischer Dampfabscheidung vorgesehen wird und das mindestens eine funktionelle Material in der Speicherschaltung mit Hilfe physikalischer oder chemischer Dampfabscheidung oder über einen Prozess auf Lösungsbasis bereitgestellt wird. Vorzugsweise sind das Speichermaterial, die erste und zweite Elektrode und ggf. die mindestens eine Zwischenschicht alle als Dünnfilme in der Speicherschaltung vorgesehen, wobei letztere im Wesentlichen als eine Dünnfilmbauelement realisiert wird.

Vorteilhafter Weise bilden mehrere ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltungen gemäß der Erfindung die Speicherschaltungen in einem matrixadressierbaren Array, die Speicherzellen der Speicherschaltungen bilden deutlich ausgeprägte Abschnitte in einer globalen Schicht eines ferroelektrischen oder Elektret-Dünnfilmspeichermaterials, und die erste und zweite Elektrode bilden Abschnitte des ersten bzw. zweiten Elektrodenmittels, wobei jedes Elektrodenmittel mehrere parallele streifenartige Elektroden umfasst, wobei die Elektroden des zweiten Elektrodenmittels unter einem Winkel, bevorzugt orthogonal, zu den Elektroden des ersten Elektrodenmittels orientiert sind und die ferroelektrische oder globale Elektret-Dünnfilmschicht derartig dazwischen geschichtet ist, dass die Speicherzellen der Speicherschaltungen in der globalen Dünnfilmschicht an den Kreuzungen jeweils der Elektroden des ersten Elektrodenmittels und den Elektroden des zweiten Elektrodenmittels definiert sind, wodurch das Array aus Speicherschaltungen, das durch die Elektrodenmittel und die globale Schicht des Speichermaterials mit den Speicherzellen gebildet ist, ein integriertes passives matrixadressierbares ferroelektrisches oder Elektret-Speicherbauelement realisiert, wobei das Adressieren von jeweiligen Speicherzellen für Schreib- und Leseoperationen über die Elektroden der Elektrodenmittel in einer geeigneten Verbindung mit einer äußeren Schaltung für das Antreiben, Steuern und die Detektion stattfindet.

Die Erfindung wird nun im Einzelnen mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen und in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben. Darin zeigen:

1 eine gattungsbildende Speicherschaltung, die für die vorliegende Erfindung von Relevanz ist, und z.B. eine Elementarspeicherzelle in einem Datenspeicherbauelement darstellt, wie es im Stand der Technik offenbart ist,

2 eine Speicherschaltung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

3 eine Speicherschaltung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

4 eine Speicherschaltung gemäß einer Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

die 5a bis c allgemein bestimmte verschiedene Arten der Ioneneinlagerung in ein funktionelles Material,

6a eine Draufsicht eines matrixadressierbaren Speicherbauelements mit Speicherschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung,

6b einen Querschnitt des Bauelements von 6a entlang der Linie x-x,

6c eine Einzelheit einer Speicherschaltung des Bauelements aus 6a und entsprechend der Ausführungsform in 3, und

7 schematisch die Struktur eines funktionellen Materials in Form einer diamantartigen Nanocomposite-Dünnschicht (DLN), und wie es in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung beruht allgemein auf das Einbringen von wenigstens einem funktionellen Material in die Speicherschaltung, die eine allgemeine kondensatorartige Struktur hat, derart, dass sie einerseits an das Elektret- oder ferroelektrische Speichermaterial und andererseits an die Elektroden der kondensatorartigen Struktur angrenzt. Somit könnte das wenigstens eine funktionelle Material als Bestandteil der Elektroden betrachtet werden. Das funktionelle Material ist elektrisch leitend und kann von daher als zusätzliches Elektrodenmaterial in der kondensatorartigen Struktur angesehen werden. Neben seiner elektrischen Leitfähigkeit besteht ein wichtiges Merkmal eines funktionellen Materials darin, dass es in der Lage ist, bestimmte ionische oder neutrale Spezies aufzufangen und in seiner Struktur einzulagern, welche Spezies vom Elektret- oder ferroelektrischen Material unter dem Einfluss des elektrischen Felds, mit dem die kondensatorartige Struktur über die Elektroden beaufschlagt wird, oder unter dem Einfluss von Konzentrationsgradienten migrieren bzw. wandern. Wie aus der noch mehr ins Einzelne gehenden, folgenden Beschreibung klar hervorgehen wird, findet ein derartiges Einfangen und eine derartige Einlagerung von Ionen oder neutralen Spezies entweder auf interstitiellem Wege statt, oder durch Substitution von atomaren oder molekularen Bestandteilen des funktionellen Materials, oder durch das Auffüllen von darin befindlichen Leerstellen. Eine chemische Bindung an reaktive Spezies, die zielgerichtet in die Elektrodenstruktur eingebaut sind, ist auch möglich. In allen Fällen soll das funktionelle Material elektrisch leitend bleiben.

In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat man umfangreiche Untersuchungen bezüglich der Ursachen von Ermüdung und Prägung in Speicherschaltungen auf Polymerbasis durchgeführt, die in kondensatorartigen Speicherschaltungen für Datenspeicher- und Datenverarbeitungsanwendungen eingesetzt werden, und wie sie in 1 gezeigt sind. Die Speicherschaltung C umfasst eine erste und eine zweite Elektrode 1a; 1b, die an ein Speichermaterial 2 angrenzen, in diesem Fall ein Ferroelektrikum auf Polymerbasis, das zwischen die beiden Elektroden in einer kondensatorartigen Struktur mit parallelen Platten geschichtet ist. Durch das Anlegen eines Spannungssignals an den Elektroden wird das ferroelektrische Polymer elektrischen Feldern unterworfen, die seinen Polarisationszustand beeinträchtigen oder abfragen können. Obwohl der Anspruch erhoben wird, dass sie allgemein auf Elektrete und Ferroelektrika auf organischer Basis und Polymerbasis anwendbar ist, sollen in der folgenden Erläuterung in erster Linie Ferroelektrika auf Polymerbasis behandelt werden, mit dem Schwerpunkt auf PVDF und seinen Co- und/oder Terpolymeren mit TrFE und/oder TFE. Dies geschieht zu dem Zweck, um das Augenmerk auf die Präsentation zu richten und ihr Konkretisierung zu verleihen, und um Materialklassen zu umfassen, die für zukünftige, im Blickpunkt des Interesses stehende Bauelemente offenbar von besonderer Bedeutung sein werden.

Beruhend auf experimentellem und theoretischem Beweis haben die Erfinder herausgefunden, dass ein allgemein wiederkehrender, allgegenwärtiger und bestimmender Mechanismus für Ermüdung und Prägung eine Umverteilung von geladenen Verunreinigungsspezies in der Hauptmasse des ferroelektrischen Polymers nahe den Elektrodenbereichen ist, die unter dem Einfluss von elektrischen und chemischen Potentialen stattfindet. Wenn sie an die Grenzfläche Ferroelektrikum/Elektrode gelangen, können solche Verunreinigungen von tief ausgebildeten Fangstellen an der Grenzfläche Ferroelektrikum/Elektrode aufgefangen werden oder chemisch mit dem Elektrodenmaterial reagieren. Die Verunreinigungen können Reaktionsprodukte erzeugen, die isolierende Sperrschichten an den Elektroden bilden, sowie Fangstellen für ionische Spezies, die danach zu den Elektroden gelangen. Je nach der Tiefe der Fangstellen können sich an den Elektrodenoberflächen örtlich begrenzte Ladungen aufbauen und der Funktion der Zelle schaden, indem sie Depolarisationsfelder erzeugen und ferroelektrische Bereiche durchlöchern. Chemische Reaktionen zwischen ionischen oder neutralen Spezies und Elektroden können auch die physische Integrität der Elektroden zerstören und sie durch Verringerung ihrer spezifischen Leitfähigkeit auf unannehmbar niedrige Grade ihrer Funktion berauben.

So geht die ferroelektrische Aktivität durch Sekundäreffekte verloren, die der Akkumulation von Defekten an den Elektroden oder an den innen liegenden Grenzflächen in der Hauptmasse des ferroelektrischen Speichermaterials (z.B. Bereichsgrenzen, oder Grenzen zwischen amorphen und kristallinen Bereichen, oder Korngrenzen) zuzuschreiben sind. Diese Defekte (z.B. ionische Spezies) können entweder von vornherein als Fremdstoffe im ferroelektrischen Material vorhanden sein, und zwar der Materialsynthese oder dem Dünnschicht-Herstellungsprozess entstammend, oder können sich aus der Degradation des Ferroelektrikums auf Grund verschiedener Formen von Belastung ableiten, die bei der Herstellung der Speicherzellen auftreten, oder aus späteren elektrischen oder mechanischen Beanspruchungen, die mit dem Betrieb der Bauelemente zu tun haben.

Die Hilfsmaßnahmen, die sich gegen die oben genannten schädlichen Phänomene als wirksam erwiesen haben und die nachfolgend zu beschreibende und beispielhaft darzustellende, vorliegende Erfindung bilden, unterscheiden sich fundamental von denen, die man für die oben erwähnten anorganischen ferroelektrischen Speicherdünnschichten entwickelt hat, bei denen flüchtige Bestandteile, z.B. Sauerstoff in PZT, während des Umschaltens des Ferroelektrikums verloren gehen. In jenen Fällen konzentrieren sich die Hilfsmaßnahmen auf das Auffüllen von Leerstellen durch das Ersetzen von verloren gegangenen Spezies wie z.B. Sauerstoff, und durch die Unterdrückung der Entstehung von Leerstellen, indem dotiert wird oder eine stöchiometrische Modifikation der Hauptmasse des Ferroelektrikums erfolgt.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die das Ferroelektrikum kontaktierenden Elektroden so hergestellt, dass sie z.B. Ionen, die an die Grenzfläche zwischen Elektrode und ferroelektrischem Speichermaterial gelangen, auffangen und diese Ionen in die Elektrodenstruktur einbauen, ohne dass ein Verlust an elektrischer Leitfähigkeit im Elektrodenmaterial auftritt. Dies wird durch eine vernünftige Auswahl der Elektrodenmaterialien erreicht, wobei jede Elektrode ein einzelner, monolithischer Flächenkörper oder eine einzelne, monolithische Dünnschicht sein kann, oder wobei jede Elektrode als sandwichartige Struktur geschaffen wird, die zwei oder mehr funktionelle Schichten enthält. Erwünschte Funktionalitäten der Gesamtelektrodenstruktur sind nachfolgend aufgeführt, nämlich:

  • i. Elektrische Leitfähigkeit.
  • ii. Einfangen/Einlagerung von schädlichen ionischen Spezies.
  • iii. Sperrwirkung gegenüber einer Durchdringung von Elektroden durch Verunreinigungen, die vom Ferroelektrikum zu den Elektroden hin wandern.
  • iv. Sperrwirkung gegenüber der Migration von geladenen oder neutralen Spezies von den Elektroden in das Ferroelektrikum.

Hier ist durch die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt, dass ionische Spezies, die von der Hauptmasse des ferroelektrischen Speichermaterials an die Elektroden gelangen, neutralisiert werden. Folglich kann sich keine Ladung ansammeln, die starke, lokale Bereichsfelder mit Löcherbildung oder beträchtliche Depolarisationsfelder in der Hauptmasse des Ferroelektrikums erzeugen würde. Durch die Einlagerung von Ionen in die Elektrodenstruktur ist sichergestellt, dass sich an der Grenzfläche Elektrode/Ferroelektrikum keine neutralisierten Ionen ansammeln, die andernfalls eine nicht leitende Sperrschicht erzeugen und sogar einen Schaden an der Struktur verursachen könnten. Schließlich bieten gute Sperreigenschaften einen Schutz gegen das Eindringen von chemisch aggressiven Verunreinigungen von der Hauptmasse des Ferroelektrikums, die das Trägermaterial der Elektrode oder andere Bestandteile des Speicherbauelements chemisch angreifen könnten, oder weniger aggressiven Verunreinigungen, die aber dennoch einen Schaden durch eine strukturelle Dislokation von Teilen des Bauelements (z.B. Druck, der durch entstandenes Gas ausgeübt wird) verursachen könnten.

2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Speicherschaltung gemäß der Erfindung, wo ein einzelnes Elektrodenmaterial an die wichtigsten Funktionalitäten der Elektroden 1a, 1b bereitstellt. Hier kann das funktionelle Material als gleichmäßig im Elektrodenmaterial verteilt angesehen werden. Alternativ kann das funktionelle Material 3 in einem Abschnitt des Elektrodenmaterials in einer Elektrode 1a; 1b vorgesehen sein. Dieser Abschnitt muss sich dann bis zur Oberfläche der Elektrode 1a; 1b erstrecken, das ferroelektrische Speichermaterial 2 der Speicherzelle kontaktierend, um den beabsichtigten Effekt zu haben. In diesem Fall können zwei oder mehr funktionelle Materialien in entsprechenden Lagen dieses Abschnitts vorgesehen sein, d.h. in einer geschichteten Anordnung im Elektrodenmaterial. Aus dem oben Gesagten geht hervor, dass bei der ersten Ausführungsform durch die Einlagerung des funktionellen Materials in das Elektrodenmaterial selbst die Notwendigkeit des Einsatzes separater und deutlich ausgeprägter Zwischenschichten aus funktionellem Material aus der Welt geschafft ist, wie es bei der zweiten Ausführungsform der Fall ist, wie in den 3 bzw. 4 gezeigt. Das eigentliche Vorsehen von das funktionelle Material 3 beinhaltenden Elektroden 1a, 1b kann in der ersten Ausführungsform größere Verarbeitungsprobleme nach sich ziehen, als es bei der zweiten Ausführungsform der Fall ist, die im Folgenden beschrieben wird. Nachfolgend sollen jedoch kurz die Prozessanforderungen zur Bereitstellung der verschiedenen Materialien und Schichten in der erfindungsgemäßen Speicherschaltung erläutert werden. Es zeigt sich ganz klar, dass man bei dieser ersten Ausführungsform Elektrodenmaterial von herausragenden Qualitäten braucht, aber wie im Folgenden veranschaulicht werden soll, gibt es solche Materialien.

3 zeigt eine Speicherschaltung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Sie hat eine kondensatorartige Struktur, wobei die verschiedenen gewünschten Funktionalitäten der Elektroden 1a, 1b von zwei separaten Zwischenschichten 3a; 3b aus funktionellem Material 3 übernommen werden. Diese Zwischenschichten 3a; 3b sind sandwichartig zwischen die Elektroden 1a; 1b und das Speichermaterial 2 geschichtet. Die Zwischenschichten 3a; 3b enthalten elektrisch leitendes, funktionelles Material 3, das in seiner Struktur ohne den Verlust elektrischer Leitfähigkeit ionische Spezies aufnehmen kann, die vom ferroelektrischen Speichermaterial 2 der Speicherzelle C zu den Elektroden 1a; 1b wandern. Ein sehr gut leitendes Elektrodenmaterial bildet die Elektroden 1a; 1b und bietet eine gute elektrische Anschlussfähigkeit an externe Treiber- und Abtastschaltungen. Die Elektroden 1a; 1b sind mit einem leitenden, funktionellen Material 3 beschichtet, das Ionen auffängt und die Zwischenschichten 3a; 3b an der dem ferroelektrischen Speichermaterial 2 zugewandten Seite bildet. Die Ionenauffangschichten 3a; 3b weisen gute Sperreigenschaften gegenüber den ionischen Spezies auf, so dass eine Durchdringung des Trägermaterials der Elektrode und möglicherweise anderer Bestandteile der Speicherschaltung C sowie ein chemischer Angriff auf dieselben verhindert ist. Diese Aufteilung von Funktionalitäten auf verschiedene Zwischenschichten kann auf Strukturen ausgedehnt werden, die noch mehr Schichten enthalten, wodurch sich die Bandbreite an einsetzbaren Elektrodenmaterialien noch erweitert und die Leistungsfähigkeit und/oder Herstellbarkeit verbessert. Beispielsweise können die Zwischenschichten 3a; 3b jeweils aus einer Anzahl von Teilschichten bestehen, von denen jede ein spezifisches funktionelles Material enthält und somit auf eine spezifische Funktion, wie eine aus den unter ii) – iv) auf Seite 11 aufgeführten zugeschnitten ist.

Eine Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Speicherschaltung ist in 4 gezeigt, die den Einsatz von zwei separaten Zwischenschichten 3a; 4a und 3b; 4b an jeder Seite der Speicherzelle C zeigt. Die dem ferroelektrischen Speichermaterial 2 zugewandten Zwischenschichten 3a, 3b sind elektrisch leitend und haben die Fähigkeit, aus dem ferroelektrischen Speichermaterial 2 stammende Verunreinigungen zu absorbieren. Die Zwischenschichten 4a, 4b umfassen ebenfalls ein funktionelles Material 3, das leitfähig ist und gute Sperreigenschaften hat, und den Durchgang von Verunreinigungen zu den Elektrodenschichten 1a, 1b hin verhindert, die aus sehr gut leitendem Material bestehen, z.B. aus einem Metall, das den Anschluss an andere Teile der Schaltung im Bauelement bereitstellt. Letzteres könnte vorteilhafter Weise das in anderen Teilen desselben Bauelements verwendete Leitermaterial sein, um den Herstellungsprozess zu vereinfachen.

Nun soll das Arbeitsprinzip eines funktionellen Materials im Einzelnen beschrieben werden. Ionische und neutrale Verunreinigungsspezies können in die Elektrodenstruktur auf verschiedene Art und Weise eingelagert werden, wie es schematisch in den 5a, 5b und 5c dargestellt ist. Eine Substitution, wie in 5a (i) und 5a (ii) gezeigt ist, impliziert, dass die Verunreinigung bzw. das Fremdatom ein ursprünglich vorhandenes Bestandteil des funktionellen Materials verdrängt und seinen Platz einnimmt. Das frei gewordene, ursprüngliche Bestandteil kann dann wiederum an eine andere Stelle wandern, wo es von neuem eingebunden wird, z.B. durch irgendeinen der Mechanismen, die in jeder dieser Figuren oder den folgenden 5b, 5d abgebildet sind. 5b (i) und 5b (ii) zeigen die Einlagerung durch das Auffüllen einer Leerstelle, und 5c (i) und 5c (ii) zeigen eine interstitielle Platzierung. In all diesen Fällen wäre festzuhalten, dass für Atome und Leerstellen im funktionellen Material eine bestimmte Beweglichkeit besteht. Somit kann also durch atomare und molekulare Neuanordnung sogar ein dichtes Material mit guten Sperreigenschaften Verunreinigung in der Tiefe aufnehmen, d.h. über seine erste Monoschicht an der Grenzfläche zum ferroelektrischen Speichermaterial 2 hinausgehend.

Die zuvor beschriebenen Strategien beschränken implizit die Bandbreite an annehmbaren Herstellungsprozessen, bei denen die Speicherzelle des ferroelektrischen Speichermaterials 2 entweder mit Elektroden 1a, 1b versehen wird, die ein funktionelles Material 3 enthalten, oder alternativ mit Zwischenschichten 3a, 3b aus dem funktionellen Material 3, sowie die Materialien und Prozesse, die für die Erzeugung des Bauelements als solches gewählt werden können. Somit müssen harsche Reinigungs- und Beschichtungsprozeduren vermieden werden, die ein gehäuftes Auftreten von Verunreinigungen oder chemischen und physikalischen Defekten an den einzelnen Schichten oder Materialgrenzflächen erzeugen.

Ganz offensichtlich muss es eine Grenze bezüglich der Menge an Verunreinigungen geben, die in die Elektrodenstruktur eingelagert werden können, bevor sie ihre gewünschten Eigenschaften zu verlieren beginnt. Es ist aber erwähnenswert, dass man in den meisten Fällen eine Verlängerung der Lebenszeit des Bauelements anstrebt, und nicht notwendigerweise eine unbegrenzte Zeit bis zum Bauteilversagen. In vielen Fällen kann das Hauptproblem auch auf eine ursprüngliche Besiedlung von Verunreinigungen zurückzuführen sein, die aus der Materialsynthese stammen oder aus dem Herstellungsprozess des Bauelements. Wenn sie an die Oberfläche gelangen und dann entweder in der Elektrode oder in einer separaten Zwischenschicht aufgenommen sind, stellt diese Besiedlung kein Problem mehr dar, woraufhin ein stabiler Betrieb des Bauelements für eine verlängerte Zeitdauer gestattet ist.

Das funktionelle Material bzw. die funktionellen Materialien sollte/sollten vorteilhafter Weise elektrische und/oder chemische Eigenschaften haben, die mit denen des Elektrodenmaterials kompatibel sind; dies gilt ungeachtet dessen, ob das funktionelle Material verteilt im Elektrodenmaterial vorgesehen ist oder als dessen Oberflächenschicht. Die Folge dessen besteht insbesondere darin, dass das funktionelle Material im Hinblick auf sowohl das Elektrodenmaterial als auch ein ferroelektrisches oder Elektret-Speichermaterial chemisch kompatibel sein soll. Dies bedeutet auch, dass das funktionelle Material nach der Einlagerung von wandernden atomaren oder molekularen Spezies, entweder vom Elektrodenmaterial selbst oder vom Speichermaterial, dann immer noch seine ursprünglichen elektrischen und chemischen Eigenschaften haben sollte und insbesondere in jeder Hinsicht sowohl mit dem Elektrodenmaterial als auch dem Speichermaterial kompatibel sein soll. Üblicherweise wird auch erforderlich sein, dass das funktionelle Material bzw. die funktionellen Materialien in ihrer Verwendung, on nun verteilt im Elektrodenmaterial und insbesondere bei Bereitstellung als dessen Oberflächenschichten, oder wenn es bzw. sie als Zwischenschichten zwischen der Elektrode und dem Speichermaterial vorgesehen ist/sind, eine HF-Elektrizitätskonstante haben soll/sollen, die in etwa derjenigen des Speichermaterials entspricht oder darüber liegt, um die elektrische Dämpfung zwischen einem Speichermaterial und einem Elektrodenmaterial zu vermeiden. Obwohl es leitend ist, könnte die Elektrizitätskonstante eines funktionellen Materials beträchtlich unter der des Elektrodenmaterials liegen, liegt aber vorzugsweise höher als beim ferroelektrischen Speichermaterial, und diese Eigenschaft sollte sich bei Einlagerung von wandernden atomaren oder molekularen Spezies auch nicht ändern. Genauso wenig sollte sich die spezifische Leitfähigkeit des funktionellen Materials bei einer derartigen Einlagerung ändern.

Die Speicherschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung könnte als Speicherschaltung in einem matrixadressierbaren Array aus derartigen Speicherschaltungen verwendet werden. Anders ausgedrückt würden sie ein passives, matrixadressierbares Speicherbauelement bilden, wie es in 6a in der Draufsicht und in 6b im Querschnitt entlang der Linie X-X gezeigt ist. Das Speicherbauelement wird als passives Matrixbauelement bezeichnet, weil keine an eine Speicherschaltung angeschlossenen Schalttransistoren vorhanden sind, um eine Speicherzelle C bei einem Adressierungsvorgang ein- und auszuschalten. Dies würde implizieren, dass das Speichermaterial der Speicherzelle C in ihrem nicht adressierten Zustand keinerlei Kontakt mit den Adressierungselektroden des matrixadressierbaren Bauelements hat. Ein Speicherbauelement dieser Bauart ist grundsätzlich mit einem ersten Satz paralleler, streifenartiger Elektroden 1b gebildet, der in 6b auf einem Substrat liegend gezeigt ist und von einer Zwischenschicht 3b aus funktionellem Material überdeckt ist, gefolgt von einer globalen Schicht aus ferroelektrischem Speichermaterial, d.h. einem ferroelektrischem Polymer 2, welches wiederum von einer globalen Schicht 3a aus funktionellem Material überdeckt ist, über der ein weiterer Elektrodensatz vorgesehen ist, der ebenfalls parallele, streifenartige Elektroden 1a umfasst, die jedoch orthogonal zu den Elektroden 1b ausgerichtet sind, so dass eine orthogonale Elektrodenmatrix gebildet ist. Die Elektroden 1a können z.B. als die Wortleitungen eines matrixadressierbaren Speicherbauelements angesehen werden, während die Elektroden 1b als dessen Bitleitungen angesehen werden können. An den Kreuzungen zwischen den Wortleitungen 1a und Bitleitungen 1b ist in der Matrix in der globalen Schicht aus Speichermaterial 2 eine Speicherzelle definiert. Somit umfasst das Speicherbauelement entsprechend der Anzahl von Elektrodenkreuzungen in der Matrix mehrere Speicherschaltungen C. Die Speicherschaltung C ist im Einzelnen im Querschnitt in 6c gezeigt und entspricht der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Speicherschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Anders ausgedrückt ist das funktionelle Material 3 in jeweiligen Zwischenschichten 3a, 3b vorgesehen, die jeweils an die Elektrode 1a bzw. 1b angrenzen, wobei das Speichermaterial 2 dazwischen geschichtet ist. Es sollte klar sein, dass ein Speicherbauelement der in 6a und 6b gezeigten Art mit einer über den Elektroden 1a liegenden, isolierenden Schicht (oder einer so genannten Trennschicht) versehen werden und dann ein zweites, ähnliches Bauelement auf dessen Oberseite gesetzt werden kann usw., so dass sich ein übereinander geschichtetes oder volumetrisches Speicherbauelement bildet, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Es sollte klar sein, dass die Elektroden 1a, 1b, welche die Wort- bzw. Bitleitungen im Speicherbauelement in 6a bilden, alle an geeignete Treiber-, Steuer- und Abtastschaltungen angeschlossen werden, um an den Speicherzellen des matrixadressierbaren Speicherbauelements Schreib/Leseoperationen vornehmen zu können, obwohl die periphere, externe Verschaltung in den Zeichnungsfiguren nicht gezeigt ist.

Das Vorsehen eines funktionellen Materials in einem matrixadressierbaren Speicherbauelement dieser Art erfordert einige Aufmerksamkeit bei Einzelheiten bezüglich der Herstellung. Beispielsweise könnten die Bitleitungselektroden 1b auf einem Substrat S liegen und ursprünglich als globale, das Substrat überdeckende Schicht abgeschieden worden sein, woraufhin die Elektroden z.B. in einem Standard-Fotolithografieprozess strukturiert werden, um die streifenartigen Bitleitungselektroden 1b zu ergeben. Alternativ könnten in den Substraten parallele Ausnehmungen mit einem einer Elektrode 1b entsprechenden Querschnitt ausgebildet und dann mit einem entsprechend aufbereiteten Elektrodenmaterial aufgefüllt werden, das gegebenenfalls eingeebnet werden könnte, bis die Elektrodenoberseiten auf einem Niveau mit der des Substrats liegen. Bei der Einlagerung des funktionellen Materials 3 in das Elektrodenmaterial kann zur Abscheidung beider Materialien eine physikalische oder chemische Dampfabscheidung eingesetzt werden, um eine gleichzeitige oder schrittweise Einlagerung von funktionellem Material in das Elektrodenmaterial zu erzielen. Alternativ könnte in darauf folgenden, separaten Schritten entweder eine Schicht 3b oder funktionelles Material als globale Schicht im Speicherbauelement aufgelegt werden, und dann wird die globale Schicht 2 aus Speichermaterial abgeschieden, bevor eine weitere globale Schicht 3a aus funktionellem Material vorgesehen wird, die die globale Schicht aus Speichermaterial 2 überdeckt. Schließlich werden, wie in 6a gezeigt ist, Wortleitungselektroden 1a vorgesehen, die optional mit einer Planarisierungssschicht mit Isolierungs- und Trennfunktion bedeckt werden. Die sich ergebende Struktur ist natürlich ein Speicherbauelement, in dem mehrere Speicherschaltungen C gemäß der vorliegenden Erfindung in einem passiven, matrixadressierbaren Speicherarray integriert sind. Ist das funktionelle Material 3 in jeweiligen Zwischenschichten 3a, 3b vorgesehen, werden diese beiden Schichten sowie das Speichermaterial 2 als globale, d.h. unstrukturierte Schichten im Speicherbauelement vorgesehen; so ist die Integration einer einzelnen Speicherschaltung zu einem Array von Speicherschaltungen möglich, deren Anzahl mehrere zehn oder Hunderte von Millionen oder noch mehr betragen kann, mit der Kapazität, dieselbe Anzahl an Bits in Form eines vorbestimmten Polarisationszustands oder -werts jeder einzelnen Speicherschaltung zu speichern. Außerdem kann ein matrixadressierbares Speicherbauelement dieser Art mittels einer geeigneten Anordnung der externen Verschaltung zum Schreiben und Lesen einen Schreib- oder Lesevorgang in einem ungeheuer großen, parallelen Maßstab ausführen.

Es folgen nun verschiedene Beispiele für funktionelle Materialien, die in der erfindungsgemäßen Speicherschaltung verwendet werden können, mit detaillierten Beschreibungen des funktionellen Materials bzw. seiner Zwischenschichten, die sich zur Verwendung mit fluorhaltigen Speichermaterialien eignen. Diese Schwerpunktsetzung beruht darauf, dass sich bestimmte fluorhaltige Ferroelektrika auf Polymerbasis, insbesondere PVDF und Copolymere aus VDF und TrFE als Speichermaterialien in zukünftigen Datenspeicherbauelementen als besonders viel versprechend zeigen. Es ist aber auch eine Tatsache, dass fluorhaltige Speichermaterialien aufgrund der Mobilität und chemischen Aggressivität von Fluor und Fluorwasserstoff in neutraler als auch ionischer Form außergewöhnliche Herausforderungen darstellen.

Beispiel 1: Elektroden mit einem diamantartigen Nanocomposite-Dünnschichtmaterial (DLN)

In den letzten Jahren hat man neuartige Dünnschichten entwickelt, bei denen eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und sehr gute Sperreigenschaften mit einer elektrischen Leitfähigkeit kombiniert sind, die über 18 Größenordnungen eingestellt werden kann, indem während des Aufwachsens der Dünnschicht die Zusammensetzung geändert wird (vgl. z.B. "Method for forming Diamond-Like Nanocomposite or Doped-Diamond-Like Nanocomposite Films", US-Patent Nr. 5 352 493 (1994); (Veniamin Dorfman und Boris Pypkin)). Als diamantartige Nanocomposite-(DLN)-Kohlenstoff-Dünnschichten bezeichnet, sind diese Schichten in etwa den besser bekannten diamantartigen Kohlenstoff-Dünnschichten (DLC-Dünnschichten) ähnlich (vgl. z.B. "Method of forming Diamond-like Carbon Coating in Vacuum", veröffentlichte Internationale Anmeldung WO98/54376 (A. I. Maslov & al.)), bestehen aber aus sich gegenseitig durchdringenden, in Zufallsverteilung vorliegenden Netzwerken aus vorwiegend diamantgebundenem, mit Wasserstoff stabilisiertem Kohlenstoff und aus glasartigem Silizium, das mit Sauerstoff stabilisiert ist. Diese sich selbst stabilisierende, amorphe C-Si-Struktur bildet die Matrix zur Einlagerung von Metallen, die ein drittes, durchdringendes Netzwerk bilden, das spezifische Widerstände bis hinunter zu 10e–4 &OHgr;cm bereitstellen kann. Je nach den gewünschten Eigenschaften können Metalle aus einem breit gefächerten Bereich ausgewählt werden, der Li, Ag, Cu, Al, Zn, Mg, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Rh, Fe, Co und Ni umfasst. Diese Dünnschichten können bei hohem Durchsatz auf fast jedem Substratmaterial abgeschieden werden, wobei letzteres nur einem leichten Temperaturanstieg unterworfen wird (Abscheidungstemperatur bei Raumtemperatur). Im gegenwärtigen Kontext besteht eine gute Adhäsion gegenüber nahezu allen in Frage kommenden Materialien, also anorganischen sowie organischen Materialien und Polymermaterialien zur Verwendung als Elektroden und Ferroelektrika (z.B. Metalle, Oxide, Keramikwerkstoffe, Kunststoffe). Eine gute (und auch beobachtete) Adhäsion an Teflon ist von Bedeutung in Zusammenhang mit den chemisch nahe verwandten Ferroelektrika auf Polymerbasis wie PVDF und seine Copolymere mit TrFE.

Eine wichtige Eigenschaft von DLN-Filmen besteht in der Möglichkeit, mikrostrukturelle und auch chemische Eigenschaften auf jede gegebene Anwendung zuschneiden zu können. Als Beispiel betrachte man das Problem der Einlagerung von aggressiven Spezies, die vom Ferroelektrikum zu einer Elektrodenoberfläche wandern, die aus DLN besteht. Wie in der Literatur beschrieben ist, auf die oben im Text verwiesen wurde, enthält DLN ein Netz aus sich gegenseitig durchdringenden Teilnetzwerken. Diese Teilnetzwerke können so gewählt werden, dass sie verschiedenen Anforderungen an die Elektrodenstruktur genügen, z.B. strukturelle Integrität, Sperreigenschaften, elektrische Leitfähigkeit und Aufnahme von Verunreinigungen aus dem ferroelektrischen Speichermaterial.

Man betrachte nun im Einzelnen die Struktur der DLN-Dünnschicht, wie sie in 7 gezeigt ist. Ein Netzwerk besteht aus überwiegend in sp3-Bindung vorliegendem, durch Wasserstoff stabilisierten Kohlenstoff, der ein Strukturgerüst bildet. Ein weiteres Netzwerk besteht aus mit Sauerstoff stabilisiertem Silizium, ist mit dem C-H-Netzwerk verflochten und stellt zusammen mit diesem die mechanische Festigkeit und die Sperreigenschaften für die gesamte Elektrodenstruktur bereit. Drittens ist ein Netzwerk aus Dotierelementen oder Dotierstoffverbindungen vorhanden, wobei die Elemente aus den Gruppen 1 bis 7b und aus Gruppe 8 des Periodensystems ausgewählt sind. Diese Dotierstoffe sind in einem Netzwerk aus Nanoporen aufgenommen, die zwischen den anderen beiden Netzwerken gebildet sind, und sind in diesem Fall ein Metall bei einer Dichte oberhalb der Durchdringungsgrenze, was die elektrische Leitfähigkeit liefert und zu den Sperreigenschaften der kombinierten Netzwerkstruktur beiträgt. Beim Prozess zur DLN-Herstellung können auch andere Dotierstoffe in gesteuerter Art und Weise eingebracht werden; so lassen sich innerhalb der Dicke der Dünnschicht Dotierstoff-Konzentrationsgradienten erzeugen. Es sei nun angenommen, dass die Verunreinigungen, mit denen man es zu tun hat, z.B. F-Ionen und Fluorwasserstoff sind, was in Verbindung mit PVDF- und P(VDF-TrFE)-Ferroelektrika von Bedeutung sein würde. Wenn sie an die Elektrodengrenzfläche gelangen, die durch die DLN-Dünnschicht verkörpert wird, treten die Verunreinigungen in das Netzwerk aus Nanoporen ein und setzen sich dort fest. Das Einfangen innerhalb des Netzwerks kann durch irgendeinen der allgemeinen Mechanismen vonstatten gehen, wie sie in den 5a–c dargestellt sind. Wie es Fachleuten auf dem Gebiet der Physik und Chemie klar ist, bietet die Struktur in 7 eine außergewöhnliche Bandbreite an Möglichkeiten, bevorzugte Einfangmechanismen auszuwählen. Für eine permanente Festsetzung sind typischerweise tiefe Fangstellen erwünscht. Ein Weg, dies zu erreichen, besteht darin, Stellen innerhalb des Elektrodenmaterials vorzusehen, die eine starke chemische Reaktivität mit den Verunreinigungsspezies wie z.B. Fluor aufweisen, und an denen das Reaktionsprodukt ohne schädliche Auswirkungen auf die Funktionalität der Elektrode in der Struktur fest verankert bleibt. Bei dem Beispiel hier ist festzuhalten, dass nicht nur Dotierstoffe im Netzwerk aus Nanoporen, sondern auch das über Sauerstoff stabilisierte Siliziumnetzwerk selbst als galvanische, reaktive Spezies in der Elektrodenstruktur dienen kann. Man weiß, dass zum Beispiel Fluss-Säure das Si-O-Netzwerk in DLN selektiv anätzen kann (vgl. V. Dorfman: "Diamond-like nanocomposites (DLN)", Thin Solid Films 212, 267–273 (1992)).

Beispiel 2: Leitendes Carbid als funktionelles Material

Die Übergangsmetallcarbide haben hohe Schmelzpunkte, zeigen gute Eigenschaften hinsichtlich Verschleißfestigkeit und sind chemisch stabil. Viele der Übergangsmetalle sind auch gute Leiter. Hier liegt der Schwerpunkt auf Tantalcarbid (TaC), Titancarbid (TiC), Zirkoniumcarbid (ZrC) und Hafniumcarbid (HfC). Besonders bei TiC besteht Interesse, es mit den vorliegenden Ti-Elektroden zu kombinieren. Diese Verbindungen bilden sich in der NaCl-Struktur aus und haben eine komplexe Kombination aus metallischen, kovalenten und kleineren Anteilen von ionischen Bindungen. Der spezifische Widerstand hängt von der Perfektheit des Kristallgitters ab und beträgt typischerweise 30 bis 50 × 10–8 &OHgr;m.

Dünnfilme aus diesem Material werden typischerweise mittels Glimmentladungstechniken gebildet, z.B. durch reaktive Magnetron-Kathodenzerstäubung. Verfahren zur Bildung qualitativ hochwertiger Dünnschichten sind in der Entwicklung weit fortgeschritten und die Materialien werden beispielsweise als Diffusionsbarrieren, verschleißfeste Überzüge und optische Beschichtungen verwendet.

Beispiel 3: Leitendes Oxid als funktionelles Material

Darunter fallen binäre oder ternäre Oxide, dotiert/undotiert. Typische Abscheideverfahren sind chem. Dampfabscheidung/Aufschleudern (Sn2O3:In, SnO2:F, ZnO:Al) und Kathodenzerstäubung (LSMO, z.B. Lanthan-Strontium-Metalloxide, RuO, IrO2, ITO).

Beispiel 4: Leitende Boride als funktionelles Material

Darunter fallen HfB, ZrB, CrB.

Beispiel 5: Leitende Nitride als funktionelles Material

Nitridverbindungen haben spezifische Leitfähigkeiten, die einen weiten Bereich abdecken und die Materialien sich wie ein Metall, Halbleiter oder Isolierstoff verhalten lassen. Besonders die Übergangsmetallnitride haben großes wissenschaftliches Interesse auf sich gezogen. Diese Materialien haben hohe Schmelzpunkte, zeigen gute Eigenschaften hinsichtlich Verschleißfestigkeit und sind chemisch stabil. Viele der Übergangsmetallnitride sind auch gute Leiter. Hier sind die Nitride der Gruppe 4A hervorzuheben; Titannitrid (TiN), Zirkoniumnitrid (ZrN) und Hafniumnitrid (HfN). Besonders bei TiN besteht Interesse, es mit Ti-Elektroden zu kombinieren. Diese Verbindungen bilden sich in der NaCl-Struktur aus und haben eine komplexe Kombination aus metallischen, kovalenten und ionischen Bindungen. Der spezifische Widerstand hängt von der Perfektheit des Kristallgitters ab und beträgt typischerweise 20 bis 30 × 10–8 &OHgr;m. Dünnfilme dieser Art werden typischerweise mittels Glimmentladungstechniken gebildet, z.B. durch reaktive Magnetron-Kathodenzerstäubung. Verfahren zur Bildung qualitativ hochwertiger Filme sind in der Entwicklung weit fortgeschritten und die Materialien werden beispielsweise als Diffusionsbarrieren, verschleißfeste Überzüge und optische Beschichtungen verwendet. Darüber hinaus können noch Nitride der Gruppe 5A wie TaN, VN, NbN und Nitride der Gruppe 6A wie CrN verwendet werden.

Bezüglich einschlägiger Literatur siehe z.B.: Transition metal carbide and nitrides von Louis E. Toth, Academic Press 1971; wissenschaftliche Abhandlungen von J. E. Greene, J.E. Sundgren, L. G. Hultman etc.

Beispiel 6: Leitendes Polymer als funktionelles Material

Die ersten hoch leitfähigen Polymere wurden vor über ca. 25 Jahren synthetisiert, und zwar unter Entwicklung (H. Shirakawa) eines silbrigen, voll transparenten Polyacetylens (PA) und darauf folgendem Dotieren (H. Shirakawa, E. J. Louis, A. G. McDiarmid, C. K. Chiang und A. J. Heeger; J. Chem. Soc. Chem. Comm. (1977) 579) desselben Materials unter Verwendung von z.B. I2. Die spezifischen Leitfähigkeiten dieser Dünnschichten stellten sich als in der Größenordnung von 103 (&OHgr;cm)–1 liegend heraus. Bald hat man entdeckt, dass auch andere konjugierte Polymere wie Poly(p-Phenylen) (PPP), Polypyrrol (PPy), Poly(p-Phenylenvinylen) (PPV), Polythiophen (PT) und Polyanilin (PANI) dotiert werden konnten. Ein Nachteil bei diesen Materialien besteht jedoch darin, dass sie nicht verarbeitbar waren.

Mitte der 80er Jahre wurde aufgezeigt, dass man konjugierte Polymere verarbeiten konnte (sowohl in flüssige als auch schmelzflüssige Form bringen konnte), wenn man Polythiophen Alkyl-Seitenketten zusetzte, was Poly(3-Alkylthiophen) (P3AT) ergab. Möglichkeiten zur Dotierung dieser Materialien wurden auch aufgezeigt (Sato, Tanaka, Kaeriyama; Synthetic Metals 18 (1987) 229), aber die Stabilität war schlecht (G. Gustafsson, O. Inganäs, J. O. Nilsson, B. Liedberg, Synthetic Metals 31 (1988) 297).

In den darauf folgenden Jahren wurden die leitenden Polymere weiterentwickelt, was zu Material führte, das auch im dotierten Zustand verarbeitbar war (z.B. Polyanilin Dodecylbenzolsulfonsäure, PANI DBSA) und löslich (z.B. Poly(ethylendioxythiophen) mit Polystyrolsulfonsäure, PEDOT-PSS). Heutige leitende Polymere mit spezifischen Leitfähigkeiten im Bereich von 102(?) bis 105 (&OHgr;cm)–1 sind für eine große Anzahl an Anwendungen im Markt eingeführt.

Beispiel 7: Leitende Silicide als funktionelles Material

Hierzu zählt TiSi2.

Beispiel 8: Andere Arten funktioneller Materialien

Diese umfassen graphitischen Kohlenstoff, Fullerene wie C 60 (Buckminster-Fulleren) und Substanzen mit Cyano-(CN)-Einheiten.

In der erfindungsgemäßen Speicherschaltung ist das Speichermaterial in der Speicherzelle vorzugsweise ein ferroelektrisches oder Elektret-Speichermaterial. Dieses Material kann vorteilhafter Weise Polyvinylidendifluorid-Trifluorethylen (PVDF-TrFE) sein, das gegenwärtig als das am weitesten verbreitete und am besten verstandene Speichermaterial auf Polymerbasis angesehen werden kann. Das Speichermaterial soll zwischen Elektroden geschichtet sein, um eine vollständige Speicherschaltung zu bilden, wobei diese Elektroden üblicherweise aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium, Platin, Titan, Kupfer oder Legierungen aus deren Verbindungen bestehen. Das Elektrodenmaterial soll in jedem Fall eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Ein Problem, das Fachleuten auf diesem Gebiet in diesem Zusammenhang hinlänglich bekannt ist und in der Literatur eingehend erörtert wurde, ist die Notwendigkeit, die Elektroden als Metallisierung direkt auf dem Speichermaterial aus Polymer vorzusehen, das von Natur aus einen viel niedrigeren Schmelzpunkt als das Elektrodenmaterial hat. Im Grunde tritt dasselbe Problem auch dann auf, wenn die erfindungsgemäßen funktionellen Materialien der verschiedenen bevorzugten, zuvor erläuterten Arten in der Speicherschaltung der Erfindung vorgesehen werden sollen. Je nach der tatsächlichen, zu realisierenden weiteren Ausführungsform stellt sich dieses Problem in seiner Erscheinung immer etwas anders dar. Allgemein wird das Elektrodenmaterial einer ersten Elektrode, z.B. der Elektrode 1a, in der Speicherschaltung vorgesehen, indem es beispielsweise durch physikalische oder chemische Dampfabscheidung auf einem nicht gezeigten Substrat abgeschieden wird. Bei der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform kann das funktionelle Material auch in einen entsprechenden Dampfabscheidungsprozess mit einbezogen sein, der zur Bildung einer Elektrode 1a führt, die das funktionelle Material gleichmäßig im Elektrodenmaterial verteilt umfasst. Als Alternative kann Elektrodenmaterial ohne Beimengungen in einer anfänglichen Stufe des Prozesses wie zuvor durch physikalische oder chemische Dampfabscheidung abgeschieden werden, woraufhin in nachfolgenden Prozessstufen funktionelles Material in steigenden Mengen zugesetzt wird. Dann kann in verschiedenen Prozessstufen die Abscheidung von einem oder mehreren funktionellen Materialien erfolgen, was zu einer geschichteten oder abgestuften Verteilung dieser Materialien in einem Abschnitt des Elektrodenmaterials angrenzend an seine Oberfläche führt, wo eine nachfolgende Abscheidung des Speichermaterials durch einen Aufschleuder- oder Tauchbeschichtungsprozess stattfinden kann. Da das Speichermaterial mit seinem niedrigen Schmelzpunkt nun auf einer verfestigten Schicht aus Elektrodenmaterial abgeschieden ist, die ein oder mehrere funktionelle Materialien in sich trägt, gibt es bei einem darauf folgenden Prozessschritt für gewöhnlich keinerlei Probleme mit der thermischen sowie chemischen Kompatibilität. Wenn jedoch eine zweite Elektrode (z.B. 1b) mit einem oder mehreren zugesetzten funktionellen Materialien auf dem Speichermaterial auf Polymerbasis abgeschieden werden soll, sollte besonders darauf geachtet werden, diesen weiteren Abscheideprozess zu vermeiden, der sich auf das zuvor bereitgestellte Polymer-Speichermaterial nachteilig auswirkt. Bei der Bildung der ursprünglichen, entweder aus Elektrodenmaterial oder funktionellem Material bestehenden Dünnschicht auf der Oberfläche des Polymer-Speichermaterials sollte also eine physikalische oder chemische Dampfabscheidung verwendet werden, die einen geringen Wärmeeintrag in das Polymermaterial mit sich bringt. Beispielsweise sollte der Eintrag von Wärmeenergie in das Polymer-Speichermaterial bei dieser Stufe ausreichend weit unterhalb eines bestimmten Werts gehalten werden, um den Aufbau von Wärmeenergie in einem Volumenelement des Speichermaterials zu vermeiden, die größer als deren Schmelzwärme ist.

Sobald das Speichermaterial mit einem ersten Dünnfilm aus funktionellem Material bzw. Elektrodenmaterial oder mit einer dazu gegebenen Beimischung beschichtet ist, kann der Abscheideprozess mit Verlass darauf weiterlaufen, dass der bereits aufgelegte Dünnfilm über eine ausreichend hohe Wärmeableitungskapazität verfügt, so dass das Speichermaterial keinen nachteiligen Einflüssen mehr unterliegt. Es wäre festzuhalten, dass die obigen den Prozess betreffenden Betrachtungen allgemein gelten und ungeachtet dessen, ob das funktionelle Material als Beimischung im Elektrodenmaterial vorgesehen ist oder in einem separaten Prozess aufgelegt wurde und dessen Oberflächenschicht oder Zwischenschichten zwischen den Elektroden und dem Speichermaterial bildet, wie z.B. in 3 gezeigt ist. Es wäre auch festzuhalten, dass das funktionelle Material über Mittel und Wege abgeschieden werden kann, wie sie kurz in Zusammenhang mit dem oben genannten Beispiel 2 oder Beispiel 5 erwähnt wurden.

Wenn ein leitendes Polymer als funktionelles Material verwendet wird, kann dieses nicht mit einem herkömmlichen, also metallischen Elektrodenmaterial gemischt werden, sondern sollte in jedem Fall an dessen Oberfläche abgeschieden werden, womit sich eine Zwischenschicht in der Speicherschaltung der Erfindung bildet. Wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt wurde und es dem Stand der Technik entspricht, sind Versuche unternommen worden, leitendes Polymer als einziges Elektrodenmaterial zu verwenden, z.B. um auf diese Weise metallische Elektroden gänzlich zu vermeiden. Da sich aber das leitende Polymer von einem Speichermaterial auf Polymerbasis chemisch unterscheidet, besteht immer noch die Möglichkeit einer Zersetzung beider Materialien, und zwar aufgrund einer Migration von mobilen Ladungen und/oder neutralen Partikeln zwischen beiden, deren Verhinderung ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist. Also kann im Falle des Einsatzes von Elektroden, die nur aus leitendem Polymermaterial bestehen, das funktionelle Material vorteilhafter Weise in derartige Elektroden als deren Dotierstoffe eingebracht werden, damit die Elektroden nun die erforderlichen Leitungs- und Ladungsübertragungsfunktionen mit den gewünschten Effekten eines funktionellen Materials vollständig in sich vereinen, nämlich die Einlagerung von atomaren oder molekularen Spezies, die im Elektrodenmaterial oder Speichermaterial enthalten sind und zu einer Migration zwischen diesen neigen.

Schließlich wäre noch festzuhalten, dass sich auch Komplikationen vermeiden lassen, die mit einem herkömmlichen Metallisierungs- oder Abscheideprozess für Refräktär-Elektrodenmaterial einhergehen, indem im dritten Prozessschritt die zweite Elektrode mit einem funktionellen Material versehen wird, entweder eingelagert oder zusammen mit einer oder mehreren Oberflächenschichten, was den Einsatz eines zusätzlichen, nicht gezeigten Substrats oder Trägers aus beispielsweise einem geeigneten elektrisch isolierenden Material bedingt, wonach die zweite Elektrodenschicht und/oder gegebenenfalls die Schichten des funktionellen Materials in einem Niedrigtemperaturprozess schichtweise auf das Speichermaterial aufgetragen werden. Dies könnte besonders zum Vorteil gereichen, wenn man auch die Tatsache berücksichtigt, dass dann jegliche Diffusion eines funktionellen Materials und/oder Elektrodenmaterials in das Speichermaterial unterbunden werden kann.

Wie es Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt ist, sollte klar sein, dass alle Schichten der Speicherschaltung, ungeachtet dessen, ob sie Elektrodenschichten, eine Schicht aus Speichermaterial oder Zwischenschichten aus funktionellem Material sind, als Dünnfilme mittels irgendeinem der hier erwähnten Abscheideprozesse abgeschieden werden können. Dies sollte für Fachleute offensichtlich und von hoher Relevanz sein, da z.B. ferroelektrische, auf organischem Material wie ferroelektrischen Polymeren basierende Speicher heutzutage einzig und allein in Form von Dünnfilmbauelementen vorgesehen werden.


Anspruch[de]
  1. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C), insbesondere eine ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung mit verbesserter Ermüdungsbeständigkeit, die eine Speicherzelle mit einem ferroelektrischen oder Elektret-Speichermaterial (2) umfaßt, das eine Hysterese aufweist und in einen positiven oder negativen Polarisationszustand mit einem gegebenen Polarisationswert polarisiert werden kann, wobei das ferroelektrische oder Elektret-Speichermaterial ein Polymer- oder Oligomermaterial oder Mischungen oder Verbundwerkstoffe mit Materialien dieser Art ist, und wobei eine erste und zweite Elektrode (1a, 1b) das Speichermaterial in eine Anordnung direkt oder indirekt kontaktierend so vorgesehen sind, daß durch Anlegen entsprechender Spannungen an die Elektroden über das Speichermaterial (2) eine Potentialdifferenz erzeugt werden kann, um eine unpolarisierte Speicherzelle zu polarisieren oder eine Umschaltung zwischen einem Polarisationszustand der Speicherzelle und dem entgegengesetzten Polarisationszustand oder eine vorübergehende Änderung beim Polarisationszustand oder dem Wert davon in der Speicherzelle zu induzieren, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden (1a; 1b) mindestens ein funktionelles Material (3) umfaßt, das ausgewählt ist unter einem oder mehreren der folgenden, nämlich ein diamantartiges Nanocomposite-Dünnfilmmaterial, ein leitendes Karbidmaterial, ein leitendes Oxidmaterial, ein leitendes Boridmaterial, ein leitendes Nitridmaterial, ein leitendes Silicidmaterial, ein leitendes Material auf Kohlenstoffbasis oder leitendes Polymer- oder Copolymermaterial, wobei das mindestens eine funktionelle Material zur physikalischen und/oder chemischen Volumeninkorporation von atomaren oder molekularen Spezies, die entweder in dem Elektrodenmaterial oder dem Speichermaterial (2) der Speicherzelle enthalten sind, in der Lage ist und eine Neigung zum Migrieren in Form beweglicher geladener und/oder neutraler Teilchen von einem Elektrodenmaterial in das Speichermaterial (2) oder von letzterem in ersteres aufweist, wodurch ein nachteiliger Effekt auf die funktionellen Eigenschaften entweder des Elektrodenmaterials oder des Speichermaterials (2) der Speicherzelle ausgeglichen werden kann.
  2. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine funktionelle Material (3) entweder getrennt oder in Verbindung elektrische und/oder chemische Eigenschaften aufweist, die mit denen des Elektrodenmaterials kompatibel sind.
  3. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine funktionelle Material (3) eine Elektrizitätskonstante aufweist, die etwa gleich oder größer ist als die des Speichermaterials (2).
  4. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine funktionelle Material (3) eine Elektrizitätskonstante aufweist, die nach Inkorporation der atomaren oder molekularen Spezies im wesentlichen unverändert bleibt.
  5. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine funktionelle Material (3) eine spezifische Leitfähigkeit aufweist, die nach Inkorporation der atomaren oder molekularen Spezies im wesentlichen unverändert bleibt.
  6. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine funktionelle Material (3) gleichmäßig in dem Elektrodenmaterial verteilt bereitgestellt wird.
  7. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine funktionelle Material (3) in einem Abschnitt des Elektrodenmaterials bereitgestellt wird, der sich bis zu einer Oberfläche der mindestens einen Elektrode (1a; 1b) erstreckt und das Speichermaterial (2) kontaktiert.
  8. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr funktionelle Materialien (3) in jeweiligen getrennten Lagen des Abschnitts des Elektrodenmaterials bereitgestellt sind.
  9. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine funktionelle Material (3) in einer oder mehreren Oberflächenschichten (3a; 3b) der mindestens einen Elektrode (1a; 1b) bereitgestellt ist, wobei die eine oder mehreren Oberflächenschichten (3a; 3b) als eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen der mindestens einen Elektrode (1a; 1b) und dem Speichermaterial 2 bereitgestellt sind.
  10. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr funktionelle Materialien (3) in jeweils zwei oder mehr Zwischenschichten (3a, 4a; 3b, 4b) bereitgestellt sind.
  11. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Karbidmaterial eines oder mehrere der folgenden ist, nämlich Tantalkarbid, Titankarbid, Zirconiumkarbid oder Hafniumkarbid.
  12. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Oxidmaterial eines oder mehrere der folgenden ist, nämlich binäre Oxide, ternäre Oxide, dotierte oder undotierte binäre Oxide oder dotierte oder undotierte ternäre Oxide.
  13. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Boridmaterial eines oder mehrere der folgenden ist, nämlich Hafniumborid, Zirconiumborid oder Chromborid.
  14. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Nitridmaterial eines oder mehrere der folgenden ist, nämlich Titannitrid, Zirconiumnitrid, Hafniumnitrid, Tantalnitrid, Vanadiumnitrid, Niobnitrid oder Chromnitrid.
  15. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Silicidmaterial Titansilicid ist.
  16. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material auf Kohlenstoffbasis eine oder mehrere der folgenden ist, nämlich graphitischer Kohlenstoff, Fullerene oder Substanzen mit Cyano (CN) Einheiten.
  17. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Polymer- oder Copolymermaterial ausgewählt ist als eines oder mehrere der folgenden, nämlich dotiertes Polypyrrol (PPy), dotierte Derivate von Polypyrrol (PPy), dotiertes Polyanilin, dotierte Derivate von Polyanilin, dotierte Polythiophene und dotierte Derivate von Polythiophenen.
  18. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ferroelektrische oder Elektret-Polymer-Speichermaterial als eines oder mehrere der folgenden ausgewählt ist, nämlich Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinyliden mit einem beliebigen seiner Copolymere, Terpolymere auf der Basis entweder von Copolymeren oder PVDF-Trifluorethylen (PVDF-TrFE), ungradzahligen Nylons, ungradzahligen Nylons mit einem beliebigen ihrer Copolymere, Cyanopolymere und Cyanopolymere mit beliebigen ihrer Copolymere.
  19. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial ausgewählt ist als eines der folgenden Materialien, nämlich Aluminium, Platin, Gold, Titan, Kupfer oder Legierungen oder Verbundwerkstoffe davon.
  20. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermaterial (2) in der Speicherschaltung (C) mit Hilfe physikalischer oder chemischer Dampfabscheidung oder mit Hilfe von Aufschleuder- oder Tauchbeschichtungsprozessen vorgesehen wird, wobei das Elektrodenmaterial in der Speicherschaltung (C) mit Hilfe physikalischer oder chemischer Dampfabscheidung vorgesehen wird und das mindestens eine funktionelle Material (3) in der Speicherschaltung (C) mit Hilfe physikalischer oder chemischer Dampfabscheidung oder über einen Prozeß auf Lösungsbasis bereitgestellt wird.
  21. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermaterial (2), die erste und zweite Elektrode (1a; 1b) und gegebenenfalls die mindestens eine Zwischenschicht (3a, 3b) alle als Dünnfilme in der Speicherschaltung vorgesehen sind, wobei letztere im wesentlichen als ein Dünnfilmbauelement realisiert wird.
  22. Ferroelektrische oder Elektret-Speicherschaltung (C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Speicherschaltungen (C) die Speicherschaltungen in einem matrixadressierbaren Array bilden, daß die Speicherzeilen der Speicherschaltungen (C) deutlich ausgeprägte Abschnitte in einer globalen Schicht (2) eines ferroelektrischen oder Elektret-Dünnfilmspeichermaterials bilden, daß die erste und zweite Elektrode (1a; 1b) Abschnitte des ersten bzw. zweiten Elektrodenmittels bilden, wobei jedes Elektrodenmittel mehrere parallele streifenartige Elektroden (1a; 1b) umfaßt, wobei die Elektroden (1b) des zweiten Elektrodenmittels unter einem Winkel, bevorzugt orthogonal, zu den Elektroden (1a) des ersten Elektrodenmittels orientiert sind und die ferroelektrische oder globale Elektret-Dünnfilmschicht (2) derartig dazwischen geschichtet ist, daß die Speicherzellen der Speicherschaltungen (C) in der globalen Dünnfilmschicht (2) an den Kreuzungen jeweils der Elektroden (1a; 1b) des ersten Elektrodenmittels und den Elektroden des zweiten Elektrodenmittels definiert sind, wodurch das Array aus Speicherschaltungen (C), das durch die Elektrodenmittel und die globale Schicht (2) des Speichermaterials mit den Speicherzellen gebildet ist, ein integriertes passives matrixadressierbares ferroelektrisches oder Elektret-Speicherbauelement realisiert, wobei das Adressieren von jeweiligen Speicherzellen für Schreib- und Leseoperationen über die Elektroden (1a; 1b) der Elektrodenmittel in einer geeigneten Verbindung mit einer äußeren Schaltung für das Antreiben, Steuern und Detektion stattfindet.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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