DE102018106052A1 - Neuartiger Phasenänderung-Direktzugriffsspeicher - Google Patents

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Chun-Hsu YEN
Yu-Chuan Hsu
Chen-Hui YANG
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Ein Speicherbaustein weist Folgendes auf: eine erste leitfähige Säulenstruktur, die durch eine erste dielektrische Schicht verläuft, wobei die erste leitfähige Säulenstruktur einen Mantelteil, der eine Kernstruktur, die mit einem dielektrischen Material gefüllt ist, umschließt, und einen Endteil aufweist, der mit einem Ende des Mantelteils verbunden ist und unter der Kernstruktur angeordnet ist; und eine erste Phasenwechselmaterialschicht, die über der ersten dielektrischen Schicht hergestellt ist, wobei ein unterer Rand der ersten Phasenwechselmaterialschicht mindestens einen ersten Teil des anderen Endes des Mantelteils der ersten leitfähigen Säulenstruktur kontaktiert.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 28. November 2017 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 62/591.318 , die durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Hintergrund
  • In den letzten Jahren sind neuartige nichtflüchtige Speicher (NVM-Bausteine), wie etwa ferroelektrische Direktzugriffsspeicher (FRAM-Bausteine), resistive Direktzugriffsspeicher (PRAM-Bausteine) und Phasenänderung-Direktzugriffsspeicher (PCRAM-Bausteine), aufgekommen. Insbesondere haben PCRAM-Bausteine, die ein Schaltverhalten zwischen einem hochohmigen Zustand und einem niederohmigen Zustand zeigen, verschiedene Vorzüge gegenüber herkömmlichen NVM-Bausteinen. Diese Vorzüge sind zum Beispiel Herstellungsschritte, die mit gebräuchlichen CMOS-Technologien (CMOS: komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) kompatibel sind, kostengünstige Herstellung, kompakte Struktur, flexible Skalierbarkeit, schnelles Schalten, hohe Integrationsdichte usw.
  • Im Allgemeinen weist ein PCRAM-Baustein eine obere Elektrode (z. B. eine Anode) und eine untere Elektrode (z. B. eine Katode) auf, zwischen die ein Phasenwechselmaterial geschichtet ist. Außerdem ist die untere Elektrode mit der Phasenwechselmaterialschicht mit einer leitfähigen Struktur verbunden, die normalerweise als eine „Heizelement“-Struktur bekannt ist. Um den PCRAM-Baustein in den niederohmigen Zustand zu bringen, was normalerweise als ein Einstellschritt bezeichnet wird, wird ein relativ kleines elektrisches Stromsignal über die Heizelementstruktur an die Phasenwechselmaterialschicht angelegt, um die Phasenwechselmaterialschicht bei einer Temperatur zwischen der (niedrigeren) Kristallisationstemperatur und der (höheren) Schmelztemperatur der Phasenwechselmaterialschicht zu glühen, um die Phasenwechselmaterialschicht zu kristallisieren. Um den PCRAM-Baustein in den hochohmigen Zustand zu bringen, was normalerweise als ein Rücksetzschritt bezeichnet wird, wird ein relativ starkes elektrisches Stromsignal über die Heizelementstruktur an die Phasenwechselmaterialschicht angelegt, um die Phasenwechselmaterialschicht bei einer Temperatur zu glühen, die höher als die (höhere) Schmelztemperatur der Phasenwechselmaterialschicht ist, um die Phasenwechselmaterialschicht zu amorphisieren. Insbesondere ist ein Strompegel des angelegten elektrischen Stromsignals, mit dem die Phasenwechselmaterialschicht erfolgreich amorphisiert/kristallisiert werden kann, proportional zu der Größe einer Kontaktfläche an einer Grenzfläche zwischen der Heizelementstruktur und der Phasenwechselmaterialschicht. Je größer zum Beispiel die Kontaktfläche ist, umso höher muss der Strompegel des angelegten elektrischen Stromsignals sein.
  • Die Heizelementstrukturen von bestehenden PCRAM-Bausteinen verbinden jedoch jeweilige Phasenwechselmaterialschichten mit relativ großen Kontaktflächen, sodass jeweilige Strompegel nachteilig relativ hoch sein müssen. Daher können bei bestehenden PCRAM-Bausteinen beim Anlegen eines Signals mit einem so hohen Strompegel verschiedene Probleme auftreten, zum Beispiel geringe Zuverlässigkeit, hoher Stromverbrauch usw. Somit sind bestehende PCRAM-Bausteine und Verfahren zu deren Herstellung nicht völlig zufriedenstellend.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • Die 1A und 1B zeigen ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements gemäß einigen Ausführungsformen.
    • Die 2A bis 2O zeigen Schnittansichten eines beispielhaften Halbleiter-Bauelements, das mit dem Verfahren von 1 hergestellt wird, auf verschiedenen Herstellungsstufen, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • Die 3A bis 3F zeigen jeweilige Draufsichten verschiedener Ausführungsformen eines Teils des beispielhaften Halbleiter-Bauelements, das mit dem Verfahren von 1 hergestellt wird, gemäß einigen Ausführungsformen.
  • Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
  • Die nachstehende Beschreibung liefert verschiedene beispielhafte Ausführungsformen zum Implementieren verschiedener Merkmale des Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt verschiedene Ausführungsformen eines neuartigen PCRAM-Bausteins (PCRAM: Phasenänderung-Direktzugriffsspeicher) und Verfahren zu dessen Herstellung bereit. Bei einigen Ausführungsformen weist der offenbarte PCRAM-Baustein Folgendes auf: eine untere Elektrode; eine untere leitfähige Säulenstruktur; eine Phasenwechselmaterialschicht; eine optionale obere leitfähige Säulenstruktur; und eine obere Elektrode, wobei die untere und die obere leitfähige Säulenstruktur jeweils einen Seitenwandteil aufweisen, der als eine „Mantel“struktur ausgebildet ist, die eine „Kern“struktur umschließt, die aus einem dielektrischen Material besteht. Insbesondere ist die untere Elektrode durch den Seitenwandteil der unteren leitfähigen Säulenstruktur mit der Phasenwechselmaterialschicht verbunden, und die obere Elektrode ist durch die obere leitfähige Säulenstruktur mit der Phasenwechselmaterialschicht verbunden. Bei einigen Ausführungsformen können die untere und die obere leitfähige Säulenstruktur jeweils so konfiguriert sein, dass sie ein Stromsignal zu der Phasenwechselmaterialschicht leiten. Da der Seitenwandteil der unteren leitfähigen Säulenstruktur als eine Mantelstruktur ausgebildet ist, kann die Größe einer entsprechenden Kontaktfläche an der Grenzfläche zwischen der Phasenwechselmaterialschicht und der unteren leitfähigen Säulenstruktur gegenüber herkömmlichen PCRAM-Bausteinen wesentlich reduziert werden. Somit können verschiedene Probleme, die bei herkömmlichen PCRAM-Bausteinen auftreten, bei offenbarten PCRAM-Bausteinen vorteilhaft vermieden werden.
  • Die 1A und 1B zeigen ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es ist zu beachten, dass das Verfahren 100 lediglich ein Beispiel ist und die vorliegende Erfindung nicht beschränken soll. Bei einigen Ausführungsformen ist das Halbleiter-Bauelement zumindest teilweise Bestandteil eines PCRAM-Bausteins. Der von der vorliegenden Erfindung verwendete PCRAM-Baustein bezieht sich auf einen Baustein mit einer Phasenwechselmaterialschicht. Es ist zu beachten, dass bei dem Verfahren 100 der 1A und 1B kein fertiger PCRAM-Baustein entsteht. Ein fertiger PCRAM-Baustein kann durch Bearbeitung mit der CMOS-Technologie (CMOS: komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) hergestellt werden. Es ist klar, dass weitere Schritte vor, während und nach dem Verfahren 100 der 1A und 1B vorgesehen werden können und dass einige andere Schritte hier nur kurz beschrieben werden. Bei einigen anderen Ausführungsformen kann das Verfahren zum Herstellen von verschiedenen nichtflüchtigen Speichern (NVM-Bausteinen), wie etwa ferroelektrischen Direktzugriffsspeichern (FRAM-Bausteinen), resistiven Direktzugriffsspeichern (PRAM-Bausteinen) usw., verwendet werden, was innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
  • Kommen wir zunächst zu 1A. Bei einigen Ausführungsformen beginnt das Verfahren 100 mit dem Schritt 102, in dem ein Substrat mit einem Transistor bereitgestellt wird. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 104 weiter, in dem über dem Substrat eine erste dielektrische Schicht hergestellt wird, die einen Kontaktstift aufweist, der durch die erste dielektrische Schicht verläuft. Bei einigen Ausführungsformen wird die erste dielektrische Schicht über dem Transistor hergestellt, und der Kontaktstift wird mit mindestens einem leitfähigen Strukturelement (z. B. einem Drain-, Source- oder Gate-Element) des Transistors elektrisch verbunden. Das Verfahren 100 geht zu dem Schritt 106 weiter, in dem eine zweite dielektrische Schicht über der ersten dielektrischen Schicht hergestellt wird. Das Verfahren 100 geht zu dem Schritt 108 weiter, in dem eine erste Elektrode auf der zweiten dielektrischen Schicht hergestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen wird die erste Elektrode mit dem Kontaktstift, der durch die erste dielektrische Schicht verläuft, elektrisch verbunden. Das Verfahren geht mit dem Schritt 110 weiter, in dem eine dritte dielektrische Schicht über der zweiten dielektrischen Schicht hergestellt wird.
  • Dann geht das Verfahren 100 mit dem Schritt 112 weiter, in dem ein Teil der dritten dielektrischen Schicht geätzt wird, um einen Graben herzustellen, der durch die dritte dielektrische Schicht verläuft, um einen Teil eines oberen Rands der ersten Elektrode freizulegen. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 114 weiter, in dem eine Trennschicht über der geätzten dritten dielektrischen Schicht hergestellt wird, um den Graben auszukleiden. Die Trennschicht verläuft entlang Seitenwänden des Grabens und überdeckt einen unteren Rand des Grabens (d. h. den Teil des oberen Rands der ersten Elektrode, der im Schritt 112 freigelegt worden ist). Es ist zu beachten, dass bei einigen Ausführungsformen die Trennschicht auch einen oberen Rand der dritten dielektrischen Schicht überdecken kann. Das Verfahren 100 geht zu dem Schritt 116 weiter, in dem ein Teil der Trennschicht geätzt wird, um den Teil des oberen Rands der ersten Elektrode wieder freizulegen. Bei einigen Ausführungsformen wird gleichzeitig mit dem Freilegen des Teils des oberen Rands der ersten Elektrode auch ein anderer Teil der Trennschicht weggeätzt, der den oberen Rand der dritten dielektrischen Schicht überdeckt.
  • Kommen wir nun zu 1B. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 118 weiter, in dem eine leitfähige Schicht über der geätzten dritten dielektrischen Schicht hergestellt wird, um den Graben auszukleiden. Insbesondere wird die leitfähige Schicht bei einigen Ausführungsformen so hergestellt, dass sie den wieder freigelegten Teil des oberen Rands der ersten Elektrode überdeckt, entlang Seitenwänden des Grabens verläuft (wobei die Trennschicht dazwischen geschichtet ist) und den oberen Rand der dritten dielektrischen Schicht überdeckt. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 120 weiter, in dem ein dielektrisches Material über der geätzten dritten dielektrischen Schicht abgeschieden wird, um den Graben zu füllen. Insbesondere füllt bei einigen Ausführungsformen das dielektrische Material den Graben, wobei die Trennschicht und die leitfähige Schicht dazwischen geschichtet sind. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 122 weiter, in dem ein Polierungsprozess durchgeführt wird, um eine erste leitfähige Säulenstruktur herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen wird der Polierungsprozess, z. B. eine chemisch-mechanische Polierung (CMP), an dem dielektrischen Material und der leitfähigen Schicht durchgeführt, bis ein oberer Rand des Seitenwandteils der leitfähigen Schicht freigelegt ist, sodass die erste leitfähige Säulenstruktur entsteht. Somit umfasst die erste leitfähige Säulenstruktur mindestens zwei Teile: einen ersten Teil, der der Teil der leitfähigen Schicht ist, der den oberen Rand der ersten Elektrode überdeckt; und einen zweiten Teil, der der Seitenwandteil der leitfähigen Schicht ist.
  • Dann geht das Verfahren 100 mit dem Schritt 124 weiter, in dem eine Phasenwechselmaterialschicht über der ersten leitfähigen Säulenstruktur hergestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen wird die Phasenwechselmaterialschicht so hergestellt, dass sie zumindest mit dem oberen Rand des Seitenwandteils der leitfähigen Schicht (der ersten leitfähigen Säulenstruktur) verbunden ist. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 126 weiter, in dem eine vierte dielektrische Schicht über der Phasenwechselmaterialschicht hergestellt wird. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 128 weiter, in dem eine zweite leitfähige Säulenstruktur so hergestellt wird, dass sie mit der Phasenwechselmaterialschicht verbunden ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite leitfähige Säulenstruktur, die optional in der vierten dielektrischen Schicht hergestellt werden kann, im Wesentlichen der ersten leitfähigen Säulenstruktur ähnlich. Das Verfahren 100 geht mit dem Schritt 130 weiter, in dem eine zweite Elektrode so hergestellt wird, dass sie mit der zweiten leitfähigen Säulenstruktur verbunden ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Elektrode, die in einer fünften dielektrischen Schicht über der vierten dielektrischen Schicht hergestellt werden kann, im Wesentlichen der ersten Elektrode ähnlich. Bei einigen Ausführungsformen können die vorgenannte erste, zweite, dritte, vierte und fünfte dielektrische Schicht jeweils eine Zwischenmetalldielektrikum-Schicht (IMD-Schicht) oder eine Zwischenschichtdielektrikum-Schicht (ILD-Schicht) sein, das heißt, die erste bis fünfte dielektrische Schicht können im Wesentlichen aus einem ähnlichen dielektrischen Material bestehen (z. B. einem dielektrischen Low-k-Material).
  • Bei einigen Ausführungsformen können Schritte des Verfahrens 100 mit Schnittansichten eines Halbleiter-Bauelements 200 auf verschiedenen Herstellungsstufen assoziiert werden, die jeweils in den 2A bis 20 gezeigt sind. Bei einigen Ausführungsformen kann das Halbleiter-Bauelement 200 ein PCRAM-Baustein sein. Der PCRAM-Baustein 200 kann in einem Mikroprozessor, einer Speicherzelle und/oder einem integrierten Schaltkreis (IC) enthalten sein. Die 2A bis 20 sind zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung vereinfacht. Zum Beispiel zeigen die Figuren den PCRAM-Baustein 200, aber es ist klar, dass der IC, in dem der PCRAM-Baustein 200 hergestellt ist, auch eine Anzahl von anderen Bauelementen, wie etwa Widerständen, Kondensatoren, Induktoren, Sicherungen usw., umfassen kann, die der Klarheit der Erörterung halber in den 2A bis 20 nicht dargestellt sind.
  • Entsprechend dem Schritt 102 von 1A ist 2A eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der ein Substrat 202 mit einem Transistor 204 aufweist, das auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen bereitgestellt wird. Der PCRAM-Baustein 200 bei der dargestellten Ausführungsform von 2A weist zwar nur einen Transistor 204 auf, aber es ist klar, dass die dargestellte Ausführungsform von 2A und die folgenden Figuren lediglich der Erläuterung dienen. Daher kann der PCRAM-Baustein 200 jede gewünschte Anzahl von Transistoren aufweisen, und er bleibt dabei innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 202 ein Substrat aus einem Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium. Alternativ kann das Substrat 202 ein anderes elementares Halbleitermaterial sein, wie etwa Germanium. Das Substrat 202 kann auch ein Verbindungshalbleiter sein, wie etwa Siliziumcarbid, Galliumarsen, Indiumarsenid und Indiumphosphid. Das Substrat 202 kann ein Legierungshalbleiter sein, wie etwa Siliziumgermanium, Siliziumgermaniumcarbid, Galliumarsenphosphid und Galliumindiumphosphid. Bei einer Ausführungsform umfasst das Substrat 202 eine Epitaxialschicht. Zum Beispiel kann das Substrat 202 eine Epitaxialschicht über einem Volumenhalbleiter haben. Außerdem kann das Substrat 202 eine Halbleiter-auf-Isolator(SOI)-Struktur haben. Zum Beispiel kann das Substrat 202 eine vergrabene Oxidschicht (BOX-Schicht) umfassen, die mit einem Verfahren wie Trennung durch implantierten Sauerstoff (SIMOX) oder mit einem anderen geeigneten Verfahren hergestellt wird, wie etwa Waferbonden und Schleifen.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist der Transistor 204 eine Gate-Elektrode 204-1, eine dielektrische Gate-Schicht 204-2 und Source-/Drain-Elemente 204-3 und 204-4 auf. Die Source-/Drain-Elemente 204-3 und 204-4 können mit Dotierungsprozessen, wie etwa Ionenimplantation, hergestellt werden. Die dielektrische Gate-Schicht 204-2 kann ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid oder ein Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (High-k), oder Kombinationen davon aufweisen, das mit Abscheidungsverfahren, wie etwa Atomlagenabscheidung (ALD), hergestellt werden kann. Die Gate-Elektrode 204-1 kann ein leitfähiges Material, wie etwa Polysilizium oder ein Metall, aufweisen, das mit Abscheidungsverfahren, wie etwa chemischer Aufdampfung (CVD), hergestellt werden kann. Bei einigen Ausführungsformen kann der Transistor 204 als ein Zugriffstransistor des PCRAM-Bausteins 200 dienen, der einen Zugriff auf eine Datenspeicherkomponente (z. B. einen PCRAM-Widerstand) des PCRAM-Bausteins 200 bei Lese-/Schreiboperationen steuert.
  • Entsprechend dem Schritt 104 von 1A ist 2B eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine erste dielektrische Schicht 208 mit einem Kontaktstift 210 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, wird die erste dielektrische Schicht 208 über dem Transistor 204 hergestellt, und der Kontaktstift 210 wird so hergestellt, dass er durch die erste dielektrische Schicht 208 hindurchgeht. Bei einigen Ausführungsformen ist der Kontaktstift 210 mit mindestens einem der leitfähigen Strukturelemente des Transistors 204 verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform von 2B (und den folgenden Figuren) ist der Kontaktstift 210 mit dem Source-/Drain-Element 204-3 verbunden.
  • Bei einigen Ausführungsformen besteht die erste dielektrische Schicht 208 aus einem dielektrischen Material. Dieses dielektrische Material kann Siliziumoxid, ein dielektrisches Low-k-Material, ein anderes geeignetes dielektrisches Material und/oder eine Kombination davon umfassen. Das Low-k-Material kann Fluorsilicatglas (FSG), Phosphorsilicatglas (PSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG), Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid (SiOxCy), Strontiumoxid (SrO), Black Diamond® (Fa. Applied Materials, Santa Clara, Kalifornien), Xerogel, Aerogel, amorphen Fluorkohlenstoff, Parylen, BCB (Bis-Benzocyclobuten), SiLK® (Fa. Dow Chemicals, Midland, Michigan), Polyimid und/oder künftig entwickelte dielektrische Low-k-Materialien umfassen. Bei einigen Ausführungsformen besteht der Kontaktstift 210 aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Wolfram (W) usw.
  • Der Kontaktstift 210 kann mit mindestens einigen der folgenden Prozessschritte hergestellt werden: Verwenden einer chemischen Aufdampfung (CVD), physikalischen Aufdampfung (PVD), Schleuderbeschichtung und/oder anderer geeigneter Verfahren zum Abscheiden des vorstehend beschriebenen dielektrischen Materials der ersten dielektrischen Schicht 208 über dem Substrat 202 und dem Transistor 204; Durchführen eines oder mehrerer Strukturierungsprozesse (z. B. eines lithografischen Prozesses, eines Trocken-/Nassätzprozesses, eines Reinigungsprozesses, eines Vorhärtungs-/Nachhärtungsprozesses usw.) zum Herstellen einer Öffnung durch das dielektrische Material; Verwenden einer CVD, PVD, E-Gun und/oder anderer geeigneter Verfahren zum Abscheiden des vorstehend beschriebenen leitfähigen Materials zum Auffüllen der Öffnung; und Abschleifen von überschüssigem leitfähigen Material, um den Kontaktstift 210 herzustellen.
  • Entsprechend dem Schritt 106 von 1A ist 2C eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine zweite dielektrische Schicht 212 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, wird die zweite dielektrische Schicht 212 über der ersten dielektrischen Schicht 208 und dem Kontaktstift 210 hergestellt.
  • Bei einigen Ausführungsformen besteht die zweite dielektrische Schicht 212 aus einem dielektrischen Material. Dieses dielektrische Material kann Siliziumoxid, ein dielektrisches Low-k-Material, ein anderes geeignetes dielektrisches Material und/oder eine Kombination davon umfassen. Das Low-k-Material kann Fluorsilicatglas (FSG), Phosphorsilicatglas (PSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG), Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid (SiOxCy), Strontiumoxid (SrO), Black Diamond® (Fa. Applied Materials, Santa Clara, Kalifornien), Xerogel, Aerogel, amorphen Fluorkohlenstoff, Parylen, BCB (Bis-Benzocyclobuten), SiLK® (Fa. Dow Chemicals, Midland, Michigan), Polyimid und/oder künftig entwickelte dielektrische Low-k-Materialien umfassen. Die zweite dielektrische Schicht 212 kann durch chemische Aufdampfung (CVD), physikalische Aufdampfung (PVD), Schleuderbeschichtung und/oder mit anderen geeigneten Verfahren zum Abscheiden des vorstehend beschriebenen dielektrischen Materials der zweiten dielektrischen Schicht 212 über der ersten dielektrischen Schicht 208 hergestellt werden.
  • Entsprechend dem Schritt 108 von 1A ist 2D eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine erste Elektrode 214 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, ist die erste Elektrode 214 in der zweiten dielektrischen Schicht 212 eingebettet und sie verläuft horizontal entlang der zweiten dielektrischen Schicht 212. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Elektrode 214 mit dem Kontaktstift 210 verbunden, und wie später dargelegt wird, kann die erste Elektrode 214 als eine untere Elektrode der Datenspeicherkomponente (z. B. ein PCRAM-Widerstand) des PCRAM-Bausteins 200 dienen.
  • Bei einigen Ausführungsformen besteht die erste Elektrode 214 aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Wolfram (W) usw. Die erste Elektrode 214 kann mit mindestens einigen der folgenden Prozessschritte hergestellt werden: Durchführen eines oder mehrerer Strukturierungsprozesse (z. B. eines lithografischen Prozesses, eines Trocken-/Nassätzprozesses, eines Reinigungsprozesses, eines Vorhärtungs-/Nachhärtungsprozesses usw.) zum Herstellen einer Öffnung durch die zweite dielektrische Schicht 212, um zumindest einen Teil des Kontaktstifts 210 freizulegen; Verwenden einer CVD, PVD, E-Gun und/oder anderer geeigneter Verfahren zum Abscheiden des vorstehend beschriebenen leitfähigen Materials zum Auffüllen der Öffnung; und Abschleifen von überschüssigem leitfähigen Material, um die erste Elektrode 214 herzustellen.
  • Entsprechend dem Schritt 110 von 1A ist 2E eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine dritte dielektrische Schicht 216 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, wird die dritte dielektrische Schicht 216 über der zweiten dielektrischen Schicht 212 und der ersten Elektrode 214 hergestellt.
  • Bei einigen Ausführungsformen besteht die dritte dielektrische Schicht 216 aus einem dielektrischen Material. Dieses dielektrische Material kann Siliziumoxid, ein dielektrisches Low-k-Material, ein anderes geeignetes dielektrisches Material und/oder eine Kombination davon umfassen. Das Low-k-Material kann Fluorsilicatglas (FSG), Phosphorsilicatglas (PSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG), Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid (SiOxCy), Strontiumoxid (SrO), Black Diamond® (Fa. Applied Materials, Santa Clara, Kalifornien), Xerogel, Aerogel, amorphen Fluorkohlenstoff, Parylen, BCB (Bis-Benzocyclobuten), SiLK® (Fa. Dow Chemicals, Midland, Michigan), Polyimid und/oder künftig entwickelte dielektrische Low-k-Materialien umfassen. Die dritte dielektrische Schicht 216 kann durch chemische Aufdampfung (CVD), physikalische Aufdampfung (PVD), Schleuderbeschichtung und/oder mit anderen geeigneten Verfahren zum Abscheiden des vorstehend beschriebenen dielektrischen Materials der dritten dielektrischen Schicht 216 über der zweiten dielektrischen Schicht 212 hergestellt werden.
  • Entsprechend dem Schritt 112 von 1A ist 2F eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, bei dem ein Teil der dritten dielektrischen Schicht 216 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen geätzt wird. Wie gezeigt ist, entsteht nach dem Ätzen des Teils der dritten dielektrischen Schicht 216 ein Graben oder Hohlraum 218, der durch die dritte dielektrische Schicht 216 verläuft. Bei einigen Ausführungsformen legt der Graben 218 innere Seitenwände 216' der dritten dielektrischen Schicht 216 und zumindest einen Teil eines oberen Rands 214' der ersten Elektrode 214 frei.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird der Graben 218 durch Durchführen mindestens einiger der folgenden Prozessschritte hergestellt: Durchführen eines oder mehrerer Strukturierungsprozesse (z. B. eines lithografischen Prozesses, eines Trocken-/Nassätzprozesses, eines Reinigungsprozesses, eines Vorhärtungs-/Nachhärtungsprozesses usw.) zum Herstellen einer strukturierbaren Schicht mit einer Öffnung über der dritten dielektrischen Schicht 216, wobei die Öffnung seitlich zu mindestens einem Teil des oberen Rands 214' der ersten Elektrode 214 ausgerichtet ist; Durchführen eines oder mehrerer Trocken-/Nassätzprozesse an der dritten dielektrischen Schicht 216 unter Verwendung der strukturierbaren Schicht als eine Maske, bis der Teil des oberen Rands 214' freigelegt ist; und Entfernen der strukturierbaren Schicht.
  • Entsprechend dem Schritt 114 von 1A ist 2G eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der ein Trennschicht 222 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, wird die Trennschicht 222 so hergestellt, dass sie einen oberen Rand 216" der dritten dielektrischen Schicht 216 überdeckt und den Graben 218 auskleidet (d. h., sie verläuft entlang den Seitenwänden 216' und überdeckt den oberen Rand 214'). Bei einigen Ausführungsformen ist die Trennschicht 222 weitgehend dünn und konform, sodass das Profil des Grabens 218 nach der Herstellung der Trennschicht 222 bestehen bleiben kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen besteht die Trennschicht 222 aus einem dielektrischen Material, wie zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder dergleichen. Die Trennschicht 222 kann durch chemische Aufdampfung (CVD), physikalische Aufdampfung (PVD), Schleuderbeschichtung und/oder mit anderen geeigneten Verfahren zum Abscheiden des vorstehend beschriebenen dielektrischen Materials der Trennschicht 222 über der geätzten dritten dielektrischen Schicht 216 hergestellt werden.
  • Entsprechend dem Schritt 116 von 1A ist 2H eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, bei dem ein Ätzprozess 223 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen durchgeführt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann der Ätzprozess 223 ein anisotroper Ätzprozess, z. B. eine reaktive Ionenätzung (RIE), sein. Somit werden gleichzeitig mit dem, oder im Anschluss an den, Ätzprozess 223 Teile der Trennschicht 222, die den oberen Rand 214' der ersten Elektrode 214 bzw. den oberen Rand 216" der dritten dielektrischen Schicht 216 überdecken, entfernt, sodass Seitenwandteile 222-1 der Trennschicht 222 intakt bleiben. Wie bei der dargestellten Ausführungsform von 2H (und in den folgenden Figuren) gezeigt ist, verlaufen die Seitenwandteile 222-1 entlang der Seitenwand 216' der dritten dielektrischen Schicht 216.
  • Entsprechend dem Schritt 118 von 1B ist 2I eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine leitfähige Schicht 224 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, wird die leitfähige Schicht 224 so hergestellt, dass sie den Graben 218 auskleidet und den oberen Rand 216" überdeckt. Insbesondere kleidet die leitfähige Schicht 224 den Graben 218 dadurch mit jeweiligen Seitenwandteilen 224-1 aus, dass sie entlang den Seitenwandteilen 222-1 der Trennschicht 222 verläuft, und sie bedeckt den oberen Rand 214' der ersten Elektrode 214 mit einem unteren Teil 224-2. Bei einigen Ausführungsformen ist die leitfähige Schicht 224 im Wesentlichen dünn und konform (z. B. 1 nm bis 10 nm), sodass das Profil des Grabens 218 nach der Herstellung der leitfähigen Schicht 224 bestehen bleiben kann.
  • In 2I (und in den folgenden Figuren) ist die leitfähige Schicht 224 zwar als eine einzelne Schicht dargestellt, aber es ist klar, dass die leitfähige Schicht 224 zwei oder mehr aufeinander gestapelte Schichten umfassen kann, die jeweils aus einem leitfähigen Material bestehen können, wie zum Beispiel Gold (Au), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Titan (Ti), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Tantal (Ta), Wolfram (W), Iridium-Tantal-Legierung (Ir-Ta), Indium-Zinnoxid (ITO) oder einer anderen Legierung, oder einem Oxid, Nitrid, Fluorid, Carbid, Borid oder Silizid davon, wie etwa TaN, TiN, TiAlN, TiW oder einer Kombination davon. Bei einigen Ausführungsformen wird die erste leitfähige Schicht 224 durch chemische Aufdampfung (CVD), plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD), chemische Aufdampfung mit einem Plasma hoher Dichte (HDPCVD), chemische Aufdampfung mit einem induktiv gekoppelten Plasma (ICPCVD), physikalische Aufdampfung (PVD), Schleuderbeschichtung und/oder mit anderen geeigneten Verfahren zum Abscheiden mindestens eines der vorgenannten leitfähigen Materialien über der geätzten dritten dielektrischen Schicht 216 und den Seitenwandteilen 222-1 der Trennschicht 222 hergestellt.
  • Entsprechend dem Schritt 120 von 1B ist 2J eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der ein dielektrisches Material 228 aufweist, das auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen abgeschieden wird. Wie gezeigt ist, wird das dielektrische Material 228 so abgeschieden, dass es die leitfähige Schicht 224 überdeckt, sodass der Graben 218 entsprechend mit dem dielektrischen Material 228 gefüllt wird.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist das dielektrische Material 228 ein Material, das dem der dritten dielektrischen Schicht 216 weitgehend ähnlich ist. Dieses dielektrische Material kann Siliziumoxid, ein dielektrisches Low-k-Material, ein anderes geeignetes dielektrisches Material und/oder eine Kombination davon umfassen. Das Low-k-Material kann Fluorsilicatglas (FSG), Phosphorsilicatglas (PSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG), Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid (SiOxCy), Strontiumoxid (SrO), Black Diamond® (Fa. Applied Materials, Santa Clara, Kalifornien), Xerogel, Aerogel, amorphen Fluorkohlenstoff, Parylen, BCB (Bis-Benzocyclobuten), SiLK® (Fa. Dow Chemicals, Midland, Michigan), Polyimid und/oder künftig entwickelte dielektrische Low-k-Materialien umfassen. Das dielektrische Material 228 kann durch chemische Aufdampfung (CVD), physikalische Aufdampfung (PVD), Schleuderbeschichtung und/oder mit anderen geeigneten Verfahren zum Abscheiden des vorgenannten dielektrischen Materials über der leitfähigen Schicht 224 abgeschieden werden.
  • Entsprechend dem Schritt 122 von 1B ist 2K eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine erste leitfähige Säulenstruktur 230 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen wird die erste leitfähige Säulenstruktur 230 dadurch hergestellt, dass mindestens ein CMP-Prozess an dem dielektrischen Material 228 und der darunter befindlichen leitfähigen Schicht 224 (2J) durchgeführt wird, bis jeweilige obere Ränder 225 der Seitenwandteile 222-1 freigelegt sind. Dadurch wird ein verbliebener Teil 228' des dielektrischen Materials 228 von den Seitenwandteilen 224-1 und dem unteren Teil 224-2 der leitfähigen Schicht 224 an deren Seitenwänden und einem unteren Rand umschlossen, sodass ein jeweiliger oberer Rand 229 freiliegt. Mit anderen Worten, die erste leitfähige Säulenstruktur 230 kann einen ersten Teil 224-1, der als eine Mantelstruktur (nachstehend „Mantelteil 224-1“) ausgebildet ist, die den übrigen Teil 228', der als eine Kernstruktur ausgebildet ist, umschließt; und einen zweiten Teil 224-2 umfassen, der mit einem Ende dieser Mantelstruktur (nachstehend „Endteil 224-2“) verbunden ist.
  • Entsprechend dem Schritt 124 von 1B ist 2L eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine Phasenwechselmaterialschicht 232 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, wird die Phasenwechselmaterialschicht 232 so über der geätzten dritten dielektrischen Schicht 216 hergestellt, dass sie zumindest mit einem Teil der ersten leitfähigen Säulenstruktur 230 verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform von 2L ist die Phasenwechselmaterialschicht 232 mit beiden Mantelteilen 224-1 der ersten leitfähigen Säulenstruktur 230 verbunden. Insbesondere überdeckt die Phasenwechselmaterialschicht 232 die Ränder 225 der Mantelteile 224-1. Bei einigen Ausführungsformen ist die Phasenwechselmaterialschicht 232 nur mit einem Teil der Mantelteile 224-1 (z. B. mit einem der Mantelteile 224-1) verbunden, was nachstehend in den 3A bis 3F dargestellt ist und unter Bezugnahme darauf erörtert wird.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist die Phasenwechselmaterialschicht 232 ein Material auf Chalkogenid-Basis auf. Chalkogene sind die vier Elemente Sauerstoff (O), Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te), die zur Gruppe VI der Tabelle des Periodensystems der Elemente gehören. Chalkogenide sind Verbindungen eines Chalkogens mit einem stärker elektropositiven Element oder Radikal. Chalkogenid-Legierungen sind Kombinationen aus Chalkogeniden mit anderen Materialien, wie etwa Übergangsmetallen. Eine Chalkogenid-Legierung enthält meistens ein oder mehr Elemente aus der Spalte sechs der Tabelle des Periodensystems der Elemente, wie etwa Germanium (Ge) und Zinn (Sn). Chalkogenid-Legierungen sind zum Beispiel Kombinationen aus einem oder mehreren der Elemente Antimon (Sb), Gallium (Ga), Indium (In) und Silber (Ag). Beispielhafte Materialien für die Phasenwechselmaterialschicht 232 sind die Legierungen Ga/Sb, In/Sb, In/Se, Sb/Te, Ge/Te, Ge/Sb/Te, In/Sb/Te, Ga/Se/Te, Sn/Sb/Te, In/Sb/Ge, Ag/In/Sb/Te, Ge/Sn/Sb/Te, Ge/Sb/Se/Te und Te/Ge/Sb/S.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Phasenwechselmaterialschicht 232 durch eine Atomlagenabscheidung (ALD) mit einem Vorläufer hergestellt werden, der ein Metall und Sauerstoff enthält. Bei einigen Ausführungsformen können andere CVD-Verfahren verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Phasenwechselmaterialschicht 232 durch ein PVD-Verfahren hergestellt werden, wie etwa durch Sputtern mit einem metallischen Target und mit einer Einspeisung von Sauerstoff und optional Stickstoff in die PVD-Kammer. Bei einigen Ausführungsformen kann die Phasenwechselmaterialschicht 232 durch Elektronenstrahl-Abscheidung hergestellt werden.
  • Entsprechend dem Schritt 126 von 1B ist 2M eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine vierte dielektrische Schicht 234 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, wird die vierte dielektrische Schicht 234 so über der geätzten dritten dielektrischen Schicht 216 hergestellt, dass sie die Phasenwechselmaterialschicht 232 bedeckt.
  • Bei einigen Ausführungsformen besteht die vierte dielektrische Schicht 234 aus einem dielektrischen Material. Dieses dielektrische Material kann Siliziumoxid, ein dielektrisches Low-k-Material, ein anderes geeignetes dielektrisches Material und/oder eine Kombination davon umfassen. Das Low-k-Material kann Fluorsilicatglas (FSG), Phosphorsilicatglas (PSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG), Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid (SiOxCy), Strontiumoxid (SrO), Black Diamond® (Fa. Applied Materials, Santa Clara, Kalifornien), Xerogel, Aerogel, amorphen Fluorkohlenstoff, Parylen, BCB (Bis-Benzocyclobuten), SiLK® (Fa. Dow Chemicals, Midland, Michigan), Polyimid und/oder künftig entwickelte dielektrische Low-k-Materialien umfassen. Die vierte dielektrische Schicht 234 kann durch chemische Aufdampfung (CVD), physikalische Aufdampfung (PVD), Schleuderbeschichtung und/oder mit anderen geeigneten Verfahren zum Abscheiden des vorgenannten dielektrischen Materials der vierten dielektrischen Schicht 234 über der geätzten dritten dielektrischen Schicht 216 und der Phasenwechselmaterialschicht 232 hergestellt werden.
  • Entsprechend dem Schritt 128 von 1B ist 2N eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine zweite leitfähige Säulenstruktur 240 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, verläuft die zweite leitfähige Säulenstruktur 240 durch einen Teil der vierten dielektrischen Schicht 234, um eine Verbindung mit der Phasenwechselmaterialschicht 232 herzustellen.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite leitfähige Säulenstruktur 240 im Wesentlichen der ersten leitfähigen Säulenstruktur 230 ähnlich, sodass die Konfiguration der zweiten leitfähigen Säulenstruktur 240 nachstehend nur kurz erörtert wird, und ihre Herstellung wird hier nicht wiederholt. Die zweite leitfähige Säulenstruktur 240 umfasst ebenfalls einen Mantelteil 242-1, der eine Kernstruktur umschließt, die von einem verbliebenen Teil 241 eines dielektrischen Materials (das dem dielektrischen Material 228 von 2J ähnlich ist) gebildet wird; und einen Endteil 242-2, der mit einem Ende des Mantelteils 242-1 verbunden ist. Dadurch ist die zweite leitfähige Säulenstruktur 240 über den Endteil 242-2 mit der Phasenwechselmaterialschicht 232 verbunden und ist über den Seitenwandteil 2242-1 mit der vierten dielektrischen Schicht 234 verbunden, wobei eine Trennschicht 242-1 dazwischen angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Trennschicht 242-1 im Wesentlichen dem Seitenwandteil 222-1 ähnlich. Bei der dargestellten Ausführungsform von 2N ist die zweite leitfähige Säulenstruktur 240 zwar zu der ersten leitfähigen Säulenstruktur 230 ausgerichtet, aber es ist zu beachten, dass die zweite leitfähige Säulenstruktur 240 gegenüber der ersten leitfähigen Säulenstruktur 230 seitlich versetzt sein kann (solange die zweite leitfähige Säulenstruktur 240 noch mit der Phasenwechselmaterialschicht 232 verbunden ist), was innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
  • Entsprechend dem Schritt 130 von 1B ist 2O eine Schnittansicht des PCRAM-Bausteins 200, der eine zweite Elektrode 244 aufweist, die auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einigen Ausführungsformen hergestellt wird. Wie gezeigt ist, ist die zweite Elektrode 244 in einer fünften dielektrischen Schicht 246 eingebettet und verläuft horizontal entlang der fünften dielektrischen Schicht 246. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Elektrode 244 mit der zweiten leitfähigen Säulenstruktur 240 verbunden, und wie später dargelegt wird, kann die zweite Elektrode 244 als eine obere Elektrode der Datenspeicherkomponente (z. B. ein PCRAM-Widerstand) des PCRAM-Bausteins 200 dienen.
  • Bei einigen Ausführungsformen besteht die zweite Elektrode 244 aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Wolfram (W) usw. Die zweite Elektrode 244 kann mit mindestens einigen der folgenden Prozessschritte hergestellt werden: Durchführen eines oder mehrerer Strukturierungsprozesse (z. B. eines lithografischen Prozesses, eines Trocken-/Nassätzprozesses, eines Reinigungsprozesses, eines Vorhärtungs-/Nachhärtungsprozesses usw.) zum Herstellen einer Öffnung durch die fünfte dielektrische Schicht 246, um zumindest einen Teil der zweiten leitfähigen Säulenstruktur 240 freizulegen; Verwenden einer CVD, PVD, E-Gun und/oder anderer geeigneter Verfahren zum Abscheiden des vorstehend beschriebenen leitfähigen Materials zum Auffüllen der Öffnung; und Abschleifen von überschüssigem leitfähigen Material, um die zweite Elektrode 244 herzustellen. Es ist zu beachten, dass bei einigen Ausführungsformen die vorgenannte erste, zweite, dritte, vierte und fünfte dielektrische Schicht (208, 212, 216, 234 und 246) jeweils eine Zwischenmetalldielektrikum-Schicht (IMD-Schicht) oder eine Zwischenschichtdielektrikum-Schicht (ILD-Schicht) sein können.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann nach der Herstellung der zweiten Elektrode 244 ein PCRAM-Widerstand des PCRAM-Bausteins 200 hergestellt werden. Insbesondere kann die erste Elektrode 214 als die untere Elektrode des PCRAM-Widerstands dienen; die erste leitfähige Säulenstruktur 230 kann als die Heizelementstruktur des PCRAM-Widerstands dienen; die Phasenwechselmaterialschicht 232 kann so konfiguriert sein, dass sie dadurch zwischen dem niederohmigen und dem hochohmigen Zustand umschaltet, dass sie in einen teilkristallinen bzw. einen teilamorphen Zustand übergeht; die zweite leitfähige Säulenstruktur 240 kann als eine optionale Heizelementstruktur des PCRAM-Widerstands dienen; und die zweite Elektrode 244 kann als die obere Elektrode dienen.
  • Es kann „sichergestellt“ werden, dass bei Betrieb über einen Zugriffstransistor 204 auf den PCRAM-Baustein 200 zugegriffen werden kann. Bei dem Zugriff kann der PCRAM-Baustein 200 durch Einstell- bzw. Rücksetzschritte zwischen dem niederohmigen und dem hochohmigen Zustand umgeschaltet werden, wie vorstehend dargelegt worden ist. Im Vergleich zu den herkömmlichen PCRAM-Bausteinen wird die Größe der Kontaktfläche zwischen der Heizelementstruktur (z. B. der ersten leitfähigen Säulenstruktur 230) und der Phasenwechselmaterialschicht 232 erheblich reduziert. Insbesondere kann bei der dargestellten Ausführungsform von 2O die Größe der Kontaktfläche als das Doppelte der Querschnittsfläche des Mantelteils 224-1 definiert werden (d. h., die Dicke der leitfähigen Schicht 224, die unter Bezugnahme auf 2I beschrieben worden ist), was erheblich kleiner als die Größe der Kontaktfläche der herkömmlichen PCRAM-Bausteine ist, die typischerweise eine zusätzliche Querschnittsfläche des verbliebenen Teils 228' umfasst. Somit kann der Strompegel eines elektrischen Stromsignals, das angelegt wird, um die Widerstandszustände der Phasenwechselmaterialschicht 232 umzuschalten, vorteilhaft verringert werden, wodurch verschiedene Probleme vermieden werden, denen die herkömmlichen PCRAM-Bausteine gegenüberstehen.
  • Die 3A bis 3F zeigen jeweilige Draufsichten verschiedener Ausführungsformen dazu, wie die erste leitfähige Säulenstruktur 230, die durch die dielektrische Schicht 216 verläuft, räumlich in Bezug zu der Phasenwechselmaterialschicht 232 konfiguriert ist, die in einer anderen dielektrischen Schicht über der dielektrischen Schicht 216 angeordnet ist. Wie nachstehend dargelegt wird, kann der Mantelteil 224-1 der ersten leitfähigen Säulenstruktur 230, von oben betrachtet, als ein kreisförmiger oder polygonaler Ring geformt sein; die Phasenwechselmaterialschicht 232 kann so hergestellt werden, dass sie, von oben betrachtet, eine runde Form, eine polygonale Form oder eine Umfangsform hat; und die Phasenwechselmaterialschicht 232 kann mit einem Teil des Mantelteils 224-1 der ersten leitfähigen Säulenstruktur 230 teilweise überdeckt (d. h. mit diesem verbunden) sein.
  • Zum Beispiel wird in 3A der Mantelteil 224-1 als ein rechteckiger Ring ausgebildet, der den übrigen Teil 228' des dielektrischen Materials 228 umschließt. Anders ausgedrückt, der Mantelteil 224-1 hat einen inneren Rand und einen äußeren Rand, die jeweils einen Umfang einer rechteckigen Form bilden. Die Phasenwechselmaterialschicht 232, die eine rechteckige Form hat, überdeckt (z. B. kontaktiert) einen Teil dieses rechteckigen Rings. Somit kann die Größe einer entsprechenden Kontaktfläche als eine Querschnittsfläche einer Überlappung 301, die von Punktlinien umschlossen wird, definiert werden. In 3B ist der Mantelteil 224-1 als ein rechteckiger Ring ausgebildet, der dem in 3A gezeigten Mantelteil 224-1 weitgehend ähnlich ist, aber die Phasenwechselmaterialschicht 232, die ebenfalls eine rechteckige Form hat, überdeckt den Mantelteil 224-1 mit einer kleineren Fläche (eine Querschnittsfläche einer Überlappung 303, die von Punktlinien umschlossen wird).
  • In 3C ist der Mantelteil 224-1 als ein kreisförmiger Ring ausgebildet, der den übrigen Teil 228' des dielektrischen Materials 228 umschließt. Anders ausgedrückt, der Mantelteil 224-1 hat einen inneren Rand und einen äußeren Rand, die jeweils einen Umfang einer runden Form bilden. Die Phasenwechselmaterialschicht 232, die die Form eines rechteckigen Rings (z. B. eine Umfangsform) hat, überdeckt einen Teil dieses kreisförmigen Rings. Somit kann die Größe einer entsprechenden Kontaktfläche als eine Querschnittsfläche einer Überlappung 305, die von Punktlinien umschlossen wird, definiert werden.
  • In 3D ist der Mantelteil 224-1 als ein erster kreisförmiger Ring ausgebildet, der den übrigen Teil 228' des dielektrischen Materials 228 umschließt, und die Phasenwechselmaterialschicht 232 (die von Punktlinien umschlossen wird) ist als ein zweiter kreisförmiger Ring ausgebildet. Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen dieser erste kreisförmige Ring (der Mantelteil 224-1) den zweiten kreisförmigen Ring (die Phasenwechselmaterialschicht 232) dadurch überdecken, dass er entlang einem Umfang des zweiten kreisförmigen Rings verläuft, wodurch eine Überlappung (nicht dargestellt) definiert wird, die Teil der Querschnittsfläche des ersten und des zweiten kreisförmigen Rings ist.
  • In 3E ist der Mantelteil 224-1 als ein rechteckiger Ring ausgebildet, und die Phasenwechselmaterialschicht 232 hat eine rechteckige Form, die der in den 3A und 3B ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass die Phasenwechselmaterialschicht 232 so ausgebildet werden kann, dass sie zwei oder mehr Teile hat, die jeweils unterschiedlich sind. Zum Beispiel umfasst bei der dargestellten Ausführungsform von 3E die Phasenwechselmaterialschicht 232 einen ersten Teil 232-1 und einen zweiten Teil 232-2, die seitlich voneinander beabstandet sind und jeweils mit dem rechteckigen Ring des Mantelteils 224-1 überdeckt sind.
  • In 3F ist der Mantelteil 224-1 als ein kreisförmiger Ring ausgebildet, und die Phasenwechselmaterialschicht 232 ist so ausgebildet, dass sie zwei rechteckige Formen hat, die seitlich voneinander beabstandet sind. Zum Beispiel umfasst bei der dargestellten Ausführungsform von 3F die Phasenwechselmaterialschicht 232 einen ersten Teil 232-3 und einen zweiten Teil 232-4, die jeweils mit dem kreisförmigen Ring des Mantelteils 224-1 überdeckt sind.
  • Bei einer Ausführungsform weist ein Speicherbaustein Folgendes auf: eine erste leitfähige Säulenstruktur, die durch eine erste dielektrische Schicht verläuft, wobei die erste leitfähige Säulenstruktur einen Mantelteil, der eine Kernstruktur, die mit einem dielektrischen Material gefüllt ist, umschließt, und einen Endteil aufweist, der mit einem Ende des Mantelteils verbunden ist und unter der Kernstruktur angeordnet ist; und eine erste Phasenwechselmaterialschicht, die über der ersten dielektrischen Schicht hergestellt ist, wobei ein unterer Rand der ersten Phasenwechselmaterialschicht mindestens einen ersten Teil des anderen Endes des Mantelteils der ersten leitfähigen Säulenstruktur kontaktiert.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform weist ein Speicherbaustein Folgendes auf: eine untere Elektrode; eine Phasenwechselmaterialschicht; und eine Heizelementstruktur, die zwischen die untere Elektrode und die Phasenwechselmaterialschicht geschichtet ist und einen Graben auskleidet, sodass ein erster Teil der Heizelementstruktur die Phasenwechselmaterialschicht an einem Ende kontaktiert und ein dielektrisches Material umschließt, das sich direkt unter der Phasenwechselmaterialschicht befindet.
  • Bei einer noch weiteren Ausführungsform weist ein Verfahren die folgenden Schritte auf: Herstellen einer ersten dielektrischen Schicht über einer unteren Elektrode; Herstellen eines ersten Hohlraums, der durch die erste dielektrische Schicht verläuft, um einen Teil eines oberen Rands der unteren Elektrode freizulegen; Herstellen einer ersten leitfähigen Struktur, die jeweilige Seitenwände des ersten Hohlraums und den freigelegten Teil des oberen Rands der unteren Elektrode bedeckt; Füllen des ersten Hohlraums mit der ersten dielektrischen Schicht; und Herstellen einer Phasenwechselmaterialschicht über der ersten dielektrischen Schicht, sodass die Phasenwechselmaterialschicht zumindest einen Teil einer Seitenwand der ersten leitfähigen Struktur kontaktiert.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62591318 [0001]

Claims (20)

  1. Speicherbaustein mit: einer ersten leitfähigen Säulenstruktur, die durch eine erste dielektrische Schicht verläuft, wobei die erste leitfähige Säulenstruktur einen Mantelteil aufweist, der eine Kernstruktur, die mit einem dielektrischen Material gefüllt ist, umschließt, und einen Endteil aufweist, der mit einem Ende des Mantelteils verbunden ist und unter der Kernstruktur angeordnet ist; und einer ersten Phasenwechselmaterialschicht, die über der ersten dielektrischen Schicht hergestellt ist, wobei ein unterer Rand der ersten Phasenwechselmaterialschicht mindestens einen ersten Teil des anderen Endes des Mantelteils der ersten leitfähigen Säulenstruktur kontaktiert.
  2. Speicherbaustein nach Anspruch 1, der weiterhin eine untere Elektrode aufweist, die unter der ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist und mit dem Endteil der ersten leitfähigen Säulenstruktur verbunden ist.
  3. Speicherbaustein nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin Folgendes aufweist: eine zweite dielektrische Schicht, die über der ersten Phasenwechselmaterialschicht angeordnet ist; und eine zweite leitfähige Säulenstruktur, die durch die zweite dielektrische Schicht verläuft, wobei die zweite leitfähige Säulenstruktur einen Mantelteil aufweist, der eine Kernstruktur, die mit einem dielektrischen Material gefüllt ist, umschließt, und einen Endteil aufweist, der mit einem Ende des Mantelteils verbunden ist und unter der Kernstruktur angeordnet ist, wobei ein oberer Rand der ersten Phasenwechselmaterialschicht den Endteil der zweiten leitfähigen Säulenstruktur kontaktiert.
  4. Speicherbaustein nach Anspruch 3, der weiterhin eine obere Elektrode aufweist, die über der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist und mit dem anderen Ende des Mantelteils der zweiten leitfähigen Säulenstruktur verbunden ist.
  5. Speicherbaustein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mantelteil der ersten leitfähigen Säulenstruktur eine Querschnittsfläche von etwa 1 bis 10 nm hat.
  6. Speicherbaustein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mantelteil der ersten leitfähigen Säulenstruktur einen inneren Rand und einen äußeren Rand aufweist, die, von oben betrachtet, jeweils einen Umfang mit einer runden Form bilden.
  7. Speicherbaustein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mantelteil der ersten leitfähigen Säulenstruktur einen inneren Rand und einen äußeren Rand aufweist, die, von oben betrachtet, jeweils einen Umfang mit einer polygonalen Form bilden.
  8. Speicherbaustein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin eine zweite Phasenwechselmaterialschicht aufweist, die über der ersten dielektrischen Schicht hergestellt ist, wobei ein unterer Rand der zweiten Phasenwechselmaterialschicht mindestens einen zweiten Teil des anderen Endes des Mantelteils der ersten leitfähigen Säulenstruktur kontaktiert.
  9. Speicherbaustein nach Anspruch 8, wobei die erste und/oder die zweite Phasenwechselmaterialschicht, von oben betrachtet, eine runde Form, eine polygonale Form oder eine Umfangsform haben.
  10. Speicherbaustein mit: einer unteren Elektrode; einer Phasenwechselmaterialschicht; und einer Heizelementstruktur, die zwischen die untere Elektrode und die Phasenwechselmaterialschicht geschichtet ist und einen Graben auskleidet, sodass ein erster Teil der Heizelementstruktur die Phasenwechselmaterialschicht an einem Ende kontaktiert und ein dielektrisches Material umschließt, das sich direkt unter der Phasenwechselmaterialschicht befindet.
  11. Speicherbaustein nach Anspruch 10, wobei die Heizelementstruktur weiterhin einen zweiten Teil aufweist, der mit dem anderen Ende des ersten Teils verbunden ist und unter dem umschlossenen dielektrischen Material angeordnet ist.
  12. Speicherbaustein nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Heizelementstruktur aus einem leitfähigen Material besteht, das aus den Verbindungen TaN, TiN, TiAlN und/oder TiW gewählt ist.
  13. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der erste Teil der Heizelementstruktur eine Querschnittsfläche von etwa 1 bis 10 nm hat.
  14. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 10 bis 13, der weiterhin eine obere Elektrode aufweist, die über der Phasenwechselmaterialschicht angeordnet ist und mit dieser verbunden ist.
  15. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der erste Teil der Heizelementstruktur einen inneren Rand und einen äußeren Rand aufweist, die, von oben betrachtet, jeweils einen Umfang mit einer runden Form bilden.
  16. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der erste Teil der Heizelementstruktur einen inneren Rand und einen äußeren Rand aufweist, die, von oben betrachtet, jeweils einen Umfang mit einer polygonalen Form bilden.
  17. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Phasenwechselmaterialschicht, von oben betrachtet, eine runde Form, eine polygonale Form oder eine Umfangsform hat.
  18. Verfahren mit den folgenden Schritten: Herstellen einer ersten dielektrischen Schicht über einer unteren Elektrode; Herstellen eines ersten Hohlraums, der durch die erste dielektrische Schicht verläuft, um einen Teil eines oberen Rands der unteren Elektrode freizulegen; Herstellen einer ersten leitfähigen Struktur, die jeweilige Seitenwände des ersten Hohlraums und den freigelegten Teil des oberen Rands der unteren Elektrode bedeckt; Füllen des ersten Hohlraums mit der ersten dielektrischen Schicht; und Herstellen einer Phasenwechselmaterialschicht über der ersten dielektrischen Schicht, sodass die Phasenwechselmaterialschicht zumindest einen Teil einer Seitenwand der ersten leitfähigen Struktur kontaktiert.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, das weiterhin Folgendes umfasst: Herstellen einer zweiten dielektrischen Schicht über der Phasenwechselmaterialschicht; Herstellen eines zweiten Hohlraums, der durch die zweite dielektrische Schicht verläuft, um einen Teil eines oberen Rands der Phasenwechselmaterialschicht freizulegen; Herstellen einer zweiten leitfähigen Struktur, die jeweilige Seitenwände des zweiten Hohlraums und den freigelegten Teil des oberen Rands der Phasenwechselmaterialschicht bedeckt, sodass die Phasenwechselmaterialschicht zumindest einen Teil einer Seitenwand und einen unteren Teil der zweiten leitfähigen Struktur kontaktiert; Füllen des zweiten Hohlraums mit der zweiten dielektrischen Schicht; und Herstellen einer oberen Elektrode über der zweiten dielektrischen Schicht so, dass sie die zweite leitfähige Struktur kontaktiert.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin Folgendes umfasst: Aussparen der ersten dielektrischen Schicht; Herstellen einer ersten Trennschicht, die die ausgesparte erste dielektrische Schicht bedeckt; Entfernen eines unteren Teils der ersten Trennschicht und eines Teils der ersten dielektrischen Schicht, der sich unter dem unteren Teil der ersten Trennschicht befindet, sodass der erste Hohlraum entsteht; Aussparen der zweiten dielektrischen Schicht; Herstellen einer zweiten Trennschicht, die die ausgesparte zweite dielektrische Schicht bedeckt; und Entfernen eines unteren Teils der zweiten Trennschicht und eines Teils der zweiten dielektrischen Schicht, der sich unter dem unteren Teil der zweiten Trennschicht befindet, sodass der zweite Hohlraum entsteht.
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