DE10297115B4 - Mehrlagiger Phasenübergangsspeicher, insbesondere Speicherzelle und Verfahren zur Herstellung - Google Patents
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Abstract
Verfahren,
mit den Schritten:
– Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (12) und Bilden einer Isolationsschicht (16, 18, 20) auf dem Halbleitersubstrat (12),
– Bilden einer Pore in der Isolationsschicht (16, 18, 20),
– Nacheinander Bilden von einer ersten Schicht (22) eines Chalcogenidmaterials, einem Nicht-Phasenübergangsmaterial (24) auf der ersten Schicht (22), und einer zweiten Schicht (26) eines Chalcogenidmaterials auf dem Nicht-Phasenübergangsmaterial (24), wobei die erste und zweite Schicht (22, 26) und das Nicht-Phasenübergangsmaterial (24) in der Pore ausgebildet sind.
– Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (12) und Bilden einer Isolationsschicht (16, 18, 20) auf dem Halbleitersubstrat (12),
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Description
- Hintergrund
- Die Erfindung betrifft allgemein Speicher, die Phasenübergangsmaterialien verwenden.
- Phasenübergangsmaterialien können mindestens zwei verschiedene Zustände aufweisen. Die Zustände können amorpher und kristalliner Zustand genannt werden. Die Übergänge zwischen diesen Zuständen können gezielt, z. B. durch Temperaturänderungen, hervorgerufen werden. Die Zustände können unterschieden werden, weil der amorphe Zustand im Allgemeinen einen höheren Widerstand aufweist als der kristalline Zustand. Der amorphe Zustand umfasst eine ungeordnetere Atomstruktur, und der kristalline Zustand eine geordnetere Atomstruktur. Im Allgemeinen kann jedes Phasenübergangsmaterial verwendet werden, jedoch sind in einigen Ausführungsformen Dünnfilm-Chalcogenid-Legierungen besonders geeignet.
- Der Phasenübergang kann reversiv durchgeführt werden. Daher kann der Zustand des Speicher von amorph zu kristallin und anschließend zurück zu amorph oder umgekehrt wechseln. Tatsächlich kann jede Speicherzelle als programmierbarer Widerstand angesehen werden, der abhängig von den Temperaturänderungen reversiv zwischen Zuständen mit höherem und Zuständen mit niedrigerem Widerstand wechselt. Die Temperaturänderungen können durch Widerstandsheizen hervorgerufen werden.
- In einigen Situationen können die Zellen eine große Anzahl von Zuständen einnehmen. Denn, weil jeder Zustand durch seinen Widerstand unterschieden werden kann, kann eine Anzahl von durch den Widerstand bestimmten Zuständen möglich sein, die das Speichern von mehreren Datenbits in einer einzigen Zelle ermöglichen.
- Eine Vielzahl von Phasenübergangslegierungen ist bekannt. Im Allgemeinen enthalten Chalcogenid-Legierungen ein oder mehrere Elemente der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems. Eine besonders geeignete Gruppe von Legierungen sind GeSbTe-Legierungen.
- Ein Phasenübergangsmaterial kann innerhalb eines Durchgangs oder Pore durch ein dielektrisches Material gebildet werden. Das Phasenübergangsmaterial kann mit Elektroden auf beiden Seiten des Durchgangs verbunden werden. Die Kontakte können Strom durch den Durchgang leiten, um die Zelle durch Widerstandsheizen zu programmieren oder den programmierten Zustand der Zelle auszulesen.
- Aktuelle Phasenübergangsspeicher verlassen sich lediglich auf die schlechte thermische Leitfähigkeit des Chalcogenidmaterials für den Phasenübergangsspeicher, um das programmierbare Volumen bezüglich eines Wärmeverlustes über die obere Elektrode thermisch zu isolieren. Folglich muss die Dicke der Chalcogenidschicht erhöht werden, um eine bessere thermische Isolation und somit ein Energie effizienteres Programmieren des programmierbaren Volumens zu erreichen. Ein Erhöhen der Schichtdicke erhöht jedoch auch das Volumen des Materials, das einen Phasenübergang während des Programmierens durchlaufen kann. Das Erhöhen des Volumens des Materials, das den Phasenübergang durchlaufen kann, kann negativ die Zuverlässigkeit, Stabilität und Lebenszeit des Speichers beeinflussen.
- Aus
EP 1 202 285 A2 , die zum Stand der Technik im Sinne von § 3 Abs.2 Nr.2 PatG gehört, ist ein Phasenübergangsspeicher und ein Verfahren zur Herstellung eines Phasenübergangsspeichers zum Speichern von Informationen unter Ausnutzung eines reversiblen Phasenüberganges in einem Phasenübergangsmaterial bekannt. Es werden dabei auf einem Substrat, z. B. einem Siliziumsubstrat, nacheinander mehrere Speicherschichten aus einem Phasenübergangsmaterial mit dazwischen liegenden Zwischenschichten aus einem Nicht-Phasenübergangsmaterial aufgetragen. Die vorgenannten Schichten werden planar übereinander abgeschieden. - Ein ähnliches Verfahrens und eine ähnliche Struktur ist aus
EP 1 187 119 A2 bekannt, die auch zum Stand der Technik im Sinne von § 3 Abs.2 Nr.2 PatG gehört. Ferner werden unterschiedliche Phasenübergangsmaterialien für eine erste Speicherschicht und eine zweite Speicherschicht verwendet. - In der
WO 98/193350 A1 - Aus der
US 5 970 372 A ist eine entsprechende Speicherzelle, aber nicht die Verwendung eines Chalcogenidmaterials bekannt. - Ziel der Erfindung ist es, einen einfach herstellbaren Phasenübergangsspeicher mit verbesserten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
- Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 bereitgestellt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Speicherzelle nach Anspruch 9 bereitgestellt. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
- Kurzbeschreibung der Zeichnung
- Es zeigen:
-
1 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines anfänglichen Verfahrensstandes der Herstellung des in1 gezeigten Bauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform, die in2 gezeigt ist, bei einem nachfolgenden Verfahrensstand der Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform, die in3 gezeigt ist, bei einem weiter nachfolgenden Verfahrensstand der Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht gemäß4 bei einem noch weiter nachfolgenden Verfahrensstand der Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform, die in5 gezeigt ist, bei einem späteren Zustand der Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Detaillierte Beschreibung
- Mit Bezug auf
1 kann ein Phasenübergangsspeicher10 auf einem für einen integrierten Schaltkreis geeigneten Substrat12 gebildet werden. Der Phasenübergangsspeicher10 kann eine untere Elektrode14 aufweisen, die in einer Ausführungsform aus Kobalsilizid hergestellt sein kann. Eine obere Elektrode28 bedeckt eine untere programmierbare Phasenübergangsschicht22 und eine obere Phasenübergangsschicht26 . Zwischen den Phasenübergangsschichten22 und26 ist eine chemische Barriereschicht24 angeordnet. - Die Pore des Phasenübergangsspeichers
10 kann durch einen Seitenwand-Spacer20 festgelegt sein, indem der Kontaktbereich zwischen der unteren Elektrode14 und der Phasenübergangsschicht22 eine Größe aufweisen kann, die durch den Abstand zwischen den zylindrischen Seitenwand-Spacer20 bestimmt ist. Bei einer Ausführungsform kann die Pore, die die Phasenübergangsschichten22 und26 enthält, in einer Öffnung gebildet sein, die in einem Paar von Isolationsschichten ausgebildet ist, wie beispielsweise die obere Isolationsschicht18 und die untere Isolationsschicht16 . Die obere Isolationsschicht18 kann in einer Ausführungsform Siliziumdioxid sein, und die untere Isolationsschicht16 kann in einer Ausführungsform Siliziumnitrit sein. - Wenngleich eine Struktur dargestellt ist, bei der zwei Schichten des Phasenübergangsmaterials verwendet werden, können mehr Schichten bei anderen Ausführungsformen verwendet werden. Die Dicke der ersten Phasenübergangsschicht
22 kann im Bereich von 30,0–50,0 nm liegen. Die Dicke dieser Schicht kann so gewählt sein, um die vertikale Dimension des programmierbaren Volumens zu reduzieren. Die Phasenübergangsschicht22 kann in einer becherförmigen Öffnung abgeschieden sein, die durch die Seitenwand-Spacer20 gebildet ist, was zu einer becherförmigen Ausbildung der Phasenübergangsschicht22 führt. Eine ähnliche Form nimmt dadurch auch die Barriereschicht24 und die darüber liegende Phasenübergangsschicht26 an. Bei einer Ausführungsform können die Phasenübergangsschichten22 und26 durch Aufdampfen bzw. Abscheiden aus der Gasphase gebildet werden. - Die Barriereschicht
24 stellt eine chemische Barriere zu der unteren programmierbaren Phasenübergangsschicht22 und der darüber liegenden Phasenübergangsschicht26 dar. Die darüber liegende Phasenübergangsschicht26 kann bei einigen Ausführungsformen hauptsächlich zur thermischen Isolierung vorgesehen sein. Die Barriereschicht24 kann eine adäquate elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so dass der Programmierstrom, der durch die programmierbare Phasenübergangsschicht22 hindurch läuft, lateral um die Widerstandsbereiche der thermisch isolierenden Phasenübergangsschicht26 fließen und in Kontakt mit den leitfähigen Bereichen dieser Schicht, die von dem Programmierbereich entfernt angeordnet sind, treten kann. - Typische Dicken der Barriereschicht
24 können im Bereich von 5,0–20,0 nm liegen. Die thermisch isolierende Phasenübergangsschicht26 kann auch durch in situ Aufdampfen auf die Barriereschicht24 abgeschieden werden. Die thermisch isolierende Phasenübergangsschicht26 kann aus der gleichen Verbindung wie die programmierbare Phasenübergangsschicht22 hergestellt sein, oder sie kann aus einer Reihe von verfügbaren Chalcogenidmaterialien mit einer schlechten thermischen Leitfähigkeit ausgewählt sein. Bei einer Ausführungsform ist es vorteilhaft, dass die Schicht26 eine thermische Leitfähigkeit von weniger als 10–2 W/cm·K und eine gute elektrische Leitfähigkeit, z. B. von mehr als 40 Ω–1 cm–1 aufweist. Die Dicke der Schicht26 kann im Bereich von 10,0 bis mehr als 100,0 nm liegen. - Mit Bezug auf
2 kann eine Maske30 auf einer Stapelanordnung gebildet werden, die das Substrat12 , das von der unteren Elektrode14 , der ersten isolierenden Schicht16 , und der zweiten isolierenden Schicht18 bedeckt ist, umfasst. - Mit Bezug auf
3 kann eine Öffnung32 durch die Isolationsschichten16 und18 geätzt werden, die an der unteren Elektrode14 endet. Bei einer Ausführungsform kann ein Ätzmittel, das bezüglich der Schichten16 und18 selektiv ist und bezüglich der Elektrode14 weniger effektiv ist, verwendet werden. Anschließend kann das isolierende Material20 in die Öffnung32 und über die Schicht18 , wie in4 gezeigt, abgeschieden werden. Eine Vielzahl von Isolationsschichten kann verwendet werden, inklusive Oxid. Bei einer Ausführungsform kann ein Tetraethylorthosilicatoxid(TEOS)-Abscheidungsprozeß verwendet werden. Die abgeschiedene Schicht20 wird dann anisotrop geätzt, um den zylindrischen Seitenwand-Spacer20 , wie in5 gezeigt, zu bilden. - Der Seitenwand-Spacer
20 und die Isolationsschicht18 können dann mit der programmierbaren Phasenübergangsschicht22 beschichtet werden. Die Schicht22 kann dann mit der Barriereschicht24 und der isolierenden Phasenübergangsschicht26 beschichtet werden. Abschließend kann die obere Elektrode28 abgeschieden werden. Aufgrund der Anwesenheit der Seitenwand-Spacer20 nimmt jede der Schichten22 ,24 ,26 und28 bis zu einem gewissen Grad eine becherartige Form an. Die Struktur, die in6 gezeigt ist, kann dann strukturiert und geätzt werden, um die Struktur, die in1 gezeigt ist, gemäß einigen Ausführungsformen zu erhalten. - Durch die Verwendung von mehreren Chalcogenidschichten erhält die Speicherzelle
10 in vorteilhafter Weise eine verbesserte thermische Isolierung. Gleichzeitig kann das Volumen des Materials, das einen Phasenübergang während des Programmierens durchläuft, relativ klein gehalten werden. Mit anderen Worten kann der isolierende Effekt der kombinierten Schichten22 und26 den Wärmeverlust aus dem Speicher10 reduzieren, und so die Effizienz der Programmierung verbessern. Gleichzeitig ist es nicht notwendig, die Isolationsschicht26 zu programmieren, wodurch das Materialvolumen, das die Phasenübergange während des Programmierens durchlaufen muss, reduziert wird. Dies kann die Zuverlässigkeit, Stabilität und Lebensdauer des Speichers10 in einigen Ausführungsformen verbessern.
Claims (18)
- Verfahren, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (
12 ) und Bilden einer Isolationsschicht (16 ,18 ,20 ) auf dem Halbleitersubstrat (12 ), – Bilden einer Pore in der Isolationsschicht (16 ,18 ,20 ), – Nacheinander Bilden von einer ersten Schicht (22 ) eines Chalcogenidmaterials, einem Nicht-Phasenübergangsmaterial (24 ) auf der ersten Schicht (22 ), und einer zweiten Schicht (26 ) eines Chalcogenidmaterials auf dem Nicht-Phasenübergangsmaterial (24 ), wobei die erste und zweite Schicht (22 ,26 ) und das Nicht-Phasenübergangsmaterial (24 ) in der Pore ausgebildet sind. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Schicht (
22 ,26 ) aus demselben Material gebildet werden. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Schicht (
22 ,26 ) aus verschiedenen Materialien gebildet werden. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Nicht-Phasenübergangsmaterial (
24 ) leitfähig ausgebildet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Seitenwand-Spacer (
20 ) seitlich an der Pore gebildet wird. - Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste und zweite Schicht (
22 ,26 ) und das Nicht-Phasenübergangsmaterial (24 ) auf dem Seitenwand-Spacer (20 ) gebildet werden. - Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Kontakt (
14 ) auf dem Halbleitersubstrat (12 ) gebildet wird, und der Seitenwand-Spacer (20 ) auf dem Kontakt (14 ) angeordnet ist. - Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Kontakt (
14 ) mit der ersten Schicht (22 ) kontaktiert wird. - Speicherzelle, umfassend: – ein Halbleitersubstrat (
12 ), – eine auf dem Halbleitersubstrat (12 ) angeordnete Isolationsschicht (16 ,18 ,20 ), die eine Pore aufweist, – eine erste Schicht (22 ) eines Chalcogenidmaterials, eine zweite Schicht (26 ) eines Chalcogenidmaterials und ein dazwischenliegendes Nicht-Phasenübergangsmaterial (24 ), das die erste Schicht (22 ) von der zweiten Schicht (26 ) vollständig trennt, wobei die erste und zweite Schicht (22 ,26 ) und das Nicht-Phasenübergangsmaterial (24 ) in der Pore ausgebildet sind. - Speicherzelle nach Anspruch 9, wobei die erste und die zweite Schicht (
22 ,26 ) aus verschiedenen Chalcogenidmaterialien bestehen. - Speicherzelle nach Anspruch 9, wobei die erste und zweite Schicht (
22 ,26 ) eines Chalcogenidmaterials aus demselben Material bestehen. - Speicherzelle nach Anspruch 9, wobei das Nicht-Phasenübergangsmaterial (
24 ) ein Leiter ist. - Speicherzelle nach Anspruch 9, die einen elektrischen Kontakt (
14 ), der auf dem Halbleitersubstrat (12 ) gebildet ist, umfasst. - Speicherzelle nach Anspruch 9, die einen Seitenwand-Spacer (
20 ) aufweist, der seitlich an der Pore auf dem Kontakt (14 ) gebildet ist. - Speicherzelle nach Anspruch 9, wobei die erste und zweite Schicht (
22 ,26 ) im Bereich der Pore becherförmig ausgebildet sind. - Speicherzelle nach Anspruch 9, wobei die zweite Schicht (
26 ) eines Chalcogenidmaterials aus einem thermisch isolierenden Material gebildet ist. - Speicherzelle nach Anspruch 9, bei welcher nur eine der ersten und zweiten Schicht (
22 ,26 ) eines Chalcogenidmaterials programmierbar ist. - Speicherzelle nach Anspruch 17, wobei die erste Schicht (
22 ) eines Chalcogenidmaterials programmierbar ist und die zweite Schicht (26 ) eines Chalcogenidmaterials als thermischer Isolator für die erste Schicht (22 ) eines Chalcogenidmaterials dient.
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