DE102004031742A1

DE102004031742A1 - Verfahren zur Herstellung einer sublithographischen Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102004031742A1
Application number: DE102004031742A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Happ
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer sublithographischen Kontaktstruktur einer ein Widerstandswechselmaterial (19) und an das Widerstandswechselmaterial (19) angrenzende erste und zweite Kontaktelektroden (11, 20) aufweisenden Speicherzelle in einem Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines front-end-of-Line (FEOL) fertig prozessierten Halbleiter-Wafers mit wenigstens einem als erste Kontaktelektrode dienenden elektrischen Kontakt (11); Abscheiden einer Isolatorschicht (12) aus einem dielektrischen Material auf dem Halbleiter-Wafer; Abscheiden einer Opferschicht (14) aus einem dielektrischen Material auf der Isolatorschicht (12); Ausbilden einer Ätzmaske (15) auf der Opferschicht (14); Ausbilden eines ersten Durchgangslochs (17) in der Opferschicht (14) oberhalb des elektrischen Kontakts (11) des Halbleiter-Wafers, wobei die an die Isolatorschicht (12) angrenzende Öffnung des ersten Durchgangslochs (17) wenigstens eine sublithographische Abmessung (S¶1¶) in wenigstens einer ersten Richtung (X) aufweist; Ausbilden eines zweiten Durchgangslochs (18) in der Isolatorschicht (12), wobei das erste Durchgangsloch (17) der Opferschicht (14) als Ätzmaske verwendet wird und wobei die an den elektrischen Kontakt (11) des Halbleiter-Wafers angrenzende Öffnung des zweiten Durchgangslochs (18) wenigstens eine sublithographische Abmessung (S¶2¶) in wenigstens einer ersten Richtung (X) aufweist, welche kleiner oder gleich der ...

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Halbleiterbauelemente und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer sublithographischen Kontaktstruktur einer Widerstandswechselmaterial-Speicherzelle in einem Halbleiterbauelement.
In den letzten Jahren haben wiederbeschreibbare Medien, wie CDs (Compact Disks) oder DVDs (Digital Versatile Disks), eine starke Verbreitung erfahren. Hierfür werden als Speicherschicht gewöhnlich Phasenwechselmaterialien eingesetzt, die durch Erwärmen in einen kristallinen Zustand oder einen amorphen Phasenzustand gebracht werden können, wobei die unterschiedlichen Phasenzustände einer Informationseinheit (1 Bit) zugeordnet werden können. Da die optische Reflektivität der Phasenwechselmaterialien im kristallinen bzw. amorphen Phasenzustand verschieden ist, kann die gespeicherte Information in einfacher Weise ausgelesen werden. Ferner hat sich gezeigt, dass zudem auch die elektrische Leitfähigkeit der Phasenwechselmaterialien im amorphen bzw. kristallinen Phasenzustand verschieden ist, so dass der Phasenzustand eines Phasenwechselmaterials grundsätzlich auch elektrisch ausgelesen werden kann, wobei der elektrische Widerstand im amorphen Phasenzustand im Allgemeinen größer ist als im kristallinen Zustand. Phasenwechselmaterialien bilden somit die Grundlage einer vielversprechenden neuen Art nichtflüchtiger Speicherzellen.
Als Phasenwechselmaterialien in CDs und DVDs werden typischerweise Chalkogenide eingesetzt, d. h. Legierungen, die wenigstens ein Element aus der VI. Hauptgruppe (Chalkogene) des Periodensystems der Elemente enthalten. Das zur Zeit am häufigsten eingesetzte Chalkogenid ist eine Legierung aus Ge, Sb und Te, nämlich Ge₂Sb₂Te₅. In Bezug auf die elektrischen Eigenschaften zeichnen sich Chalkogenide insbesondere dadurch aus, dass sich der elektrische Widerstand um mehrere Größenordnungen ändert, wenn eine Änderung des Phasenzustands zwischen der amorphen Phase und der kristallinen Phase induziert wird.
Bei ihrer Anwendung in Speicherzellen ist es vorteilhaft, wenn ein Phasenwechsel der Phasenwechselmaterialien nicht durch einen Laserpuls, sondern durch einen elektrischen Heizpuls, d. h. Joulesche Wärme, induziert wird. Befindet sich das Phasenwechselmaterial einer Speicherzelle im hochohmigen, amorphen Zustand, so kann dieses in den niederohmigen, kristallinen Zustand überführt werden, wenn ein Heizpuls das Material über dessen Kristallisationstemperatur aufheizt und dabei kristallisieren lässt. Dies wird als "Schreiben" der Speicherzelle bezeichnet. Der umgekehrte Vorgang, bei welchem das Phasenwechselmaterial der Speicherzelle von dem niederohmigen, kristallinen Zustand in den hochohmigen, amorphen Zustand überführt wird, wird dadurch realisiert, dass das Phasenwechselmaterial über den Schmelzpunkt hinaus aufgeheizt wird und anschließend durch ein schnelles Abkühlen in den amorphen Zustand abgeschreckt wird. Dies wird als "Löschen" der Speicherzelle bezeichnet.

Ein typischer Aufbau einer Phasenwechsel-Speicherzelle vom Bodenkontakt-Typ ist in 1A gezeigt. Demnach ist eine Schicht aus einem polykristallinen Chalkogenid 1 zwischen einer Deckelektrode 2 und einer Bodenelektrode 3 angeordnet. Eine Heizelektrode 4, welche einen höheren elektrischen Widerstand als die Chalkogenid-Schicht 1 hat, ist in einem direkten elektrischen Kontakt mit der Chalkogenid-Schicht 1 und der Bodenelektrode 3. Fließt ein hinreichend großer Strom durch die Heizelektrode 4, so bewirkt die in der Heizelektrode 4 erzeugte Joulesche Wärme einen Phasenübergang in der dieser angrenzenden Chalkogenid-Schicht 1, nämlich in dem programmierbaren, das heißt schreib- und löschbaren, Volumen 5. Übersteigt die Temperatur des programmierbaren Volumens 5 die Kristallisationstemperatur des Chalkogenids, so wird ein Phasenübergang vom amorphen Zustand in den kristallinen Zustand induziert. Übersteigt die Temperatur in dem programmierbaren Volumen 5 die Schmelztemperatur des Chalkogenids und lässt man das programmierbare Volumen 5 hinreichend schnell abkühlen, so wird ein Übergang von dem kristallinen Zustand in den amorphen Zustand induziert.

Wie oben bereits ausgeführt wurde, kann der Phasenzustand einer Speicherzelle elektrisch ausgelesen werden, wobei eine Lesespannung an die Speicherzelle angelegt wird. Um zu gewährleisten, dass durch die Lesespannung keine Umprogrammierung, das heißt, Schreiben oder Löschen der Speicherzelle bewirkt wird, muss der sich aus der Lesespannung ergebende Strom I_read durch die Speicherzelle deutlich kleiner sein als der Stromstrom I_set bzw. Lösch-Strom I_reset. Demnach gilt I_read << I_set < I_reset Ein wesentlicher Nachteil derartiger Speicherzellen ergibt sich nun daraus, 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 in einen Si-CMOS-Prozess integrieren zu können, bestehen hierfür aus technologischer Sicht jedoch Grenzen: Wenn die zum Schreiben oder Löschen einer Phasenwechsel-Speicherzelle notwendigen elektrischen Ströme größer sind, als dass sie von einem einzelnen CMOS-Transistor in minimaler Strukturgröße getragen werden können, gibt es keine Möglichkeit, ein kompaktes Zellenfeld, bei dem eine Zelle jeweils einen Transistor und ein resistiv schaltendes Element aufweiset, in einer Zell-Architektur mit einer Zellfläche von 5-8F² (F = minimale lithographische Abmessung) zu realisieren. Wie sich gezeigt hat, liegt der sich aus dieser Bedingung ergebende maximale Strom typischerweise in einer Größenordnung von circa 50-100 μA (je nach Strukturgröße). Demgegenüber wäre jedoch eine weitere Reduktion des Maximalstroms äußerst wünschenswert, da hierdurch der Energieverbrauch insgesamt gesenkt würde und zudem ein paralleles Programmieren der Phasenwechsel-Speicherzellen ermöglicht wäre.

Zur Lösung dieses Problems wurde bislang vornehmlich versucht, mittels einer Reduktion der Kontaktfläche zwischen Heizelektrode und Phasenwechselmaterial das zu programmierende Volumen zu verkleinern, da sich die zum Schreiben und Löschen notwendigen Ströme im Allgemeinen mit dem zu programmierenden Volumen skalieren. Diesem Unterfangen sind jedoch durch die photolithographisch erreichbaren minimalen Abmessungen Grenzen gesetzt: mit den zur Zeit verfügbaren, optisch (UV)-lithographischen Techniken kann, wie dem Fachmann bekannt ist, eine minimale lithographische Abmessung (F) von lediglich ca. 100 nm erreicht wird. Für eine Reduktion des Maximalstroms wären jedoch noch weitaus geringere minimale Abmessungen, welche beispielsweise in der Größenordnung von 20-30 nm liegen, wünschenswert.

In 1B ist im Unterschied zu den Phasenwechsel-Speicherzelle mit Bodenkontaktgeometrie, welche stets den Einschränkungen der photolithographisch erreichbaren minimalen Abmessungen unterliegen, eine alternative Ausführung einer Phasenwechsel-Speicherzelle in Form einer Speicherzelle vom Seitenkontakttyp gezeigt (Ha et al., "An edge contact type cell for phase change RAM featuring very low power consumption", 2003 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers). Bei diesem Aufbau ist die Kontaktfläche zum Phasenwechselmaterial 1 durch den Randbereich eines an das Phasenwechselmaterial 1 angrenzenden Bodenelektrodenfilms 4 gegeben. Die Kontaktfläche bestimmt sich dabei aus der Filmdicke des Bodenelektrodenfilms 4.

Mit dem in 1B gezeigten Aufbau konnte zwar ein vergleichsweise geringer Löschstrom von ca. 200 μA erreicht werden, jedoch hält dies den Wunsch nach einer weiteren Reduktion des Löschstroms aufrecht. Überdies hat ein solcher Aufbau mit Seitenkontaktgeometrie einen vergleichsweise großen lateralen Raumbedarf, was nachteilig im Hinblick auf die stetige Miniaturisierung von Speicherbausteinen ist.

In der Internationalen Patentanmeldung WO 98/36446 ist ein Verfahren zur Herstellung einer kleinen Kontaktfläche zwischen Elektroden einer Chalkogenid-Speicherzelle gezeigt. Dort wird durch ein nasschemisches Ätzverfahren eine kegelförmige sublithographische Kontaktfläche der Kontaktelektrode realisiert. Dieser Aufbau hat jedoch generell den Nachteil, dass Zellen mit einer Heizkontakt-Geometrie einen vergleichseise hohen Leistungsbedarf aufweisen. Zum anderen schränkt das nasschemische Ätzverfahren die Auswahl der Elektrodenmaterialien erheblich ein.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung einer sublithographischen Kontaktstruktur anzugeben, durch welches eine Widerstandswechselmaterial-Speicherzelle realisiert werden kann, die mit vergleichsweise geringen elektrischen Strömen zwischen zwei Zuständen mit einem voneinander verschiedenen elektrischen Widerstand geschaltet werden kann. Zudem soll eine derartige Speicherzelle eine vergleichsweise kleine Geometrie, insbesondere laterale Abmessung, aufweisen, so dass eine weitere Miniaturisierung von Speicherbausteinen möglicht ist. Im Hinblick auf eine Massenfertigung derartiger Speicherbausteine soll ein derartiges Verfahren in einfacher Weise und kostengünstig durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer sublithographischen Kontaktstruktur einer Widerstandswechselmaterial-Speicherzelle gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.

Nach dem Vorschlag der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer sublithographischen Kontaktstruktur einer Widerstandswechselmaterial-Speicherzelle, die ein Widerstandswechselmaterial und an das Widerstandswechselmaterial angrenzende erste und zweite Kontaktelektroden aufweist, die folgenden Schritte:
Zu Beginn wird ein durch herkömmliche, dem Fachmann bekannte Schritte einer front-end-of-line (FEOL)-Prozessierung fertig gestellter Halbleiter-Wafer, der wenigstens einen als erste Kontaktlektrode der Speicherzelle dienenden elektrischen Kontakt aufweist, bereitgestellt. Bei diesem elektrischen Kontakt kann es sich um einen Anschlusskontakt ("Plug") handeln, der beispielsweise aus Wolfram gefertigt ist, oder um eine auf den Plug aufgebrachte zusätzliche Kontaktelektrode, die beispielsweise aus TiW, TiSiN, TaSiN oder TiAlN gefertigt ist.

Anschließend wird eine Isolatorschicht aus einem isolierenden, dielektrischen Material auf dem Halbleiter-Wafer wenigstens über dessen elektrischen Kontakt abgeschieden. Obgleich weitere isolierende Schichten in dem Halbleiterbauelement vorhanden sein können, ist hier mit dem Ausdruck "Isolatorschicht" stets jene Schicht aus einem isolierenden, dielektrischen Material gemeint, welche auf dem Halbleiter-Wafer wenigstens über dessen elektrischen Kontakt abgeschieden ist. Die Isolatorschicht kann beispielsweise aus SiO₂ oder SiN bestehen. Daraufhin wird eine Opferschicht aus einem leitenden, halbleitenden oder bevorzugt isolierenden, dielektrischen Material auf der Isolatorschicht abgeschieden. Bei dem Material der Opferschicht kann es sich beispielsweise um SiO₂ oder SiN handeln. Dann wird auf der Opferschicht eine Ätzmaske geformt, bei welcher es sich beispielsweise um eine Fotolackmaske handeln kann.

Anschließend wird unter Anwendung der Ätzmaske ein erstes Durchgangsloch in der Opferschicht oberhalb des elektrischen Kontakts des Halbleiter-Wafers ausgebildet. Das erste Durchgangsloch wird hierbei so gestaltet, dass dessen an die Isolatorschicht angrenzende Öffnung wenigstens eine sublithographische Abmessung in wenigstens einer ersten Richtung aufweist. Zur Ausbildung des ersten Durchgangslochs wird vorteilhaft ein Trockenätzverfahren eingesetzt, bei dem durch die Anwendung eines in geeigneter Weise ausgeglichenen physikalischen und chemischen Ätzbeitrags in einfacher Weise schräge Flanken geformt werden können, welche das Durchgangsloch zur ersten Isolatorschicht hin konisch verjüngen. Die Anwendung derartiger Trockenätzprozesse ist dem Fachmann bekannt (siehe z. B. C. Lii et al., "Process Characterisation for Tapered Contact Etch", J. Vac. Sci. Technol. B 19 (5), Sept./Okt. 2001) und muss deshalb hier nicht näher erläutert werden. Alternativ hierzu kann das erste Durchgangsloch auch durch Trockenätzen eines Durchgangslochs mit zueinander parallelen Flanken in der Opferschicht ausgebildet werden, wobei in diesem Fall zur Verringerung der lateralen Abmessung des ersten Durchgangslochs eine Spacerschicht auf der Opferschicht abgeschieden wird. Die Schichtdicke der Spacerschicht ist gering im Vergleich zur lateralen Abmessung des Durchgangslochs, so dass sich die Spacerschicht der beschichteten Oberfläche, einschließlich des Durchgangslochs, anschmiegt, ohne das Durchgangsloch vollständig zu füllen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Spacerschicht konform abgeschieden, d. h. die Schichtdicke an der Seitenwand ist identisch mit der Schichtdicke auf der horizontalen Oberfläche. Die Spacerschicht wird anschließend noch anisotrop rückgeätzt, um das Durchgangsloch wieder freizulegen, ohne aber das Material an der Seitenwand zu entfernen. Dazu kann beispielsweise ein Trockenätzverfahren eingesetzt werden.

Im Weiteren wird ein zweites Durchgangsloch in der Isolatorschicht gebildet, wobei das, wie vorstehend dargestellt hergestellte, erste Durchgangsloch der Opferschicht als Ätzmaske dient. Das zweite Durchgangsloch wird hierbei so ausgebildet, dass dessen an den elektrischen Kontakt des Halbleiter-Wafers angrenzende Öffnung wenigstens eine sublithographische Abmessung in wenigstens einer ersten Richtung aufweist, wobei diese kleiner ist als oder gleich ist zu der wenigstens einen sublitho graphische Abmessung in wenigstens einer ersten Richtung des ersten Durchgangslochs, also auch eine weitere Verkleinerung der wenigstens einen sublithographischen Abmessung des zweiten Durchgangslochs im Vergleich zur wenigstens einen sublithographischen Abmessung des ersten Durchgangslochs erreicht werden kann. Das zweite Durchgangsloch kann zu diesem Zweck – in analoger Weise wie das erste Durchgangsloch – mittels eines Trockenätzprozesses mit Ausbildung von schrägen Flanken oder, alternativ, mittels eines Trockenätzprozesses mit zueinander parallelen Flanken hergestellt werden.

Werden das erste und/oder zweite Durchgangsloch in Form eines sich konisch verjüngenden Durchgangslochs ausgebildet, so weist das Durchgangsloch vorteilhaft im Querschnitt in einer durch die erste Richtung und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung definierten Ebene eine im Wesentlichen trapezartige Form auf. Die Flanken des Durchgangslochs sind dabei vorzugsweise jeweils in einem Winkel α bezüglich der ersten Richtung, d. h. im Allgemeinen der Horizontalen angestellt, wobei der Winkel α vorzugsweise im Bereich von 45° bis 85°, und insbesondere bevorzugt im Bereich von 60° bis 85° liegt.

Anschließend wird die Opferschicht wieder entfernt, was beispielsweise durch trockenchemisches Strippen erfolgen kann. Um die Opferschicht hinreichend definiert entfernen zu können, ist das Material der Opferschicht vorteilhaft verschieden von dem dielektrischen Material der Isolatorschicht.

Anschließend wird eine Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial auf der Isolatorschicht abgeschieden. Die Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial kann hierbei konform zu dem zweiten Durchgangsloch abgeschieden werden. Alternativ hierzu, kann die Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial auch so abgeschieden werden, dass das zweite Durchgangsloch im Wesentlichen vollständig verfüllt wird. In dem letztgenannten Fall wird die Schicht aus einem Widerstandswechselmaterial anschließend gegebenenfalls planarisiert, was beispielsweise durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erfolgen kann. Ferner kann eine teilweise Rückätzung des Widerstandswechselsmaterials im Durchgangsloch vorteilhaft sein, da die zweite Kontaktelektrode dann in das teilweise rückgeätze Durchgangsloch eingebracht werden kann, wodurch eine Ladungsträgerfokussierung bewirkt wird.

Schließlich wird eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material abgeschieden und strukturiert, wodurch die zweite Kontaktelektrode der Widerstandswechsel-Speicherzelle gebildet wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit in vorteilhafter Weise ein sublithographisches Durchgangsloch hergestellt werden, indem das erste Durchgangsloch, welches wenigstens eine sublithographische Abmessung aufweist, als eine Ätzmaske für das zweite Durchgangsloch verwendet wird. Das auf diese Weise erzeugte zweite Durchgangsloch, welches wenigstens teilweise mit dem Widerstandswechselmaterial verfüllt wird, kann somit, unabhängig von den lateralen Abmessungen des elektrischen Kontakts des Halbleiter-Wafers, ein sehr geringes Aspektverhältnis aufweisen, so dass auch sehr schmale Öffnungen in der Größenordnung von beispielsweise 20 nm mit den zur Verfügung stehenden Abscheidetechniken mit dem Widerstandswechselmaterial gefüllt werden können. Die wengistens teilweise Füllung des Durchgangslochs mit dem Widerstandswechselmaterial, welche als "active-in-via"- Technik bezeichnet wird, hat gegenüber einer im Stand der Technik bekannten Speicherzelle vom Bodenkontakttyp in vorteilhafter Weise einen wesentlich geringeren Leistungsbedarf. Weiterhin kann die Materialwahl für die Isolatorschicht ausschließlich nach thermischen/elektrischen Optimierungsgesichtspunkten erfolgen, ohne dass beispielsweise auf die Verfügbarkeit konformer Abscheideprozesse oder geeigneter Ätzprozesse zur Erzeugung schräger Flanken Rücksicht genommen werden muss.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem Abscheiden der Opferschicht eine Ätzstoppschicht, welche beispielsweise aus SiN besteht, auf der Isolatorschicht abgeschieden. Anschließend wird auf der Ätzstoppschicht die Opferschicht abgeschieden. Dies hat den Vorteil, dass die Opferschicht in besonders einfacher und genau definierter Weise entfernt werden kann.

Gleichermaßen ist es von Vorteil, wenn die Opferschicht dicker ist als die Isolatorschicht, da hierdurch eine vorteilhafte große Verringerung des Aspektverhältnisses bei der Ausbildung des zweiten Durchgangslochs erreicht werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die auf der Opferschicht ausgebildete Ätzmaske vorteilhaft so strukturiert, dass sie in wenigstens einer Richtung wenigstens eine photolithographisch (UV) erreichbare minimale Abmessung (F) aufweist. Erfindungsgemäß meint der Ausdruck "sublithographische Abmessung", wie er hier verwendet wird, eine lineare Abmessung, die kleiner ist als die mit den derzeitigen optisch (UV)-lithographischen Methoden erreichbare Abmessung, welche derzeit circa 100 nm beträgt. Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, wenn die sublithographischen Abmessungen des ersten bzw zweiten Durchgangslochs weniger als 100 nm, vorzugsweise maximal 90 nm, stärker bevorzugt maximal 70 nm, und noch stärker bevorzugt maximal 65 nm betragen.

Die Isolatorschicht weist vorteilhaft eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 300 nm auf. Die Widerstandswechselschicht weist vorteilhaft eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 100 nm auf. Die erste Kontaktelektrode weist vorteilhaft eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 700 nm auf. Die zweite Kontaktelektrode weist vorteilhaft eine Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 500 nm auf.

Als Widerstandswechselmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jedes Material zu sehen, das geeignet ist, in Antwort auf ausgewählte (bestimmbare) Energiepulse, beispielsweise elektrische Heizpulse, wenigstens zwei Zustände mit voneinander verschiedenen Widerstandswerten einzunehmen. Die wenigstens zwei Zustände mit einem unterschiedlichen 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 gemeinhin Zuständen mit einer verschiedenen Fernordnung. Grundsätzlich 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. Typische Materialien, die als Widerstandswechselmaterial zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind, sind Phasenwechselmaterialien, wie beispielsweise Chalkogenid-Legierungen.

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

In der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten sublithographischen Kontaktstruktur kann der elektrische Widerstand einer Kontaktelektrode größer sein als der elektrische Widerstand der Widerstandswechselschicht. Im Betrieb der sublithographischen Kontaktstruktur wird diese Kontaktelektrode dann als eine Heizelektrode zur Erzeugung von Joulescher Wärme zur Heizung der Widerstandswechselschicht verwendet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn diese Kontaktelektrode aus einem auf Kohlenstoff basierenden Material besteht bzw. umfasst.

Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn die zweite Kontaktelektrode so ausgebildet wird, dass sie einen in das zweite Durchgangsloch ragenden Vorsprung aufweist. Die vorspringende Form der zweiten Kontaktelektrode bewirkt dabei während des Betriebs der sublithographischen Kontaktstruktur einen elektrischen Spitzeneffekt, wodurch in Folge einer Feldüberhöhung eine Ladungsträgerfokussierung auftritt. Hierdurch kann eine grenzflächenfreie Strompfadbegrenzung erzielt werden, was eine unerwünschte Dissipation elektrischer Ströme im Widerstandswechselmaterial vermindert, so dass die zum Schreiben, Löschen und Lesen des Widerstandswechselmaterial nötigen Ströme reduziert werden können. Die zweite Kontaktelektrode kann dabei, im Querschnitt betrachtet, im Wesentli chen dreiecksförmig ausgebildet sein, was besonders effektiv im Hinblick auf den bewirkten elektrischen Spitzeneffekt ist.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Gleiche bzw. gleichwirkende Elemente sind in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1A und 1B zeigen in schematischer Weise herkömmliche Widerstandswechsel-Speicherzellen;
2A bis 2H veranschaulichen in schematischer Weise Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer sublithographischen Kontaktstruktur;
3A und 3B veranschaulichen in schematischer Weise eine weitere Variante zu den in 2A bis 2H gezeigten Varianten;
4 zeigt in schematischer Weise eine erste Ausführungsform einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Speicherzelle;
5 zeigt in schematischer Weise eine zweite Ausführungsform einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Speicherzelle;
6 zeigt ein Diagramm, in welchem die elektrische Leistung des Löschstroms versus der charakteristischen Abmessung L der Kontaktstruktur bei einer im Stand der Technik bekannten Speicherzelle sowie bei zwei Ausführungsformen von durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Speicherzellen dargestellt ist.
Die 1A und 1B, worin zwei im Stand der Technik bekannte Phasenwechsel-Speicherzellen dargestellt sind, wurden bereits eingangs beschrieben.
Die 2A bis 2H zeigen in schematischer Weise erfindungsgemäße Prozessschritte zur Herstellung einer sublithographischen Kontaktstruktur. Wie 2A zu entnehmen ist, wird zunächst ein Si-Substrat (nicht gezeigt) mit einem elektrischen Anschlusskontakt 10 aus beispielsweise Wolfram und einer darauf aufgebrachten Kontaktelektrode 11 aus TiW, die als erste Kontaktelektrode der Speicherzelle dient, bereitgestellt. Der Anschlusskontakt 10 und die erste Kontaktelektrode 11 sind seitlich von einer isolierenden Schicht 9 aus SiO₂ umgeben. Auf der ersten Kontaktelektrode 11 und der diese seitlich umgebenden isolierenden Schicht 9 wird eine Isolatorschicht 12 aus beispielsweise SiO₂ abgeschieden. Auf der Isolatorschicht 12 wird optional eine Ätzstoppschicht 13 aus beispielsweise SiN abgeschieden. Daraufhin wird auf der Ätzstoppschicht 13 eine Opferschicht 14 aus beispielsweise SiO₂ abgeschieden. Die Opferschicht 14 ist hierbei wesentlich dicker als die Isolatorschicht 12 bzw. die Ätzstoppschicht 13. Auf die Opferschicht 14 wird eine Ätzmaske 15, welche mit einer Struktur 16 einer minimalen lithographischen Abmessung F versehen ist, gebildet.
Daraufhin wird unter Verwendung der Ätzmaske 15 ein erstes Durchgangsloch 17 in der Opferschicht 14 oberhalb der ersten Kontaktelektrode 11 ausgebildet. Zur Ausbildung des ersten Durchgangslochs 17 wird ein Trockenätzverfahren eingesetzt, durch welches ein Durchgangsloch in Form eines sich zur Isolatorschicht hin konisch verjüngenden Durchgangslochs ausgebildet wird, wobei das erste Durchgangsloch 17 so ausgebildet wird, dass dessen an die Ätzstoppschicht 13 angrenzende Öffnung wenigstens eine sublithographische Abmessung S₁ in wenigstens einer ersten Richtung (X) aufweist. Bei der Ätzung des ersten Durchgangslochs 17 bewirkt die Ätzstoppschicht 13 eine Beendigung des Ätzvorgangs. Die Ätzmaske 15 wird hierbei oder anschließend entfernt.
Wie 2C zu entnehmen ist, wird anschließend die Struktur des ersten Durchgangslochs 17 unter Verwendung eines Trockenätzprozesses durch die Ätzstoppschicht 13 transferiert. Anschließend wird durch Weiterätzen mit einem geeigneten Trockenätzprozess ein zweites Durchgangsloch 18 in der Isolatorschicht 12 erzeugt, wobei die erste Kontaktelektrode 11 als Ätzstoppschicht dient. Dadurch, dass das erste Durchgangsloch 17 als eine Ätzmaske zum Ätzen des zweiten Durchgangslochs 18 dient, weist die an die erste Kontaktelektrode 11 angrenzende Öffnung des zweiten Durchgangslochs 18 eine sublithographische Abmessung S₂ auf, die kleiner oder gleich der sublithographischen Abmessung S₁ des ersten Durchgangslochs 17 ist. Um die sich konisch verjüngende Form des ersten Durchgangslochs 17 bzw. des zweiten Durchgangslochs 18 zu erreichen, wird ein Trockenätzverfahren durchgeführt, in welchem ein ausgeglichener physikalischer bzw. chemischer Abtrag zu schrägen Flanken mit einer sich verjüngender Form des Durchgangslochs führt.
Wie 2D zu entnehmen ist, wird anschließend die Opferschicht 14 entfernt, was beispielsweise durch trockenchemisches Strippen erfolgen kann. Daraufhin wird eine Schicht 19 aus einem Phasenwechselmaterial, zum Beispiel eine Chalkogenid-Legierung, auf der Ätzstoppschicht 13 abgeschieden, wobei das zweite Durchgangsloch 18 im We sentlichen vollständig verfüllt wird. Das Phasenwechselmaterial kann beispielsweise durch Sputtern abgeschieden werden, da das Aspektverhältnis des zweiten Kontaktlochs beliebig unkritisch gewählt werden kann.
Wie 2E zu entnehmen ist, wird die Schicht 19 aus einem Phasenwechselmaterial anschließend planarisiert, was beispielsweise durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erfolgen kann. Dann wird auf dem Phasenwechselmaterial 19 und auf der Ätzstoppschicht 13 eine Schicht 20 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Wolfram, abgeschieden.
2F veranschaulicht eine Variante gegenüber den in 2D und 2E gezeigten Prozessschritten, bei welcher die Schicht 19 aus einem Phasenwechselmaterial konform abgeschieden wird, wobei das Durchgangsloch 18 lediglich teilweise verfüllt wird. Ohne eine Planarisierung wird auf der Phasenwechselmaterialschicht 19 die Schicht 20 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Wolfram, abgeschieden. Hierdurch bildet sich ein Vorsprung 21 aus.
Wie den 2G und 2H zu entnehmen ist, wird die Schicht 20 aus einem elektrisch leitfähigen Material anschließend strukturiert, um die zweite Kontaktelektrode der Speicherzelle zu formen. 2G entspricht hierbei der Variante, bei welcher die Schicht 19 aus einem Phasenwechselmaterial das zweite Durchgangsloch 18 vollständig verfüllt und anschließend planarisiert wurde. 2H entspricht der Variante, bei welcher die Schicht 19 aus einem Phasenwechselmaterial konform abgeschieden wurde und die Schicht 20 aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einem in das zweite Durchgangsloch 18 ragenden Vorsprung 21 versehen ist. Dabei kann das Widerstandswech selmaterial ebenfalls z. B. lithographisch strukturiert werden, wie in 2H gezeigt ist. In der letztgenannten Variante bewirkt die vorspringende Form der zweiten Kontaktelektrode in äußerst vorteilhafter Weise während des Betriebs der sublithographischen Kontaktstruktur einen elektrischen Spitzeneffekt.
In den 3A und 3B ist eine Variante zur Ausbildung des ersten Durchgangslochs 17 in der Opferschicht 14 in schematischer Weise dargestellt. Die in den 3A und 3B gezeigte Variante kann jedoch gleichermaßen zur Ausbildung des zweiten Durchgangslochs 18 in der Isolatorschicht 12 eingesetzt werden. Hierbei wird das Durchgangsloch durch ein Trockenätzverfahren geformt, in welchem ein geeignet gewählter physikalischer bzw. chemischer Abtrag zu senkrechten Flanken, das heißt, zu zueinander im Wesentlichen parallelen Flanken führt. Anschließend wird eine bevorzugt konforme Spacerschicht 22, welche beispielsweise aus SiO₂ oder SiN besteht, abgeschieden. Wie 3B zu entnehmen ist, wird die Spacer-Schicht 22 anschließend anisotrop rückgeätzt, was dazu führt, dass Material von der Spacerschicht 22 lediglich an den senkrechten Flanken des Durchgangslochs 17 verbleibt und hierdurch die laterale Abmessung des Durchgangslochs 17 verringert. Durch das an den Flanken des Durchgangslochs 17 abgeschiedene Spacermaterial 22 kann somit eine sublithographische Abmessung S₁ an der der Ätzstoppschicht 13 angrenzenden Öffnung erreicht werden, so dass durch das mittels des Spacermaterials 22 verkleinerte Durchgangsloch 17 eine sublithographische Ätzmaske zur Ausbildung des zweiten Durchgangslochs 18 in der Isolatorschicht 12 bereitgestellt wird.
4 zeigt eine erste Ausführungsform einer sublithographischen Kontaktstruktur einer Widerstandswechsel- Speicherzelle, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist. In der in 4 gezeigten Ausführungsform wurde auf einem Si-Substrat 23, auf dem ein Anschlusskontakt 10 aus Wolfram und eine erste Kontaktelektrode 11 aus TiW ausgebildet sind, welche seitlich von einer isolierenden Schicht 9 aus SiO₂ umgeben sind, eine Isolatorschicht 12 aus SiO₂ abgeschieden. In der Isolatorschicht 12 ist ein zweites Durchgangsloch 18 ausgebildet, welches vollständig mit einem Phasenwechselmaterial 19 verfüllt ist. Auf dem Phasenwechselmaterial 19 bzw. der Isolatorschicht 12 ist eine zweite Kontaktelektrode 20 abgeschieden, welche seitlich von einer isolierenden Schicht 24 aus beispielsweise SiO₂ umgeben ist. Die Kontaktflächen des Phasenwechselmaterials 19 zur ersten Kontaktelektrode 11 bzw. zur zweiten Kontaktelektrode 20 weisen jeweils wenigstens in einer Richtung (X-Richtung) betrachtet, eine sublithographische Abmessung auf. Die Flanken des Durchgangslochs 18 sind im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet und verjüngen sich in Y-Richtung. Die Flanken des Durchgangslochs 18 sind hierbei jeweils in einem Winkel α zur X-Richtung angestellt, wobei der Winkel α circa 75° beträgt.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform der sublithographischen Kontaktstruktur einer Speicherzelle, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird lediglich der strukturelle Unterschied zu der in 4 gezeigten Ausführungsform erläutert. In der in 5 gezeigten zweiten Ausführungsform der sublithographischen Kontaktstruktur weist die zweite Kontaktelektrode 20 einen in das zweite Durchgangsloch 18 der Isolatorschicht 12 ragenden Vorsprung 21 auf. Der Vorsprung 21 der zweiten Kontaktelektrode 20 ist im Querschnitt einer durch die X- und Y-Richtungen aufgespannten Ebene im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet. Hierdurch kann in äußerst vorteilhafter Weise eine elektrische Spitzenwirkung des Vorsprungs 21 im Betrieb der sublithographischen Kontaktstruktur erzielt werden.
6 zeigt ein Diagramm, in welchem die elektrische Leistung P_reset in Milliwatt (mW) gegenüber der charakteristischen Abmessung L (nm) von drei verschiedenen Varianten von Kontaktstrukturen von Widerstandswechsel-Speicherzellen gezeigt ist. Die Dreiecke entsprechen hierbei der in 1A gezeigten herkömmlichen Kontaktstruktur, während die Rechtecke und Kreise einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Kontaktstruktur entsprechen. Bezüglich der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Kontaktstrukturen, beziehen sich die Rechtecke auf eine Variante, bei welcher das Widerstandswechselmaterial 19 im zweiten Durchgangsloch 18 der Isolatorschicht 12 nach dem Planarisierungsschritt zusätzlich teilweise rückgeätzt wurde, so dass die zweite Kontaktelektrode 20 teilweise in das zweite Durchgangsloch 18 eintreten kann, während die Kreise zu der in 5 gezeigten Variante gehören.
Der Leistungsbedarf P_reset der verschiedenen Varianten von Kontaktstrukturen wurde hierbei durch eine numerische Simulation der elektrothermischen Eigenschaften bestimmt. Wie dem Diagramm von 6 insbesondere zu entnehmen ist, kann durch die erfindungsgemäß hergestellten Kontaktstrukturen sowohl im lithographischen Bereich wie auch im sublithographischen Bereich gegenüber der herkömmlichen Kontaktstruktur eine deutliche Reduzierung des Leistungsbedarfs zum Löschen der Speicherzellen erreicht werden. Bei den beiden durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten "aktive-in-via"-Strukturen ist zudem zu erkennen, dass durch die Ladungsträgerfokussierung auf grund des Vorsprungs 21 der zweiten Kontaktelektrode 20 ein verringerter Leistungsbedarf bewirkt wird.
Ergänzend sei erwähnt, dass bei der Herstellung der sublithographischen Kontaktstruktur gemäß dem Verfahren der Erfindung nach erfolgter Strukturierung der zweiten Kontaktelektrode 20 herkömmliche Prozessschritte einer back-end-of-line-Prozessierung zur Erzeugung weiterer Isolierungen, Metallverdrahtungsebenen sowie Passivierungsschichten, durchgeführt werden können.

1: Phasenwechselmaterial
2: Deckelektrode
3: Bodenelektrode
4: Heizelektrode
5: programmierbares Volumen
6: Deckelektrodenkontakt
7: Metallleitung
8: Metallleitung
9: Isolatorschicht
10: Plaque
11: erste Kontaktelektrode
12: Isolatorschicht
13: Ätzstoppschicht
14: Opferschicht
15: Ätzmaske
16: Ätzmaskenöffnung
17: erstes Durchgangsloch
18: zweites Durchgangsloch
19: Phasenwechselmaterial-Schicht
20: zweite Kontaktelektrode
21: Vorsprung
22: Spacer-Schicht
23: Si-Substrat
24: Isolierschicht

Claims

Verfahren zur Herstellung einer sublithographischen Kontaktstruktur einer ein Widerstandswechselmaterial (19) und an das Widerstandswechselmaterial (19) angrenzende erste und zweite Kontaktelektroden (11, 20) aufweisenden Speicherzelle in einem Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines front-end-of-line (FEOL) fertig prozessierten Halbleiter-Wafers mit wenigstens einem als erste Kontaktelektrode dienenden elektrischen Kontakt (11); – Abscheiden einer Isolatorschicht (12) aus einem dielektrischen Material auf dem Halbleiter-Wafer; – Abscheiden einer Opferschicht (14) aus einem leitenden, halbleitenden oder vorzugsweise isolierenden Material auf der Isolatorschicht (12); – Ausbilden einer Ätzmaske (15) auf der Opferschicht (14); – Ausbilden eines ersten Durchgangslochs (17) in der Opferschicht (14) oberhalb des elektrischen Kontakts (11) des Halbleiter-Wafers, wobei die an die Isolatorschicht (12) angrenzende Öffnung des ersten Durchgangslochs (17) wenigstens eine sublithographische Abmessung (S₁) in wenigstens einer ersten Richtung (X) aufweist; – Ausbilden eines zweiten Durchgangslochs (18) in der Isolatorschicht (12), wobei das erste Durchgangsloch (17) der Opferschicht (14) als Ätzmaske verwendet wird, und wobei die an den elektrischen Kontakt (11) des Halbleiter-Wafers angrenzende Öffnung des zweiten Durchgangslochs (18) wenigstens eine sublithographische Abmessung (S₂) in wenigstens einer ersten Richtung (X) aufweist, welche kleiner oder gleich der wenigstens einen sublithographischen Abmessung (S₁) in wenigstens einer ersten Richtung (X) des ersten Durchgangslochs (17) ist; – Entfernen der Opferschicht (14); – Abscheiden einer Schicht (19) aus einem Widerstandswechselmaterial auf der Isolatorschicht (12); – Abscheiden und Strukturieren einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material zur Ausbildung der zweiten Kontaktelektrode (20).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material der Isolatorschicht (12) von dem dielektrischen Material der Opferschicht (14) verschieden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden der Opferschicht (14) eine Ätzstoppschicht (13) auf der Isolatorschicht (12) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Durchgangsloch (17) in Form eines sich zur Isolatorschicht (12) hin konisch verjüngenden Durchgangslochs mittels Trockenätzen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden des ersten Durchgangslochs (17) die folgenden Schritte umfasst: – Trockenätzen eines Durchgangslochs mit zueinander parallelen Flanken in der Opferschicht (14); – Abscheiden einer vorzugsweise konformen Spacerschicht (22) auf der Opferschicht (14); – anisotropes Rückätzen der Spacerschicht (22) durch Trockenätzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Durchgangsloch (18) in Form eines sich zur ersten Kontaktelektrode (11) hin konisch verjüngenden Durchgangslochs mittels Trockenätzen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden des zweiten Durchgangslochs (18) die folgenden Schritte umfasst: – Trockenätzen eines Durchgangslochs mit zueinander im Wesentlichen parallelen Flanken in der Isolatorschicht (12); – Abscheiden einer vorzugsweise Spacerschicht auf der Isolatorschicht (12); – anisotropes Rückätzen der Spacerschicht durch Trockenätzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchgangsloch im Querschnitt in einer durch die erste Richtung (X) und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung (Y) definierten Ebene im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken des Durchgangslochs jeweils in einem Winkel a bezüglich der ersten Richtung (X) angestellt sind, wobei der Winkel a im Bereich von 45° bis 85°, und insbesondere im Bereich von 60° bis 85°, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (14) durch trockenchemisches Strippen entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (19) aus einem Widerstandswechselmaterial konform abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (19) aus einem Widerstandswechselmaterial so abgeschieden wird, dass das zweite Durchgangsloch (18) im Wesentlichen vollständig verfüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (19) aus einem Widerstandswechselmaterial planarisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandswechselmaterial wenigstens teilweise rückgeätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (14) dicker ist als die Isolatorschicht (12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmaske (15) auf der Opferschicht (14) in wenigstens einer Richtung (X) wenigstens eine photolithographisch (UV) erreichbare minimale Abmessung (F) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sublithographische Abmessung weniger als 100 nm, vorzugsweise maximal 90 nm, stärker bevorzugt maximal 70 nm und noch stärker bevorzugt maximal 65 nm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (12) eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 300 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswechselschicht (19) eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 100 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktelektrode (11) eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 70 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kontaktelektrode (20) eine Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 500 nm aufweist.