DE102004019862A1

DE102004019862A1 - Sublithographische Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102004019862A1
Application number: DE102004019862A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Happ; Cay-Uwe Dr. Pinnow
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine sublithographische Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement mit einer ersten Kontaktelektrode und einer zweiten Kontaktelektrode, einer zwischen den beiden Kontaktelektroden angeordneten Isolierschicht mit einem Durchgangsloch, welches an die erste Kontaktelektrode angrenzt, einer Widerstandswechselschicht, die in wenigstens zwei Zustände mit voneinander verschiedenen Widerstandswerten gebracht werden kann und im Bereich des Durchgangslochs der Isolierschicht sowie den beiden Kontaktelektroden unmittelbar angrenzt, wodurch ein erster Kontaktbereich zwischen der Widerstandswechselschicht und der ersten Kontaktelektrode definiert ist, wobei das Durchgangsloch in einer Richtung zur ersten Kontaktelektrode hin eine sich verjüngende Form aufweist, derart, dass der erste Kontaktbereich wenigstens eine sublithographische Abmessung in wenigstens einer ersten Richtung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Halbleiterbauelemente und betrifft insbesondere eine sublithographische Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement, eine diese Kontaktstruktur enthaltende Speicherzelle, eine Anordnung solcher Speicherzellen, sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche sublithographische Kontaktstruktur.
In herkömmlichen optisch wiederbeschreibbaren Medien, wie CDs (Compact Disks) oder DVDs (Digital Versatile Disks), werden als Speicherschicht Phasenwechselmaterialien eingesetzt, die durch Erwärmen mittels eines Laserstrahls in einen kristallinen Zustand und einen amorphen Zustand versetzt werden können. Da die Reflektivität der Phasenwechselmaterialien im kristallinen und amorphen Zustand unterschiedlich ist, kann durch eine Änderung des Phasenzustands des Phasenwechselmaterials Information gespeichert werden. Die beiden Phasenzustände amorph bzw. kristallin einer Speicherzelle repräsentieren dabei 1 Bit.
Die amorphe und kristalline Phase dieser Phasenwechselmaterialien unterscheiden sich jedoch auch deutlich in ihrer elektrischen Leitfähigkeit, so dass der Phasenzustand des Phasenwechselmaterials auch elektrisch ausgelesen werden kann. Phasenwechselmaterialien bilden deshalb die Grundlage einer viel versprechenden neuen Art von nichtflüchtigen Speicherzellen.
Typische Vertreter von Phasenwechselmaterialien, wie sie etwa in CDs oder DVDs eingesetzt werden, sind Chalkogenid-Phasen wechselmaterialien, d. h., Legierungen, die wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe (Chalcogenide) des Periodensystems der Elemente enthalten, wie beispielsweise Te oder Se. Das derzeit am häufigsten und insbesondere bei CDs und DVDs eingesetzte Chalkogenid ist eine Legierung aus Ge, Sb und Te, nämlich Ge₂Sb₂Te₅. Chalkogenide haben insbesondere die vorteilhafte Eigenschaft, dass sich der elektrische Widerstand um zwei oder mehr Größenordnungen verändert, wenn das Material von der weniger leitfähigen amorphen Phase in die stärker leitfähige kristalline Phase gebracht wird, und umgekehrt.
In einer Speicherzelle mit einem Phasenwechselmaterial aus einer Chalkogenidverbindung kann, wie dem Fachmann bekannt ist, unter anderem durch einen elektrischen Heizpuls (Joulsche Wärme) ein Phasenübergang induziert werden. Genauer kann eine Speicherzelle mit einer sich im amorphen Zustand befindlichen Chalkogenidverbindung in die niederohmige, kristalline Phase überführt werden, indem ein Heizpuls das Material über die Kristallisationstemperatur der Chalkogenidverbindung aufheizt und dabei kristallisieren lässt. Ein solcher Übergang von der hochohmigen, amorphen Phase in die niederohmige, kristalline Phase wird gemeinhin als "Schreiben" der Speicherzelle bezeichnet. Der umgekehrte Vorgang, bei welchem die Speicherzelle von dem niederohmigen, kristallinen Zustand in den hochohmigen, amorphen Zustand überführt wird, wird dadurch realisiert, dass die Chalkogenidverbindung über deren Schmelzpunkt hinaus aufgeheizt wird und anschließend durch ein schnelles Abkühlen in den amorphen Zustand abgeschreckt wird. Dieser Übergang von dem besser leitfähigen kristallinen Zustand in den schlechter leitfähigen amorphen Zustand wird gemeinhin als "Löschen" der Speicherzelle bezeichnet.
Ein typischer Aufbau einer Speicherzelle mit einem Phasenwechselmaterial ist in 1A gezeigt. Hierbei ist eine Schicht aus einem polykristallinen Chalkogenid 1 zwischen einer Deckelektrode 2 und einer Bodenelektrode 3 angeordnet. In einem direkten elektrischen Kontakt mit der Chalkogenid-Schicht 1 und der Bodenelektrode 3 ist eine Heizelektrode 4, welche einen höheren elektrischen Widerstand als die Chalkogenid-Schicht 1 haben kann. Die in 1A gezeigte Speicherzelle ist vom Bodenkontakt-Typ. Fließt nun ein hinreichend großer Strom durch die Heizelektrode 4, so bewirkt die in der Heizelektrode 4 erzeugte Joulsche Wärme einen Phasenübergang in der angrenzenden Chalkogenid-Schicht 1, nämlich in dem programmierbaren, d. h. schreib- und löschbaren Volumen 5. Übersteigt die in dem programmierbaren Volumen 5 erreichte Temperatur die Kristallisationstemperatur des Chalkogenids, so wird ein Phasenübergang von einem amorphen Zustand in einen kristallinen Zustand induziert. Übersteigt die Temperatur in dem programmierbaren Volumen 5 die Schmelztemperatur des Chalkogenids und lässt man das programmierbare Volumen 5 hinreichend schnell abkühlen, so wird ein Übergang von dem kristallinen Zustand in den amorphen Zustand induziert.
Der Phasenzustand der Speicherzelle, d. h. der programmierte Zustand, kann gelesen werden, indem eine Lesespannung an die Speicherzelle angelegt wird. Um durch die Lesespannung keine Umprogrammierung, d. h. Schreiben oder Löschen der Speicherzelle zu bewirken, muss der aus der Lesespannung resultierende Strom I_read durch die Speicherzelle deutlich kleiner als der Schreibstrom I_set bzw. Löschstrom I_reset sein. Demnach gilt I_read<<I_set<I_reset.
Ein großer Nachteil solcher Speicherzellen liegt nun darin, dass für den Schreibvorgang und insbesondere für den Löschvorgang relativ hohe Ströme aufgebracht werden müssen, um das Phasenwechselmedium über die Kristallisationstemperatur bzw. die Schmelztemperatur hinaus aufzuheizen. Um eine solche Phasenwechsel-Speicherzelle erfolgreich in einen Si-CMOS-Prozess integrieren zu können, bestehen aus technologischer Sicht jedoch Grenzen: wenn die zum Schreiben oder Löschen einer Phasenwechsel-Speicherzelle notwendigen elektrischen Ströme höher sind, als dass sie von einem einzelnen CMOS-Transistor in minimaler Strukturgröße getragen werden können, gibt es keine Möglichkeit, ein kompaktes Zellenfeld, bestehend aus Einzelzellen, die jeweils einen Transistor und ein resistiv schaltendes Element besitzen, in einer Zell-Architektur mit einer Zellfläche von 5-8 F² (F = erzielbare minimale lithographische Abmessung) zu realisieren. Der sich aus dieser Bedingung ergebende maximale elektrische Strom liegt in der Größenordnung von ca. 50-100 μA (je nach Strukturgröße). Demgegenüber wäre eine weitere Reduktion des Maximalstroms jedoch äußerst wünschenswert, da hierdurch der Energieverbrauch insgesamt gesenkt wird und zudem ein paralleles Programmieren der Phasenwechsel-Speicherzellen ermöglicht wird.

Bislang wurde zur Lösung des Problems in erster Linie versucht, durch eine Reduktion der Kontaktfläche zwischen der Heizelektrode und dem Phasenwechselmaterial das zu programmierende Volumen zu verkleinern, da sich die zum Schreiben und Löschen notwendigen Ströme im Allgemeinen mit dem zu programmierenden Volumen skalieren. Diesem Unterfangen sind jedoch durch die photolithographisch erreichbaren minimalen Abmessungen Grenzen gesetzt, welche mit den derzeitigen optischen (UV) lithographischen Techniken lediglich ca. 100 nm erreichen. Wünschenswert wären jedoch weitaus geringere minimale Abmessungen, welche beispielsweise in der Größenordnung von 20 bis 30 nm liegen.

In 1B ist im Unterschied zu den Phasenwechsel-Speicherzellen mit Bodenkontaktgeometrie, welche stets den Einschränkungen der photolithographisch erreichbaren minimalen Abmessungen unterliegen, eine Phasenwechsel-Speicherzelle vom Seitenkontakt-Typ gezeigt (Ha et al., "An edge contact type cell for phase change RAM featuring very low power consumption", 2003 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers). Bei diesem Aufbau der Phasenwechsel-Speicherzelle ist die Kontaktfläche zum Phasenwechselmaterial 1 durch den Randbereich eines Bodenelektrodenfilms 4, welcher an das Phasenwechselmaterial 1 angrenzt, gegeben. Die Kontaktfläche ergibt sich dabei aus der Filmdicke des Bodenelektrodenfilms 4. Der Bodenelektrodenfilm 4 ist ferner in direktem elektrischen Kontakt mit dem Bodenelektrodenkontakt 3, welcher seinerseits eine Metallleitung 7 kontaktiert. Andererseits ist das Phasenwechselmaterial 1 in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit der Deckelektrode 6, welche ihrerseits mit dem Deckelektrodenkontakt 2 in Verbindung steht, der eine weitere Metallleitung 8 kontaktiert.

Mit dem Aufbau von 1B konnte ein Löschstrom von ca. 200 μA erreicht werden, was jedoch den Wunsch nach einer weiteren Reduktion aufrecht erhält. Zudem erfordert ein solcher Aufbau mit Seitenkontaktgeometrie eine vergleichsweise große laterale Abmessung, was nachteilig im Hinblick auf die gewünschte Miniaturisierung von Speicherbausteinen ist. Darüber hinaus ist ein solcher Aufbau vergleichsweise komplex und benötigt zur seiner Herstellung eine Vielzahl von Prozessschritten, was die Herstellung von Speicherbausteinen teuer macht.

Eine weitere im Stand der Technik bekannte Lösung des obigen Problems sieht die Abscheidung von separaten Spacer-Schichten aus einem elektrisch isolierenden Material in die fotolitho graphisch definierten Strukturen vor, um auf diese Weise die Kontaktfläche zu dem Phasenwechselmaterial zu verringern. Dies erfordert jedoch vergleichsweise komplexe Prozessschritte und ist überdies zeit- und kostenintensiv.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Speicherzelle zu ermöglichen, welche mit vergleichsweise kleinen elektrischen Strömen zwischen zwei Zuständen mit einem voneinander verschiedenen elektrischen Widerstand geschaltet werden kann, eine vergleichsweise kleine Geometrie aufweist, so dass die Speicherzelle eine Miniaturisierung von Speicherbausteinen zulässt, und welche darüber hinaus einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße sublithographische Kontaktstruktur nach dem unabhängigen Anspruch bzw. durch eine Speicherzelle, welche eine solche sublithographische Kontaktstruktur enthält, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gegeben.

Nach dem Vorschlag der Erfindung umfasst eine sublithographische Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement eine erste Kontaktelektrode und eine zweite Kontaktelektrode, welche mit einem gegenseitigen Abstand voneinander angeordnet sind. Zwischen diesen beiden Kontaktelektroden ist eine Isolierschicht aus einem dielektrischen Material angeordnet. Die Isolierschicht weist dabei ein Durchgangsloch (Durchgangsöffnung) auf, welches auf einer seiner beiden Seiten von der ersten Kontaktelektrode begrenzt ist. Dies bedeutet, dass die Isolierschicht im Bereich des Durchgangslochs unmittelbar an die erste Kontaktelektrode angrenzt. Zwischen der zweiten Kontaktelektrode und der Isolierschicht ist eine Widerstandswechselschicht angeordnet, welche aus einem Material besteht, das geeignet ist, in Antwort auf ausgewählte (bestimmbare) Energiepulse wenigstens zwei Zustände mit voneinander verschiedenen Widerstandswerten einzunehmen. Im Bereich des Durchgangslochs grenzt die Widerstandswechselschicht der Isolierschicht und den beiden Kontaktelektroden unmittelbar an, wodurch ein erster Kontaktbereich zwischen der Widerstandswechselschicht und der ersten Kontaktelektrode und ein zweiter Kontaktbereich zwischen der Widerstandswechselschicht und der zweiten Kontaktelektrode definiert sind. Die erfindungsgemäße sublithographische Kontaktstruktur zeichnet sich in wesentlicher Weise dadurch aus, dass das Durchgangsloch in einer Richtung zur ersten Kontaktelektrode hin eine sich verjüngende Form aufweist, so dass der erste Kontaktbereich in wenigstens einer ersten Richtung wenigstens eine sublithographische Abmessung aufweist.

Der Ausdruck "sublithographische Abmessung", wie er hier verwendet wird, meint eine lineare Abmessung, die kleiner ist als die mit den derzeitigen optischen (UV), lithographischen Techniken erreichbare Abmessung, und ist derzeit kleiner als ca. 100 nm. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die sublithographische Abmessung maximal 90 nm beträgt; stärker bevorzugt ist es, wenn sie maximal 70 nm beträgt, und noch stärker bevorzugt ist es, wenn sie maximal 65 nm beträgt. Die sublithographische Abmessung kann beispielsweise lediglich 20 nm betragen.

Das erfindungsgemäße Widerstandswechselmaterial kann wenigstens zwischen zwei Zuständen mit einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand geschaltet werden. Die wenigstens zwei Zustände mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand können dabei verschiedenen strukturellen Phasenzuständen, wie einem allgemein amorphen Phasenzustand oder einem allgemein kristallinen Phasenzustand, zugeordnet werden, so dass ein Schalten zwischen den Zuständen mit einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand mit einer Änderung des Phasenzustands einhergeht. Die amorphen bzw. kristallinen Phasenzustände entsprechen dabei gemeinhin Zuständen mit einer verschiedenen Fernordnung.

Gleichermaßen ist es jedoch auch möglich, dass die wenigstens zwei Zustände mit einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand innerhalb eines einzigen, beispielsweise vollständig amorphen oder vollständig kristallinen, Phasenzustands unterschieden werden können. Derartige Zustände mit einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand innerhalb eines einzigen Phasenzustands des Widerstandswechselmaterials können sich aus Zuständen einer verschiedenen lokalen Ordnung (Nahordnung) ergeben.

Typische Materialien, die als Widerstandswechselmaterial geeignet sind, sind Phasenwechselmaterialien, wie beispielsweise Legierungen, welche ein Chalkogenid enthalten. Erfindungsgemäß sind Phasenwechselmaterialien, welche wenigstens ein Chalkogenid enthalten, wie beispielsweise Ge₂Sb₂Te₅, bevorzugt. In solchen Chalkogenid-Phasenwechselmaterialien können Zustände unterschiedlichen elektrischen Widerstands sowohl den unterschiedlichen Phasenzuständen kristallin und amorph (Zustände verschiedener Fernordnung) zugeordnet werden, wie auch unterschiedlichen Zuständen lokaler Ordnung (Zustände verschiedener Nahordnung) innerhalb eines einzigen Phasenzustands.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene, neuartige Kontaktstruktur weist eine sich verjüngende Durchgangsöffnung in der dielektrischen Isolierschicht auf. Derartige sich verjüngende Durchgangsöffnungen sind durch die Anwendung von Trockenätzprozessen mit einem in geeigneter Weise ausgeglichenen physi kalischen und chemischen Ätzbeitrag in einfacher Weise herstellbar, wie dem Fachmann bekannt ist (siehe z. B. Celii et al., „Process characterization for tapered contact etch", J. Vac. Sci. Technol. B 19(5), Sep/Oct 2001), und deshalb hier nicht erläutert werden muss.

Werden Ätzmasken eingesetzt, in welchen fotolithographisch erreichbare minimale Abmessungen vorliegen, können durch solche Trockenätzprozesse die fotolithographisch definierten Abmessungen der Ätzmaske in vorteilhafter Weise zu sublithographischen Abmessungen verkleinert werden. Die sublithographische(n) Abmessung(en) der erfindungsgemäßen Kontaktstruktur werden durch die sich verjüngende Form der Durchgangsöffnung realisiert. Auf die Abscheidung etwaiger Spacer-Materialien im Rahmen aufwändiger Spacer-Prozesse kann verzichtet werden.

Die sich verjüngende Form der Durchgangsöffnung erleichtert zudem in vorteilhafter Weise die Abscheidung des Widerstandswechselmaterials, welches bislang nur durch Sputter-Prozesse eingebracht werden kann. Insbesondere kann ein lückenhaftes Füllen des Durchgangslochs mit dem Widerstandswechselmaterial, wie es im Stand der Technik bei Durchgangslöchern mit parallelen Wänden oftmals auftritt, vermieden werden.

Aufgrund der sich zu wenigstens einer sublithographischen Abmessung verjüngenden Form der Durchgangsöffnung kann bei Vorliegen einer einfachen Prozessführung eine verhältnismäßig geringe Kontaktfläche zur ersten Kontaktelektrode realisiert werden. Da die für den Schreib- und Löschvorgang benötigten elektrischen Ströme im Wesentlichen proportional zur Größe des Kontaktbereichs sind, können somit in vorteilhafter Weise die zum Schalten der Kontaktstruktur notwendigen elektrischen Ströme verringert werden. Die erfindungsgemäße Kontaktstruk tur ermöglicht durch ihre vergleichsweise geringe laterale Ausdehnung eine Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen.

Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das Durchgangsloch im Querschnitt in einer Ebene, welche durch die erste Richtung, gemäß welcher sich die sublithographische Abmessung bemisst, und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung definiert ist, im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist. Die zueinander parallelen Seiten des Trapezes sind dabei durch die Öffnungen des Durchgangslochs gegeben, während die Schenkel des Trapezes durch die Wände des Durchgangslochs gegeben sind. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Schenkel des Trapezes, d. h. die Wände des Durchgangslochs, jeweils in einem Winkel α in Bezug auf die erste Richtung, in welcher die sublithographische Abmessung sich erstreckt, angestellt sind, wobei der Winkel α in einem Bereich von 45° bis 85° liegt. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der Winkel α ca. 75° beträgt.

Die erfindungsgemäße sublithographische Kontaktstruktur kann in einer vertikalen Bauweise bezüglich des sie enthaltenden Halbleiterbauelements ausgeführt sein, d. h., der Schichtenaufbau der sublithographischen Kontaktstruktur erfolgt dann im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Wafers. Die erste Richtung, in welcher sich die sublithographische Abmessung erstreckt, ist in diesem Fall parallel zur Ebene des Wafers, während die zweite Richtung senkrecht zur Ebene des Wafers ist.

Gleichermaßen ist es aber auch möglich, dass die erfindungsgemäße Kontaktstruktur einen horizontalen Aufbau in Bezug auf das sie enthaltende Halbleiterbauelement hat, wobei in diesem Fall die obigen Betrachtungen in analoger Weise gelten, d. h. die erste Richtung ist senkrecht zur Ebene des Wafers, während die zweite Richtung parallel zur Ebene des Wafers ist.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur weist die zweite Kontaktelektrode einen in das Durchgangsloch ragenden Vorsprung auf, welcher den zweiten Kontaktbereich mit der Widerstandswechselschicht formt. Die vorspringende Form der zweiten Kontaktelektrode bewirkt dabei in äußerst vorteilhafter Weise während des Betriebs der sublithographischen Kontaktstruktur einen elektrischen Spitzeneffekt, wodurch infolge eine Feldüberhöhung eine Ladungsträgerfokussierung auftritt. Hierdurch kann eine grenzflächenfreie Strompfadbegrenzung erzielt werden, was eine unerwünschte Dissipation elektrischer Ströme im Widerstandswechselmaterial vermindert, so dass die zum Schreiben, Löschen und Lesen des Phasenwechselmaterials nötigen Ströme noch weiter reduziert werden können.

Der in das Durchgangsloch ragende Vorsprung der zweiten Kontaktelektrode ist vorteilhaft so ausgebildet, dass er im Querschnitt in einer durch die erste Richtung und einer auf der ersten Richtung stehenden zweiten Richtung definierten Ebene im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist. Eine solche Form des Vorsprungs der zweiten Kontaktelektrode ergibt sich etwa dann, wenn das Durchgangsloch im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist und wenn das schichtenförmig aufgebrachte Widerstandswechselmaterial eine hinreichend geringe Schichtdicke hat, so dass das Widerstandswechselmaterial die Form des Durchgangslochs wiedergibt. Falls die Schichtdicke der Widerstandswechselschicht etwa der Hälfte der sublithographischen Abmessung entspricht, so ist der Vorsprung der zweiten Kontaktelektrode, im nämlichen Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet, was beson ders effektiv im Hinblick auf den bewirkten elektrischen Spitzeneffekt ist.

Die Wände des Vorsprungs der zweiten Kontaktelektrode sind vorzugsweise in einem Winkel β bezüglich der ersten Richtung, in welcher sich die sublithographische Abmessung erstreckt, angestellt, wobei der Winkel β in einem Bereich von 45° bis 85° liegt. Ein Winkel β von ungefähr 75° ist hierbei besonders vorteilhaft. Wie weiter oben bereits dargelegt wurde, gibt das Widerstandswechselmaterial bei einer hinreichend geringen Schichtdicke die Form des Durchgangslochs wider, so dass dann der Anstellwinkel α der Wände des Durchgangslochs dem Anstellwinkel β der Wände des Vorsprungs der zweiten Kontaktelektrode im Wesentlichen gleichkommt. Durch etwaige Verrundungen bei der Abscheidung des Widerstandswechselmaterials bzw. des Kontaktelektrodenmaterials kann der Winkel β auch variieren und von der Position im Durchgangsloch abhängen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur ist der elektrische Widerstand der ersten Kontaktelektrode größer als der elektrische Widerstand der Widerstandswechselschicht. Im Betrieb der sublithographischen Kontaktstruktur wirkt die erste Kontaktelektrode dann als Heizelektrode zur Erzeugung von Joulscher Wärme zur Heizung der Widerstandswechselschicht. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die erste Kontaktelektrode ein auf Kohlenstoff basierendes Material ist bzw. umfasst.

Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können generell aus einem dem Fachmann bekannten geeigneten Elektrodenmaterial gefertigt sein, welches beispielsweise W, TiN, Ta, TaN, TiW, TiSiN, TaSiN, TiON und TiAIN ist. Die Isolierschicht ist vorteilhaft aus einem isolierenden, dielektri schen Material gefertigt, welches beispielsweise SiO₂, ZnS-SiO₂ oder SiN ist.

Ohne die Absicht einer Einschränkung hierauf, kann in der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur die erste Kontaktelektrode eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 700 nm aufweisen, während die zweite Kontaktelektrode eine Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 500 nm aufweisen kann. Gegebenenfalls kann der Kontakt auch durch einen sogenannten "Via-Plug" ausgeführt sein, welcher unterschiedliche Metallisierungsebenen miteinander verbindet.

Ebenso kann die Widerstandswechselschicht eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 100 nm aufweisen, während die Isolierschicht eine Schichtdicke im Bereich von 40 nm bis 300 nm aufweisen kann.

In der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur sind die Energiepulse, durch welche die Widerstandswechselschicht zwischen den Zuständen mit einem verschiedenen elektrischen Widerstand geschaltet werden kann, vorteilhaft elektrische Energiepulse, insbesondere elektrische Spannungspulse.

Die Erfindung umfasst ferner eine Speicherzelle in einem Halbleiterbauelement, welche eine erfindungsgemäße Kontaktstruktur umfasst, sowie eine Speicheranordnung, die eine Mehrzahl derartiger Speicherzellen umfasst.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Gleiche bzw. gleichartige Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in schematischer Weise herkömmliche Kontaktstrukturen mit einem Widerstandswechselmaterial;
2 zeigt in schematischer Weise eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur;
3 zeigt in schematischer Weise eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur;
4 veranschaulicht in schematischer Weise Prozessschritte zur Herstellung des Durchgangslochs in der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur;
5 zeigt in schematischer Weise Varianten in der Ausgestaltung des Vorsprungs der zweiten Kontaktelektrode der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur;
6 veranschaulicht in schematischer Weise Varianten zur Herstellung der zweiten Kontaktelektrode in der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur;
7 zeigt ein Diagramm, in welchem der Löschstrom gegenüber der linearen lithographischen Abmessung der Kontaktfläche der Widerstandswechselschicht bei einer im Stand der Technik bekannten Kontaktstruktur, sowie bei der erfindungsgemäßen Kontaktstruktur dargestellt ist.
1, worin zwei im Stand der Technik bekannte Kontaktstrukturen mit einer Widerstandswechselschicht dargestellt sind, wurde bereits eingangs beschrieben.
2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist auf einem Si-Substrat 13, welches in gewöhnlicher Weise durch die Prozessschritte einer FEOL-(Front End Of Line-)Prozessierung hergestellt ist, ein Anschlusskontakt 11 beispielsweise aus W aufgebracht. Auf dem Anschlusskontakt 11 befindet sich eine erste Kontaktelektrode 10 aus TiW, wobei die erste Kontaktelektrode 10 und der Anschlusskontakt 11 seitlich von einer Isolierschicht 19 aus SiO₂ umgeben sind. Auf der ersten Kontaktelektrode 10 und der Isolationsschicht 19 ist eine weitere Isolationsschicht 14 aus SiO₂ abgeschieden. Die Isolationsschicht 14 ist mit einem Durchgangsloch 15 versehen, welches auf seiner dem Si-Substrat 13 zugewandten Seite von der ersten Kontaktelektrode 10 abgegrenzt ist. Das Durchgangsloch 15 weist eine im Wesentlichen trapezförmige Form auf, welche sich in Richtung zur ersten Kontaktelektrode 10 hin verjüngt. Auf der Isolationsschicht 14 und im Bereich des Durchgangslochs 15 ist eine Schicht aus einem Chalkogenid-Phasenwechselmaterial, beispielsweise Ge₂Sb₂Te₅, abgeschieden. Auf dem Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 ist eine zweite Kontaktelektrode 12 aus W abgeschieden. Im Bereich des Durchgangslochs 15 formt das Phasenwechselmaterial 9 mit der ersten Kontaktelektrode 10 einen ersten Kontaktbereich 17. Die Abmessung des Kontaktbereichs 15 in X-Richtung ist eine sublithographische Abmessung und beträgt weniger als 65 nm. Die der zweiten Kontaktelektrode 12 zugewandte Öffnung hat eine Abmessung in X-Richtung, welche der mit derzeitigen photolithographischen Techniken erreichbaren minimalen Abmessung F entspricht. Die sublithographische Abmessung in x-Richtung des ersten Kon taktbereichs 17 ergibt sich aus der sich verjüngenden Form des Durchgangslochs 15. Die Chalkogenid-Phasenwechselschicht 9 gibt die Form des Durchgangslochs 15 wider, so dass ein in das Durchgangsloch 15 ragender Vorsprung 18 der zweiten Kontaktelektrode 12 gleichermaßen eine im Wesentlichen trapezförmige Form aufweist. Der Vorsprung 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 formt mit dem Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 einen zweiten Kontaktbereich 18.
Die Isolationsschicht 19 aus SiO₂ hat eine Schichtdicke von ca. 400 nm, während die Isolierschicht 14 aus SiO₂ eine Schichtdicke von ca. 50 nm aufweist. Die Schichtdicke der Chalkogenid-Phasenwechselschicht 9 beträgt ca. 20 nm. Die Schichtdicke der ersten Kontaktelektrode 10 beträgt ca. 20 nm, während die Schichtdicke der zweiten Kontaktelektrode 12 ca. 150 nm beträgt. Die photolithographisch erreichbare minimale Abmessung F beträgt ca. 100 nm. Die Wände des Kontaktlochs 15 sind jeweils in einem Winkel α zur X-Richtung angestellt, wobei der Winkel α ca. 75° beträgt. Die Wände des Vorsprungs 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 sind jeweils in einem Winkel β zur X-Richtung angestellt, wobei der Winkel β ca. 75° beträgt. Das Kontaktloch 15 der Isolierschicht 14 ist im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet und verjüngt sich in Y-Richtung.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird lediglich der strukturelle Unterschied zu der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur dargestellt. In der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur ist der Vorsprung 16 der zweiten Kontaktelektrode 2 im Querschnitt einer durch die X- und Y-Richtungen auf gespannten Ebene im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet. Hierdurch kann in äußerst vorteilhafter Weise eine möglichst effektive elektrische Spitzenwirkung des Vorsprungs 16 im Betrieb der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur erzielt werden.
4 veranschaulicht in schematischer Weise das Verfahren zur Herstellung des Durchgangslochs 15 in der Isolationsschicht 14. Wie 4A zu entnehmen ist, wird auf die Isolationsschicht 14 aus SiO₂, welche ihrerseits auf der ersten Kontaktelektrode 10 und der Isolationsschicht 19 aus SiO₂ abgeschieden ist, eine Ätzmaskenschicht 20 aufgebracht. Die Ätzmaskenschicht 20 weist eine Durchgangsöffnung 21 mit einer mit den derzeitigen photolithographischen Techniken erreichbaren minimalen Abmessung F in X-Richtung auf. Anschließend wird ein Trockenätzverfahren durchgeführt, in welchem ein ausgeglichener physikalischer bzw. chemischer Abtrag zu einem sich in Richtung zur ersten Kontaktelektrode 11 hin verjüngenden Durchgangsloch 15 führt. Anschließend wird die Ätzmaskenschicht 20 entfernt, so dass lediglich die Isolationsschicht 14 mit dem darin ausgebildeten Durchgangsloch 15 verbleibt (4B).
5 zeigt verschiedene Varianten einer geometrischen Ausgestaltung der von dem Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 gebildeten Negativform für den Vorsprung 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur.
In den 5A und 5B bildet das Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 im Bereich des Durchgangslochs 15 jeweils eine Negativform aus, welche einer trapezförmigen Positivform des Vorsprungs 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 entspricht. Die in den 5A und 5B gezeigten Varianten unterscheiden sich dabei dadurch, dass die sich auf der Seite der ersten Kontaktelektrode 10 befindliche parallele Seite 22 des Trapezes in 5B gegenüber 5A verkleinert wurde. Hierdurch kann der elektrische Spitzeneffekt der zweiten Kontaktelektrode 12 im Betrieb der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur verstärkt werden. In 5C wurde die sich auf der Seite der ersten Kontaktelektrode 10 befindliche parallele Seite 22 des Trapezes zu einem (theoretischen) Punkt- bzw. Linienkontakt verkleinert, so dass der Vorsprung 16 in seiner Querschnittsform im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet ist, wodurch ein optimaler elektrischer Spitzeneffekt im Betrieb der sublithographischen Kontaktstruktur erzielt werden kann. Die Gestalt des Vorsprungs 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 ergibt sich aus einem Zusammenspiel der Einflussgrößen Durchgangslochbreite, Durchgangslochtiefe, Anstellwinkel der Wände des Durchgangslochs und Schichtdicke des Chalkogenid-Phasenwechselmaterials.
6 veranschaulicht zwei Varianten zur Herstellung der zweiten Kontaktelektrode 12. In einer in 6A gezeigten Variante wird das auf die Isolationsschicht 14 mittels einer Sputter-Technik abgeschiedene Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 zunächst planarisiert. Anschließend wird die zweite Kontaktelektrode 12 abgeschieden. Bei der in 6B gezeigten Variante, wird das Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 auf der Isolationsschicht 14 abgeschieden, wobei eine Planarisierung des Chalkogenid-Phasenwechselmaterials 9 unterbleibt. Anschließend wird die zweite Kontaktelektrode 12 auf das Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 abgeschieden. Die in 6B veranschaulichte Herstellungsweise der zweiten Kontaktelektrode 12 wurde in den in den 2 und 3 gezeigten beiden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur realisiert.
7 zeigt ein Diagramm, in welchem der Löschstrom in relativen Einheiten gegenüber der photolithographischen Abmessung (nm) des Kontaktbereichs 17 der in 1A gezeigten herkömmlichen Kontaktstruktur (quadratische Symbole) und der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur (runde Symbole) dargestellt ist. Wie dem Diagramm von 7 insbesondere zu entnehmen ist, kann bei einer lithographischen Startabmessung L von ca. 60 nm ein um in etwa einen Faktor 4 geringerer Löschstrom erzielt werden.
Wie dem Voranstehenden zu entnehmen ist, wird durch die vorliegende Erfindung eine sublithographische Kontaktstruktur gezeigt, welche sich durch eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit, sowie durch einen vergleichsweise geringen Strombedarf zum Schreiben und insbesondere zum Löschen auszeichnet. Die erfindungsgemäße sublithographische Kontaktstruktur wird durch geeignete Trockenätzprozesse hergestellt, durch welche ein Durchgangsloch mit angestellten Seitenflanken ausgebildet werden kann. In das trockengeätzte Durchgangsloch wird das Widerstandswechselmaterial, insbesondere in Form eines Phasenwechselmaterials, eingefüllt. Das Zusammenspiel von Lochdurchmesser und Lochtiefe bzw. Aspektverhältnis, Seitenwandwinkel, Schichtdicke der abgeschiedenen Widerstandswechselschicht, sowie die Abscheide- und Konformitätseigenschaften des Abscheideprozesses bestimmen dabei die Oberflächentopographie des Widerstandswechselmaterials. Die zweite Kontaktelektrode kann einen, insbesondere in Trapezform oder Dreiecksform vorspringenden, Vorsprung aufweisen. Der hierbei zusätzlich auftretende elektrische Spitzeneffekt führt zu einer vorteilhaften Fokussierung der Ladungsträger und damit zu einer verbesserten Strompfaddefinition.

1: Phasenwechselmaterial
2: Deckelektrode
3: Bodenelektrode
4: Heizelektrode
5: programmierbares Volumen
6: Deckelektrodenkontakt
7: Metallleitung
8: Metallleitung
9: Chalkogenid-Phasenwechselmaterial
10: erste Kontaktelektrode
11: Anschlusskontakt
12: zweite Kontaktelektrode
13: Silizium-Substrat
14: Isolierschicht
15: Durchgangsloch
16: Vorsprung
17: erste Kontaktfläche
18: zweite Kontaktfläche
19: Isolierschicht
20: Ätzmaskenschicht
21: Ätzmasken-Durchgangsloch
22: parallele Trapezseite

Claims

Sublithographische Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement, welche umfasst: – eine erste Kontaktelektrode (10) und eine zweite Kontaktelektrode (12), welche voneinander beabstandet angeordnet sind, – eine zwischen den beiden Kontaktelektroden (10, 12) angeordnete Isolierschicht (14) aus einem isolierenden, dielektrischen Material mit einem Durchgangsloch (15), welches an die erste Kontaktelektrode (10) angrenzt, – eine Widerstandswechselschicht (9) aus einem Material welches geeignet ist, in Antwort auf ausgewählte Energiepulse wenigstens zwei Zustände mit voneinander verschiedenen Widerstandswerten einzunehmen, welche Widerstandswechselschicht (9) zwischen der zweiten Kontaktelektrode (12) und der Isolierschicht (14) angeordnet ist und im Bereich des Durchgangslochs (15) der Isolierschicht (14) und den beiden Kontaktelektroden (10, 12) unmittelbar angrenzt, wodurch im Bereich des Durchgangslochs (15) ein erster Kontaktbereich (17) zwischen der Widerstandswechselschicht (9) und der ersten Kontaktelektrode (10) und ein zweiter Kontaktbereich (18) zwischen der Widerstandswechselschicht (9) und der zweiten Kontaktelektrode (12) definiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchgangsloch (15) in einer Richtung (X) zur ersten Kontaktelektrode (10) hin eine sich verjüngende Form aufweist, derart, dass der erste Kontaktbereich (17) wenigstens eine sublithographische Abmessung in wenigstens einer ersten Richtung (X) aufweist.
Kontaktstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchgangsloch (15) im Querschnitt in einer durch die erste Richtung (X) und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung (Y) definierten Ebene im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist.
Kontaktstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Durchgangslochs (15) jeweils in einem Winkel α bezüglich der ersten Richtung (X) angestellt sind, wobei der Winkel α im Bereich von 45° bis 85° liegt.
Kontaktstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α ca. 75° beträgt.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kontaktelektrode (12) einen in das Durchgangsloch (15) ragenden Vorsprung (16) aufweist, welcher den zweiten Kontaktbereich (18) mit der Widerstandswechselschicht (9) formt.
Kontaktstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (16) im Querschnitt in einer durch die erste Richtung (X) und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung (Y) definierten Ebene im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist.
Kontaktstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (16) im Querschnitt in einer durch die erste Richtung (X) und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung (Y) definierten Ebene im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet ist.
Kontaktstruktur nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Vorsprungs (16) jeweils in einem Winkel β bezüglich der ersten Richtung (X) angestellt sind, wobei der Winkel β im Bereich von 45° Bis 85° liegt.
Kontaktstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β ungefähr 75° beträgt.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α im Wesentlichen dem Winkel β entspricht.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sublithographische Abmessung maximal 100 nm, vorzugsweise 90 nm, stärker bevorzugt maximal 70 nm und noch stärker bevorzugt maximal 65 nm beträgt.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der ersten Kontaktelektrode (10) größer ist als der elektrische Widerstand der Widerstandswechselschicht (9).
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widertandswechselschicht (9) aus einem Phasenwechselmaterial besteht.
Kontaktstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial eine, ein Chalkogenid enthaltende Legierung, wie beispielsweise Ge₂Sb₂Te₅, ist.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktelektrode (10) und/oder die zweite Kontaktelektrode (12) aus wenigstens einem Material gefertigt sind, welches aus der Gruppe, bestehend aus W, TiN, Ta, TaN, TiW, TiSiN, TaSiN, TiON und TiAIN, gewählt ist.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktelektrode (10) ein auf Kohlenstoff basierendes Material umfasst.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (14) aus wenigstens einem Material gefertigt ist, welches aus der Gruppe, bestehend aus SiO₂, ZnS-SiO₂ und SiN, gewählt ist.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswechselschicht (9) eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 100 nm aufweist.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (14) eine Schichtdicke im Bereich von 40 nm bis 300 nm aufweist.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktelektrode (10) eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 700 nm aufweist.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kontaktelektrode (12) eine Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 500 nm aufweist.
Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiepulse elektrische Energiepulse sind.
Speicherzelle in einem Halbleiterbauelement, welche eine Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Speicheranordnung in einem Halbleiterbauelement, welche eine Mehrzahl von Speicherzellen nach Anspruch 23 umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt zur Herstellung des Durchgangslochs (15) mittels eines Trockenätzverfahrens umfasst.