DE10297115T5 - Mehrlagiger Phasenübergangsspeicher - Google Patents

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Abstract

Verfahren umfassend:
– Bilden einer ersten Schicht eines Phasenübergangsmaterials;
– Aufbringen eines Nicht-Phasenübergangsmaterials über der ersten Schicht; und
– Bilden einer zweiten Schicht eines Phasenübergangsmaterials über dem Nicht-Phasenübergangsmaterial.

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.
  • Daher gibt es einen Bedarf für einen Phasenübergangsspeicher mit verbesserten Eigenschaften und Leistungsfähigkeit.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines anfänglichen Verfahrensstandes der Herstellung des in 1 gezeigten Bauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, bei einem nachfolgenden Verfahrensstand der Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, bei einem weiter nachfolgenden Verfahrensstand der Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht gemäß 4 bei einem noch weiter nachfolgenden Verfahrensstand der Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, bei einem späteren Zustand der Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Mit Bezug auf 1 kann ein Phasenübergangsspeicher 10 auf einem für einen integrierten Schaltkreis geeigneten Substrat 12 gebildet werden. Der Phasenübergangsspeicher 10 kann eine untere Elektrode 14 aufweisen, die in einer Ausführungsform aus Kobalsilizid hergestellt sein kann. Eine obere Elektrode 28 bedeckt eine untere programmierbare Phasenübergangsschicht 22 und eine obere Phasenübergangsschicht 26. Zwischen den Phasenübergangsschichten 22 und 26 ist eine chemische Barriereschicht 24 angeordnet.
  • Die Pore (pore) des Phasenübergangsspeichers 10 kann durch einen Seitenwandbegrenzungsbereich bzw. Seitenwand-Spacer 20 definiert sein, indem der Kontaktbereich zwischen der unteren Elektrode 14 und der Phasenübergangsschicht 22 eine Größe aufweisen kann, die durch die Begrenzung des zylindrischen Seitenwandbegrenzungsbereich 20 bestimmt ist. Bei einer Ausführungsform kann die Pore, die die Phasenübergangsschichten 22 und 26 umfasst, in einer Öffnung gebildet sein, die in einem Paar von Isolationsschichten gebildet ist, wie beispielsweise die obere Isolationsschicht 18 und die untere Isolationsschicht 16. Die obere Isolationsschicht 18 kann in einer Ausführungsform Siliziumdioxid sein, und die untere Isolationsschicht 16 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 300 – 500 Angström liegen. Die Dicke dieser Schicht kann so gewählt sein, um die vertikale Dimension des programmierbaren Volumens zu reduzieren. Die Phasenübergangsschicht 22 kann in einer becherförmigen Öffnung abgeschieden sein, die durch den Seitenwandbegrenzungsbereich 20 gebildet ist, was zu einer becherförmigen Phasenübergangsschicht 22 führt. Eine ähnliche Form wird dadurch für die Barriereschicht 24 und die darüber liegende Phasenübergangsschicht 26 definiert. Bei einer Ausführungsform können die Phasenübergangsschichten 22 und 26 durch Aufdampfen bzw. Abscheiden aus der Gasphase gebildet werden.
  • Die Barriereschicht 24 stellt eine chemische Barriere zu der unteren programmierbaren Phasenübergangsschicht 22 und der darüber liegenden Phasenübergangsschicht 26 dar. Die darüber liegende Phasenübergangsschicht 26 kann bei einigen Ausführungsformen hauptsächlich zur thermischen Isolierung vorgesehen sein. Die Barriereschicht 24 kann eine adäquate elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so dass der Programmierstrom der durch die programmierbare Phasenübergangsschicht 22 lateral um den Widerstandsbereich der thermisch isolierenden Phasenübergangsschicht 26 fließen kann, und kann in Kontakt mit den leitfähigen Bereichen dieser Schicht, die von dem Programmierbereich entfernt angeordnet sind, stehen.
  • Typische Dicken der Barriereschicht 24 können im Bereich von 50-200 Angström liegen. Die thermisch isolierende Phasenübergangsschicht 26 kann auch durch in situ Aufdampfen auf die Barriereschicht 24 abgeschieden werden. Die thermisch isolierende Phasenübergangsschicht 26 kann aus der gleichen Verbindung wie die programmierbare Phasenübergangsschicht 22 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 Schicht 26 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 Schicht 26 kann im Bereich von 100 bis mehr als 1000 Angström liegen.
  • Mit Bezug auf 2 kann eine Maske 30 auf einer Stapelanordnung definiert werden, der das Substrat 12, das von der unteren Elektrode 14, der ersten isolierenden Schicht 16, und der zweiten isolierenden Schicht 18 bedeckt ist, umfasst.
  • Mit Bezug auf 3 kann eine Öffnung 32 durch die Isolationsschichten 16 und 18 geätzt werden, die an der unteren Elektrode 14 endet. Bei einer Ausführungsform kann ein Ätzmittel, dass bezüglich der Schichten 16 und 18 selektiv ist und bezüglich der Elektrode 14 weniger effektiv ist, verwendet werden. Anschließend kann das isolierende Material 20 in die Pore und über die Schicht 18, wie in 4 gezeigt, abgeschieden werden. Eine Vielzahl von Isolationsschichten kann verwendet werden, inklusive Oxid. Bei einer Ausführungsform kann ein Tetraethylorthosilicatoxid (TEOS) – Abscheidungsprozeß verwendet werden. Die abgeschiedene Schicht 20 wird dann anisotrop geätzt, um den zylindrischen Seitenwandbegrenzungsbereich 20, wie in 5 gezeigt, zu bilden.
  • Der Seitenwandbegrenzungsbereich 20 und die Isolationsschicht 18 können dann mit der programmierbaren Phasenübergangsschicht 22 beschichtet werden. Die Schicht 22 kann dann mit der Barriereschicht 24 und der isolierenden Phasenübergangsschicht 26 beschichtet werden. Abschließend kann die obere Elektrode 28 abgeschieden werden. Aufgrund der Begrenzung des Seitenwandbegrenzungsbereiches 20 kann jede der Schichten 22, 24, 26 und 28 bis zu einem gewissen Grad in einer becherförmigen Ausgestaltung definiert werden. Die Struktur, die in 6 gezeigt ist, kann dann strukturiert und geätzt werden, um die Struktur, die in 1 gezeigt ist, gemäß einigen Ausführungsformen zu erhalten.
  • Durch die Verwendung von mehreren Chalcogenidschichten erhält die Speicherzelle 10 in vorteilhafter Weise die verbesserte thermische Isolierung. Gleichzeitig kann das Volumen des Materials, das einen Phasenübergang während des Programmierens durchläuft, relativ begrenzt sein. Mit anderen Worten kann der isolierende Effekt der kombinierten Schichten 22 und 26 den Wärmeverlust aus dem Speicher 10 reduzieren, und so die Leistungsfähigkeit beim Programmieren verbessern. Gleichzeitig ist es nicht notwendig, die Isolationsschicht 26 zu programmieren, wodurch das Materialvolumen, das die Phasenübergange während des Programmierens durchlaufen muss, reduziert wird. Dies kann die Zuverlässigkeit, Stabilität und Lebensdauer des Speichers 10 in einigen Ausführungsformen verbessern.
  • Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Zahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sind dem Fachmann zahlreiche diesbezügliche Modifikationen und Variationen selbstverständlich. Es ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche all diese Modifikationen und Variationen abdecken, die in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen.
  • Zusammenfassung
  • Ein Phasensübergangsspeicher (10) kann mit wenigstens zwei Phasenübergangsmaterialschichten (22, 26) gebildet werden, die durch eine Barrierenschicht (24) getrennt sind. Die Verwendung von mehr als einer Phasenübergangsschicht (22, 26) ermöglicht eine Verringerung des programmierbaren Volumens, während trotzdem eine geeignete thermische Isolierung bereitgestellt wird.

Claims (36)

  1. Verfahren umfassend: – Bilden einer ersten Schicht eines Phasenübergangsmaterials; – Aufbringen eines Nicht-Phasenübergangsmaterials über der ersten Schicht; und – Bilden einer zweiten Schicht eines Phasenübergangsmaterials über dem Nicht-Phasenübergangsmaterial.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Schicht aus demselben Material gebildet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Schicht aus verschiedenen Materialien gebildet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Nicht-Phasenübergangsmaterial leitfähig ausgebildet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Pore über einem Substrat gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Seitenwandbegrenzungsbereich an der Pore gebildet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste und zweite Schicht und das Nicht-Phasenübergangsmaterial über dem Seitenwandbegrenzungsbereich gebildet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Kontakt über dem Substrat und der Seitenwandbegrenzungsbereich auf dem Kontakt gebildet werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kontakt mit der ersten Schicht kontaktiert wird.
  10. Speicherzelle umfassend: – eine erste Schicht eines Phasenübergangsmaterials; – eine zweite Schicht eines Phasenübergangsmaterials; – ein Nicht-Phasenübergangsmaterial zwischen der ersten und zweiten Schicht, wobei das Nicht-Phasenübergangsmaterial die erste Schicht von der zweiten Schicht vollständig trennt.
  11. Speicherzelle nach Anspruch 10, wobei die erste Schicht des Phasenübergangsmaterials aus einem Chalcogenidmaterial gebildet ist.
  12. Speicherzelle nach Anspruch 10, wobei die erste und die zweite Schicht aus verschiedenen Phasenübergangsmaterialien bestehen.
  13. Speicherzelle nach Anspruch 10, wobei die erste und zweite Schicht des Phasenübergangsmaterial aus demselben Material bestehen.
  14. Speicherzelle nach Anspruch 10, wobei das Nicht-Phasenübergangsmaterial ein Leiter ist.
  15. Speicherzelle nach Anspruch 10, die ein Halbleitersubstrat und einen elektrischen Kontakt, der in dem Substrat gebildet ist, umfasst.
  16. Speicherzelle nach Anspruch 15, wobei eine Isolationsschicht, die auf dem Substrat gebildet ist, und einen Durchgang, der in der Isolationsschicht gebildet ist, aufweist.
  17. Speicherzelle nach Anspruch 16, wobei die erste und zweite Schicht zumindest teilweise in dem Durchgang gebildet sind.
  18. Speicherzelle nach Anspruch 17, die einen Seitenwandbegrenzungsbereich aufweist, der in dem Durchgang über dem Kontakt gebildet ist.
  19. Speicherzelle nach Anspruch 10, wobei die erste und zweite Schicht becherförmig sind.
  20. Speicherzelle nach Anspruch 10, wobei die zweite Schicht des Phasenübergangsmaterials so gestaltet ist, um eine thermische Isolierung zur Verfügung zu stellen.
  21. Speicherzelle umfassend: – eine erste Schicht eines Phasenübergangsmaterials; und – eine zweite Schicht eines Phasenübergangsmaterials, wobei nur eine der ersten und zweiten Schicht des Phasenübergangsmaterials programmierbar ist.
  22. Speicherzelle nach Anspruch 21, wobei ein Nicht-Phasenübergangsmaterial zwischen der ersten und zweiten Schicht vorgesehen ist.
  23. Speicherzelle nach Anspruch 21, wobei die erste Schicht des Phasenübergangsmaterials programmierbar ist und die zweite Schicht des Phasenübergangsmaterials als ein Isolator für die erste Schicht des Phasenübergangsmaterials dient.
  24. Speicherzelle nach Anspruch 21, wobei die erste Schicht des Phasenübergangsmaterials aus einem Chalcogenidmaterial gebildet ist.
  25. Speicherzelle nach Anspruch 21, wobei die erste und zweite Schicht aus unterschiedlichen Phasenübergangsmaterialien bestehen.
  26. Speicherzelle nach Anspruch 21, wobei die erste und zweite Schicht des Phasenübergangsmaterials aus demselben Material bestehen.
  27. Speicherzelle nach Anspruch 22, wobei das Nicht-Phasenübergangsmaterial ein Leiter ist.
  28. Speicherzelle nach Anspruch 21, die ein Halbleitersubstrat und einen elektrischen Kontakt, der in dem Substrat gebildet ist, aufweist.
  29. Speicherzelle nach Anspruch 28, die eine Isolationsschicht, die über dem Substrat gebildet ist, und einen Durchgang, der durch die Isolierschicht gebildet ist, aufweist.
  30. Speicherzelle nach Anspruch 29, wobei die erste und zweite Schicht zumindest teilweise in dem Durchgang gebildet sind.
  31. Speicherzelle umfassend: – eine erste Schicht eines Phasenübergangsmaterials; – eine zweite Schicht eines Phasenübergangsmaterials, das von dem Phasenübergangsmaterials der ersten Schicht verschieden ist; und – ein Nicht-Phasenübergangsmaterial zwischen der ersten und der zweiten Schicht.
  32. Speicherzelle nach Anspruch 31, wobei das Nicht-Phasenübergangsmaterial ein elektrischer Leiter ist.
  33. Speicherzelle nach Anspruch 31, wobei die zweite Schicht des Phasenübergangsmaterials so gestaltet ist, um eine thermische Isolation zur Verfügung zu stellen.
  34. Speicherzelle umfassend: – eine erste Schicht eines Phasenübergangsmaterials; – eine zweite Schicht eines Phasenübergangsmaterials; und – ein leitfähiges Nicht-Phasenübergangsmaterial zwischen der ersten und zweiten Schicht.
  35. Speicherzelle nach Anspruch 34, wobei die erste und zweite Schicht aus verschiedenen Phasenübergangsmaterialien gebildet sind.
  36. Speicherzelle nach Anspruch 34, wobei die erste und zweite Schicht aus demselben Material gebildet sind.
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