DE102004026002B4 - Semiconductor device with solid electrolyte memory cells and manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Halbleiterbauelement
mit
– einem
Halbleitersubstrat (1) und
– einer, parallel zu einer
Hauptoberfläche
(9) des Halbleitersubstrats (1) angeordneten, mit elektrischen Anschlusskontakten
(3) versehenen, ersten. Isolatorschicht (2), sowie
– Festkörperelektrolytspeicherzellen,
die zwischen einem hochohmigen AUS-Zustand und einem niedrigohmigen EIN-Zustand
geschaltet werden können,
wobei jede Speicherzelle eine reaktive Elektrode (5), eine inerte
Elektrode (6), und einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten
Festkörperelektrolyten
umfasst, welcher geeignet ist, die beiden Elektroden (5, 6) elektrisch
voneinander zu isolieren, wodurch der AUS-Zustand der Speicherzelle
definiert ist, wobei an der reaktiven Elektrode (5) durch Anlegen
einer elektrischen Spannung Metallionen erzeugt werden können, die
im Festkörperelektrolyten
die Ausbildung eines, die beiden Elekroden elektrisch leitend verbindenden,
niederohmigen Strompfads bewirken können, wodurch der EIN-Zustand
der Festkörperelektrolytspeicherzelle
definiert ist, wobei
– jede
Speicherzelle einen zur Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats
parallelen Aufbau hat, der in einer zur Hauptoberfläche parallelen
Richtung versetzte, nichtüberlappende
Elektroden (5, 6) aufweist, wobei die Speicherzellen...Semiconductor device with
- A semiconductor substrate (1) and
- One, parallel to a main surface (9) of the semiconductor substrate (1) arranged, provided with electrical connection contacts (3), first. Insulator layer (2), as well
Solid-state electrolyte memory cells which can be switched between a high-resistance OFF state and a low-resistance ON state, each memory cell comprising a reactive electrode (5), an inert electrode (6), and a solid electrolyte arranged between the two electrodes, which is suitable to electrically isolate the two electrodes (5, 6) from each other, whereby the OFF state of the memory cell is defined, wherein metal ions can be generated on the reactive electrode (5) by applying an electric voltage, forming in the solid electrolyte the formation of a cause both electrodes electrically connecting, low-resistance current paths, whereby the ON state of the solid state electrolyte storage cell is defined, wherein
Each memory cell has a structure which is parallel to the main surface of the semiconductor substrate and has non-overlapping electrodes (5, 6) offset in a direction parallel to the main surface, the memory cells being ...
Description
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der nichtflüchtigen Speicher und betrifft insbesondere ein Halbleiterbauelement mit Festkörperelektrolytspeicherzellen, sowie Herstellungsverfahren hierfür.The The present invention is in the field of non-volatile Memory and in particular relates to a semiconductor device with Solid electrolyte memory cells and manufacturing method therefor.
Heutzutage werden als nichtflüchtige Speicher häufig Flash-Speicher eingesetzt. Ein Flash-Speicher ist ein auf Ladungsspeicherung auf einem Floating-Gate basierender Speicher, welcher typischerweise eine aus Spalten und Reihen zusammengesetzte Matrixstruktur aufweist. Die Zellen sind in Abhängigkeit von ihrer Architektur (z. B. NOR oder NAND) parallel oder in Serie geschaltet. Jede Speicherzelle weist ein Control-Gate und ein Floating-Gate auf, welche durch eine dünne Tunneloxidschicht voneinander getrennt sind. Wird ein elektrisches Feld an Source, Drain und an das Control-Gate angelegt, können Elektronen zwischen dem aktiven Bereich des Halbleitersubstrats und dem Floating-Gate tunneln, wodurch die Schwellspannung der Speicherzelle zwischen zwei Zuständen geschaltet werden kann. Obgleich die Flash-Speichertechnologie in den letzten Jahren eine rasante Skalierung in den Sub-100 nm-Bereich erfahren hat, konnten die Nachteile der langen Schreib-/Löschzeiten, die typischerweise im Bereich von Millisekunden liegen, der hohen Schreibspannungen, die typischerweise im Bereich von 10 bis 13 V liegen, und der demzufolge erforderlichen großen Programmierungsenergie, welche dem Wunsch nach einer weiteren Miniaturisierung im Wege steht, bislang nicht gelöst werden. Ferner ist das Herstellungsverfahren der Flash-Speicherzellen relativ aufwändig und somit vergleichsweise komplex.nowadays be considered non-volatile Memory often Flash memory used. Flash memory is one on charge storage on a floating gate based memory, which is typically one of columns and Has rows of composite matrix structure. The cells are in dependence from their architecture (eg NOR or NAND) in parallel or in series connected. Each memory cell has a control gate and a floating gate on which by a thin Tunnel oxide layer are separated. Becomes an electrical Field to source, drain and applied to the control gate, electrons can between the active region of the semiconductor substrate and the floating gate tunnel, causing the threshold voltage of the memory cell between two states can be switched. Although the flash memory technology in In recent years, a rapid scaling in the sub-100 nm range experienced the disadvantages of long write / erase times, which are typically in the range of milliseconds, the high Write voltages typically in the range of 10 to 13V and the consequently large programming energy required, which hinders the desire for further miniaturization, not solved yet become. Further, the manufacturing method of the flash memory cells relatively expensive and thus comparatively complex.
Ein neuer, viel versprechender Ansatz zur Herstellung nichtflüchtiger Speicherzellen basiert auf der Verwendung von Festkörperelektrolyten als aktives (schaltendes) Material für nichtflüchtige Speicherzellen. Hierbei sind insbesondere Chalcogenide bezüglich ihrer Tauglichkeit als aktives Material untersucht worden. Siehe hierzu zum Beispiel M. N. Kozicki, M. Yun, L. Hilt, A. Singh, Electrochemical Society Proceedings, Vol. 99–13, 298, 1999; M. N. Kozicki, M. Yun, S. J. Yang, J. P. Aberouette, J. P. Bird, Superlattices and Microstructures, Volume 27, Nr. 5/6, 485–488, 2000; M. N. Kozicki, et al., "Nanoscale Phase separation in Ag-Ge-Se glasses", Microelectron. Eng. 63, 155/2002; M. N. Kozicki, M. Mitkova, J. Zhu, M. Park, C. Gopalan, "Can Solid State Electrochemistry Eliminate the Memory Scaling Quandry", Proceedings VLSI, 2002; R. Neale, "Micron to look again at non-volatile amorphous memory", Electronic Engineering Design, 2002.One new, promising approach to non-volatile manufacturing Memory cells based on the use of solid state electrolytes as active (switching) material for nonvolatile memory cells. in this connection In particular, chalcogenides are suitable for their suitability as active material has been studied. See for example M. N. Kozicki, M. Yun, L. Hilt, A. Singh, Electrochemical Society Proceedings, Vol. 99-13, 298, 1999; M.N. Kozicki, M.Yun, S.J. Yang, J. P. Aberouette, J.P. Bird, Superlattices and Microstructures, Volume 27, No. 5/6, 485-488, 2000; M.N. Kozicki, et al., "Nanoscale Phase separation in Ag-Ge-Se glasses ", Micro Electron. Closely. 63, 155/2002; M.N. Kozicki, M. Mitkova, J. Zhu, M. Park, C. Gopalan, "Can Solid State Electrochemistry Eliminate the Memory Scaling Quandry ", Proceedings VLSI, 2002; R. Neale, "Micron to look again at non-volatile amorphous memory ", Electronic Engineering Design, 2002.
Dabei hat sich insbesondere herausgestellt, dass Chalcogenide, d. h. Legierungen, welche Chalcogene (Elemente der VI. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente) enthalten, in einer Festkörperelektrolytspeicherzelle, wie sie beispielsweise von Kozicki et al. beschrieben worden ist, gute Schalteigenschaften aufweisen.there In particular, it has been found that Chalcogenide, i. H. alloys, which chalcogens (elements of the VI main group of the periodic table of the elements), in a solid state electrolyte storage cell, as described, for example, by Kozicki et al. has been described have good switching properties.
Festkörperelektrolyt-Speicherzellen beruhen auf einem elektrochemischen Redoxprozess, bei dem Metallionen der einen Elektrode in das Festkörperelektrolytmaterial reversibel ein- und ausdiffundieren und so einen niederohmigen Pfad ausbilden bzw. auflösen können. Genauer ist ein Festkörperelektrolyt zwischen zwei Elektroden eingebettet, wobei eine Elektrode als inerte Elektrode und die andere Elektrode als sog. reaktive Elektrode ausgebildet ist, wobei die reaktive Elektrode gemeinsam mit dem Festkörperelektrolyten ein Redox-System bildet, in welchem oberhalb einer definierten Schwellspannung (Vth) eine Redoxreaktion abläuft. Die Redoxreaktion kann, je nach Polung der an die beiden Elektroden angelegten Spannung, die jedoch größer als die Schwellspannung sein muss, in der einen oder der anderen Reaktionsrichtung ablaufen, wobei Metallionen erzeugt oder vernichtet werden. Wird konkret ein anodisches Potenzial oberhalb der Schwellspannung an die reaktive Elektrode angelegt, so werden Metallionen erzeugt und in den Festkörperelektrolyten abgegeben. Diese Metallionen werden anschließend im Festkörperelektrolyten reduziert und bilden metallische Ausscheidungen. Werden fortwährend Metallionen in den Festkörperelektrolyten abgegeben, so nehmen die metallischen Ausscheidungen in ihrer Zahl und Größe zu, bis sich schließlich ein die beiden Elektroden überbrückender, metallischer Strompfad ausbildet. In diesem Zustand ist der elektrische Widerstand des Festkörperelektrolyten gegenüber dem Zustand ohne einen metallischen Strompfad wesentlich, etwa um mehrere Größenordnungen verringert, wodurch der EIN-Zustand der Speicherzelle definiert ist. Wird eine entgegengesetzt gepolte Spannung an die beiden Elektroden angelegt, so führt dies zur Oxidation der metallischen Ausscheidungen des Strompfads, was dazu führt, dass dieser die beiden Elektroden nicht mehr durchgängig miteinander elektrisch verbindet, wodurch der AUS-Zustand der Speicherzelle definiert ist.Solid-state electrolyte memory cells are based on an electrochemical redox process in which metal ions of one electrode can reversibly in and out of the solid electrolyte material, thus forming or dissolving a low-resistance path. More specifically, a solid electrolyte is embedded between two electrodes, one electrode being formed as an inert electrode and the other electrode as a so-called reactive electrode, wherein the reactive electrode together with the solid electrolyte forms a redox system in which above a defined threshold voltage (V th ) a redox reaction takes place. Depending on the polarity of the voltage applied to the two electrodes, which, however, must be greater than the threshold voltage, the redox reaction can proceed in one or the other reaction direction, metal ions being produced or destroyed. Specifically, when an anodic potential above the threshold voltage is applied to the reactive electrode, metal ions are generated and released into the solid state electrolyte. These metal ions are then reduced in the solid electrolyte and form metallic precipitates. If metal ions are continuously released into the solid-state electrolyte, the number and size of the metallic precipitates increase until, finally, a metallic current path bridging the two electrodes is formed. In this state, the electrical resistance of the solid state electrolyte is substantially reduced, as compared to the state without a metallic current path, by several orders of magnitude, whereby the ON state of the memory cell is defined. If an oppositely poled voltage is applied to the two electrodes, this leads to the oxidation of the metallic precipitates of the current path, with the result that the latter no longer electrically connects the two electrodes to one another, whereby the OFF state of the memory cell is defined.
Die oben genannten Publikationen schlagen vor, den Festkörperelektrolyten in ein in einem herkömmlichen Inter-Dielektrikum vertikal geätztes Via-Loch (Loch zwischen zwei Metallisierungsebenen eines Halbleiterbauelements) abzuscheiden. Daran anschließend wird das Material der reaktiven Elektrode abgeschieden und strukturiert, was beispielsweise durch einen geeigneten Ätzprozess oder durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erfolgen kann. Danach schließt sich ein Prozess an, der das Material der reaktiven Elektrode in den Festkörperelektrolyten eintreibt, um durch UV-Bestrahlung eine Hintergrunddotierung des Festkörperelektrolyten mit dem Metall der reaktiven Elektrode zu erzeugen. Um eine für eine genügende UV-Bestrahlung des Festkörperelektrolyten hinreichend dünne Schichtdicke des reaktiven Elektrodenmaterials sicherzustellen, muss die reaktive Elektrode jedoch wenigstens in zwei Stufen abgeschieden werden. Diese zweistufige Prozessführung ist jedoch aufwändig und deshalb kostspielig. Zudem ist bei dieser Art von Prozessführung die Skalierbarkeit gering.The abovementioned publications suggest depositing the solid state electrolyte into a via hole etched vertically in a conventional inter-dielectric (hole between two metallization levels of a semiconductor device). Subsequently, the material of the reactive electrode is deposited and patterned, which can be done for example by a suitable etching process or by chemical-mechanical polishing (CMP). This is followed by a process that drives the material of the reactive electrode in the solid electrolyte to a background doping of the solid electrolyte by UV irradiation to produce with the metal of the reactive electrode. In order to ensure a sufficiently thin layer thickness of the reactive electrode material for a sufficient UV irradiation of the solid electrolyte, however, the reactive electrode must be deposited at least in two stages. However, this two-step process management is complex and therefore costly. In addition, scalability is low in this type of process control.
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Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Halbleiterbauelement, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen, mit dem durch die Möglichkeit einer einstufigen Abscheidung des Festkörperelektrolyten die mit einer zweistufigen Prozessführung verbundenen Nachteile vermieden werden können.In contrast there is the object of the present invention therein, a semiconductor device, as well to provide a method for its production, with which the possibility a one-step deposition of the solid electrolyte with a two-stage process management associated disadvantages can be avoided.
Diese Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.These The object is according to the proposal of the invention by a semiconductor device with the characteristics of the independent claims solved. advantageous Embodiments of the invention are indicated by the features of the subclaims.
Erfindungsgemäß ist ein Halbleiterbauelement gezeigt, welches mit einem Halbleitersubstrat und wenigstens einer, parallel zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordneten, mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen, ersten Isolatorschicht, sowie Festkörperelektrolytspeicherzellen, die zwischen einem hochohmigen AUS-Zustand und einem niedrigohmigen EIN-Zustand geschaltet werden können, versehen ist. Jede Festkörperelektrolytspeicherzelle, im folgenden einfach „Speicherzelle" bezeichnet, umfasst hierbei zwei Elektroden, nämlich eine reaktive Elektrode, im Allgemeinen eine Metallelektrode, und eine inerte Elektrode, sowie einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten Festkörperelektrolyten. Der Festkörperelektrlyt ist geeignet, die beiden Elektroden elektrisch voneinander zu isolieren, wodurch der AUS-Zustand der Festkörperelektrolytspeicherzelle definiert ist. Die reaktive Elektrode und der Festkörperelektrolyt bilden ge meinsam ein Redox-System, in welchem oberhalb eines definierten Redoxpotentials eine Redoxreaktion abläuft, welche je nach Polung einer an die beiden Elektroden angelegten Spannung in der einen oder der anderen Richtung abläuft, wobei an der reaktiven Elektrode bei geeignet gepolter Spannung Metallionen erzeugt werden können, die im Festkörperelektrolyten reduziert werden und eine Metallkonzentration im Festkörperelektrolyten erhöhen. Ist die Metallkonzentration im Festkörperelektrolyten genügend groß, so führt dies zur Ausbildung eines die beiden Elekroden überbrückenden, niederohmigen Strompfads, wodurch der EIN-Zustand der Festkörperelektrolytspeicherzelle definiert ist. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement zeichnet sich in wesentlicher Weise dadurch aus, dass die Speicherzellen, d. h. jede einzelne Speicherzelle für sich, einen zur Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats im Wesentlichen parallelen Aufbau hat. Mithilfe des erfindungsgemäßen Aufbaus ist ein einstufiges Abscheiden des Materials der reaktiven Elektrode möglich, da eine freie Sicht zum Festkörperelektrolyten der Speicherzellen besteht und dieser deshalb problemlos mit UV-Licht belichtet werden kann. Zudem bietet der erfindungsgemäße Aufbau den Vorteil einer hohen Skalierbarkeit und einfacheren Prozessführung, da sich die Speicherzelle im Wesentlichen durch die Eindiffusion des Materials der reaktiven Elektrode selbstjustiert ausbildet. Weiterhin können mehrere Speicherzellen in vorteilhafter Weise mit einer gemeinsamen reaktiven Elektrode ausgebildet werden.According to the invention is a Semiconductor device shown, which with a semiconductor substrate and at least one, parallel to a main surface of the semiconductor substrate arranged, provided with electrical connection contacts, first Insulator layer, as well as solid state electrolyte storage cells, between a high-impedance OFF state and a low-resistance one ON state can be switched is provided. Each solid-state electrolyte storage cell, hereinafter simply referred to as "memory cell" two electrodes, namely a reactive electrode, generally a metal electrode, and an inert electrode and one between the two electrodes arranged solid state electrolyte. The solid state electrolyte is suitable for electrically insulating the two electrodes from each other, whereby the OFF state of the solid electrolyte memory cell is defined. The reactive electrode and the solid electrolyte together form a redox system in which above a defined Redox potential, a redox reaction takes place, which depends on the polarity a voltage applied to the two electrodes in the one or the other direction expires, wherein at the reactive electrode at a suitably polarized voltage Metal ions can be generated in the solid state electrolyte be reduced and a metal concentration in the solid electrolyte increase. If the metal concentration in the solid electrolyte is sufficiently high, this leads for the formation of a low-resistance current path bridging the two electrodes, whereby the ON state of the solid electrolyte memory cell is defined. The semiconductor device according to the invention is essentially characterized by the fact that the memory cells, d. H. each individual memory cell for itself, one to the main surface of the Semiconductor substrate has substantially parallel structure. aid of the structure according to the invention is a one-step deposition of the material of the reactive electrode possible, because a clear view to the solid electrolyte the memory cells and this therefore easily with UV light can be exposed. In addition, the structure of the invention provides the advantage of high scalability and easier process control, since the memory cell essentially by the diffusion of the material the reactive electrode is self-aligned forms. Furthermore, several memory cells advantageously with a common reactive electrode be formed.
Bei einer vorteilhaften ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sind die Speicherzellen im Wesentlichen in einer auf der ersten Isolatorschicht angeordneten zweiten Isolatorschicht, welche insbesondere eine Festkörperelektrolytschicht sein kann, ausgebildet. Die erste Ausführungsform ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass ein Anschlusskontakt der ersten Isolierschicht mit der reaktiven Elektrode oder der inerten Elektrode einer Speicherzelle elektrisch leitend verbunden ist. Ein prozesstechnischer Vorteil im Hinblick auf die Ätzselektivität kann sich daraus ergeben, dass die jeweils andere Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode dieser Speicherzelle einen in die erste Isolatorschicht ragenden Abschnitt aufweist.at an advantageous first embodiment of the semiconductor device according to the invention are the memory cells substantially in one on the first insulator layer arranged second insulator layer, which in particular a solid electrolyte layer can be educated. The first embodiment is advantageous configured such that a terminal contact of the first insulating layer with the reactive electrode or the inert electrode of a memory cell electrically is conductively connected. A procedural advantage in terms of on the Ätzselektivität may show that the other electrode from the reactive Electrode and the inert electrode of this memory cell in having the first insulator layer projecting portion.
Ein Verfahren zur Herstellung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit wenigstens einer, parallel zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordneten, mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen, ersten Isolatorschicht; Abscheiden einer Festkörperelektrolytschicht auf der ersten Isolatorschicht; Ätzen von Löchern wenigstens in die Festkörperelektrolytschicht; Füllen der Löcher mit dem Material einer Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektroden der Speicherzellen; Ätzen von Löchern wenigstens in die Festkörperelektrolytschicht; Füllen der Löcher mit dem Material der anderen Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektroden der Speicherzellen und Dotieren des Festkörperelekrolyten.One Method for producing the first embodiment of the semiconductor device according to the invention includes the following steps: providing a semiconductor substrate with at least one, parallel to a main surface of the Semiconductor substrate arranged with electrical connection contacts provided, first insulator layer; Depositing a solid electrolyte layer on the first insulator layer; etching of holes at least in the solid electrolyte layer; To fill the holes with the material of an electrode of the reactive electrode and the inert electrodes of the memory cells; Etching holes at least into the solid electrolyte layer; To fill the holes with the material of the other electrode from the reactive electrode and the inert electrodes of the memory cells and doping the solid state electrolyte.
Falls es sich bei der auf der ersten Isolatorschicht abgeschiedenen Schicht nicht um eine Schicht aus einem Festkörperelektrolyten handelt, sondern lediglich um eine die Speicherzellen isolierende zweite Isolatorschicht, so kann alternativ zu obigen Verfahren die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß folgendem Verfahren hergestellt werden, welches die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit wenigstens einer, parallel zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordneten, mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen, ersten Isolatorschicht; Abscheiden einer zweiten Isolatorschicht auf der ersten Isolatorschicht; Ätzen von Löchern wenigstens in die zweite Isolatorschicht; Füllen der Löcher mit dem Material einer Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektroden der Speicherzellen; Ätzen von Löchern wenigstens in die zweite Isolatorschicht; Füllen der Löcher mit dem Material der anderen Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektroden der Speicherzellen; Ätzen von Löchern wenigstens in die zweite Isolatorschicht; Füllen der Löcher mit dem Material des Festkörperelektrolyten der Speicherzellen und Dotieren des Festkörperelekrolyten.If the layer deposited on the first insulator layer is not a layer of a solid electrolyte, but only one of the memory cells isolie As an alternative to the above method, the first embodiment of the semiconductor component according to the invention can be produced according to the following method, comprising the steps: providing a semiconductor substrate with at least one first insulator layer arranged parallel to a main surface of the semiconductor substrate and provided with electrical connection contacts; Depositing a second insulator layer on the first insulator layer; Etching holes at least into the second insulator layer; Filling the holes with the material of an electrode of the reactive electrode and the inert electrodes of the memory cells; Etching holes at least into the second insulator layer; Filling the holes with the material of the other electrode of the reactive electrode and the inert electrodes of the memory cells; Etching holes at least into the second insulator layer; Filling the holes with the material of the solid state electrolyte of the memory cells and doping the solid state electrolyte.
Bei einer vorteilhaften zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sind die Speicherzellen im Wesentlichen in der ersten Isolatorschicht und einer auf der ersten Isolatorschicht angeordneten zweiten Isolatorschicht, insbesondere eine Festkörperelektrolytschicht, ausgebildet. Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbeiterbauelements ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass ein in der ersten Isolierschicht ausgebildeter, elektrischer Anschlusskontakt eine Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode einer Speicherzelle bildet und die andere Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode der Speicherzelle in der auf der ersten Isolatorschicht angeordneten zweiten Isolatorschicht ausgebildet ist. Ein prozesstechnischer Vorteil, vor allem im Hinblick auf die Ätzselektivität, kann sich hierbei daraus ergeben, dass die eine Elektrode aus der reaktiven Elektrode und inerten Elektrode der Speicherzelle, welche in der ersten Isolatorschicht angeordnet ist, einen in die auf der ersten Isolatorschicht angeordneten zweiten Isolatorschicht ragenden Abschnitt aufweist, und/oder die andere Elektrode aus der reaktiven Elektrode und inerten Elektrode der Speicherzelle, welche in der zweiten Isolatorschicht angeordnet ist, einen in die erste Isolatorschicht ragenden Abschnitt aufweist.at an advantageous second embodiment of the semiconductor device according to the invention are the memory cells substantially in the first insulator layer and a second insulator layer disposed on the first insulator layer, in particular a solid electrolyte layer, educated. The second embodiment of the semiconductor component according to the invention is advantageously designed so that one in the first insulating layer trained, electrical connection contact an electrode the reactive electrode and the inert electrode of a memory cell forms and the other electrode from the reactive electrode and the inert electrode of the memory cell in the on the first insulator layer arranged second insulator layer is formed. A process engineering Advantage, especially with respect to the Ätzselektivität can This results from the fact that the one electrode from the reactive Electrode and inert electrode of the memory cell, which in the first insulator layer is arranged, one in the on the first Insulator layer disposed second insulator layer projecting portion and / or the other electrode from the reactive electrode and inert electrode of the memory cell, which in the second insulator layer is arranged, a projecting into the first insulator layer portion having.
Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements kann durch ein Verfahren hergestellt werden, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit wenigstens einer, parallel zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordneten, mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen, ersten Isolatorschicht, wobei die elektrischen Anschlusskontakte eine Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode einer Speicherzelle bilden; Abscheiden einer Festkörperelektrolytschicht auf der ersten Isolatorschicht; Ätzen von Löchern wenigstens in die Festkörperelektrolytschicht; Füllen der Löcher mit dem Material der anderen Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode der Speicherzellen und Dotieren des Festkörperelektrolyten.The second embodiment of the semiconductor device according to the invention can be made by a process which includes the following steps comprising: providing a semiconductor substrate with at least one, parallel to a main surface of the semiconductor substrate arranged, provided with electrical connection contacts, first insulator layer, wherein the electrical connection contacts an electrode from the reactive electrode and the inert electrode of a memory cell form; Depositing a solid electrolyte layer on the first insulator layer; etching of holes at least in the solid electrolyte layer; To fill the holes with the material of the other electrode from the reactive electrode and the inert electrode of the memory cells and doping the solid electrolyte.
Alternativ hierzu, für den Fall, dass keine Festkörperelektrolytschicht auf der ersten Isolatorschicht abgeschieden wird, kann die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements durch ein Verfahren hergestellt werden, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit wenigstens einer, parallel zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordneten, mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen, ersten Isolatorschicht, wobei die elektrischen Anschlusskontakte eine Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode einer Speicherzelle bilden; Abscheiden einer zweiten Isolatorschicht auf der ersten Isolatorschicht; Ätzen von Löchern wenigstens in die zweite Isolatorschicht; Füllen der Löcher mit dem Material der anderen Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode der Speicherzellen; Ätzen von Löchern wenigstens in die zweite Isolatorschicht; Füllen der Löcher mit dem Material des Festkörperelektrolyten der Speicherzellen und Dotieren des Festkörperelekrolyten.alternative for this, for the case that no solid electrolyte layer deposited on the first insulator layer, the second embodiment of the semiconductor device according to the invention be prepared by a process which includes the following steps comprising: providing a semiconductor substrate with at least one, parallel to a main surface of the semiconductor substrate arranged, provided with electrical connection contacts, first Insulator layer, wherein the electrical connection contacts an electrode from the reactive electrode and the inert electrode of a memory cell form; Depositing a second insulator layer on the first Insulator layer; etching of holes at least in the second insulator layer; Fill the holes with the material of the others Electrode of the reactive electrode and the inert electrode the memory cells; etching of holes at least in the second insulator layer; Fill the holes with the material of the solid electrolyte the memory cells and doping of the solid state electrolyte.
Bei einer vorteilhaften dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sind die Speicherzellen im Wesentlichen in der ersten Isolatorschicht, einer auf der ersten Isolatorschicht angeordneten zweiten Isolatorschicht, bei welcher es sich insbesondere um eine Festkörperelektro lytschicht handeln kann, und einer auf der zweiten Isolatorschicht angeordneten dritten Isolatorschicht ausgebildet. Die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbeiterbauelements ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass ein in der ersten Isolierschicht ausgebildeter, elektrischer Anschlusskontakt eine Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode einer Speicherzelle bildet und die andere Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode der Speicherzelle in der dritten Isolatorschicht ausgebildet ist. Ein prozesstechnischer Vorteil, vor allem im Hinblick auf die Ätzselektivität, kann sich hierbei daraus ergeben, dass die eine Elektrode aus der reaktiven Elektrode und inerten Elektrode der Speicherzelle, welche in der ersten Isolatorschicht angeordnet ist, einen in die zweite Isolatorschicht, insbesondere Festkörperelektrolytschicht, ragenden Abschnitt aufweist, und/oder die andere Elektrode aus der reaktiven Elektrode und inerten Elektrode der Speicherzelle, welche in der dritten Isolatorschicht angeordnet ist, einen in die zweite Isolatorschicht ragenden Abschnitt aufweist.at an advantageous third embodiment of the semiconductor device according to the invention are the memory cells substantially in the first insulator layer, a second insulator layer disposed on the first insulator layer, which is in particular a solid electrolyte layer can, and arranged on the second insulator layer third Insulator layer formed. The third embodiment of the semiconductor device according to the invention is advantageously designed so that a trained in the first insulating layer, electrical connection contact an electrode from the reactive electrode and the inert electrode of one memory cell and the other electrode from the reactive electrode and the inert electrode of the memory cell is formed in the third insulator layer. A process engineering Advantage, especially with regard to the Ätzselektivität, may be In this case, it can be concluded that the one electrode is made of the reactive one Electrode and inert electrode of the memory cell, which in the first insulator layer is arranged, one in the second insulator layer, in particular Solid electrolyte layer, Having projecting portion, and / or the other electrode of the reactive electrode and inert electrode of the memory cell, which is disposed in the third insulator layer, one in the second Insulator layer projecting portion has.
Die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements kann durch ein Verfahren hergestellt werden, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit wenigstens einer, parallel zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordneten, mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen, ersten Isolatorschicht, wobei die elektrischen Anschlusskontakte eine Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode einer Speicherzelle bilden; Abscheiden einer Festkörperelektrolytschicht auf der ersten Isolatorschicht; Abscheiden einer dritten Isolatorschicht auf der Festkörperelektrolytschicht; Ätzen von Löchern wenigstens in die dritte Isolatorschicht; Füllen der Löcher mit dem Material der anderen Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode der Speicherzellen und Dotieren des Festkörperelektrolyten.The third embodiment of the semiconductor device according to the invention can be made by a process which includes the following steps comprising: providing a semiconductor substrate with at least one, parallel to a main surface of the semiconductor substrate arranged, provided with electrical connection contacts, first insulator layer, wherein the electrical connection contacts an electrode from the reactive electrode and the inert electrode of a memory cell form; Depositing a solid electrolyte layer on the first insulator layer; Depositing a third insulator layer on the solid electrolyte layer; Etching of holes at least in the third insulator layer; Fill the holes with the material of the others Electrode of the reactive electrode and the inert electrode the memory cells and doping of the solid electrolyte.
Alternativ hierzu, kann die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, für den Fall, dass keine Festkörperelektrolytschicht auf der ersten Isolatorschicht abgeschieden wird, durch ein Verfahren hergestellt werden, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit wenigstens einer, parallel zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordneten, mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen ersten Isolatorschicht, wobei die elektrischen Anschlusskontakte eine Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode einer Speicherzelle bilden; Abscheiden einer zweiten Isolatorschicht auf der ersten Isolatorschicht; Ätzen von Löchern wenigstens in die zweite Isolatorschicht; Füllen der Löcher mit dem Material des Festkörperelektrolyten der Speicherzellen; Abscheiden einer dritten Isolatorschicht auf der zweiten Isolatorschicht; Ätzen von Löchern wenigstens in die dritte Isolatorschicht; Füllen der Löcher mit dem Material der anderen Elektrode aus der reaktiven Elektrode und der inerten Elektrode der Speicherzellen und Dotieren des Festkörperelektrolyten.alternative For this, the third embodiment the semiconductor device according to the invention, for the Case, that no solid electrolyte layer deposited on the first insulator layer by a method which comprises the following steps: providing a semiconductor substrate having at least one, parallel to one main surface of the semiconductor substrate arranged, provided with electrical connection contacts first insulator layer, wherein the electrical connection contacts an electrode of the reactive electrode and the inert electrode form a memory cell; Depositing a second insulator layer on the first insulator layer; etching of holes at least in the second insulator layer; Fill the holes with the material of the solid electrolyte the memory cells; Depositing a third insulator layer the second insulator layer; Etching of holes at least in the third insulator layer; Fill the holes with the material of the others Electrode of the reactive electrode and the inert electrode the memory cells and doping of the solid electrolyte.
Erfindungsgemäß und in Übereinstimmung mit dem allgemeinen Verständnis auf dem technischen Gebiet ermöglicht ein "elektrisch leitender Zustand" einen Elektronenstrom, welcher als verschieden von dem "ionenleitenden Zustand" des Festkörperelektrolyten ohne niederohmigen Strompfad angesehen werden muss. Aus diesem Grund kann der Festkörperelektrolyt, obgleich er ionenleitend ist, die beiden Elektroden voneinander elektrisch isolieren, um den AUS-Zustand des Schaltelements zu definieren. Wird ein anodisches Potenzial, welches höher ist als das Redoxpotenzial, an die reaktive Elektrode angelegt, so wird das Metall der reaktiven Elektrode oxidiert und die erzeugten Metallionen werden in den Festkörperelektrolyten abgegeben. Dieses Redoxpotenzial definiert somit die Schwellspannung zum Starten der Redoxreaktion, welche jedoch von einer Vielzahl weiterer Eigenschaften, wie zum Beispiel dem gewählten Materialsystem, abhängt. Eine reaktive Elektrode im Sinne der Erfindung ist in der Lage, Metallionen zu erzeugen (bzw. zu vernichten), wenn eine geeignete gepolte Spannung an die beiden Elektroden angelegt wird, die höher ist als die Schwellspannung. Im Unterschied hierzu ist eine "inerte Elektrode" als Elektrode definiert, die nicht in der Lage ist, Metallionen zu erzeugen, wenn die oben bezeichnete Schwellspannung an die beiden Elektroden angelegt wird, d. h. das Material der inerten Elektrode ist so gewählt, dass dessen Redoxpotenzial in Verbindung mit dem Festkörperelektrolyten jedenfalls höher ist als jenes des Metalls der reaktiven Elektrode. Das Material der inerten Elektrode ist ferner so gewählt, dass es mit dem Festkörperelektrolyten chemisch nicht reagiert und keine signifikante Löslichkeit bzw. Mobilität in dem Festkörperelektrolyten aufweist.According to the invention and in accordance with the general understanding in the technical field an "electric conductive state "one Electron current, which is different than the "ion-conducting state" of the solid electrolyte without low impedance current path must be considered. For this reason can the solid electrolyte, Although it is ion-conducting, the two electrodes from each other electrically isolate to define the OFF state of the switching element. Will an anodic potential higher than the redox potential, applied to the reactive electrode, the metal becomes the reactive one Electrode oxidized and the metal ions generated are in the solid state electrolyte issued. This redox potential thus defines the threshold voltage to start the redox reaction, but which of a variety other properties, such as the chosen material system depends. A Reactive electrode according to the invention is capable of metal ions to generate (or destroy) if a suitable polarized voltage is applied to the two electrodes, which is higher than the threshold voltage. In contrast, an "inert Electrode "as an electrode which is unable to produce metal ions when the above-mentioned threshold voltage applied to the two electrodes is, d. H. the material of the inert electrode is chosen so that its redox potential in conjunction with the solid-state electrolyte certainly higher is than that of the metal of the reactive electrode. The material the inert electrode is further selected to be in contact with the solid state electrolyte not chemically reacted and no significant solubility or mobility in the Solid electrolyte having.
Bei dem Festkörperelektrolyten handelt es sich um ein ionenleitfähiges Material, welches eine gute Ionenleitfähigkeit für die Metallionen der reaktiven Elektrode aufweist bzw. durch Erwärmen in einen solchen Zustand gebracht werden kann. Ein solcher Festkörperelektrolyt ist vorteilhaft ein Glas, insbesondere ein halbleitendes Material. Besonders bevorzugt umfasst der Festkörperelektrolyt wenigstens eine Legierung, die wenigstens ein Chalcogen, d. h. ein Element der VI. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente, wie O, S, Se, Te, enthält. Bei einer glasartigen Chalcogenid-Legierung kann es sich beispielsweise um Ge-S, Ge-Se, Ni-S, Cr-S oder Co-S handeln. Erfindungsgemäß kann es sich bei dem Festkörperelektrolyten auch um ein poröses Metalloxid, wie WOx, Al2O3, VOx oder TiOx handeln. Die obigen Aufzählungen für den Festkörperelektrolyten sind lediglich beispielhaft und sollen die Erfindung hierauf nicht einschränken.The solid-state electrolyte is an ion-conductive material which has a good ionic conductivity for the metal ions of the reactive electrode or can be brought into such a state by heating. Such a solid electrolyte is advantageously a glass, in particular a semiconductive material. Particularly preferably, the solid electrolyte comprises at least one alloy containing at least one chalcogen, ie an element of VI. Main group of the Periodic Table of the Elements, such as O, S, Se, Te contains. For example, a glassy chalcogenide alloy may be Ge-S, Ge-Se, Ni-S, Cr-S or Co-S. According to the invention, the solid electrolyte may also be a porous metal oxide, such as WO x , Al 2 O 3 , VO x or TiO x . The above enumerations for the solid electrolyte are merely exemplary and are not intended to limit the invention thereto.
Bei dem Material der reaktiven Elektrode kann es sich um ein Metall handeln, welches beispielsweise aus Cu, Ag, Au, Ni, Cr, V, Ti oder Zn gewählt ist. Die inerte Elektrode kann aus einem Material bestehen, welches beispielsweise aus W, Ti, Ta, TiN, dotiertem Si und Pt gewählt ist.at The material of the reactive electrode may be a metal which, for example, from Cu, Ag, Au, Ni, Cr, V, Ti or Zn chosen is. The inert electrode may be made of a material which for example, selected from W, Ti, Ta, TiN, doped Si and Pt.
Erfindungsgemäß wird die inerte Elektrode als „inert" betrachtet, wenn ihr Redoxpotenzial größer ist, als das zum Schalten der Speicherzelle eingesetzte Potenzial. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass das Material der Inertelektrode ein Redoxpotenzial hat, welches bei einer Schwellspannung von maximal 5 Volt nicht erreicht wird. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Schwellspannung zur Aktivierung des Redoxsystems, d. h. zum Starten der Redoxreaktion zum Erzeugen von Metallionen an der anodischen Elektrode, maximal 5 Volt beträgt, da ansonsten die Gefahr eines elektrischen Durchbruchs der Schichten besteht. Stärker bevorzugt ist es, wenn die Schwellspannung maximal 2 Volt beträgt. Erfindungsgemäß ist es am stärksten bevorzugt, dass die Schwellspannung unterhalb von 1 Volt liegt, wobei diese typischerweise im Bereich von 200 bis 500 mVolt liegen kann. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die beiden Elektroden einen Abstand voneinander aufweisen, welcher im Bereich von 10 nm bis 250 nm liegt. Stärker bevorzugt ist es, wenn der Abstand der beiden Elektroden im Bereich von 20 nm bis 100 nm liegt und beispielsweise 50 nm beträgt.According to the invention, the inert electrode is considered to be "inert" if its redox potential is greater than the potential used to switch the memory cell, whereby it may be advantageous for the material of the inert electrode to have a redox potential which does not exist for a threshold voltage of 5 volts maximum According to the invention, it is preferred that the threshold voltage for activating the redox system, ie for starting the redox reaction for generating metal ions on the anodic electrode, is a maximum of 5 volts, since otherwise the risk of electrical breakdown of the layers exists , if the threshold voltage is a maximum of 2 volts. In accordance with the invention, it is most preferred that the threshold voltage be less than 1 volt, which may typically be in the range of 200 to 500 millivolts. According to the invention, it is preferred that the two electrodes are at a distance from each other which is in the range of 10 nm to 250 nm. It is more preferred if the distance between the two electrodes is in the range of 20 nm to 100 nm and, for example, 50 nm.
In den Speicherzellen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sind vorteilhaft schnelle Schaltgeschwindigkeiten realisiert, welche wenigstens die derzeitigen Schaltgeschwindigkeiten herkömmlicher DRAM-/SRAM-Schaltzellen erreichen. Erfindungsgemäß ist eine Schaltgeschwindigkeit von 1 μs bevorzugt. Stärker bevorzugt ist eine Schaltgeschwindigkeit von weniger als 100 ns, und noch stärker bevorzugt ist eine Schaltgeschwindigkeit von weniger als 10 ns.In the memory cells of the semiconductor device according to the invention are advantageously realizes fast switching speeds, which at least the current switching speeds of conventional Reach DRAM / SRAM switch cells. According to the invention is a switching speed of 1 μs prefers. Stronger preferred is a switching speed of less than 100 ns, and even stronger preferred is a switching speed of less than 10 ns.
Durch das Erzeugen einer Hintergrunddotierung im Festkörperelektrolyten können in vorteilhafter Weise die Schalteigen schaften zum Erstellen eines niederohmigen Strompfads zur Überbrückung beider Elektroden optimiert werden. Das dotierte Festkörperelektrolytmaterial weist einen perkolativen Schalteffekt auf, so dass ab einer kritischen Metallkonzenration ein niederohmiger Strompfad ausgebildet wird. Auf diese Weise können die Schalteigenschaften der Speicherzellen verringert werden. Gleichwohl muss jedoch dafür Sorge getragen werden, dass die Isolationseigenschaft des Festkörperelektrolyten durch die Hintergrunddotierung nicht beeinträchtigt wird, also ein Überdotieren vermieden wird.By the generation of a background doping in the solid electrolyte can be described in Advantageously, the switching properties for creating a Low impedance current paths to bridge both Electrodes are optimized. The doped solid electrolyte material has a percolative switching effect, so starting from a critical Metallkonzenration a low-impedance current path is formed. That way you can the switching characteristics of the memory cells are reduced. nevertheless but must be for it Care should be taken that the insulating property of the solid electrolyte is not affected by the background doping, so an overdosing is avoided.
Die Schichtdicken der ersten Isolierschicht und/oder der Speicherzellenebene und/oder, falls vorhanden, der zweiten Isolierschicht, weisen vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 200 nm auf.The Layer thicknesses of the first insulating layer and / or the memory cell level and / or, if present, the second insulating layer, preferably have a layer thickness in the range of 50 nm to 200 nm.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements bildet eine reaktive Elektrode eine gemeinsame reaktive Elektrode zweier benachbarter Speicherzellen.at a particularly advantageous embodiment of the semiconductor device according to the invention forms a reactive electrode is a common reactive electrode of two adjacent memory cells.
Die Erfindung wird nun näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird.The Invention will now be closer explains with reference to the attached Drawings is taken.
Zunächst sei
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erfolgt nun eine Beschreibung der in den
Die
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Die
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- 11
- HalbleitersubstratSemiconductor substrate
- 22
- erste Isolatorschichtfirst insulator layer
- 33
- Anschlusskontaktconnection contact
- 44
- FestkörperelektrolytschichtSolid electrolyte layer
- 55
- reaktive Elektrodereactive electrode
- 66
- inerte Elektrodeinert electrode
- 77
- vorragender Abschnittprojecting section
- 88th
- vorragender Abschnittprojecting section
- 99
- Hauptoberflächemain surface
- 1010
- vorragender Abschnittprojecting section
- 1111
- vorragender Abschnittprojecting section
- 1212
- vorragender Abschnittprojecting section
- 1313
- vorragender Abschnittprojecting section
- 1414
- dritte Isolatorschichtthird insulator layer
- 1515
- vorragender Abschnittprojecting section
- 1616
- vorragender Abschnittprojecting section
- 1717
- vorragender Abschnittprojecting section
- 1818
- vorragender Abschnittprojecting section
- 1919
- dielektrische Barrierenschichtdielectric barrier layer
- 2020
- Isolierschichtinsulating
- 2121
- Metall-LeiterbahnMetal conductor
- 2222
- Plugplug
Claims (14)
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