DE102004022604B4 - Verfahren zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement, welche sublithografische Kontaktstruktur als Kontaktelemente einen ersten elektrischen Kontakt (10; 12) und einen zweiten elektrischen Kontakt (17), sowie ein zwischen den beiden elektrischen Kontakten angeordnetes Widerstandswechselmaterial (13; 23) aufweist, wobei der erste elektrische Kontakt mit dem Widerstandswechselmaterial einen ersten Kontaktbereich (26; 27, 30; 31) formt und der zweite elektrische Kontakt mit dem Widerstandswechselmaterial einen zweiten Kontaktbereich (28; 29; 32; 33) formt, und wobei wenigstens einer der beiden Kontaktbereiche wenigstens eine sublithografische Abmessung aufweist, wobei das Verfahren einen Schritt umfasst, bei welchem die wenigstens eine sublithografische Abmessung der sublithografischen Kontaktstruktur durch wenigstens eine chemische Reaktion, bei welcher das Widerstandswechselmaterial teilweise in ein Dielektrikum umgewandelt wird, erzeugt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Halbleiterbauelemente und betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement.
  • In herkömmlichen, optisch wiederbeschreibbaren Medien, wie CDs (Compact Discs) oder DVDs (Digital Versatile Discs), werden als Speicherschicht Phasenwechselmaterialien eingesetzt, die durch Erwärmen mittels eines Laserstrahls in einen kristallinen Zustand oder einen amorphen Zustand versetzt werden können. Da die Reflektivität der Phasenwechselmaterialien im kristallinen bzw. 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 ein Bit.
  • Amorphe und kristalline Phasen dieser Phasenwechselmaterialien unterscheiden sich zudem 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 Chalcogenid-Phasenwechselmaterialien, 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 Chalcogenid ist eine Legierung aus Ge, Sb und Te, nämlich Ge2Sb2Te5. Chalcogenide haben die vorteilhafte Eigenschaft, dass sich der elektrische Widerstand um 2 oder mehr Größenordnungen ändert, wenn das Material von der weniger leitfähigen, amorphen Phase in die stärker leitfähige, kristalline Phase gebracht wird, und umgekehrt.
  • In einer Speicherzelle, die ein Phasenwechselmaterial aus einer Chalcogenidverbindung aufweist, kann, wie dem Fachmann bekannt ist, unter anderem durch einen elektrischen Heizpuls (Joule'sche Wärme) ein Phasenübergang induziert werden. Genauer kann eine Speicherzelle mit einer sich im amorphen Zustand befindlichen Chalcogenidverbindung in die niederohmige, kristalline Phase überführt werden, indem ein Heizpuls das Material über die Kristallisationstemperatur der Chalcogenidverbindung 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 Chalcogenidverbindung 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 Chalcogenid 1 zwischen einer Deckelektrode 2 und einer Bodenelektrode 3 angeordnet.
  • In einem direkten elektrischen Kontakt mit der Chalcogenidschicht 1 und der Bodenelektrode 3 befindet sich eine Heizelektrode 4, welche einen höheren elektrischen Widerstand als die Chalcogenidschicht 1 haben kann. Die in 1a gezeigte Speicherzelle ist aufgrund ihrer bodenseitigen Kontaktierung der Chalcogenidschicht 1 durch die Heizelektrode eine Speicherzelle vom sogenannten Bodenkontakt-Typ.
  • Fließt nun ein hinreichend großer Strom durch die Heizelektrode 4, so bewirkt die in der Heizelektrode 4 erzeugte Joule'sche Wärme einen Phasenübergang in der angrenzenden Chalcogenidschicht 1, nämlich in dem programmierbaren, d.h. schreib- und löschbaren Volumen 5. Übersteigt die in dem programmierbaren Volumen 5 erreichte Temperatur die Kristallisationstemperatur des Chalcogenids, so wird ein Phasenübergang von dem amorphen Zustand in den kristallinen Zustand induziert. Übersteigt die Temperatur in dem programmierbaren Volumen 5 die Schmelztemperatur des Chalcogenids und lässt man das programmierbare Volumen 5 hinreichend schnell abkühlen, so wird ein Übergang von dem kristallinen Zustand in den amorphen Zustand induziert. Auf diese Weise kann das Chalcogenid in willkürlicher Weise in den einen oder anderen Phasenzustand gebracht werden.
  • Der zu einem gegebenen Zeitpunkt vorliegende bzw. eingestellte Phasenzustand der Speicherzelle kann gelesen werden, indem eine Lesespannung an die Speicherzelle angelegt wird. Um durch die Lesespannung keine Umprogrammierung, d.h. ein Schreiben oder Löschen der Speicherzelle zu bewirken, muss hierbei jedoch beachtet werden, dass der aus der Lesespannung resultierende Strom Iread durch die Speicherzelle deutlich kleiner sein muss als der Schreibstrom Iset bzw. Löschstrom Ireset. Demnach gilt Iread << Iset < Ireset
  • 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, bes tehend aus Einzelzellen, die jeweils einen Transistor und ein resistiv schaltendes Element besitzen, in einer Zell-Architektur mit einer Zellfläche von maximal 8 F2 (F = erzielbare minimale lithografische Abmessung) zu realisieren. Der sich aus dieser Bedingung ergebende, maximale elektrische Strom liegt typisch in der Größenordnung von ca. 50–100 μA (je nach Strukturgröße). Demgegenüber wäre eine weitere Reduktion des Maximalstroms jedoch wünschenswert, da hierdurch der Energieverbrauch insgesamt gesenkt wird und zudem ein paralleles Programmieren der Phasenwechsel-Speicherzellen ermöglicht wird.
  • Bislang wurde zur Lösung dieses 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 fotolithografisch erreichbaren, minimalen Abmessungen Grenzen gesetzt, welche mit den derzeitigen optischen (UV) lithografischen Techniken lediglich ca. 100 nm erreichen. Wünschenswert wären jedoch weitaus geringere mini male Abmessungen, welche beispielsweise in der Größenordnung von 20–30 nm liegen.
  • In 1b ist im Unterschied zu den Phasenwechsel-Speicherzellen vom Bodenkontakttyp, für welche ein Beispiel in 1a gezeigt ist, welche stets den Einschränkungen der fotolithografisch erreichbaren minimalen Abmessungen unterliegen, eine Phasenwechsel-Speicherzelle vom Seitenkontakt-Typ gezeigt (Ha et al., "An edge contact 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 durch den Randbereich eines Bodenelektrodenfilms 4, welcher an das Phasenwechselmaterial 1 angrenzt, gegeben. Die Kontaktfläche ergibt sich hierbei aus der Filmdicke des Bodenelektrodenfilms 4. Der Bodenelektrodenfilm 4 ist ferner in einem direkten 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 in 1b gezeigten Aufbau konnte ein Löschstrom von ca. 200 μA erreicht werden, was jedoch den Wunsch nach einer weiteren Reduktion aufrechterhält. 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 zu seiner Herstellung eine Vielzahl von Prozessschritten, was die Herstellung von Speicherbausteinen verteuert.
  • 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 fotolithografisch definierten Strukturen vor, um auf diese Weise die Kontaktfläche zu dem Phasenwechselmaterial zu verringern (siehe z. B. Y. N. Hwang et al., „Completely CMOS compatible Phase-Change Nonvolatile RAM Using NMOS Cell Transistors", IEEE Proceedings of the Non-Volatile Semiconductor Memory Workshop, Monterey, 91 (2003)). Diese Vorgehensweise erfordert jedoch vergleichsweise komplexe Prozessschritte und ist überdies zeit- und kostenintensiv. Diese Methode ist überdies für sehr kleine Strukturen ungeeignet, da zu große CD- (critical dimension) Variationen resultieren.
    •
  • Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement anzugeben, durch welches eine sublithografische Kontaktstruktur zuverlässig, einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement, welche als Kontaktelemente einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt sowie eine zwischen den beiden elektrischen Kontakten angeordnete Widerstandswechselschicht aufweist. Hierbei formt der erste elektrische Kontakt mit der Widerstandswechselschicht einen ersten Kontaktbereich, während der zweite elektrische Kontakt mit der Widerstandswechselschicht einen zweiten Kontaktbereich formt, wobei wenigstens einer der beiden Kontaktbereiche wenigstens eine sublithografische Abmessung aufweist. Nach dem Vorschlag der Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung der sublithografischen Kontaktstruktur einen Schritt, bei welchem die wenigstens eine sublithografische Abmessung der sublithografischen Kontaktstruktur durch wenigstens eine chemische Reaktion erzeugt wird, wobei die Widerstandswechselschicht durch die chemische Reaktion teilweise in ein Dielektrikum bzw. einen sehr hochohmigen Halbleiter umgewandelt wird.
  • Der Ausdruck "sublithografische Abmessung", wie er hier verwendet wird, meint eine lineare Abmessung, die kleiner ist als die mit dem derzeitigen optischen (UV), lithografischen Techniken erreichbare Abmessung, und ist kleiner als ca. 100 nm. Demgegenüber ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn die durch die chemische Reaktion erzeugte sublithografische 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 sublithografische Abmessung kann beispielsweise lediglich 20 nm betragen.
  • Das erfindungsgemäße Widerstandswechselmaterial ist ein Material, welches geeignet ist, in Antwort auf ausgewählte Energiepulse, wenigstens zwei Zustände mit voneinander verschiedenen Widerstandswerten einzunehmen. 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 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 ergeben.
  • Typische Materialien, die beispielsweise als Widerstandswechselmaterial zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind, sind Phasenwechselmaterialien, wie beispielsweise Legierungen, welche ein Chalcogenid enthalten. Erfindungsgemäß sind Phasenwechselmaterialien, welche wenigstens ein Chalcogenid enthalten, wie beispielsweise Ge2Sb2Te5, bevorzugt. In solchen Chalcogenid-Phasenwechselmaterialien können Zustände eines unterschiedlichen elektrischen Widerstands sowohl den unterschiedlichen Phasenzuständen kristallin und amorph (Zustände verschiedener Fernordnung), wie auch unterschiedlichen Zuständen lokaler Ordnung (Zustände verschiedener Nahordnung) innerhalb eines einzigen Phasenzustands zugeordnet werden.
  • Erfindungsgemäß wird eine chemische Reaktion durchgeführt, bei welcher das Widerstandswechselmaterial teilweise in ein Dielektrikum bzw. einen sehr hochohmigen Halbleiter umgewandelt wird. Hierbei sind das der chemischen Reaktion unterworfene Kontaktelement und die chemische Reaktion so gewählt, dass das Reaktionsprodukt der chemischen Reaktion ein Dielektrikum ist. Mit dem Ausdruck „Dielektrikum", wie er hier verwendet wird, ist ein im Wesentlichen isolierendes Material gemeint, was insbesondere ein sehr hochohmiger Halbleiter sein kann. Ein Reaktionsprodukt wird im Sinne der Erfindung als im Wesentlichen isolierend angesehen, wenn sich sein elektrischer Widerstand wesentlich, d. h. beispielsweise um einige Größenordnungen, von dem elektrischen Widerstand des nicht-reagierten Ausgangsmaterials unterscheidet. Es ist somit nicht erforderlich, dass das Reaktionsprodukt eine verschwindende elektrische Leitfähigkeit aufweist, sondern vielmehr genügt ein für die jeweilige Anwendung hinreichend großer Unterschied der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Ausgangsmaterial und Reaktionsprodukt.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn die chemische Reaktion des Kontaktelements zu einer Oxidation des Kontaktelements führt. Ist das Kontaktelement beispielsweise aus Aluminium gefertigt, so stellt das durch Oxidation erzeugte Aluminiumoxid im Allgemeinen ein geeignetes Dielektrikum dar. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus bevorzugt, wenn die chemische Reaktion des Kontaktelements eine Nitridierung des Kontaktelements bewirkt. Eine Oxidierung bzw. Nitridierung des Kontaktelements wird hierbei beispielsweise in einer Sauerstoffatmosphäre bzw. Stickstoffatmosphäre, inbesondere bei erhöhter Temperatur, beispielsweise im Bereich von 300°C bis 800°C, in einem Ofen durchgeführt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden sukzessiven Schritte: Zunächst wird ein Halbleiterbauelement, bei welchem es sich um einen Halbleiterwafer handeln kann, der anhand herkömmlicher FEOL (Front End Of Line)-Prozessschritte und MOL (Mid-Of-Line)-Prozessschritte fertig prozessiert ist, bereitgestellt. Das Halbleiterbauelement weist auf wenigstens einer seiner Hauptseiten wenigstens einen ersten elektrischen Kontakt auf. Bei dem ersten elektrischen Kontakt kann es sich um einen herkömmlichen, so genannten Plug-Kontakt handeln, welcher von einem Dielektrikum umgeben ist. Alternativ hierzu, kann es sich bei dem ersten elektrischen Kontakt um eine auf einem Plug-Kontakt aufgebrachte Elektrode handeln, wobei in diesem Fall sowohl der Plug-Kontakt als auch die Elektrode von einem Dielektrikum umgeben sind.
  • Anschließend wird auf die einen ersten elektrischen Kontakt aufweisende Hauptseite eine Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial, insbesondere eine Schicht aus einem Chalcogenid-Widerstandswechselmaterial, abgeschieden.
  • Dann wird auf die Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial eine Reaktionsmaskenschicht abgeschieden. Die Reaktionsmaskenschicht kann insbesondere aus Si3N4 oder SiON bestehen. Die Reaktionsmaskenschicht wird hiernach strukturiert, zu welchem Zweck ein herkömmliches Ätzverfahren, wie Photolack und RIE-Ätzung, eingesetzt werden kann, wodurch eine Reaktionsmaske erzeugt wird. Die Reaktionsmaske wird dabei so gestaltet, dass die Reaktionsmaske in wenigstens teilweiser Gegenüberstellung zu dem ersten elektrischen Kontakt platziert ist.
  • Nach Fertigstellung der Reaktionsmaske wird eine chemische Reaktion des Widerstandswechselmaterials durchgeführt, bei welcher das Widerstandswechselmaterial teilweise in ein im Wesentlichen nicht stromleitendes Dielektrikum umgewandelt wird. Das Widerstandswechselmaterial kann hierbei beispielsweise oxidiert oder nitridiert werden. Zu diesem Zweck wird das Halbleiterbauelement beispielsweise in einen mit einer Sauerstoffatmosphäre bzw. Stickstoffatmosphäre versehenen Ofen eingebracht, in welchem das Halbleiterbauelement beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 800°C erwärmt wird.
  • Die von der Reaktionsmaske nicht bedeckten Abschnitte des Widerstandswechselmaterials sind bei der chemischen Reaktion unmittelbar dem Reaktionsstoff, beispielsweise Reaktionsgas, ausgesetzt, während in den von der Reaktionsmaske bedeckten Bereichen des Widerstandswechselmaterials lediglich eine diffusionsvermittelte chemische Reaktion stattfindet. Hierbei diffundieren die die chemische Reaktion bewirkenden Reaktionsstoffe, ausgehend von den von der Reaktionsmaske nicht bedeckten Bereichen des Widerstandswechselmaterials, in die von der Reaktionsmaske bedeckten Bereiche des Widerstandswechselmaterials ein. Dies führt dazu, dass die von der Reaktionsmaske nicht bedeckten Abschnitte des Widerstandswechselmaterials zuerst chemisch reagieren und dabei in ein Dielektrikum umgewandelt werden, während die von der Reaktionsmaske bedeckten Bereiche des Widerstandswechselmaterials aufgrund der hierfür notwendigen Diffusionsprozesse innerhalb des Widerstandswechselmaterials erst mit einer zeitlichen Verzögerung chemisch reagieren können sund in ein Dielektrikum umgewandelt werden. Wird die chemische Reaktion des Widerstandswechselmaterials nicht vollständig durchgeführt, so bleibt unterhalb der Reaktionsmaske ein nicht-reagierter Bereich des Widerstandswechselmaterials übrig. Die Größe bzw. Abmessung des nicht-reagierten Bereichs des Widerstandswechselmaterials kann hierbei über die Temperatur und die Zeitdauer der chemischen Reaktion bestimmt werden. Erfindungsge mäß ist beabsichtigt, dass die chemische Reaktion lediglich so lange durchgeführt wird, dass unterhalb der Reaktionsmaske ein nicht-reagierter Bereich des Widerstandswechselmaterials mit wenigstens einer sublithografischen Abmessung verbleibt. Die Größe der sublithografischen Abmessung kann hierbei über die Temperatur und die Zeitdauer der chemischen Reaktion beliebig eingestellt werden.
  • Anschließend wird die Reaktionsmaske im Wesentlichen selektiv wieder entfernt, was beispielsweise durch ein herkömmliches nasschemisches Verfahren oder Trockenätzverfahren durchgeführt werden kann.
  • Schließlich wird eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material auf der Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial abgeschieden, wodurch der zweite elektrische Kontakt erzeugt wird.
  • In dem Verfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung wird das Widerstandswechselmaterial einer chemischen Reaktion zur Erzeugung einer sublithografischen Abmessung unterzogen. Demzufolge weisen sowohl der erste Kontaktbereich als auch der zweite Kontaktbereich, welche sich aus den Kontaktflächen der beiden elektrischen Kontakte mit der Widerstandswechselschicht ergeben, wenigstens eine sublithografische Abmessung auf.
  • Erfindungsgemäß kann es von Vorteil sein, wenn beim Schritt des Strukturierens der Reaktionsmaskenschicht zur Ausbildung der Reaktionsmaske, die Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial, welche der Reaktionsmaskenschicht anliegt, mitstrukturiert wird oder bereits strukturiert ist. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, welche auf der Schicht aus einem Widerstands wechselmaterial zur Erzeugung des zweiten elektrischen Kontakts abgeschieden wurde, strukturiert wird.
  • Gemäß eines zweiten vorteilhaften Verfahrens, welches nicht Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, umfasst dieses die folgenden sukzessiven Schritte:
    Zunächst wird ein Halbleiterbauelement, bei welchem es sich um einen Halbleiterwafer mit abgeschlossener FEOL-Prozessierung und MOL-Prozessierung handeln kann, mit wenigstens einem auf wenigstens einer seiner Hauptseiten ausgebildeten ersten elektrischen Kontakt bereitgestellt. Bei dem ersten elektrischen Kontakt kann es sich um einen Plug-Kontakt bzw. eine auf einem solchen Plug-Kontakt angeordnete Elektrode handeln.
  • Anschließend wird auf der mit dem wenigstens einen ersten elektrischen Kontakt versehenen Hauptseite eine Reaktionsmaskenschicht aus beispielsweise Si3N4 oder SiON, abgeschieden. Diese Reaktionsmaskenschicht wird anschließend strukturiert, was in herkömmlicher Weise mittels Fotolack und RIE-Ätzung erfolgen kann. Wie schon in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Reaktionsmaskenschicht derart strukturiert, dass die Reaktionsmaske in wenigstens teilweiser Gegenüberstellung zu dem ersten elektrischen Kontakt verbleibt.
  • Dann wird eine chemische Reaktion des ersten elektrischen Kontakts durchgeführt, bei welcher der erste elektrische Kontakt teilweise in ein im Wesentlichen nicht stromleitendes Dielektrikum umgewandelt wird. Als chemische Reaktion ist eine Oxidierung oder Nitridierung des ersten elektrischen Kontakts bevorzugt, welche beispielsweise in einem Ofen, der mit einer Sauerstoffatmosphäre bzw. Stickstoffatmosphäre versehen ist, bei erhöhter Temperatur, beispielsweise im Bereich von ca. 300°C bis 800°C, durchgeführt werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass unterhalb der Reaktionsmaske ein nicht-reagierter Bereich mit wenigstens einer sublithografischen Abmessung verbleibt.
  • Anschließend wird die Reaktionsmaske wieder entfernt, was durch ein herkömmliches nasschemisches Verfahren oder Trockenätzverfahren durchgeführt werden kann.
  • Auf der Hauptseite des Halbleiterbauelements wird anschließend eine Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial abgeschieden.
  • Daraufhin wird auf die Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material abgeschieden, durch welche der zweite elektrische Kontakt erzeugt wird.
  • Bei dem zweiten Verfahren kann es besonders vorteilhaft sein, wenn nach der chemischen Reaktion des ersten elektrischen Kontakts, bei welcher der erste elektrische Kontakt teilweise in ein Dielektrikum umgewandelt wird, der nicht-reagierte Bereich des ersten elektrischen Kontakts teilweise oder vollständig rückgeätzt wird. Dies hat den Vorteil, dass beim anschließenden Abscheiden der Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial das Widerstandswechselmaterial in die durch die Rückätzung des ersten elektrischen Kontakts geschaffene Ausnehmung eindringt, wodurch ein definierter, sublithografisch bemessener Strompfad zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem Widerstandswechselmaterial geschaffen wird. Auf diese Weise kann sehr vorteilhaft eine Dissipation elektrischer Ströme im Hinblick auf die Erzielung möglichst geringer Betriebsströme der sublithografischen Kontaktstruktur verringert bzw. im Wesentlichen vollständig vermieden werden.
  • Das zweite Verfahren kann ferner einen Schritt zum Strukturieren der Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial und/oder einen Schritt zum Strukturieren der Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material zur Erzeugung des zweiten elektrischen Kontakts umfassen.
  • Bei dem zweiten Verfahren wird der erste elektrische Kontakt einer chemischen Reaktion zur Ausbildung einer sublithografischen Abmessung unterzogen. Demzufolge weist lediglich der erste Kontaktbereich, welcher sich aus der Kontaktfläche zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und der Widerstandswechselschicht ergibt, wenigstens eine sublithografische Abmessung auf.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn bei der Strukturierung der Reaktionsmaskenschicht zur Erzeugung einer Reaktionsmaske die Reaktionsmaskenschicht derart strukturiert wird, dass die Reaktionsmaske wenigstens eine fotolithografisch erreichbare minimale Abmessung F aufweist. Hierdurch kann die Ausbildung einer sublithografischen Abmessung durch Diffusionsprozesse in den von der Reaktionsmaske bedeckten Abschnitten der Widerstandswechselschicht bzw. des ersten elektrischen Kontakts besonders einfach und innerhalb eines möglichst kurzen Zeitraums erfolgen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können weitere Schritte entsprechend einer herkömmlichen BEOL (Back End Of Line)-Prozessierung durchgeführt werden. Im Rahmen solcher BEOL-Prozessschritte kann etwa eine Metallisierung durch Abschei dung von weiteren IMDs (Inter-Metall-Dielektrika), ein Ätzen von Kontaktlöchern, ein Füllen der Kontaktlöcher, je nach der Anzahl der benötigten Metallebenen, mit anschließender Passivierung und Bondpad-Öffnung erfolgen.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren können der erste elektrische Kontakt und/oder der zweite elektrische Kontakt aus wenigstens einem Material gefertigt sein, welches aus der Gruppe, bestehend aus W, TiN, Ta, TaN, TiW, TiSiN, TaSiN, TiON und TiAlN gewählt ist. Ebenso kann der erste elektrische Kontakt oder der zweite elektrische Kontakt ein auf Kohlenstoff basierendes Material umfassen.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Hierbei sind gleiche bzw. gleichartige Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1A–1B zeigen in schematischer Weise herkömmliche Kontaktstrukturen mit einem Widerstandswechselmaterial;
  • 2A–2F zeigen in schematischer Weise eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Ausführungsform der Erfindung;
  • 3A–3H zeigen in schematischer Weise eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur gemäß eines nicht zur Erfindung gehörenden zweiten Verfahrens;
  • 4A–4I zeigen in schematischer Weise eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur gemäß eines weiteren Beispiels des nicht zur Erfindung gehörenden zweiten Verfahrens;
    •
  • Die 1A und 1B, worin zwei im Stand der Technik bekannte Kontaktstrukturen mit einer Widerstandswechselschicht dargestellt sind, wurden bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben.
  • Die 2A–2F zeigen in schematischer Weise eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur gemäß einer Ausgestaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • In 2A ist ein Unterbau 9 eines Halbleiter-Wafers gezeigt, welcher durch die herkömmlichen Prozessschritte einer FEOL- und MOL-Prozessierung fertig prozessiert ist. Der Unterbau 9 ist mit einem ersten elektrischen Kontakt in Form eines Plugs 10, welcher von einem Isolator 11 umgeben ist, versehen. Alternativ weist der Unterbau 9 als ersten elektrischen Kontakt einen Plug 10 mit einer darauf abgeschiedenen, polierten Elektrode 12 auf, welche beide von einem Isolator 11 umgeben sind.
  • Durch die in den Figuren dargestellte Zickzacklinie werden in allen Figuren diese beide Varianten der Ausgestaltung des ersten elektrischen Kontakts der Einfachheit halber in jeweils einer zeichnerischen Darstellung veranschaulicht.
  • 2B zeigt die beiden nächsten Verfahrensschritte zur Herstellung der sublithografischen Kontaktstruktur gemäß der Ausgestaltung der Ausführungsform des erfindungsgemä ßen Verfahrens. Demnach wird auf dem Unterbau 9 zunächst eine Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial auf der Hauptseite des Unterbaus 9 abgeschieden. Bei dem Widerstandswechselmaterial handelt es sich beispielsweise um eine Chalkogenid-basierte Legierung, insbesondere Ge2Sb2Te5. Anschließend wird auf der Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial eine Reaktionsmaskenschicht 14 abgeschieden. Die Reaktionsmaskenschicht kann beispielsweise aus Si3N4 oder SiON bestehen. Dann wird, wie in 2C in schematischer Weise gezeigt ist, die Reaktionsmaskenschicht 14 strukturiert, was mittels Fotolack und RIE-Ätzung erfolgen kann, wodurch die Reaktionsmaske 15 erzeugt wird. Die Reaktionsmaske 15 ist in einer teilweisen Gegenüberstellung zu dem Plug 10, bzw. dem Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12, positioniert. Die Reaktionsmaske 15 weist hierbei in X-Richtung eine fotolithografische (UV) erreichbare minimale Abmessung F auf. Optional kann bei der Ätzung der Reaktionsmaskenschicht 14 auch die Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial mitgeätzt werden (nicht gezeigt).
  • Wie in 2D in schematischer Weise veranschaulicht ist, wird in einem nächsten Schritt die Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial einer chemischen Reaktion unterzogen. Die Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial wird hierbei beispielsweise oxidiert oder nitridiert, was in einem Ofen in Sauerstoffatmosphäre bzw. Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden kann. Da die chemische Reaktion erfindungsgemäß nicht vollständig abläuft, wird die Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial lediglich teilweise in ein Dielektrikum 16 umgewandelt. Unterhalb der Reaktionsmaske 15 und oberhalb des Plug 10, bzw. des Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12, verbleibt ein nicht-reagierter Bereich 22 der Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial. Der nicht-reagierte Bereich 22 aus einem Widerstandswechselmate rial weist in X-Richtung eine sublithografische Abmessung auf.
  • Dann wird, wie in 2E in schematischer Weise gezeigt ist, die Reaktionsmaske 15 wieder entfernt, was durch ein herkömmliches, nasschemisches Verfahren bewirkt werden kann.
  • Anschließend wird, wie in 2F gezeigt ist, eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material auf dem Dielektrikum 16 und dem nicht-reagierten Bereich 22 der Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial abgeschieden und strukturiert, wodurch eine dem Plug 10, bzw. dem Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12, gegenüberliegende Elektrode 17 erzeugt wird. Anschließend können weitere Prozessschritte einer BEOL-Prozessierung durchgeführt werden.
  • Wenn es sich bei dem ersten elektrischen Kontakt um einen Plug 10 handelt, bildet der nicht-reagierte Bereich 22 aus einem Widerstandswechselmaterial einen ersten Kontaktbereich 27 mit dem Plug 10 und einen zweiten Kontaktbereich 29 mit der Elektrode 17 aus, wobei beide Kontaktbereiche eine sublithografische Abmessung in X-Richtung und gegebenenfalls in Y-Richtung aufweisen. Wenn es sich bei dem ersten elektrischen Kontakt um den Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12 handelt, bildet der nicht-reagierte Bereich 22 aus einem Widerstandswechselmaterial einen ersten Kontaktbereich 26 mit der Elektrode 12 und einen zweiten Kontaktbereich 28 mit der Elektrode 17 aus, wobei beide Kontaktbereiche eine sublithografische Abmessung in X-Richtung und gegebenenfalls in Y-Richtung aufweisen.
  • Die 3A bis 3H zeigen eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement gemäß eines nicht zur Erfindung gehörenden zweiten Verfahrens.
  • Wie 3A in schematischer Weise zu entnehmen ist, wird zunächst ein Unterbau 9 als Teil eines Halbleiterwafers bereitgestellt. Der Unterbau 9 ist Ergebnis herkömmlicher Prozessschritte einer FEOL- und MOL-Prozessierung des Halbleiter-Wafers. Der Unterbau 9 weist als ersten elektrischen Kontakt einen Plug 10, bzw. einen Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12, auf. Plug 10, bzw. Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12, sind von einem Isolator 11 umgeben.
  • Wie 3B zu entnehmen ist, wird auf dem Unterbau 9 eine Reaktionsmaskenschicht 14 aus beispielsweise Si3N4 oder SiON abgeschieden. Die Reaktionsmaskenschicht 14 wird anschließend zu einer Reaktionsmaske 15 strukturiert, 3c, was beispielsweise mittels Fotolack und RIE-Ätzung durchgeführt werden kann. Die Reaktionsmaske 15 weist in X-Richtung eine fotolithografisch (UV) erreichbare, minimale Abmessung F auf. Die Reaktionsmaske ist in teilweiser Gegenüberstellung zu dem Plug 10, bzw. Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12, positioniert.
  • Wie 3D zu entnehmen ist, wird der erste elektrische Kontakt, d. h. Plug 10, bzw. Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12, einer chemischen Reaktion unterzogen. Durch die chemische Reaktion, insbesondere eine Oxidation oder Nitridierung, wird der elektrische Kontakt in ein Dielektrikum 19 bzw. 18 umgewandelt. Da die chemische Reaktion unvollständig abläuft, verbleibt unterhalb der Reaktionsmaske 15 ein nicht-reagierter Bereich, nämlich ein nicht-reagierter Bereich 24, wenn der erste elektrische Kontakt der Plug 10 ist, oder ein nicht-reagierter Bereich 22, wenn der erste elektrische Kontakt der Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12 ist. Der nicht-reagierte Bereich weist jeweils in einer Richtung senkrecht zum Halbleitersubstrat eine sublithografische Ab messung auf. Die Größe der sublithografischen Abmessung kann hierbei durch die Temperatur und die Zeitdauer der chemischen Reaktion bestimmt werden, wobei grundsätzlich jede beliebige sublithografische Abmessung erzeugt werden kann.
  • Anschließend wird, 3E, die Reaktionsmaske 15 im Wesentlichen selektiv wieder entfernt, wozu ein nasschemisches Verfahren oder ein Trockenätzverfahren eingesetzt werden kann.
  • Im Weiteren wird, wie 3F in schematischer Weise zu entnehmen ist, eine Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial auf den Unterbau 9 abgeschieden. Auf die Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial wird dann eine Schicht 17 aus einem elektrisch leitfähigen Material zur Erzeugung einer weiteren Elektrode abgeschieden. Anschließend, 3G, werden die Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial und die Schicht 17 aus einem elektrisch leitfähigen Material geätzt, zu welchem Zweck ein Fotolack und eine RIE-Ätzung eingesetzt werden können. Die Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial und die Schicht 17 aus einem elektrisch leitfähigen Material können hierbei entweder in einem Schritt gemeinsam geätzt werden, oder in mehreren Schritten geätzt werden. Durch die Ätzung der Schicht 17 aus einem elektrisch leitfähigen Material bleiben als zweite elektrische Kontakte die Elektroden 17 übrig.
  • Anschließend können, 3H, weitere Schritte einer BEOL-Prozessierung durchgeführt werden, wodurch weitere Kontakte und Metalllagen ausgebildet werden können. So kann ein weiteres IMD (Inter-Metall-Dielektrikum) 20 abgeschieden werden, in welches Kontaktlöcher 21 geätzt werden, um darin weitere Plugs 10, bzw. Plugs 10 mit darauf befindlichen Elektroden 12, zu bilden.
  • Die 4A bis 4I zeigen eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur gemäß eines weiteren Beispiels des nicht zur Erfindung gehörenden zweiten Verfahrens. In diesem Verfahren entsprechen die Prozessschritte, welche in den 4A bis 4E in schematischer Weise gezeigt sind, den in den 3A bis 3E in schematischer Weise gezeigten Prozessschritten. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die dort gemachten Ausführungen verwiesen.
  • Ausgehend von dem in 4E gezeigten Zustand, in welchem der erste elektrische Kontakt, nämlich Plug 10, bzw. Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12, teilweise in ein Dielektrikum umgewandelt wurde, wird, wie in 4F veranschaulicht ist, der elektrische Kontakt in dem nicht-reagierten Bereich 24 bzw. 23 teilweise oder vollständig rückgeätzt. Wie 4F insbesondere zu entnehmen ist, werden die nicht-reagierten Bereiche 24 bzw. 23 lediglich teilweise rückgeätzt, wodurch eine Ausnehmung 25 bzw. 22 entsteht.
  • Die weiteren Schritte 4G, 4H und 4E entsprechen den Verfahrensschritten, welche im Zusammenhang mit den 3F, 3G und 3H beschrieben wurden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die dort gemachten Ausführungen verwiesen.
  • Wie 4G zu entnehmen ist, dringt beim Abscheiden der Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial das Widerstandswechselmaterial in die Ausnehmung 25 bzw. 22 ein. Hierdurch wird in äußerst vorteilhafter Weise ein sublithografisch bemessener Strompfad im Widerstandswechselmaterial geschaffen, wodurch eine Dissipation von elektrischer Energie verringert bzw. im Wesentlichen vermieden werden kann.
  • Bei den beiden Beispielen des zweiten Verfahrens bildet der nicht-reagierte Bereich 23 der ersten Elektrode in Form des Plugs 10 einen ersten Kontaktbereich 31 zur Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial aus, während die Elektrode 17 einen zweiten Kontaktbereich 33 zur Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial ausbildet. Wenn es sich bei der ersten Elektrode um den Plug 10 mit darauf befindlicher Elektrode 12 handelt, bildet der nicht-reagierte Bereich 23 einen ersten Kontaktbereich 30 zur Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial aus, während die Elektrode 17 einen zweiten Kontaktbereich 32 zur Schicht 13 aus einem Widerstandswechselmaterial ausbildet.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung einer sublithografischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement, welche sublithografische Kontaktstruktur als Kontaktelemente einen ersten elektrischen Kontakt (10; 12) und einen zweiten elektrischen Kontakt (17), sowie ein zwischen den beiden elektrischen Kontakten angeordnetes Widerstandswechselmaterial (13; 23) aufweist, wobei der erste elektrische Kontakt mit dem Widerstandswechselmaterial einen ersten Kontaktbereich (26; 27, 30; 31) formt und der zweite elektrische Kontakt mit dem Widerstandswechselmaterial einen zweiten Kontaktbereich (28; 29; 32; 33) formt, und wobei wenigstens einer der beiden Kontaktbereiche wenigstens eine sublithografische Abmessung aufweist, wobei das Verfahren einen Schritt umfasst, bei welchem die wenigstens eine sublithografische Abmessung der sublithografischen Kontaktstruktur durch wenigstens eine chemische Reaktion, bei welcher das Widerstandswechselmaterial teilweise in ein Dielektrikum umgewandelt wird, erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Halbleiterbauelements (9), an welchem auf einer seiner Hauptseiten wenigstens ein erster elektrischer Kontakt (10; 12) ausgebildet ist, – Abscheiden einer Schicht (13) aus einem Widerstandswechselmaterial auf der Hauptseite des Halbleiterbauelements, – Abscheiden einer Reaktionsmaskenschicht (14) auf der Schicht (13) aus einem Widerstandswechselmaterial, – Strukturieren der Reaktionsmaskenschicht (14) zum Erzeugen einer Reaktionsmaske (15), derart, dass die Reaktionsmaske (15) in wenigstens teilweiser Gegenüberstellung zu dem ersten elektrischen Kontakt (10; 12) verbleibt, – Durchführen einer chemischen Reaktion des Widerstandswechselmaterials, bei welcher das Widerstandswechselmaterial teilweise in ein Dielektrikum umgewandelt wird, derart, dass unterhalb der Reaktionsmaske (15) ein nicht-reagierter Bereich (26; 27) mit wenigstens einer sublithografischen Abmessung verbleibt, – Entfernen der Reaktionsmaske (15), – Abscheiden einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material auf der Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial zur Erzeugung des zweiten elektrischen Kontakts (17).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt des Strukturierens der Reaktionsmaskenschicht (14) die Schicht (13) aus einem Widerstandswechselmaterial mitstrukturiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Schritt zum Strukturieren der Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material zur Erzeugung des zweiten elektrischen Kontakts (17) umfasst.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt zum Strukturieren der Reaktionsmaskenschicht zur Erzeugung einer Reaktionsmaske die Reaktionsmaskenschicht so strukturiert wird, dass die Reaktionsmaske wenigstens eine fotolithografisch (UV) erreichbare minimale Abmessung (F) aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Reaktion, bei welcher das Widerstandswechselmaterial teilweise in ein Dielektrikum umgewandelt wird, eine Oxidation des Kontaktelements ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Reaktion, bei welcher das Widerstandswechselmaterial teilweise in ein Dielektrikum umgewandelt wird, eine Nitridierung des Kontaktelements ist.
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