DE102011118291A1

DE102011118291A1 - Halbleitervorrichtung und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE102011118291A1
Application number: DE102011118291A
Authority: DE
Inventors: Davide Erbetta
Original assignee: Micron Technology Inc
Current assignee: Micron Technology Inc
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-09-20
Also published as: US8227785B2; KR101317966B1; JP2012104826A; CN102468438A; TW201243973A; US20120119177A1; CN102468438B; JP5636617B2; KR20120050915A; TWI437651B

Abstract

Chalkogenid enthaltende Halbleitervorrichtungen können mit einem Übergangsfilm zwischen einem Chalkogenidfilm und einem weiteren Film gebildet werden. Die Chalkogenidkonzentration des Übergangsfilms kann mit steigender Entfernung vom Chalkogenidfilm abnehmen, wohingegen die Konzentration des anderen Filmmaterials über die Dicke des Übergangsfilms zunimmt, wenn man sich vom Chalkogenidfilm wegbewegt.

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft allgemein Chalkogenide enthaltende Halbleiter, die Phasenwechselspeicher und ovonische Schwellwertschalter umfassen.
Chalkogenide enthaltende Halbleiter umfassen eine Chalkogenidschicht die mit anderen Schichten in Kontakt steht. Herkömmlich ist der Zusammenhalt zwischen einer Chalkogenidschicht und weiteren benachbarten Schichten problematisch. Chalkogenide haften gut an reinen Metallen, jedoch verursachen reine Metalle eine hohe Verunreinigung von Chalkogenidfilmen, was eine unerwünschte Dotierung und Materialfehler der Chalkogenide bewirkt. Daher werden in benachbarten Schichten im Allgemeinen Metall-Verbundwerkstoffe, wie etwa Metallnitride, verwendet.
Ein Phasenwechselspeicher umfasst ein Chalkogenid, dass zwischen mehr amorphen und weniger amorphen (also mehr kristallinen) Phasen wechselt, um Information zu speichern. Ein ovonischer Schwellwertschalter kann als Auswahlvorrichtung in einem Phasenwechselspeicher eingesetzt werden. Das Chalkogenid im Schalter bleibt im Allgemeinen in einer amorphen Phase.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 stellt eine vergrößerte, vereinfachte Querschnittansicht einer Chalkogenid enthaltenden Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform dar;
2 ist ein Graph der Zusammensetzung über den Querschnitt durch die in 1 dargestellte Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
3 stellt eine vergrößerte, vereinfachte Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform dar.
Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug auf 1 umfasst ein Chalkogenid enthaltenden Halbleitervorrichtung 10 gegebenenfalls eine erste Verbundschicht 12, eine zweite Verbundschicht 16 und einen zwischengeschalteten Übergangsfilm, der aus einer Mischung der Zusammensetzungen der Filme 12 und 16 besteht. Wenigstens einer der Filme 12 oder 16 umfasst ein Chalkogenid. Bei dem Chalkogenid kann es sich beispielsweise um Germanium, Antimon, Tellur (GST) handeln und die Vorrichtung 10 kann ein Phasenwechselspeicher sein. In einem weiteren Beispiel kann das Chalkogenid ein Chalkogenid sein, dass im Allgemeinen in Verbindung mit ovonischen Schwellwertschaltern verwendet wird und das normalerweise in der amorphen Phase bleibt. Somit kann der Chalkogenidfilm der Film 12 sein, der auf einem weiteren Film 16 sitzt, oder der Chalkogenidfilm kann unter einem weiteren Film liegen, in welchem Fall er durch den Film 16 repräsentiert wird.
Liegt der Chalkogenidfilm 16 beispielsweise unter einem weiteren Film, kann der weitere Film 12 eine Elektrode, wie etwa ein Metallnitridfilm, sein. Ähnlich gilt, dass wenn der Chalkogenidfilm 12 über einem weiteren Film 16 liegt, dass wiederum der weitere Film 16 eine Elektroden- oder Heizungsschicht sein kann, die für das Chalkogenid eine ohmsche Heizung bereitstellt, um seine Phase zu ändern.
Zusätzlich kann der Chalkogenidfilm 12 oder 16 an Isolatorfilme 12 oder 16, wie etwa Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, grenzen. Diese Isolatorfilme können in einigen Fällen über oder unter dem Chalkogenidfilm liegen. In anderen Fällen kann der Chalkogenidfilm 12 oder 16 an einen Zwischenschichtfilm aus reinem Metall grenzen, wie etwa an einen Titanfilm, um den Zusammenhalt zwischen dem Chalkogenidfilm und weiteren Filmen, wie etwa Metallnitriden, Isolatoren und Substraten etc., zu verbessern.
Wie in 2 dargestellt, kann der Zusammenhalt zwischen den Filmen 12 und 16 verbessert werden, indem ein zwischengeschalteter Übergangsfilm 14 vorgesehen wird, dessen Zusammensetzung sich von der reinen Zusammensetzung B, angrenzend an den Film mir der Zusammensetzung B 16, zur reinen Zusammensetzung A, an der Grenzfläche zwischen dem Film 14 und dem Film 12 mit der Zusammensetzung A, verändert. In einer Ausführungsform kann der Übergang in der atomaren Zusammensetzung linear sein, mit jeweils fünfzig Atomprozent am genauen Mittelpunkt des Übergangsfilms. Es können auch andere, nicht-lineare Gradienten verwendet werden. Zusätzlichen können gestufte Gradienten, gekrümmte Gradienten und Gradienten, die über den Film 14 nicht zentriert oder regelmäßig sind, verwendet werden, so dass der Punkt mit einer fünfzig Prozent atomaren Zusammensetzung im Übergangsfilm 14 gegebenenfalls nicht zentriert ist, um einige Beispiele zu nennen.
Zum Ausbilden der in 1 dargestellten Struktur 10, kann beispielsweise ein Chalkogenid-Bulkfilm durch Standard-Argon-Sputtern aufgebracht werden. Anschießend kann ein Auftragungsschritt den Übergangsfilm 14 herstellen. Beispielsweise können in der Sputter-Kammer eine Zuführung und eine Zunahme von Stickstoffgasinhalt stattfinden, und dies bis zu einem typischen Wert für reaktives Sputtern von Metall, um ein Metallnitrid, wie etwa Titannitrid, als den Film 12 zu bilden. Anschließend, mit dem Wachsen des Übergangsfilms 14, findet eine Abnahme der Chalkogenid-Sputterleistung bis Null statt. Gleichzeitig gibt es eine Zunahme der Titan-Sputterleistung von Null auf den typischen Wert für eine Titannitrid-Auftragung, sowie eine Anpassung der Argon-Zusammensetzung von der reinen Chalkogenid-Schicht zur reinen Titannitrid-Schicht. Dies erzeugt einen Film 14 mit einem kontinuierlichen Übergang der Zusammensetzung vom Chalkogenid zu Titannitrid. Anschließend kann ein herkömmliches Titannitrid-Sputtering weitergeführt werden.
Ähnlich kann ein Chalkogenid auf einem dielektrischen Film 16 aufgebracht werden, wie etwa Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Beispielsweise kann ein eingehender Wafer vor allem Siliziumoxid und Siliziumnitrid umfassen, die in einem Titian-Siliziumnitrid-Heizmaterial exponiert werden. Vor dem Aufbringen des Chalkogenid-Bulks wird ein dünner Film 14 mit einem Gradienten aufgebracht, wobei dies eine physikalische Gasphasenabscheidung durch Sputtern von Silizium einschließt. Das Silizium kann einen guten Zusammenhalt auf allen exponierten Materialien sicherstellen, wobei dies Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Titan-Siliziumnitrid umfasst. Nach einigen sehr wenigen Nanometern der Aufbringung des Übergangsfilms 14 kann die Silizium-Sputterquelle bis Null heruntergefahren werden, um die Siliziumaufbringung zu stoppen. Unterdessen wird die Chalkogenid-Sputterleistung angeschaltet und bis auf ihren typischen Wert für das Chalkogenid-Sputtern gesteigert. Danach wird nur noch Chalkogenid aufgebracht, um den Film 12 zu bilden. Anschließend wird eine Deckschicht herkömmlich oder, wiederum und wie oben beschrieben, mit einem Gradienten, ausgeführt.
Wie in 3 dargestellt, können somit in einigen Ausführungsformen mehrere Übergangsfilme eingesetzt werden. Beispielsweise in dem Fall, dass der Film mit Zusammensetzung B 26 ein Chalkogenid ist, kann er den ersten Übergangsfilm 24 über sich und einen zweiten Übergangsfilm 28 unter sich haben. In Abhängigkeit von dem Film mit Zusammensetzung A 22 und dem Film mit Zusammensetzung C 30 können der erste und der zweite Übergangsfilm verschiedene Filme sein. Beispielsweise kann der Film mit Zusammensetzung A 22 Titannitrid sein, so dass der erste Übergangsfilm 24 einen Gradienten zwischen dem Chalkogenid und Titannitrid hat, wohingegen der Film mit Zusammensetzung C 30 Silizium oder Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Titan-Siliziumnitrid sein kann und einen Übergangsfilm umfassen kann, in dem die Konzentrationen dieser Materialien quer durch den Übergangsfilm abnehmen und eine Konzentration des Chalkogenids quer durch den Übergangsfilm zunimmt.
In einigen Ausführungsformen ist der Übergangsfilm sehr dünn, weniger als fünf Nanometer, und in einigen Ausführungsformen ist er weniger als zehn Angström dick.
Das Programmieren zur Veränderung des Zustands oder der Phase des Materials kann durch das Anlegen von Spannungspotentialen an den Adressleitungen erreicht werden, wodurch eine Spannungsdifferenz durch ein Speicherelement, das ein Phasenwechselmaterial umfasst, hindurch erzeugt wird. Wenn die Spannungsdifferenz größer ist als die Schwellwertspannungen irgendeiner Auswahlvorrichtung und irgendeines Speicherelements, dann kann in Reaktion auf die angelegten Spannungsdifferenzen ein elektrischer Strom durch das Phasenwechselmaterial fließen und zu einer Erwärmung des Phasenwechselmaterial führen.
Diese Erwärmung kann in einer Ausführungsform den Speicherzustand oder die Phase des Materials verändern. Das Verändern der Phase oder des Zustands des Materials kann die elektrischen Eigenschaften des Speichermaterials verändern, beispielsweise können durch das Verändern der Phase des Speichermaterials der Widerstand oder die Schwellwertspannung des Materials verändert werden. Das Speichermaterial kann auch als programmierbares Widerstandsmaterial bezeichnet werden.
Im „rückgesetzten” Zustand kann sich das Speichermaterial in einem amorphen oder halbamorphen Zustand befinden und im „gesetzten” Zustand kann das Speichermaterial in einem kristallinen oder halbkristallinen Zustand sein. Der Widerstand des Speichermaterials im amorphen oder halbamorphen Zustand kann größer sein als der Widerstand des Speichermaterials im kristallinen oder halbkristallinen Zustand. Es ist erkennbar, dass die Zuordnung des rückgesetzten und gesetzten Zustands zum amorphen bzw. kristallinen Zustand eine Konvention ist und dass wenigstens auch eine umgekehrte Konvention verwendet werden kann.
Unter Verwendung von elektrischem Strom kann das Speichermaterial auf eine relativ höhere Temperatur erhitzt werden, um zu schmelzen, und dann abgeschreckt zu werden, um zu verglasen und das Speichermaterial in einen amorphen Zustand „rückzusetzen” (beispielsweise das Programmieren des Speichermaterials auf einen logischen „0”-Wert). Das Erwärmen des Volumens des Speichermaterials auf eine relativ niedrigere Kristallisationstemperatur kann das Speichermaterial kristallisieren oder entglasen und das Speichermaterial „setzen” (beispielsweise das Programmieren des Speichermaterials auf einen logischen „1”-Wert). Durch das Variieren der Menge des Flusses und der Dauer des Stroms durch das Volumen des Speichermaterials können unterschiedliche Widerstände des Speichermaterials erreicht werden, um Information zu speichern.
Der ovonische Schwellwertschalter ist in Abhängigkeit von der Größe der Spannungsdifferenz, die über den Schalter angelegt wird, entweder an oder aus, und, genauer, in Abhängigkeit davon, ob der Strom durch den Schalter seinen Schwellwertstrom oder seine Schwellwertspannung überschreitet, wodurch die Vorrichtung in einen An-Zustand wechselt. Der Aus-Zustand kann im Wesentlichen elektrisch nicht-leitend sein und der An-Zustand kann ein im Wesentlichen leitender Zustand sein, mit einem geringeren Widerstand als der Aus-Zustand.
In einer Ausführungsform gilt, dass im An-Zustand die Spannung über den Schalter gleich seiner Haltespannung V_halte + IR_An ist, wobei R_An der dynamische Widerstand vom extrapolierten X-Achsenabschnitt V_halte ist. Beispielsweise kann ein ovonischer Schwellwertschalter eine Schwellwertspannung V_Sw haben und, falls über den Schalter eine Spannungsdifferenz angelegt wird, die niedriger als die Schwellwertspannung des Schalters ist, dann kann der Schalter im Aus-Zustand verbleiben oder in einem Zustand mit relativ hohem Widerstand, so dass nur wenig oder kein elektrischer Strom hindurchfließt.
Andererseits, falls über die Vorrichtung ein Spannungspotential angelegt wird, das größer ist als die Schwellwertspannung der Auswahlvorrichtung, dann kann die Vorrichtung angeschaltet werden, also in einem Zustand mit relativ niedrigem Widerstand arbeiten, so dass ein erheblicher elektrischer Strom durch den Schalter fließt. Mit anderen Worten können ein oder mehrere hintereinander geschaltete Schalter bei weniger als einer vorgegebenen Spannung, beispielsweise der Schwellwertspannung die über den Schalter angelegt wird, in einem im Wesentlichen elektrisch nicht-leitenden Zustand sein. Der Schalter kann in einem im Wesentlichen leitenden Zustand sein, wenn mehr als die vorgegebene Spannung über den Schalter angelegt wird.
In einer Ausführungsform kann jeder Schalter ein Schaltermaterial umfassen, das ein Chalkogenidgemisch ist. Das Schaltermaterial kann ein Material in einem im Wesentlichen amorphen Zustand sein, das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist und das wiederholt und reversibel zwischen einem Aus-Zustand mit höherem Widerstand, der im Allgemeinen größer als etwa 1 Megaohm ist, und einem An-Zustand mit relativ niedrigerem Widerstand, der im Allgemeinen kleiner als etwa 1000 Ohm ist, in Reihe mit der Haltespannung durch die Anwendung elektrischen Stroms oder eines Potentials.
Jeder Schalter ist eine Zwei-Anschlüsse-Vorrichtung, die eine IV-Kurve ähnlich derjenigen eines Phasenwechselspeicherelements hat, das in einem amorphen Zustand ist. Im Unterschied zu einem Phasenwechselspeicherelement wechselt der ovonische Schwellwertschalter jedoch nicht die Phase. Daher ist das Schaltermaterial des ovonischen Schwellwertschalters kein phasen-programmierbares Material und somit ist der Schalter keine Speichervorrichtung, die fähig ist, Information zu speichern. Beispielsweise kann das Schaltermaterial permanent amorph bleiben und die IV-Eigenschaften können über die gesamte Betriebsdauer dieselben bleiben.
Im Modus mit niedriger Spannung und niedrigem elektrischem Feld, bei dem die über den Schalter angelegte Spannung kleiner ist als die Schwellwertspannung V_Sw, kann der Schalter aus oder nicht-leitend sein und einen relativ hohen Widerstand aufweisen. Der Switch kann im Aus-Zustand verbleiben bis eine ausreichende Spannung, und zwar die Schwellwertspannung, angelegt wird oder bis ein ausreichender Strom angelegt wird, und zwar der Schwellwertstrom, der die Vorrichtung in einen leitenden Zustand mit relativ geringem Widerstand umschaltet. Nachdem über den Schalter ein Spannungspotential angelegt wurde, das größer als etwa die Schwellwertspannung ist, kann die Spannungsdifferenz über die Vorrichtung auf eine Haltespannung V_halte fallen oder zurückschnappen (snapback). Die Snapback-Spannung bezieht sich auf die Spannungsdifferenz zwischen der Schwellwertspannung und der Haltespannung des Schalters.
Im An-Zustand kann die Spannungsdifferenz über den Schalter nahe bei der Haltespannung bleiben, wenn der durch den Schalter fließende Strom erhöht wird. Der Schalter kann im An-Zustand bleiben bis der Strom durch den Schalter unter einen Haltestrom abfällt. Unterhalb dieses Wertes kann der Schalter ausschalten und zu einem relativ hohen Widerstand zurückkehren, einem nicht-leitenden Aus-Zustand, bis die Schwellwertspannung und der Schwellwertstrom erneut überschritten werden.
In der gesamten Beschreibung bedeuten Bezüge auf „eine Ausführungsform”, dass eine bestimmte Eigenschaft, Struktur oder Besonderheit, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben ist, in wenigstens einer Implementierung enthalten ist, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Somit gilt, dass Vorkommen der Ausdrücke „eine Ausführungsform” oder „in einer Ausführungsform” sich nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform beziehen. Außerdem können die bestimmten Eigenschaften, Strukturen oder Besonderheiten in weiteren geeigneten Formen auftreten, die andere sind als die bestimmte dargestellte Ausführungsform, und alle diese Formen können in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung enthalten sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Zahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, sind für den Fachmann zahlreiche Veränderungen und Variationen davon erkennbar. Es ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle diese Veränderungen und Variationen abdecken, soweit sie in dem wahren Geist und Rahmen der vorliegenden Erfindung entsprechen,

Claims

Verfahren, Folgendes umfassend: Herstellen einer Chalkogenid enthaltenden Halbleitervorrichtung mit einem Übergangsfilm zwischen einem Chalkogenidfilm und einem weiteren Film, und dies derart, dass die Chalkogenidkonzentration sich über die Dicke des Übergangsfilms verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Herstellen der Vorrichtung mit einem Übergangsfilm mit entgegengesetzten Seiten umfasst, wobei eine Seite angrenzend an das Chalkogenid ist und derart, dass die Konzentration des Chalkogenids über die Dicke des Films abnimmt, wenn man sich vom Chalkogenid wegbewegt.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Herstellen eines Phasenwechselspeichers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Herstellen eines ovonischen Schwellwertschalters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Herstellen des Chalkogenids auf einer Seite des Übergangsfilms und einer Elektrode auf der anderen Seite des Übergangsfilms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Herstellen des Chalkogenids auf einer Seite des Übergangsfilms und eines Isolators auf der anderen Seite umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Herstellen des Chalkogenids auf einer Seite des Übergangsfilms und eines weiteren Films auf der anderen Seite des Übergangsfilms umfasst, wobei der Übergangsfilm eine Konzentration des Materials umfasst, das den weiteren Film bildet, und wobei diese Konzentration über die Dicke des Übergangsfilms zunimmt, wenn man sich vom Chalkogenid zum weiteren Film bewegt.
Vorrichtung, Folgendes umfassend: eine Chalkogenidschicht; eine zweite Schicht, die mit der Chalkogenidschicht in Kontakt ist; und eine dritte Schicht, die mit der zweiten Schicht in Kontakt ist, wobei die zweite Schicht Chalkogenid und Material, das auch die dritte Schicht bildet, umfasst, wobei die Konzentration des Chalkogenids abnimmt, wenn man sich durch die zweite Schicht hindurch und weg von der Chalkogenidschicht bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung ein Phasenwechselspeicher ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung ein ovonischer Schwellwertschalter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Konzentration des Materials in der zweiten Schicht zunimmt, wenn man sich vom Chalkogenid zur dritten Schicht bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der atomare Anteil des Chalkogenids in der zweiten Schicht vom Chalkogenid zur dritten Schicht linear abnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, die eine vierte Schicht auf der Chalkogenidschicht umfasst, und dies auf der zur zweiten Schicht entgegengesetzten Seite der Chalkogenidschicht, wobei die Vorrichtung eine fünfte Schicht auf der vierten Schicht umfasst und wobei die Chalkogenidkonzentration in der vierten Schicht über die Dicke der vierten Schicht abnimmt, wenn man sich von der Chalkogenidschicht zur fünften Schicht bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Dicke der zweiten Schicht weniger als fünf Nanometer beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Dicke der zweiten Schicht weniger als zehn Angström beträgt.
Chalkogenid enthaltender Halbleiter, Folgendes umfassend: eine Chalkogenidschicht; eine Nicht-Chalkogenidschicht; und eine zwischengeschaltete Schicht zwischen der Nicht-Chalkogenidschicht und der Chalkogenidschicht, wobei die zwischengeschaltete Schicht eine Mischung von Chalkogenid und Material, aus dem die Nicht-Chalkogenidschicht besteht, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Nicht-Chalkogenidschicht ein Isolator ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Nicht-Chalkogenidschicht ein Leiter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Chalkogenidkonzentration über die zwischengeschaltete Schicht linear abnimmt, wenn man sich von der Chalkogenidschicht zur Nicht-Chalkogenidschicht bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Nicht-Chalkogenidkonzentration linear zunimmt, wenn man sich von der Chalkogenidschicht zur Nicht-Chalkogenidschicht durch die zwischengeschaltete Schicht bewegt.