DE102008030419B4 - Verfahren zur Herstellung eines Phasenwechselspeichers mit konischem Heizelement - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Phasenwechselspeichers mit konischem Heizelement Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer nichtflüchtigen Phasenwechsel-Speicherzelle, wobei das Verfahren umfasst:Herstellen von mindestens einer Bodenelektrode;Herstellen von mindestens einer Phasenwechsel-Materialschicht auf mindestens einem Abschnitt in einer oberen Fläche der Bodenelektrode;Herstellen von mindestens einer Heizelementschicht in einer ursprünglichen Querschnittsbreite auf mindestens einem Abschnitt in einer oberen Fläche der Phasenwechsel-Materialschicht;Formgebung der Heizelementschicht in eine konische Form durch Durchführen einer Ätzung in der Heizelementschicht, so dass eine obere Fläche der Heizelementschicht eine Querschnittsbreite aufweist, die breiter als eine Querschnittsbreite einer unteren Fläche der Heizelementschicht ist, welche die Phasenwechsel-Materialschicht kontaktiert.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Speichereinrichtungen und im Besonderen bezieht sie sich auf Phasenwechsel-Speicherzellen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Ein nichtflüchtiger Speicher ist ein integrierter Bestandteil von vielen elektronischen Geräten, vorwiegend von Mobiltelefonen, Digitalkameras und Set-Top-Boxen bis hin zu Kraftfahrzeug-Motorsteuerungen, aufgrund von dessen Möglichkeit zum Speichern vbn Daten, selbst dann, wenn die Energiezufuhr ausgeschaltet worden ist. Ein nichtflüchtiger Speichertyp, nämlich ein Phasenwechselspeicher (PCM), zielt darauf ab, die Flash-Speichertechnologie nach und nach zu ersetzen, die in solchen Elektronikgeräten überaus häufig eingesetzt wird. Moderne Phasenwechsel-Direktzugriffsspeicher (PRAM = Phase Change Random Access Memory) erfordern normalerweise, dass eine darin installierte PCM-Speicherzelle mit der gegenwärtigen Feld-Effekt-Transistor-Technologie (FET) kompatibel eingesetzt werden kann. Jedoch muss das PCM-Speicherzellen-Volumen sehr klein sein, um so sicherzustellen, dass Einstell- und Rückstell-Stromzufuhren in die PCM-Speicherzelle kleiner als eine maximal mögliche FET-Stromzufuhr sind, was unter Anwendung der gegenwärtigen, komplementären Metalloxid-Halbleiterherstell-Technologie (CMOS), wie beispielsweise bei einem 90-Nanometer-Prozess (90 nm), schwer zu erzielen ist.
    DE 10 2004 019 862 A1 offenbart eine sublithographische Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement mit einer ersten Kontaktelektrode und einer zweiten Kontaktelektrode, einer zwischen den beiden Kontaktelektroden angeordneten Isolierschicht mit einem Durchgangsloch, welches an die erste Kontaktelektrode angrenzt, einer Widerstandswechselschicht, die in wenigstens zwei Zustände mit voneinander verschiedenen Widerstandswerten gebracht werden kann und im Bereich des Durchgangslochs der Isolierschicht sowie den beiden Kontaktelektroden unmittelbar angrenzt, wodurch ein erster Kontaktbereich zwischen der Widerstandswechselschicht und der ersten Kontaktelektrode definiert ist, wobei das Durchgangsloch in einer Richtung zur ersten Kontaktelektrode hin eine sich verjüngende Form aufweist, derart, dass der erste Kontaktbereich wenigstens eine sublithographische Abmessung in wenigstens einer ersten Richtung aufweist.Aus den Druckschriften DE 10 2005 014 645 A1 , US 2007 / 0 096 162 A1 , DE 10 2005 001 902 A1 und DE 10 2004 007 633 A1 sind konisch geformte obere Elektroden bekannt.
  • Wie bekannt ist, basieren PCM-Speicherzellen im Allgemeinen auf Speicherelementen, die eine Materialgruppierung einsetzen, wie beispielsweise Chalkogenid-Verbindungen, welche die Eigenschaft besitzen, zwischen zwei unterschiedlichen Zuständen hin und her schalten zu können, wobei deren elektrischer Widerstand entsprechend der Kristallstruktur im Material variiert. Ein hochwiderstandsohmiger Rück-Stellungszustand wird erreicht, wenn sich ein aktiver Bereich im Phasenwechselmaterial (PC) in einer amorphen Phase befindet, wogegen ein niedrigwiderstandsohmiger Ein-Stellungszustand erzielt wird, wenn das PC-Material in einer kristallinen oder polykristallinen Phase ist. Das PC-Material kann zwischen den beiden Phasen durch ein Anwenden von Einstell- und Rückstellstromzufuhren in der PCM-Speicherzelle selektiv geschaltet werden.
  • Das Reduzieren des Stromvolumens, das von einer PC-Materialschicht zum Ändern von deren kristallinen Phase benötigt wird, kann gleichzeitig den Energieverlust vorteilhaft verringern und die Zuverlässigkeit während des PCM-Speicherzellenbetriebs erhöhen. Infolgedessen sind Versuche zum Bestimmen des Stromflusses in der PCM-Speicherzelle unternommen worden, um so eine effizientere Selbsterhitzung (Joule-Hufheizung) des PC-Materials in der Speicherzelle bereitstellen zu können. Bereits vorhandene Lösungen zur Bestimmung des Stromflusses in einer PCM-Speicherzelle, wobei wiederum ein aktives PCM-Speicherzellenvolumen definiert wird, hängen überwiegend vom Betreiben der Lithografie- und Ätzungsmöglichkeiten bis an deren Grenzbereiche ab. Derzeit ist die bestehende Lithographietechnik, die zum Beispiel tiefultravioletten Elektronenstrahl (DUV = Deep-Ultra-Violet bzw. UV-Laser für hochauflösende Halbleiter-Maskenbelichtung) einschließt, bis auf eine Zeilenauflösung von etwa 45 nm begrenzt. Solche Lithografietechniken stellen bereits eine Herausforderung dar, insbesondere wenn kleine Funktionsmerkmale gebildet werden sollen, die eine Inselstruktur (vorzugsweise kreisförmig) aufweisen.
  • Speziell ist eines der kleinsten Elemente in einer herkömmlichen PCM-Speicherzelle ein Heizelement, das typischerweise auf einer Seite des PC-Materials angeordnet ist. Das kleine Heizelement stellt häufig eine Herausforderung für die Fertigung dar und folglich trägt es signifikant zu den Herstellkosten der PCM-Speicherzelle bei. Eine herkömmliche Technik zur Ausgestaltung des Heizelements erfordert ein Beschneiden bzw. Trimmen einer Photoresist-Maske [Kopierlackmaske] bis auf 1/3 der Größe des Lithografieknotens (Node). Ein solch aggressives Zurechttrimmen ist nicht sehr zuverlässig und über einem Wafer auf eine homogene Art und Weise schwierig zu kontrollieren.
  • Demzufolge besteht eine Notwendigkeit für verbesserte Techniken zum Bestimmen des Stromflusses in einer PCM-Speicherzelle, die nicht eines oder mehrere der Probleme aufweisen, die herkömmliche PCM-Speicherzellen zeigen. Es besteht die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten PCM-Speicherzelle zu schaffen.
  • KURZE DARSTELLUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer nichtflüchtigen Phasenwechsel-Speicherzelle gemäß dem Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Diese und weitere Zweckgegenstände, kennzeichnenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen hervor, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen zu lesen ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittsansicht von einer als Beispiel gewählten Speicherzelle auf PCM-Basis mit einer sublithografischen Schaltsäule nach dem bisherigen Stand der Technik.
    • 2 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das ein als Beispiel gewähltes Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle nach dem bisherigen Stand der Technik zeigt.
    • Die 3A-3C zeigen Querschnittsansichten von einer exemplarischen, PCM-basierten Speicherzelle während der verschiedenen Fertigungsstufen gemäß dem in 2 dargestellten Verfahren.
    • 4 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das ein als Beispiel gewähltes Verfahren zur Herstellung einer Speicherzelle nach der erfindungsgemäßen Fertigungstechnik zeigt.
    • Die 5A-5D zeigen Querschnittsansichten von einer exemplarischen, PCM-basierten Speicherzelle während der verschiedenen Fertigungsstufen gemäß dem in 6 dargestellten Verfahren.
    • 6 ist eine schematische Darstellung, die eine exemplarische, nichtflüchtige Speicherschaltung veranschaulicht, in der die erfindungsgemäßen PCM-Speicherzellen eingesetzt werden können, und zwar entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird nun in Zusammenhang mit als Beispiel gewählten Speicherzellen zur Anwendung in integrierten Schaltungen und mit exemplarischen Verfahren zur Herstellung von solchen Speicherzellen beschrieben. Es
  • Es wird insbesondere im Hinblick auf die Verarbeitungsschritte herausgestellt, dass die hierin beschriebenen Erklärungen nicht ausgerichtet sind, sämtliche Verarbeitungsschritte, die zum erfolgreichen Herstellen einer funktional integrierten Schaltung benötigt werden, zu umfassen. Vielmehr sind bestimmte Fertigungsschritte, die herkömmlich zum Herstellen von integrierten Schaltungen angewendet werden, wie zum Beispiel nassmechanische Aufbereitungs- und Temper-Verfahrensschritte, absichtlich und aus ökonomischen Gründen nicht in der Bescheidung enthalten.
  • Die Fachleute auf dem Gebiet wissen außerdem, dass integrierte Schaltungen normalerweise in Halbleiter-Scheibchen bzw. -Wafern (d. h. in HalbleiterSubstraten) hergestellt werden, die zwei im Wesentlichen flache Oberflächen aufweisen, bevor mit dem Aufbereitungsverfahren begonnen wird. Die vertikale Ausrichtung wird dabei als Richtung definiert, die in Bezug zu den flachen Oberflächen senkrecht verläuft. Im Gegensatz dazu wird die horizontale oder seitliche Ausrichtung als Richtung definiert, die zu diesen flachen Oberflächen parallel verläuft. Darüber hinaus - wenngleich die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in der Regel als Silizium-Halbleiterplättchen bzw. Silizium-Wafer bereitgestellt werden - können erfindungsgemäße Ausführungsformen als Wafer alternativ auch mit anderen Materia lien fabriziert werden, die Gallium-Arsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) etc. einschließen, jedoch nicht ausschließlich darauf beschränkt sind.
  • Und was noch wichtiger ist, der hierin verwendete Begriff „Phasenwechselmaterial“ soll jedes beliebige Material umfassen, das für die Anwendung in integrierten Schaltungen mehr als einen programmierbaren und elektrischen Widerstandszustand zeigen kann. Es ist als Tatsache anzuerkennen, dass diese Definition mehrere Materialien einschließen kann, als mit diesem Begriff normalerweise in Verbindung gebracht wird. Die hierin verwendeten Phasenwechselmaterialien (PC-Materialien) umfassen beispielsweise verschiedene Chalkogenid-Verbindungen und Übergangsmetalloxide und können, aber nicht ausschließlich, dotiertes oder undotiertes GeSb, SbTe, Ge2Sb2Te5 (GST), SrTiO3, BaTiO3, (Sr, Ba)TiO3, SrZrO3, Ca2Nb2O7, (Pr, Ca)MnO3, Ta2O5, NiOx and TiOx sowie weitere, geeignete Materialien enthalten.
  • Es versteht sich außerdem, dass verschiedene Schichten und/oder Bereichszonen, die in den begleitenden Figuren veranschaulicht sind, nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind, und dass eine oder mehrere Schichten und/oder Bereiche eines Typs, der allgemein in integrierten Schaltungen verwendet wird, in einer darzustellenden Figur aus ökonomischen Gründen in der Beschreibung nicht explizit aufgezeigt sein könnte. Zum Beispiel sind jene integrierte Schaltungsmerkmale, die damit verbunden sind, was allgemein als „Front-End-of-Line“ [FEOL = Prozessfolge in der Halbleiterfertigung; für die aktiven Elemente] und „Middle-of-Line“ bezeichnet wird, hierin nicht beschrieben. Dies bedeutet nicht, dass die Schichten und/oder Bereiche, die nicht explizit dargestellt sind, in der konkreten, integrierten Schaltung tatsächlich weggelassen werden.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die mindestens einen Abschnitt von einer als Beispiel gewählten PCM-Speicherzelle 100 [PCM = Phasenwechsel-Materialschicht] darstellt. Die exemplarische PCM-Speicherzelle 100 umfasst eine Bodenelektrode 110, eine Phasenwechsel-Materialschicht 120, die auf einer oberen Fläche der Bodenelektrode hergestellt ist, eine Heizelementschicht 130 und eine Stirnelektrode 140, die auf einer oberen Fläche in mindestens einem Abschnitt der dielektrischen Schicht 130 ausgebildet ist. Es versteht sich, dass die PCM-Struktur 100 in Übereinstimmung mit anderen Aspekten der Erfindung mehr oder weniger als zwei Elektrodenschichten, mehr als ein PC-Material und/oder mehr als eine Heizelementschicht umfassen kann. Sie kann zum Beispiel auch noch andere Schichten aufweisen, die hier nicht dargestellt sind, wie beispielsweise eine oder mehrere dielektrische Schichten und/oder eine oder mehrere leitfähige Sperrschichten.
  • Die Boden- und die Stirnelektrode 110, 140 sehen einen Zugriff auf die PCM-Struktur 100 vor, wobei eine elektrische Verbindung zur PC-Materialschicht 120 bereitgestellt wird. Die Boden- und die Stirnelektrode 110, 140 werden vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, wie zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, aus einem Metall, einer Legierung, einem Metall-Oxynitrid und/oder einer leitfähigen Kohlenstoffverbindung. Die Stirn- und die Bodenelektrode 110, 140 können beispielsweise Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Wolfram (W), Titan (Ti), Tantal (Ta), Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Molybdän (Mo), Niobium (Nb), WN, MoN, NbN, TiSiN, TiAlN, MoAlN, TaSiN, TaAlN, TiW, TaSi, und/oder TiSi aufweisen. Die beiden Elektroden 110, 140 müssen nicht aus dem gleichen Material hergestellt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Stirn- und die Bodenelektrode als Material Wolfram.
  • Die PC-Materialschicht 120 besteht vorzugsweise aus einem Chalkogenid-Material oder einem alternativen Material, das zwei verschiedene Phasen mit sich unterscheidenden Resistivitäten zeigt. Chalkogenid-Materialien, die zum Einsatz für die vorliegende Erfindung geeignet sind, enthalten - aber sie sind nicht darauf beschränkt - Tellur (Te), Selen (Se), Germanium (Ge), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Blei (Pb), Zinn (Sn), Arsen (As), Schwefel (S), Silizium (Si), Phosphor (P), davon jede beliebiges Gemisch und/oder eine Legierung aus diesen. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung besteht die PC-Materialschicht 120 aus Ge2Sb2Te5 (GST).
  • Ein Speichern von Daten in der Speicherzelle 100 umfasst das Platzieren eines Abschnittes von dem Gesamtvolumen der PC-Materialschicht 120 (das „Schaltvolumen“) in entweder einen niedrigen, elektrischen Widerstand mit polykristallinem Zustand oder in einen höheren, elektrischen Widerstand mit amorphem Zustand. Die Übergänge zwischen diesen Zuständen werden ausgeführt durch ein Erhitzen des schaltbaren Volumens in dem PC-Material, indem ein Schaltstromimpuls über die Boden- und die Stirnelektrode 110, 140 in die Speicherzelle 100 beaufschlagt wird. Die Dauer des Schaltstromimpulses beträgt vorzugsweise zwischen etwa einer und bis zu 500 Nanosekunden und weist eine schnell abfallende Flanke (d. h. weniger als etwa 5 Nanosekunden) auf, wenngleich die Erfindung nicht auf eine bestimmte Dauer und/oder Anstiegs- oder Abfallzeit für den Schaltstromimpuls begrenzt ist. Die schnell abfallende Flanke bewirkt, dass das schaltbare Volumen des PC-Materials in dessen aktuellem elektrischen Widerstandszustand erstarrt, ohne dass eine zusätzliche Zeitspanne für Verbindungen innerhalb des Materials zur Fortsetzung einer Umstellung zugelassen wird.
  • Anschließend kann das Auslesen des Zustands der Speicherzelle 100 durch das Anlegen einer Abtastspannung für die Speicherzelle ausgeführt werden, und zwar wiederum über die Boden- und die Stirnelektrode 110, 140 . Das Zahlenverhältnis der elektrischen Widerstände zwischen den höheren und niedrigeren, elektrischen Widerstandszuständen in einer typischen PCM-Speicherzelle verhält sich ungefähr zwischen 100:1 und 1.000:1. Die Abtastspannung ist vorzugsweise eine ausreichend niedrige Magnitude, um in der PC-Materialschicht 120 eine nur geringfügige Ohm'sche Aufheizung vorzusehen. Dementsprechend kann auf diese Weise der elektrische Widerstandszustand des PC-Materials bestimmt werden, ohne dass dessen einschreibender, elektrischer Widerstandszustand unterbrochen bzw. gestört wird. Die Datenintegrität wird dadurch aufrechterhalten, während die Daten ausgelesen werden können.
  • Das Heizelement 130 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, das reaktionsträge bzw. chemisch inaktiv ist, wenn es mit den Materialien in Kontakt kommt, die für die PC-Materialschicht 120 und die Stirnelektrode 140 verwendet worden sind. Ausführungsbeispiele für solch elektrisch leitfähige, aber reaktionsträge Materialien enthalten Kohlenstoff, TiN und TaN. Sowohl Titannitrid als auch Tantalnitrid zeigen eine niedrige Diffusionsgeschwindigkeit in Bezug auf die metallischen Elemente. Das führt zu dem Ergebnis, dass das Herstellen des Heizelements 130 mit diesen Materialien die metallischen Elemente, die in der Stirnelektrode enthalten sind, vor einem Ausbreiten in das PC-Material abhält. In einer bevorzugten Ausführungsform, in welcher die PC-Materialschicht 120 aus einer GST-Verbindung besteht, setzt sich das Heizelement 130 vorzugsweise aus TiN zusammen. Wenn ein Signal auf die Boden- und die Stirnelektrode 110, 140 in der PCM-Struktur 100 zur Anwendung kommt, erfährt zumindest ein Bereich in der PC-Materialschicht 120, der an das Heizelement 130 angrenzt, eine Stromdichte, die aus der Selbsterhitzung im PC-Material resultiert. Wenn das eingesetzte Signal einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat, um so eine lokale Erwärmung des PC-Materials, das an das Heizelement 130 angrenzt, bis zu einem bestimmten, entscheidenden Temperaturwert zu bewirken, tritt ein Phasenübergang in mindestens einem Abschnitt des PC-Materials ein.
  • 2 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das ein veranschaulichendes Verfahren 200 zur Herstellung einer PCM-Speicherzelle darstellt. Die 3A-3C zeigen Querschnittansichten der PCM-Speicherzelle 300 während der verschiedenen Fertigungsstufen gemäß dem in 2 dargestellten Verfahren.
  • Das Verfahren 200 beginnt in Schritt 210 mit der Abscheidung einer PC-Materialschicht 320, einer Heizelement-Materialschicht 330 und einer Photoresist-Maskenschicht 340 jeweils über einer Bodenelektrode 310 . Das besagte Abscheiden kann mittels einer Vielfalt an Dünnschicht-Vakuumaufdampf-Verfahren, die den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, ausgeführt werden, einschließlich - jedoch nicht ausschließlich - physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD = Physical Vapor Deposition), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapor Deposition), elektrochemischer Gasphasenabscheidung (ECD), Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder Atomschichtabscheidung (ALD). Diese spezielle Durchführungsmethode ist rein beispielhaft. ist
  • In Schritt 220 kann die Photoresist-Maskenschicht 340 auf etwa ein Drittel (1/3) von deren ursprünglich abgeschiedener Querschnittsbreite - W - getrimmt werden und somit zu der in 3B dargestellten Ausgestaltung führen. Dieses Trimmvolumen kann die Auflösungsgrenzen des lithografischen Verfahrens, das zur Fertigung der PCM-Speicherzelle zur Anwendung kommt, erreichen oder sogar übersteigen. Wie bereits vorstehend erwähnt, erfordert das Zurechttrimmen der Photoresist-Maskenschicht auf ein Drittel von deren ursprünglicher Größe für das Design enorme Herausforderungen aufgrund dessen, da solch ein aggressives Trimmen nicht sehr zuverlässig ist und über einem Wafer in einer homogenen Art und Weise schwierig zu kontrollieren ist. In Schritt 230 kommt ein anisotropes [richtungsabhängiges] Ätzungsverfahren - vorzugsweise ein reaktives Ionenätzen (RIE) - zur Anwendung, um Teile der Heizelement-Materialschicht 330 und/oder der PC-Materialschicht 320 zu entfernen, wo keine Photoresist-Maskenschicht 340 mehr vorhanden ist.
  • Nach dem Ablösen bis hin zur Photoresist-Maskenschicht 340 können weitere Verarbeitungsschritte ausgeführt werden. Zum Beispiel kann eine Sperrschicht (die nicht dargestellt ist) abgeschieden werden und/oder eine Stirnelektrodenschicht (nicht dargestellt) kann ausgestaltet werden, d. h. mittels eines Abscheidungs-, Photolithografie- und RIE-Verfahrens, oder in einer Ausführungsform, in der die Stirnelektrode aus Kupfer besteht, mittels eines Damaszenerprozesses (d. h. Musterbildung mit Siliziumdioxid, Kupferabscheidung und chemisch-mechanischem Polierverfahren (CMP)).
  • 4 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das ein als Beispiel gewähltes Verfahren 400 zur Herstellung einer PCM-Speicherzelle darstellt. Die 5A-5D zeigen Querschnittansichten einer PCM-Speicherzelle 500 während der verschiedenen Fertigungsstufen unter Anwendung des Verfahrens 400 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungs form.
  • Das Verfahren beginnt in Schritt 410 mit der Abscheidung einer PC-Materialschicht 520 auf mindestens einem Abschnitt in einer oberen Fläche der Bodenelektrode 510 der PCM-Speicherzelle 500, der Abscheidung einer Heizelement-Materialschicht 530 auf mindestens einem Abschnitt in einer oberen Fläche der PC-Materialschicht und der Abscheidung einer Photoresist-Maskenschicht 540 auf mindestens einem Abschnitt in einer oberen Fläche der PC-Materialschicht. Das besagte Abscheiden kann mittels einer Vielfalt an Dünnschicht-Vakuumaufdampf-Verfahren, die den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, ausgeführt werden, einschließlich - jedoch nicht ausschließlich - physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD = Physical Vapor Deposition), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapor Deposition), elektrochemischer Gasphasenabscheidung (ECD), Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder Atomschichtabscheidung (ALD). Alternative Auftragungstechniken sind in ähnlicher Weise vorstellbar.Diese spezielle Durchführungsmethode ist rein beispielhaft.
  • In Schritt 420 kann die Photoresist-Maskenschicht 540 bevorzugt auf - zum Beispiel - etwa zwei Drittel (2/3) von deren ursprünglich abgeschiedener Querschnittsbreite - W - getrimmt werden und somit zu der in 5B dargestellten Ausgestaltung führen. Im Vergleich zu dem 1/3-Trimm-Schritt 220, der in dem veranschaulichten Verfahren 200 zur Anwendung kommt und in 2 dargestellt ist, bietet der weniger aggressive 2/3-Trimmschritt 420 in vorteilhafter Weise mehr Kontrolle über den Wafer und eine verbesserte Betriebszuverlässigkeit. In Schritt 430 kommt ein anisotropes Ätzungsverfahren - vorzugsweise ein reaktives Ionenätzen (RIE) - zur Anwendung, um Teile der Heizelement-Materialschicht 530 zu entfernen, wo keine Photoresist-Maskenschicht 540 mehr vorhanden ist. Jedoch im Vergleich zu der in Schritt 230 im Verfahren 200 angewendeten Ätztechnik (siehe 2) wird hier eine Konusform-Ätzung ausgeführt, so dass eine untere Fläche der Heizelement-Materialschicht 530 eine Querschnittsbreite aufweist, die wesentlich kleiner als die obere Fläche der Heizelement-Materialschicht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Querschnittsbreite von der oberen Fläche der Heizelementschicht etwa zweimal so groß sein als die Querschnittsbreite von der unteren Fläche der Heizelementschicht. Die obere Fläche der Heizelement-Materialschicht 530 verbleibt bevorzugt mit etwa 2/3 von deren ursprünglich abgeschiedener Querschnittsbreite und die untere Fläche der Heizelement-Materialschicht beträgt bevorzugt etwa 1/3 von deren ursprünglich abgeschiedener Querschnittsbreite.
  • In Schritt 440 kann die PC-Materialschicht 520 auf etwa die gleiche Querschnittsbreite wie die untere Fläche der Heizelement-Materialschicht 530 geätzt werden. Nach dem Ablösen bis hin zur Photoresist-Maskenschicht 540 können weitere Verarbeitungsschritte ausgeführt werden. Zum Beispiel kann eine Sperrschicht (die nicht dargestellt ist) abgeschieden werden und/oder eine Stirnelektrodenschicht (nicht dargestellt) kann ausgestaltet werden, d. h. mittels eines Abscheidungs-, Photolithografie- und RIE-Verfahrens, oder in einer Ausführungsform, in der die Stirnelektrode aus Kupfer besteht, mittels eines Damaszenerprozesses (d. h. Musterbildung mit Siliziumdioxid, Kupferabscheidung und chemisch-mechanischem Polierverfahren (CMP)).
  • Im Vergleich erfordert die in 2 dargestellte Verfahrenstechnik ein Trimmen der Photoresist-Maskenschicht auf etwa 1/3 von deren ursprünglich abgeschiedener Querschnittsbreite W. Wie vorstehend bereits erwähnt, ist ein solch aggressives Zurechttrimmen nicht sehr zuverlässig und über einem Wafer auf eine homogene Art und Weise schwierig zu kontrollieren. Im Gegensatz dazu wird bei der in 4 dargestellten Verfahrenstechnik der Trimmumfang, der bei der Photoresist-Maskenschicht in Verbindung mit dem Konusformätzungsverfahren für die Heizelementschicht erforderlich ist, in vorteilhafter Weise reduziert, wobei beides in einer viel zuverlässigeren Art und Weise ausgeführt werden kann.
  • 6 ist eine schematische Darstellung, die eine exemplarische, nichtflüchtige Speicherschaltung veranschaulicht, in der die erfindungsgemäßen PCM-Speicherzellen eingesetzt werden können. Die Speicherschaltung 600 umfasst vorzugsweise eine Vielzahl von PCM-Speicherzellen 602, die in Übereinstimmung mit den vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrenstechniken ausgebildet sind, sowie korrespondierende Zugriffstransistoren 604, die mit diesen verbunden sind. Die Zugriffstransistoren 604 werden unter Anwendung von entsprechenden Signalen - WL1, WL2 - mit den korrespondierenden Wortleitungen 606 in der Speicherschaltung 600 selektiv aktiviert. Jeder der Zugriffstransistoren 604 ist vorzugsweise betriebsbereit, so dass eine erste Elektrode der korrespondierenden PCM-Speicherzelle 602 mit Masse oder einer alternativen Spannungsquelle verbunden wird. In einer alternativen Ausführungsform können anstelle der Transistoren Dioden oder andere Schaltelemente als Selektionsvorrichtungen eingesetzt werden.
  • Die Speicherschaltung 600 umfasst ferner eine Mehrzahl von Stromquellen 612, 616 und 620, welche jeweils die Stromzufuhren „Iread, Iset und Ireset“ in die PCM-Speicherzellen 620 über einen Bitleitungsmultiplexer (BL mux) 610 oder über eine alternative Schaltanordnung senden. Jede der Stromquellen 612, 616, 620 ist vorzugsweise mit dem Multiplexer 610 jeweils über eine korrespondierende Schaltung 614, 618 und 622 verbunden, die einen Transistor, wie dargestellt, aufweist. Die Stromleitung „Iread“ ist bevorzugt zum selektiven Auslesen eines logischen Zustands aus den PCM-Speicherzellen 602 konfiguriert, während die Stromleitungen „Iset“ und „Ireset“ zum Ausführen jeweils einer Einstell- und Rücksteil-Betriebsoperation konfiguriert sind, um einen logischen Zustand der Speicherzellen selektiv zu beschreiben.
  • Zumindest ein Teil von den Methodenlehren der vorliegenden Erfindung kann in einer integrierten Schaltung implementiert werden. Bei der Ausgestaltung von integrierten Schaltungen wird in der Regel eine Vielzahl von identischen Chipmatrizen mit einer sich wiederholenden Musterbildung auf einer Fläche eines Halbleiter-Wafers gefertigt. Jeder Chip umfasst eine hierin beschriebene Einrichtung und kann andere Strukturen und/oder Schaltungen enthalten. Die Einzelchips werden aus dem Wafer geschnitten oder würfelartig zerteilt und anschließend als integrierte Schaltung gehäuseverpackt. Fachleute auf dem Gebiet wissen, wie Wafer würfelartig zerteilt und in Chips gepackt werden, um integrierte Schaltungen zu produzieren.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer nichtflüchtigen Phasenwechsel-Speicherzelle, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen von mindestens einer Bodenelektrode; Herstellen von mindestens einer Phasenwechsel-Materialschicht auf mindestens einem Abschnitt in einer oberen Fläche der Bodenelektrode; Herstellen von mindestens einer Heizelementschicht in einer ursprünglichen Querschnittsbreite auf mindestens einem Abschnitt in einer oberen Fläche der Phasenwechsel-Materialschicht; Formgebung der Heizelementschicht in eine konische Form durch Durchführen einer Ätzung in der Heizelementschicht, so dass eine obere Fläche der Heizelementschicht eine Querschnittsbreite aufweist, die breiter als eine Querschnittsbreite einer unteren Fläche der Heizelementschicht ist, welche die Phasenwechsel-Materialschicht kontaktiert.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, welches ferner den Schritt der Herstellung von mindestens einer Stirnelektrode auf mindestens einem Abschnitt in der oberen Fläche der Heizelementschicht umfasst.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt der Formgebung der Heizelementschicht folgende Schritte aufweist: Abscheiden von mindestens einer Photoresistschicht auf mindestens einem Abschnitt in einer oberen Fläche der Heizelement-Materialschicht; Zurechttrimmen der Photoresistschicht, so dass die Querschnittsbreite der Photoresistschicht der gewünschten Querschnittsbreite der oberen Fläche der Heizelementschicht entspricht; Durchführen einer Ätzung auf der Heizelementschicht unter Einbeziehung der Photoresistschicht; und Ablösen der Photoresistschicht.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, welches des Weiteren den Schritt des Reduzierens der Querschnittsbreite der Phasenwechsel-Speicherschicht auf die Querschnittsbreite der unteren Fläche der in eine konische Form geätzten Heizelementschicht umfasst.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Schritt der Umfangsreduzierung der Phasenwechsel-Speicherschicht das Durchführen eines Ätzverfahrens in der Phasenwechsel-Speicherschicht umfasst.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Querschnittsbreite von der oberen Fläche der Heizelementschicht zweimal so groß ist als die Querschnittsbreite von der unteren Fläche der Heizelementschicht.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Querschnittsbreite von der unteren Fläche der Heizelementschicht nur ein Drittel von der ursprünglichen Querschnittsbreite der Heizelementschicht beträgt.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Querschnittsbreite von der oberen Fläche der Heizelementschicht zwei Drittel von der ursprünglichen Querschnittsbreite der Heizelementschicht beträgt.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Heizelementmaterial Titannitrid TiN umfasst.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Phasenwechsel-Materialschicht mindestens ein Chalkogenid umfasst.
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