DE102018106929A1 - PCRAM-Struktur mit Auswahlvorrichtung - Google Patents

PCRAM-Struktur mit Auswahlvorrichtung Download PDF

Info

Publication number
DE102018106929A1
DE102018106929A1 DE102018106929.4A DE102018106929A DE102018106929A1 DE 102018106929 A1 DE102018106929 A1 DE 102018106929A1 DE 102018106929 A DE102018106929 A DE 102018106929A DE 102018106929 A1 DE102018106929 A1 DE 102018106929A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
phase change
change material
heating element
selector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018106929.4A
Other languages
English (en)
Inventor
Jau-Yi Wu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Original Assignee
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd filed Critical Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Publication of DE102018106929A1 publication Critical patent/DE102018106929A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
    • H10N70/231—Multistable switching devices, e.g. memristors based on solid-state phase change, e.g. between amorphous and crystalline phases, Ovshinsky effect
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
    • G11C13/0004—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements comprising amorphous/crystalline phase transition cells
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
    • G11C13/0021—Auxiliary circuits
    • G11C13/003—Cell access
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
    • H10B63/10—Phase change RAM [PCRAM, PRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
    • H10B63/20—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
    • H10B63/20—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes
    • H10B63/24—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes of the Ovonic threshold switching type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
    • H10B63/80—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays
    • H10B63/84—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays arranged in a direction perpendicular to the substrate, e.g. 3D cell arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
    • H10N70/021—Formation of switching materials, e.g. deposition of layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/821—Device geometry
    • H10N70/826—Device geometry adapted for essentially vertical current flow, e.g. sandwich or pillar type devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/841—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/881—Switching materials
    • H10N70/882—Compounds of sulfur, selenium or tellurium, e.g. chalcogenides
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
    • G11C13/0021—Auxiliary circuits
    • G11C13/0069—Writing or programming circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
    • G11C13/0021—Auxiliary circuits
    • G11C13/0069—Writing or programming circuits or methods
    • G11C2013/008—Write by generating heat in the surroundings of the memory material, e.g. thermowrite
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C2213/00—Indexing scheme relating to G11C13/00 for features not covered by this group
    • G11C2213/70—Resistive array aspects
    • G11C2213/72—Array wherein the access device being a diode
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C2213/00—Indexing scheme relating to G11C13/00 for features not covered by this group
    • G11C2213/70—Resistive array aspects
    • G11C2213/73—Array where access device function, e.g. diode function, being merged with memorizing function of memory element
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C2213/00—Indexing scheme relating to G11C13/00 for features not covered by this group
    • G11C2213/70—Resistive array aspects
    • G11C2213/76—Array using an access device for each cell which being not a transistor and not a diode
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
    • H10N70/061—Shaping switching materials
    • H10N70/063—Shaping switching materials by etching of pre-deposited switching material layers, e.g. lithography
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
    • H10N70/061—Shaping switching materials
    • H10N70/066—Shaping switching materials by filling of openings, e.g. damascene method
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/841—Electrodes
    • H10N70/8413—Electrodes adapted for resistive heating
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/881—Switching materials
    • H10N70/882—Compounds of sulfur, selenium or tellurium, e.g. chalcogenides
    • H10N70/8828—Tellurides, e.g. GeSbTe
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/881—Switching materials
    • H10N70/884—Switching materials based on at least one element of group IIIA, IVA or VA, e.g. elemental or compound semiconductors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

Eine Speichervorrichtung umfasst ein Substrat; eine untere Elektrode, die über dem Substrat angeordnet ist; eine Isolationsschicht, die über der unteren Elektrode angeordnet ist, wobei die Isolationsschicht ein Durchgangsloch aufweist, das in der Isolationsschicht gebildet ist; ein Heizelement, das in dem Durchgangsloch angeordnet ist; eine Schicht aus Phasenwechselmaterial, die über dem Heizelement angeordnet ist; eine Auswahlvorrichtungsschicht, die über der Schicht aus Phasenwechselmaterial angeordnet ist; und eine Metallschicht, die über der Auswahlvorrichtungsschicht angeordnet ist. Die Metallschicht ist breiter als die Schicht aus Phasenwechselmaterial.

Description

  • VERWANDTER FALL
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der folgenden vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/592,964 , die am 30. November 2017 eingereicht wurde, und nimmt diese durch Bezugnahme auf.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Offenbarung betrifft einen Phase Change Random Access Memory (PCRAM) mit einer Auswahlvorrichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • HINTERGRUND
  • Phase Change Random Access Memory (PCRAM) ist eine nichtflüchtige Speichervorrichtung, die verschiedene Widerstandsphasen und den wärmeinduzierten Phasenübergang zwischen den Phasen von Phasenwechselmaterialien nutzt, die Chalkogenid und Widerstandsmaterialien umfassen. Ein PCRAM besteht aus vielen Zellen, die jeweils unabhängig wirken. Eine PCRAM-Zelle umfasst hauptsächlich ein Heizelement und einen Widerstand, der ein Datenspeicherungselement ist, das hauptsächlich aus einem reversibel phasenwechselnden Material hergestellt ist, um mindestens zwei dramatisch unterschiedliche spezifische Widerstände für die logischen Zustände „0“ und 1" bereitzustellen.
  • Um einen Zustand (ein Datenelement) von der PCRAM-Zelle zu lesen, wird ein Strom, der ausreichend niedrig ist, an das Phasenwechselmaterial angelegt, ohne die Erzeugung von Wärme durch das Heizelement auszulösen. Auf diese Weise kann der spezifische Widerstand des Phasenwechselmaterials gemessen werden und die Zustände, die die spezifischen Widerstände darstellen, d. h. ein Zustand „0“ für einen hohen spezifischen Widerstand oder ein Zustand „1“ für einen niedrigen spezifischen Widerstand, können gelesen werden.
  • Um einen Zustand (ein Datenelement) in die PCRAM-Zelle zu schreiben, zum Beispiel, um einen Zustand „1“, der eine Phase mit niedrigem spezifischen Widerstand darstellt, zu schreiben, wird ein mittlerer elektrischer Strom an das Heizelement angelegt, das während eines Zeitraums Wärme zum Tempern des Phasenwechselmaterials bei einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur aber unter der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials erzeugt, um eine kristalline Phase zu erreichen. Um einen Zustand „0“ zu schreiben, der eine Phase mit hohem spezifischen Widerstand des Phasenwechselmaterials darstellt, wird ein sehr hoher elektrischer Strom an das Heizelement angelegt, um Wärme zu erzeugen, um das Phasenwechselmaterial bei einer Temperatur zu schmelzen, die höher als die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials ist; und der elektrische Strom wird abrupt abgeschaltet, um die Temperatur unter die Kristallisationstemperatur des Phasenwechselmaterials zu senken, um die amorphe Struktur des Phasenwechselmaterials schnell abzukühlen und zu stabilisieren, um einen hohen logischen Widerstandszustand „0“ zu erreichen. Der sehr hohe elektrische Strom kann somit in einer Impulsform vorliegen.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung ist bei der Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Figuren am besten verständlich. Es wird betont, dass verschiedene Merkmale gemäß der Standardpraxis in der Branche nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und nur zu veranschaulichenden Zwecken verwendet werden. Tatsächlich kann es sein, dass die Abmessungen der verschiedenen Merkmale der Verständlichkeit der Erörterung halber beliebig vergrößert oder verkleinert wurden.
    • 1(a) zeigt eine Draufsicht eines PCRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 1(b) zeigt eine Querschnittsansicht des PCRAM entlang einer Schnittlinie I-I' von 1(a).
    • 2(a) zeigt eine Draufsicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 2(b) zeigt eine Querschnittsansicht des PCRAM entlang einer Schnittlinie I-I' von 2(a).
    • 3(a) zeigt eine Draufsicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 3(b) zeigt eine Querschnittsansicht des PCRAM entlang einer Schnittlinie I-I' von 3(a).
    • 4(a) zeigt eine Draufsicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 4(b) zeigt eine Querschnittsansicht des PCRAM entlang einer Schnittlinie I-I' von 4(a).
    • 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 6(a) zeigt eine Querschnittsansicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 6(b) zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des PCRAM von 6(a).
    • 7(a) zeigt eine Querschnittsansicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 7(b) zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des PCRAM von 7(a).
    • 8(a) zeigt eine Querschnittsansicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 8(b), 8(c) und 8(d) zeigen Querschnittsansichten von alternativen Ausführungsformen des PCRAM von 8(a).
    • 9(a), 9(b), 9(c), 9(d), 9(e) und 9(f) zeigen aufeinanderfolgende Herstellungsarbeitsvorgänge zur Bildung eines PCRAM gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 10(a), 10(b), 10(c), 10(d), 10(e), 10(f), 10(g), 10(h) und 10(i) zeigen aufeinanderfolgende Herstellungsarbeitsvorgänge zur Bildung eines PCRAM gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 11(a), 11(b), 11(c), 11(d), 11(e), 11(f), 11(g) und 11(h) zeigen aufeinanderfolgende Herstellungsarbeitsvorgänge zur Bildung eines PCRAM gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 12(a), 12(b), 12(c), 12(d), 12(e), 12(f) und 12(g) zeigen aufeinanderfolgende Herstellungsarbeitsvorgänge zur Bildung eines PCRAM gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 13 zeigt ein Verfahren zur Bildung eines PCRAM gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es versteht sich, dass die folgende Offenbarung viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zur Ausführung verschiedener Merkmale der Erfindung bereitstellt. Spezifische Ausführungsformen oder Beispiele von Bauelementen und Anordnungen sind in der Folge beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Dabei handelt es sich selbstverständlich lediglich um Beispiele und damit wird keine Einschränkung beabsichtigt. Zum Beispiel sind die Abmessungen von Elementen nicht auf den/die offenbarten Bereich oder Werte beschränkt, sondern können von Prozessbedingungen und/oder erwünschten Eigenschaften der Vorrichtung abhängig sein. Darüber hinaus kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt gebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal gebildet sein können, derart dass es sein kann, dass das erste und das zweite Merkmal nicht in direktem Kontakt stehen. Verschiedene Merkmale können der Einfachheit und Deutlichkeit halber beliebig in unterschiedlichen Maßstäben gezeichnet sein.
  • Ferner können Begriffe, die eine räumliche Beziehung beschreiben, wie beispielsweise „unterhalb“, „unter“, „untere/r/s“, „über“, „obere/r/s“ und dergleichen, hier der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu (einem) andere/n Element/en oder Merkmal/en zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Es wird beabsichtigt, dass Begriffe, die eine räumliche Beziehung beschreiben, zusätzlich zu der in den Figuren bildlich dargestellten Ausrichtung verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung bei der Verwendung oder beim Betrieb umfassen. Die Vorrichtung kann anders (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) ausgerichtet sein und die Bezeichnungen für räumliche Beziehungen, die hier verwendet werden, können ebenfalls dementsprechend ausgelegt werden. Darüber hinaus kann mit dem Ausdruck „hergestellt aus“ entweder „umfassend“ oder „bestehend aus“ gemeint sein. In der vorliegenden Offenbarung bedeutet ein Ausdruck „eines von A, B und C“, sofern nichts anderes beschrieben ist, „A, B und/oder C“ (A, B, C, A und B, A und C, B und C oder A, B und C) und bedeutet nicht ein Element von A, ein Element von B und ein Element von C.
  • 1(a) zeigt eine Draufsicht eines PCRAM, der ein Substrat 100, eine untere Elektrode 120, die über dem Substrat 100 gebildet ist, wobei die untere Elektrode eine Bitleitung sein kann, eine Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial, die über der unteren Elektrode 120 gebildet ist, und eine Metallschicht 110, die über dem Phasenwechselmaterial 130 gebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial die gleiche wie der überlappte Bereich zwischen der unteren Elektrode 120 und der Metallschicht 110, die als eine obere Elektrode wirkt.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 ein monokristallines Halbleitermaterial, wie beispielsweise Si, Ge, SiGe, GaAs, InSb, GaP, GaSb, InAlAs, InGaAs, GaSbP, GaAsSb und InP, ist aber nicht darauf beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen ist das Substrat 100 aus kristallinem Si hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind die Metallschicht 110 und die untere Elektrode 120 aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet, die eine oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material, wie beispielsweise Polysilizium, Aluminium, Kupfer, Titan, Tantal, Wolfram, Kobalt, Molybdän, Kohlenstoff, Tantalnitrid, Nickelsilizid, Kobaltsilizid, TiN, WN, TiAl, TiAlN, TaCN, TaC, TaSiN, Metalllegierungen, wie beispielsweise Aluminium-Kupfer-Legierung, andere geeignete Materialien und/oder Kombinationen davon umfassen. In einigen Ausführungsformen weist jede von der Metallschicht 110 und der unteren Elektrode 120 eine Dicke in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 2,000 nm auf. In einigen Ausführungsformen ist das Substrat 100 ein Semiconductor-On-Insulator-Substrat, das unter Verwendung von Separation by Implantation of Oxygen (SIMOX), Waferbonden und/oder anderen geeigneten Verfahren hergestellt wurde, wie beispielsweise ein Silicon-On-Insulator-Substrat (SOI), ein Silicon-Germanium-On-Insulator-Substrat (SGOI) oder ein Germanium-On-Insulator-Substrat (GOI). In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 Transistoren, wie beispielsweise MOSFET-Planartransistoren, FinFETs und Gate-All-Around-Transistoren (GAA), Metallleitungen, wie beispielsweise Poly-Leitungen und Zusammenschaltungsmetallleitungen, und die Transistoren steuern die Operationen des PCRAM. In einigen Ausführungsformen ist die untere Elektrode 120 eine Metallleitung, die mit den Transistoren verbunden ist, die in dem Substrat 100 umfasst sind.
  • 1(b) zeigt eine Querschnittsansicht des PCRAM, der eine Isolationsschicht 150 aufweist, die ein Durchgangsloch h umfasst. In dem Durchgangsloch h ist ein Heizelement 140 gebildet. In einigen Ausführungsformen ist das Heizelement 140 aus einem Dünnschichtmaterial aus TiN, TaN oder TiAlN gebildet, das eine Dicke in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 15 nm aufweist, um der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial eine Joulesche Erwärmung bereitzustellen. Auch kann das Heizelement 140 während des schnellen Abkühlens (während des abrupten Abschaltens des an das Heizelement 140 angelegten Stroms, um die amorphe Phase „einzufrieren“) als eine Wärmesenke dienen. Das Heizelement 140 füllt das in der Isolationsschicht 150 bereitgestellte Durchgangsloch h, wodurch eine Wärmeübertragung zwischen den PCRAM-Zellen verhindert wird, um eine thermische Störung zu vermeiden, die die Beibehaltung des Zustands unterbinden oder den Lese/Schreib-Prozess unterbrechen kann.
  • In einigen Ausführungsformen besteht die Isolationsschicht 150 aus Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxinitrid (SiON), SiOCN, SiCN, Al2O3, fluor-dotiertem Silikatglas (FSG), einem Low-k-Dielektrikum oder verschiedenen anderen geeigneten dielektrischen Materialien, die bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Isolationsschicht 150, die über der strukturierten unteren Elektrode 120 angeordnet ist, ist ein elektrischer und thermischer Isolator und weist in einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von etwa 5 bis etwa 350 nm auf.
  • Die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial empfängt die durch das Heizelement 140 erzeugte Wärme und ein Gebiet („aktives Gebiet“ genannt) in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Phasenwechselmaterial 130 und dem Heizelement 140 erfährt in Abhängigkeit von der Menge und der Dauer der Wärme, die erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom an das Heizelement 140 angelegt wird, einen Phasenübergang von der kristallinen Phase in die amorphe Phase oder umgekehrt. In der Ausführungsform in 1(b) weist das aktive Gebiet die Form eines Pilzes auf (1(b)), während das Gebiet außerhalb des aktiven Gebiets keinen Phasenübergang erfährt und als eine Hitzeisolationsschicht wirken kann, um die Wärme innerhalb des pilzförmigen aktiven Gebiets zu bewahren. Je kleiner das aktive Gebiet, desto niedriger ist der Betrag der Wärme und somit ist weniger Strom erforderlich, um in die PCRAM-Zelle zu schreiben. In einigen Ausführungsformen ist das Material der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial ein binäres System aus Ga-Sb, In-Sb, In-Se, Sb-Te, Ge-Te und Ge-Sb; ein ternäres System aus Ge-Sb-Te, In-Sb-Te, Ga-Se-Te, Sn-Sb-Te, In-Sb-Ge und Ga-Sb-Te; oder ein quaternäres System aus Ag-In-Sb-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Te-Ge-Sb-S, Ge-Sb-Te-O und Ge-Sb-Te-N. In einigen Ausführungsformen ist das Material für die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial eine Chalkogenidlegierung, die ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe VI des Periodensystems enthält, wie beispielsweise ein GST, eine Ge-Sb-Te-Legierung (z. B. Ge2Sb2Te5), die eine Dicke von 5 bis 100 nm aufweist. Die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial kann andere Phasenwechsel-Widerstandsmaterialien umfassen, wie beispielsweise Metalloxide, die Wolframoxid, Nickeloxid, Kupferoxid usw. umfassen. Der Phasenübergang zwischen der kristallinen Phase und der amorphen Phase des Phasenwechselmaterials ist mit dem Zusammenspiel zwischen der Fernordnung und der Nahordnung der Struktur des Phasenwechselmaterials verbunden. Zum Beispiel erzeugt der Zusammenbruch der Fernordnung die amorphe Phase. Die Fernordnung in der kristallinen Phase erleichtert die elektrische Leitung, während die amorphe Phase die elektrische Leitung behindert und einen hohen elektrischen Widerstand zur Folge hat. Zur Abstimmung der Eigenschaften der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial für verschiedene Erfordernisse kann die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial in verschiedenen Mengen mit verschiedenen Elementen dotiert werden, um das Verhältnis von Nahordnung und Fernordnung innerhalb der Bondstruktur des Materials anzupassen. Das dotierte Element kann irgendein Element sein, das zur Halbleiterdotierung unter Verwendung von zum Beispiel Ionenimplantation verwendet wird.
  • Eine Auswahlvorrichtungsschicht 160 ist über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial gebildet und eine Metallschicht 110 ist über der Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildet. In einer Phasenwechsel-Speicheranordnung, zum Beispiel einem Koppelfeld mit Hunderten oder mehr Speicherzellen, können viele Probleme auftreten, die den richtigen Betrieb einer Speicherzelle stören. Die Probleme können elektrischer Natur, wie beispielsweise Leckstrom, parasitäre Kapazität usw., sein. Die Probleme können auch thermischer Natur, wie beispielsweise eine thermische Störung zwischen Speicherzellen, sein. Zur Lösung der vorhergehenden Probleme wird eine Schaltvorrichtung zur Verringerung oder Vermeidung von Leckstrom von einer betriebenen Speicherzelle oder von anderen Speicherzellen, die entlang des Widerstandsnetzwerks verlaufen, verwendet. Unter Verwendung einer Schaltvorrichtung würden die Heizelemente von anderen Speicherzellen nicht versehentlich durch einen Leckstrom eingeschaltet, wodurch die aufgezeichneten Zustände in den Speicherzellen gelöscht würden. Eine Schaltvorrichtung, die wie eine Diodenvorrichtung oder eine Transistorvorrichtung wirkt, wird derart verwendet, dass nur die beabsichtigten PCRAM-Zellen zum Lesen/Schreiben ausgewählt werden, während andere PCRAM-Zellen nicht eingeschaltet werden, und um Leckstrom, der von den ausgewählten PCRAM-Zellen stammt, zu verringern oder zu verhindern. Zur Bereitstellung genauer Lese/Schreiboperationen ist es wünschenswert, eine Auswahlvorrichtungsschicht, die eine hohe Leitfähigkeit im eingeschalteten Zustand und einen unendlichen Widerstand im ausgeschalteten Zustand aufweist, über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial zu bilden, um die Verlustleistung in dem Widerstandsnetzwerk des PCRAM, Leckstrom und Kreuzkopplungsstörung zu verringern, während sichergestellt wird, dass nur die ausgewählten PCRAM-Zellen der Schreib/Lese-Operation unterzogen werden. Auf diese Weise kann ein zuverlässiger PCRAM gebildet werden. Angesichts der Größe der Schaltvorrichtung kann eine Vorrichtung vom Diodentyp (wie beispielsweise eine pn-Übergangsdiode, Schottky-Diode, ein Metall-Isolator-Übergang (engl. Metal-Insulator Transition - MIT) und ein Ovonic-Schwellwertschalter (engl. Ovonic Threshold Switch - OTS)) eine geringere Größe aufweisen als eine Vorrichtung vom Transistortyp (wie beispielsweise ein MOSFET, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Die Auswahlvorrichtungsschicht 160 kann als eine Vorrichtung vom Diodentyp mit einem innerhalb der Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildeten Diodenübergang wirken. In 1(b) ist die Auswahlvorrichtungsschicht über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial, die aus den vorhergehend genannten Materialien gebildet ist, gebildet und damit strukturiert, um die gleiche Größe aufzuweisen, wodurch der Raum für die Auswahlvorrichtung innerhalb des PCRAM, der angesichts des Trends zur Verkleinerung von Speichervorrichtungen als ein einschränkender Faktor betrachtet wird, in hohem Maße verkleinert wird. In einigen Ausführungsformen stellt die Auswahlvorrichtungsschicht 160 eine Strom-Spannungs-Nichtlinearität für den PCRAM bereit und dies verringert den Leckstrom. Die Auswahlvorrichtungsschicht 160 weist in einigen Ausführungsformen eine einschichtige oder mehrschichtige Struktur auf. In einigen Ausführungsformen besteht die Auswahlvorrichtungsschicht 160 aus einem Material, das SiOx, TiOx, AlOx, WOx, TixNyOz, HfOx, TaOx, NbOx oder dergleichen umfasst, oder geeigneten Kombinationen davon, wobei x, y und z nichtstöchiometrische Werte sind. In einigen Ausführungsformen ist die Auswahlvorrichtungsschicht 160 ein Festelektrolytmaterial, das eines oder mehrere von Ge, Sb, S, Te umfasst, oder ein Chalkogenid, wie beispielsweise N, P, S, Si, und/oder Te-dotiertes Chalkogenid, wie beispielsweise N, P, S, Si, und/oder Te-dotiertes AsGeSe, d. h. AsGeSe(N, P, S, Si, Te) und N, P, S, Si, und/oder Te-dotiertes AsGeSeSi, d. h. AsGeSeSi(N, P, S, Si, Te). Die Dicke der Auswahlvorrichtungsschicht 160 liegt in einem Bereich von etwa 0,5 nm bis etwa 50 nm. In einigen Ausführungsformen wird die Auswahlvorrichtungsschicht 160 durch chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition - CVD), Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition - PLD), Sputtern, Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) oder irgendein anderes Dünnschicht-Abscheidungsverfahren gebildet.
  • 2(a) zeigt eine Draufsicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das PCRAM weist ein Substrat 100, eine untere Elektrode 120, die über dem Substrat 100 gebildet ist, wobei die untere Elektrode eine Bitleitung sein kann, eine Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial, die über der unteren Elektrode 120 gebildet ist, und eine Metallschicht 110 auf, die über dem Phasenwechselmaterial 130 gebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial kleiner als der überlappte Bereich zwischen der unteren Elektrode 120 und der Metallschicht 110, die als eine obere Elektrode wirkt. Das heißt, die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial in der Ausführungsform von 2(a) ist kleiner als die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial in der Ausführungsform von 1(a). Die kleinere Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial stellt einen Vorteil bereit, dass ein verringerter elektrischer Betriebsstrom für die Versorgung des Heizelements zum Erhitzen der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial zum Schreiben erforderlich ist und somit der Gesamtleistungsverbrauch eines Speichers, der über tausend Schichten 130 aus Phasenwechselmaterial aufweist, erheblich verringert wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 ein monokristallines Halbleitermaterial, wie beispielsweise Si, Ge, SiGe, GaAs, InSb, GaP, GaSb, InAlAs, InGaAs, GaSbP, GaAsSb und InP, ist aber nicht darauf beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen ist das Substrat 100 aus kristallinem Si hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind die Metallschicht 110 und die untere Elektrode 120 aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet, die eine oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material, wie beispielsweise Polysilizium, Aluminium, Kupfer, Titan, Tantal, Wolfram, Kobalt, Molybdän, Kohlenstoff, Tantalnitrid, Nickelsilizid, Kobaltsilizid, TiN, WN, TiAl, TiAlN, TaCN, TaC, TaSiN, Metalllegierungen, wie beispielsweise Aluminium-Kupfer-Legierung, andere geeignete Materialien und/oder Kombinationen davon umfassen. In einigen Ausführungsformen weist jede von der Metallschicht 110 und der unteren Elektrode 120 eine Dicke in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 2,000 nm auf. In einigen Ausführungsformen ist das Substrat 100 ein Semiconductor-On-Insulator-Substrat, das unter Verwendung von Separation by Implantation of Oxygen (SIMOX), Waferbonden und/oder anderen geeigneten Verfahren hergestellt wurde, wie beispielsweise ein Silicon-On-Insulator-Substrat (SOI), ein Silicon-Germanium-On-Insulator-Substrat (SGOI) oder ein Germanium-On-Insulator-Substrat (GOI). In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 Transistoren, wie beispielsweise MOSFET-Planartransistoren, FinFETs und Gate-All-Around-Transistoren (GAA), Metallleitungen, wie beispielsweise Poly-Leitungen und Zusammenschaltungsmetallleitungen, und die Transistoren steuern die Operationen des PCRAM. In einigen Ausführungsformen ist die untere Elektrode 120 eine Metallleitung, die mit den Transistoren verbunden ist, die in dem Substrat 100 umfasst sind.
  • 2(b) zeigt eine Querschnittsansicht des PCRAM gemäß der in 2(a) gezeigten Ausführungsform. Der PCRAM weist eine Isolationsschicht 150 auf, die ein Durchgangsloch h umfasst. In dem Durchgangsloch h ist ein Heizelement 140 gebildet. In einigen Ausführungsformen ist das Heizelement 140 aus einem Dünnschichtmaterial aus TiN, TaN oder TiAlN gebildet, das eine Dicke in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 15 nm aufweist, um der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial eine Joulesche Erwärmung bereitzustellen. Auch kann das Heizelement 140 während des schnellen Abkühlens (während des abrupten Abschaltens des an das Heizelement 140 angelegten Stroms, um die amorphe Phase „einzufrieren“) als eine Wärmesenke dienen. Das Heizelement 140 füllt das in der Isolationsschicht 150 bereitgestellte Durchgangsloch h, wodurch eine Wärmeübertragung zwischen den PCRAM-Zellen verhindert wird, um eine thermische Störung zu vermeiden, die die Beibehaltung des Zustands unterbinden oder den Lese/Schreib-Prozess unterbrechen kann. Die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial ist in dem Durchgangsloch h gebildet und kann das Heizelement 140 kontaktieren. Auf diese Weise unterscheidet sich das aktive Gebiet in der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial, die während des Beschreibens der Speicherzelle den Phasenübergang erfährt, von demjenigen in 1(b), das eine Pilzform aufweist. Eine Auswahlvorrichtungsschicht 160 ist über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial gebildet und weist eine Größe (Breite von etwa 25 nm bis etwa 100 nm) auf, die in dem Durchgangsloch, das eine Breite von etwa 10 nm aufweist, größer als die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial ist. Eine Metallschicht 110 ist über der Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildet und wirkt als eine obere Elektrode für die Lese/Schreiboperation der PCRAM-Zelle.
  • In einigen Ausführungsformen besteht die Isolationsschicht 150 aus Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxinitrid (SiON), SiOCN, SiCN, Al2O3, fluor-dotiertem Silikatglas (FSG), einem Low-k-Dielektrikum oder verschiedenen anderen geeigneten dielektrischen Materialien, die bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Isolationsschicht 150, die über der strukturierten unteren Elektrode 120 angeordnet ist, ist ein elektrischer und thermischer Isolator und weist in einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von etwa 5 bis etwa 350 nm auf.
  • Die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial empfängt die durch das Heizelement 140 erzeugte Wärme, und ein Gebiet („aktives Gebiet“ genannt) in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Phasenwechselmaterial 130 und dem Heizelement 140 erfährt in Abhängigkeit von der Menge und der Dauer der Wärme, die erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom an das Heizelement 140 angelegt wird, einen Phasenübergang von der kristallinen Phase in die amorphe Phase oder umgekehrt. In der Ausführungsform in 2(b) weist das aktive Gebiet eine ovale Form auf (2(b)), während das Gebiet außerhalb des aktiven Gebiets keinen Phasenübergang erfährt und als eine Hitzeisolationsschicht wirken kann, um die Wärme innerhalb des aktiven Gebiets zu bewahren. Je kleiner das aktive Gebiet, desto niedriger ist der Betrag der Wärme und somit ist weniger Strom erforderlich, um in die PCRAM-Zelle zu schreiben. In einigen Ausführungsformen ist das Material der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial ein binäres System aus Ga-Sb, In-Sb, In-Se, Sb-Te, Ge-Te und Ge-Sb; ein ternäres System aus Ge-Sb-Te, In-Sb-Te, Ga-Se-Te, Sn-Sb-Te, In-Sb-Ge und Ga-Sb-Te; oder ein quaternäres System aus Ag-In-Sb-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Te-Ge-Sb-S, Ge-Sb-Te-O und Ge-Sb-Te-N. In einigen Ausführungsformen ist das Material für die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial eine Chalkogenidlegierung, die ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe VI des Periodensystems enthält, wie beispielsweise ein GST, eine Ge-Sb-Te-Legierung (z. B. Ge2Sb2Te5), die eine Dicke von 5 bis 100 nm aufweist. Die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial kann andere Phasenwechsel-Widerstandsmaterialien umfassen, wie beispielsweise Metalloxide, die Wolframoxid, Nickeloxid, Kupferoxid usw. umfassen.
  • Eine Auswahlvorrichtungsschicht 160 ist über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial gebildet, und eine Metallschicht 110 ist über der Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildet. In 2(b) ist die Auswahlvorrichtungsschicht 160 über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial gebildet, die aus den vorhergehend genannten Materialien gebildet ist, um eine Größe aufzuweisen, die größer als die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial ist, wodurch die Steuerbarkeit und Auswählbarkeit der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial in hohem Maße verbessert wird. In einigen Ausführungsformen stellt die Auswahlvorrichtungsschicht 160 eine Strom-Spannungs-Nichtlinearität für den PCRAM bereit und dies verringert den Leckstrom. Die Auswahlvorrichtungsschicht 160 weist die vorhergehenden Strukturen auf. In einigen Ausführungsformen besteht die Auswahlvorrichtungsschicht 160 aus den vorhergehend in der vorhergehenden Beschreibung von 1(b) erwähnten Materialien. Die Dicke der Auswahlvorrichtungsschicht 160 liegt in einem Bereich von etwa 0,5 nm bis etwa 50 nm. In einigen Ausführungsformen wird die Auswahlvorrichtungsschicht 160 durch chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition - CVD), Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition - PLD), Sputtern, Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) oder irgendein anderes Dünnschicht-Abscheidungsverfahren gebildet.
  • 3(a) zeigt eine Draufsicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das PCRAM weist ein Substrat 100, eine untere Elektrode 120, die über dem Substrat 100 gebildet ist, wobei die untere Elektrode eine Bitleitung sein kann, eine Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial, die über der unteren Elektrode 120 gebildet ist, und eine Metallschicht 110 auf, die über dem Phasenwechselmaterial 130 gebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial kleiner als der überlappte Bereich zwischen der unteren Elektrode 120 und der Metallschicht 110, die als eine obere Elektrode wirkt. Das heißt, die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial in der Ausführungsform von 3(a) ist kleiner als die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial in der Ausführungsform von 1(a). Die kleinere Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial stellt einen Vorteil bereit, dass ein verringerter elektrischer Betriebsstrom für die Versorgung des Heizelements zum Erhitzen der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial erforderlich ist und somit der Gesamtleistungsverbrauch eines Speichers, der über tausend Schichten 130 aus Phasenwechselmaterial aufweist, erheblich verringert wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 ein monokristallines Halbleitermaterial, wie beispielsweise Si, Ge, SiGe, GaAs, InSb, GaP, GaSb, InAlAs, InGaAs, GaSbP, GaAsSb und InP, ist aber nicht darauf beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen ist das Substrat 100 aus kristallinem Si hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind die Metallschicht 110 und die untere Elektrode 120 aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet, die eine oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material, wie beispielsweise Polysilizium, Aluminium, Kupfer, Titan, Tantal, Wolfram, Kobalt, Molybdän, Kohlenstoff, Tantalnitrid, Nickelsilizid, Kobaltsilizid, TiN, WN, TiAl, TiAlN, TaCN, TaC, TaSiN, Metalllegierungen, wie beispielsweise Aluminium-Kupfer-Legierung, andere geeignete Materialien und/oder Kombinationen davon umfassen. In einigen Ausführungsformen weist jede von der Metallschicht 110 und der unteren Elektrode 120 eine Dicke in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 2,000 nm auf. In einigen Ausführungsformen ist das Substrat 100 ein Semiconductor-On-Insulator-Substrat, das unter Verwendung von Separation by Implantation of Oxygen (SIMOX), Waferbonden und/oder anderen geeigneten Verfahren hergestellt wurde, wie beispielsweise ein Silicon-On-Insulator-Substrat (SOI), ein Silicon-Germanium-On-Insulator-Substrat (SGOI) oder ein Germanium-On-Insulator-Substrat (GOI). In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 Transistoren, wie beispielsweise MOSFET-Planartransistoren, FinFETs und Gate-All-Around-Transistoren (GAA), Metallleitungen, wie beispielsweise Poly-Leitungen und Zusammenschaltungsmetallleitungen, und die Transistoren steuern die Operationen des PCRAM. In einigen Ausführungsformen ist die untere Elektrode 120 eine Metallleitung, die mit den Transistoren verbunden ist, die in dem Substrat 100 umfasst sind.
  • Obgleich die Draufsicht die gleiche wie die in 2(a) gezeigte ist, unterscheidet sich die Vorrichtungsstruktur von 2(b). Der PCRAM weist eine Isolationsschicht 150 auf, die ein Durchgangsloch h umfasst. In dem Durchgangsloch h ist ein Heizelement 140 gebildet. In einigen Ausführungsformen ist das Heizelement 140 aus einem Dünnschichtmaterial aus TiN, TaN oder TiAlN gebildet, das eine Dicke in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 15 nm aufweist, um der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial eine Joulesche Erwärmung bereitzustellen. Auch kann das Heizelement 140 während des schnellen Abkühlens (während des abrupten Abschaltens des an das Heizelement 140 angelegten Stroms, um die amorphe Phase „einzufrieren“) als eine Wärmesenke dienen. Das Heizelement 140 füllt das in der Isolationsschicht 150 bereitgestellte Durchgangsloch h, wodurch eine Wärmeübertragung zwischen den PCRAM-Zellen verhindert wird, um eine thermische Störung zu vermeiden, die die Beibehaltung des Zustands unterbinden oder den Lese/Schreib-Prozess unterbrechen kann.
  • Wie in der Querschnittsansicht von 3(b) gezeigt, ist die Auswahlvorrichtungsschicht 160 in dem Durchgangsloch h gebildet, wodurch der Raum, der durch die Auswahlvorrichtung in der PCRAM-Zelle eingenommen wird, in hohem Maße verringert wird. Eine Metallschicht 110 ist über der Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildet und wirkt als eine obere Elektrode für die Lese/Schreiboperation der PCRAM-Zelle.
  • In einigen Ausführungsformen besteht die Isolationsschicht 150 aus Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxinitrid (SiON), SiOCN, SiCN, Al2O3, fluor-dotiertem Silikatglas (FSG), einem Low-k-Dielektrikum oder verschiedenen anderen geeigneten dielektrischen Materialien, die bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Isolationsschicht 150, die über der strukturierten unteren Elektrode 120 angeordnet ist, ist ein elektrischer und thermischer Isolator und weist in einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von etwa 5 bis etwa 350 nm auf.
  • Die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial empfängt die durch das Heizelement 140 erzeugte Wärme, und ein Gebiet („aktives Gebiet“ genannt) in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Phasenwechselmaterial 130 und dem Heizelement 140 erfährt in Abhängigkeit von der Menge und der Dauer der Wärme, die erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom an das Heizelement 140 angelegt wird, einen Phasenübergang von der kristallinen Phase in die amorphe Phase oder umgekehrt. In der Ausführungsform in 1(b) weist das aktive Gebiet die Form eines Pilzes auf (1(b)), während das Gebiet außerhalb des aktiven Gebiets keinen Phasenübergang erfährt und als eine Hitzeisolationsschicht wirken kann, um die Wärme innerhalb des pilzförmigen aktiven Gebiets zu bewahren. Je kleiner das aktive Gebiet, desto niedriger ist der Betrag der Wärme und somit ist weniger Strom erforderlich, um in die PCRAM-Zelle zu schreiben. In einigen Ausführungsformen ist das Material der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial ein binäres System aus Ga-Sb, In-Sb, In-Se, Sb-Te, Ge-Te und Ge-Sb; ein ternäres System aus Ge-Sb-Te, In-Sb-Te, Ga-Se-Te, Sn-Sb-Te, In-Sb-Ge und Ga-Sb-Te; oder ein quaternäres System aus Ag-In-Sb-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Te-Ge-Sb-S, Ge-Sb-Te-O und Ge-Sb-Te-N. In einigen Ausführungsformen ist das Material für die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial eine Chalkogenidlegierung, die ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe VI des Periodensystems enthält, wie beispielsweise ein GST, eine Ge-Sb-Te-Legierung (z. B. Ge2Sb2Te5), die eine Dicke von 5 bis 100 nm aufweist. Die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial kann andere Phasenwechsel-Widerstandsmaterialien umfassen, wie beispielsweise Metalloxide, die Wolframoxid, Nickeloxid, Kupferoxid usw. umfassen.
  • Eine Auswahlvorrichtungsschicht 160 ist über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial gebildet und eine Metallschicht 110 ist über der Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildet. In 3(b) ist die Auswahlvorrichtungsschicht über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial, die aus den vorhergehend genannten Materialien gebildet ist, gebildet und damit strukturiert, um die gleiche Größe aufzuweisen, wodurch der Raum für die Auswahlvorrichtung innerhalb des PCRAM, der angesichts des Trends zur Verkleinerung von Speichervorrichtungen als ein einschränkender Faktor betrachtet wird, in hohem Maße verkleinert wird. In einigen Ausführungsformen stellt die Auswahlvorrichtungsschicht 160 eine Strom-Spannungs-Nichtlinearität für den PCRAM bereit und dies verringert den Leckstrom. Die Auswahlvorrichtungsschicht 160 weist die vorhergehenden Strukturen auf. In einigen Ausführungsformen besteht die Auswahlvorrichtungsschicht 160 aus den vorhergehend in der vorhergehenden Beschreibung von 1(b) erwähnten Materialien. Die Dicke der Auswahlvorrichtungsschicht 160 liegt in einem Bereich von etwa 0,5 nm bis etwa 50 nm. In einigen Ausführungsformen wird die Auswahlvorrichtungsschicht 160 durch chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition - CVD), Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition - PLD), Sputtern, Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) oder irgendein anderes Dünnschicht-Abscheidungsverfahren gebildet.
  • 4(a) zeigt eine Draufsicht eines PCRAM gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das PCRAM weist ein Substrat 100, eine untere Elektrode 120, die über dem Substrat 100 gebildet ist, wobei die untere Elektrode eine Bitleitung sein kann, eine Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial, die über der unteren Elektrode 120 gebildet ist, und eine Metallschicht 110 auf, die über dem Phasenwechselmaterial 130 gebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial kleiner als der überlappte Bereich zwischen der unteren Elektrode 120 und der Metallschicht 110, die als eine obere Elektrode wirkt. Das heißt, die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial in der Ausführungsform von 3(a) ist kleiner als die Größe der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial in der Ausführungsform von 1(a). Die kleinere Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial stellt einen Vorteil bereit, dass ein verringerter elektrischer Betriebsstrom für die Versorgung des Heizelements zum Erhitzen der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial erforderlich ist und somit der Gesamtleistungsverbrauch eines Speichers, der über tausend Schichten 130 aus Phasenwechselmaterial aufweist, erheblich verringert wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 ein monokristallines Halbleitermaterial, wie beispielsweise Si, Ge, SiGe, GaAs, InSb, GaP, GaSb, InAlAs, InGaAs, GaSbP, GaAsSb und InP, ist aber nicht darauf beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen ist das Substrat 100 aus kristallinem Si hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind die Metallschicht 110 und die untere Elektrode 120 aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet, die eine oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material, wie beispielsweise Polysilizium, Aluminium, Kupfer, Titan, Tantal, Wolfram, Kobalt, Molybdän, Kohlenstoff, Tantalnitrid, Nickelsilizid, Kobaltsilizid, TiN, WN, TiAl, TiAlN, TaCN, TaC, TaSiN, Metalllegierungen, wie beispielsweise Aluminium-Kupfer-Legierung, andere geeignete Materialien und/oder Kombinationen davon umfassen. In einigen Ausführungsformen weist jede von der Metallschicht 110 und der unteren Elektrode 120 eine Dicke in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 2,000 nm auf. In einigen Ausführungsformen ist das Substrat 100 ein Semiconductor-On-Insulator-Substrat, das unter Verwendung von Separation by Implantation of Oxygen (SIMOX), Waferbonden und/oder anderen geeigneten Verfahren hergestellt wurde, wie beispielsweise ein Silicon-On-Insulator-Substrat (SOI), ein Silicon-Germanium-On-Insulator-Substrat (SGOI) oder ein Germanium-On-Insulator-Substrat (GOI). In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 Transistoren, wie beispielsweise MOSFET-Planartransistoren, FinFETs und Gate-All-Around-Transistoren (GAA), Metallleitungen, wie beispielsweise Poly-Leitungen und Zusammenschaltungsmetallleitungen, und die Transistoren steuern die Operationen des PCRAM. In einigen Ausführungsformen ist die untere Elektrode 120 eine Metallleitung, die mit den Transistoren verbunden ist, die in dem Substrat 100 umfasst sind.
  • Obgleich die Draufsicht die gleiche wie die in 2(a) und 3(a) gezeigte ist, unterscheidet sich die Vorrichtungsstruktur von 2(b) und 3(b). Der PCRAM weist eine Isolationsschicht 150 auf, die ein Durchgangsloch h umfasst. In dem Durchgangsloch h ist ein Heizelement 140 gebildet. In einigen Ausführungsformen ist das Heizelement 140 aus einem Dünnschichtmaterial aus TiN, TaN oder TiAlN gebildet, das eine Dicke in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 15 nm aufweist, um der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial eine Joulesche Erwärmung bereitzustellen. Auch kann das Heizelement 140 während des schnellen Abkühlens (während des abrupten Abschaltens des an das Heizelement 140 angelegten Stroms, um die amorphe Phase „einzufrieren“) als eine Wärmesenke dienen. Das Heizelement 140 füllt das in der Isolationsschicht 150 bereitgestellte Durchgangsloch h, wodurch eine Wärmeübertragung zwischen den PCRAM-Zellen verhindert wird, um eine thermische Störung zu vermeiden, die die Beibehaltung des Zustands unterbinden oder den Lese/Schreib-Prozess unterbrechen kann.
  • Wie in der Querschnittsansicht von 4(b) gezeigt, ist ferner eine Zwischenschicht 170 in dem Durchgangsloch h gebildet und ist zwischen der Auswahlvorrichtungsschicht 160 und der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial gebildet. Die Zwischenschicht 170 kann aus Kohlenstoff, Titan, Titannitrid, Wolfram und Titan-Wolfram mit einer Dicke von etwa 1 bis 50 nm gebildet werden und wirkt, um Materialdiffusion in die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial und deren Verunreinigung zu verhindern. In einigen Ausführungsformen wird die Zwischenschicht 170 durch irgendein Gasphasenabscheidungsverfahren, wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition - CVD), Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition - PLD), Sputtern, Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) oder irgendein anderes Dünnschicht-Abscheidungsverfahren gebildet. In einigen Ausführungsformen verringert die Zwischenschicht 170 die Aufnahme von Spezies von der Metallschicht 110 in die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial.
  • In einigen Ausführungsformen besteht die Isolationsschicht 150 aus Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxinitrid (SiON), SiOCN, SiCN, Al2O3, fluor-dotiertem Silikatglas (FSG), einem Low-k-Dielektrikum oder verschiedenen anderen geeigneten dielektrischen Materialien, die bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Isolationsschicht 150, die über der strukturierten unteren Elektrode 120 angeordnet ist, ist ein elektrischer und thermischer Isolator und weist in einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von etwa 5 bis etwa 350 nm auf.
  • Die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial empfängt die durch das Heizelement 140 erzeugte Wärme und ein Gebiet („aktives Gebiet“ genannt) in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial und dem Heizelement 140 erfährt in Abhängigkeit von der Menge und der Dauer der Wärme, die erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom an das Heizelement 140 angelegt wird, einen Phasenübergang von der kristallinen Phase in die amorphe Phase oder umgekehrt. In der Ausführungsform in 1(b) weist das aktive Gebiet die Form eines Pilzes auf (1(b)), während das Gebiet außerhalb des aktiven Gebiets keinen Phasenübergang erfährt und als eine Hitzeisolationsschicht wirken kann, um die Wärme innerhalb des pilzförmigen aktiven Gebiets zu bewahren. Je kleiner das aktive Gebiet, desto niedriger ist der Betrag der Wärme und somit ist weniger Strom erforderlich, um in die PCRAM-Zelle zu schreiben. In einigen Ausführungsformen ist das Material der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial ein binäres System aus Ga-Sb, In-Sb, In-Se, Sb-Te, Ge-Te und Ge-Sb; ein ternäres System aus Ge-Sb-Te, In-Sb-Te, Ga-Se-Te, Sn-Sb-Te, In-Sb-Ge und Ga-Sb-Te; oder ein quaternäres System aus Ag-In-Sb-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Te-Ge-Sb-S, Ge-Sb-Te-O und Ge-Sb-Te-N. In einigen Ausführungsformen ist das Material für die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial eine Chalkogenidlegierung, die ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe VI des Periodensystems enthält, wie beispielsweise ein GST, eine Ge-Sb-Te-Legierung (z. B. Ge2Sb2Te5), die eine Dicke von 5 bis 100 nm aufweist. Die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial kann andere Phasenwechsel-Widerstandsmaterialien umfassen, wie beispielsweise Metalloxide, die Wolframoxid, Nickeloxid, Kupferoxid usw. umfassen.
  • Eine Auswahlvorrichtungsschicht 160 ist über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial gebildet, und eine Metallschicht 110 ist über der Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildet. In 4(b) ist die Auswahlvorrichtungsschicht über der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial, die aus den vorhergehend genannten Materialien gebildet ist, gebildet und damit strukturiert, um die gleiche Größe (Breite) aufzuweisen, wodurch der Raum für die Auswahlvorrichtung innerhalb des PCRAM, der angesichts des Trends zur Verkleinerung von Speichervorrichtungen als ein einschränkender Faktor betrachtet wird, in hohem Maße verkleinert wird. In einigen Ausführungsformen stellt die Auswahlvorrichtungsschicht 160 eine Strom-Spannungs-Nichtlinearität für den PCRAM bereit und dies verringert den Leckstrom. Die Auswahlvorrichtungsschicht 160 weist die vorhergehenden Strukturen auf. In einigen Ausführungsformen besteht die Auswahlvorrichtungsschicht 160 aus den vorhergehend in der vorhergehenden Beschreibung von 1(b) erwähnten Materialien. Die Dicke der Auswahlvorrichtungsschicht 160 liegt in einem Bereich von etwa 0,5 nm bis etwa 50 nm. In einigen Ausführungsformen wird die Auswahlvorrichtungsschicht 160 durch chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition - CVD), Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition - PLD), Sputtern, Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) oder irgendein anderes Dünnschicht-Abscheidungsverfahren gebildet.
  • Eine gestapelte PCRAM-Struktur erhöht die Speicherzellendichte und -kapazität in einigen Ausführungsformen in hohem Maße. 5, 6(a) bis 6(b), 7(a) bis 7(d) und 8(a) bis 8(d) zeigen verschiedene Ausführungsformen, die gestapelte 3D-Strukturen aufweisen.
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht einer gestapelten Struktur eines PCRAM, die eine untere Elektrode 120 und eine obere Elektrode 120' umfasst. Zwischen der unteren Elektrode 120 und der oberen Elektrode 120' sind die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' angeordnet. In einigen Ausführungsformen sind die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' aus den gleichen vorhergehend unter Bezugnahme auf 1(b), 2(b), 3(b) und 4(b) beschriebenen Materialien gebildet. Die Isolationsschichten 150, 150' und 150', die über der strukturierten unteren Elektrode 120 angeordnet sind, sind elektrische und thermische Isolatoren und weisen in einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von etwa 5 bis etwa 350 nm auf. Auch werden die Isolationsschichten 150' und 150'' in einigen Ausführungsformen durch einen einzigen Arbeitsvorgang als eine Schicht gebildet. Die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' mit den oberen und unteren Elektroden 120' und 120 umschließen ein erstes Heizelement 140 und ein zweites Heizelement 140', eine erste Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial und eine zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial, eine erste Auswahlvorrichtungsschicht 160 und eine zweite Auswahlvorrichtungsschicht 160' und eine Metallschicht 110. Das erste und das zweite Heizelement 140 und 140' werden in einem ersten Durchgangsloch h beziehungsweise einem zweiten Durchgangsloch h' gebildet, während die anderen Bauelemente einen größeren Raum einnehmen, der in der Isolationsschicht 150' bereitgestellt ist. Jedes von den Durchgangslöchern h und h' ist zwischen der ersten 130 oder zweiten 130' Schicht aus Phasenwechselmaterial und der oberen oder unteren Elektrode 120 oder 120' gebildet.
  • Die in 5 gezeigte Ausführungsform weist mit den in Bezug zur Metallschicht 110 angeordneten Vorrichtungsbauelementen eine symmetrische Struktur auf. Jede von der ersten und zweiten Schicht 130 und 130' aus Phasenwechselmaterial kann unabhängig betrieben werden und in dieser Vorrichtungsstruktur sind anstatt von vier Elektroden lediglich drei Elektroden, z. B. die untere Elektrode 120, die obere Elektrode 120' und die Metallschicht 110, erforderlich, um die zwei Schichten 130 und 130' aus Phasenwechselmaterial zu betreiben. Auf diese Weise wird eine Elektrode beseitigt und die Vorrichtungsdicke wird verringert und die Vorrichtungsstruktur und Verarbeitung werden mit verringerten Herstellungskosten und vereinfachten Herstellungsarbeitsvorgängen vereinfacht. Auch werden, da die gesamte Vorrichtung durch die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' umschlossen ist, die thermische Störung und die elektrische Störung, wie beispielsweise Leckstrom, auf vorteilhafte Weise verringert. Auch wird aufgrund der höheren thermischen Isolationseigenschaft der elektrische Strom zum Beschreiben der Speicherzelle in einigen Ausführungsformen verringert, da die Temperatur des Phasenübergangs innerhalb dieses in hohem Maße isolierenden Systems durch einen niedrigeren elektrischen Strom erreicht werden kann. In Abhängigkeit von der Wahl des Heizelementmaterials der Heizelemente 140 und 140' kann die Effizienz der gesamten gestapelten Vorrichtung in einigen Ausführungsformen in hohem Maße erhöht werden.
  • Die Ausführungsform in 5 stapelt zwei der Vorrichtungen der Ausführungsform von 1(b) entlang einer vertikalen Richtung, um eine gestapelte Vorrichtung zu bilden; wie der Durchschnittsfachmann verstehen wird, umfasst diese Offenbarung indes auch andere Möglichkeiten. Zum Beispiel wird in einigen Ausführungsformen die untere Hälfte der Vorrichtung durch die Struktur der Ausführungsform in 1(a) gebildet und die obere Hälfte der Vorrichtung wird zum Beispiel durch die Struktur der Ausführungsform in 2(b) gebildet, wodurch eine asymmetrische 3D-Struktur eines PCRAM gebildet wird.
  • 6(a) zeigt eine gestapelte Vorrichtung, die eine gestapelte Struktur aufweist, die in Bezug zu der Metallschicht 110 symmetrisch ist. Die gestapelte Struktur umfasst Schichten 130 und 130' aus Phasenwechselmaterial auf entgegengesetzten Seiten der Metallschicht 110, die in den Durchgangslöchern h und h' gebildet sind, die die Heizelemente 140 und 140' in einigen Ausführungsformen kontaktieren. Auf diese Weise unterscheiden sich die aktiven Gebiete, die während des Beschreibens der Speicherzelle den Phasenübergang erfahren, von demjenigen in 5, das eine Pilzform aufweist. Die kleineren Schichten 130 und 130' aus Phasenwechselmaterial senken den elektrischen Betriebsstrom erheblich und verringern den Gesamtleistungsverbrauch eines Speichers, der in einigen Ausführungsformen über tausend Schichten aus Phasenwechselmaterial aufweist. Die erste Auswahlvorrichtungsschicht 160 und zweite Auswahlvorrichtungsschicht 160' werden über der ersten Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial und der zweiten Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial gebildet. Die erste Auswahlvorrichtungsschicht 160 und zweite Auswahlvorrichtungsschicht 160' sind größer als die erste Schicht 130 beziehungsweise zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial. Die Auswahlvorrichtungsschicht 160' ist in einigen Ausführungsformen aus dem gleichen Material wie die Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildet. In einigen Ausführungsformen ist die Auswahlvorrichtungsschicht 160' aus einem Material in der vorhergehenden Gruppe von Materialien gebildet, die verwendet werden, um die Auswahlvorrichtungsschicht 160 herzustellen, die sich von der Auswahlvorrichtungsschicht 160 unterscheidet. In einigen Ausführungsformen weist die Auswahlvorrichtungsschicht 160' die gleiche geschichtete Struktur wie die Auswahlvorrichtungsschicht 160 auf. In einigen Ausführungsformen weist die Auswahlvorrichtungsschicht 160' eine unterschiedliche geschichtete Struktur als die Auswahlvorrichtungsschicht 160 auf, zum Beispiel weist die Auswahlvorrichtungsschicht 160' eine einschichtige Struktur auf, während die Auswahlvorrichtungsschicht 160 eine mehrschichtige Struktur aufweist, ist aber nicht darauf beschränkt.
  • 6(b) zeigt eine alternative Ausführungsform der in 6(a) gezeigten Ausführungsform. 6(b) zeigt eine in Bezug zur Metallschicht 110 asymmetrische Struktur, während 6(a) eine symmetrische Struktur zeigt. In 6(b) ist die zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial über dem zweiten Heizelement 140' von der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht 160' beabstandet gebildet. In dieser Ausführungsform empfängt die zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial Wärme, die von der Oberfläche des zweiten Heizelements 140' erzeugt wird. Wenn die Wärmeübertragung eine Aufwärtsrichtung begünstigt, kann die Anordnung der zweiten Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial über dem zweiten Heizelement 140' die Gesamteffizienz der Vorrichtung verbessern. Auf diese Weise kann die Anordnung der Schichten aus Phasenwechselmaterial in Bezug auf die Heizelemente in Abhängigkeit von der Wärmeübertragungsrichtung innerhalb der Speichervorrichtung zugeschnitten werden, um verschiedenen Bedürfnissen mit optimaler Effizienz gerecht zu werden.
  • 7(a) zeigt eine Ausführungsform, die eine in Bezug zur Metallschicht 110 asymmetrische Struktur aufweist. Unter der Metallschicht 110 ist die erste Auswahlvorrichtungsschicht 160 vollständig in dem Durchgangsloch h gebildet und ist über der ersten Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial gebildet. Die Metallschicht 110 wird über der Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildet. Über der Metallschicht 110 ist eine zweite Auswahlvorrichtungsschicht 160' über der Metallschicht 110 gebildet und die zweite Auswahlvorrichtungsschicht 160' weist eine größere Größe (Breite) als die erste Auswahlvorrichtungsschicht 160 auf. Eine zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial ist über der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht 160' in dem zweiten Durchgangsloch h' gebildet. Ein zweites Heizelement 140' ist über der zweiten Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial in dem zweiten Durchgangsloch h' gebildet. Die Ausführungsform von 7(a) unterscheidet sich von derjenigen in 6(b), da die zwei Auswahlvorrichtungsschichten 160 und 160' innerhalb dieser Vorrichtung in 7(a) unterschiedliche Abmessungen (Breiten) aufweisen. Auch sind die Auswahlvorrichtungsschichten 160 und 160' in einigen Ausführungsformen aus unterschiedlichen Materialien gebildet.
  • 7(b) zeigt eine alternative Ausführungsform der in 7(a) gezeigten Ausführungsform. In 7(b) ist das zweite Phasenwechselmaterial 130' über dem zweiten Heizelement 140' von der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht 160' beabstandet gebildet. In dieser Ausführungsform empfängt die zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial Wärme, die von der Oberfläche des zweiten Heizelements 140' erzeugt wird. Wenn die Wärmeübertragung eine Aufwärtsrichtung begünstigt, kann die Anordnung der zweiten Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial über dem zweiten Heizelement 140' die Gesamteffizienz der Vorrichtung verbessern. Auf diese Weise kann die Anordnung der Schichten aus Phasenwechselmaterial in Bezug auf die Heizelemente in Abhängigkeit von der Wärmeübertragungsrichtung innerhalb der Speichervorrichtung zugeschnitten werden, um verschiedenen Bedürfnissen gerecht zu werden.
  • 8(a), 8(b), 8(c) und 8(d) zeigen Ausführungsformen, die ein zusätzliches Bauelement, d. h. eine Zwischenschicht 170, aufweisen. 8(a) und 8(d) zeigen, dass die Zwischenschicht 170 in dem Durchgangsloch h zwischen der Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial und der Auswahlvorrichtungsschicht 160 gebildet ist. In einigen Ausführungsformen ist die Zwischenschicht 170 aus Kohlenstoff und Wolfram gebildet und wirkt, um Materialdiffusion in die Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial und deren Verunreinigung zu verhindern. 8(a) zeigt indes die zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial, die zwischen dem zweiten Heizelement 140' von der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht 160' gebildet ist. 8(b) zeigt, dass die zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial über dem zweiten Heizelement 140' zwischen dem zweiten Heizelement 140' und der oberen Elektrode 120' gebildet ist. In Abhängigkeit von der Wärmeübertragungsrichtung kann eine von den Ausführungsformen von 8(a) und 8(d) die Gesamteffizienz der PCRAM-Vorrichtung verbessern.
  • 8(b) und 8(c) zeigen andere Ausführungsformen, die zweite Zwischenschichten 170' aufweisen, die in dem zweiten Durchgangsloch h' gebildet sind. 8(b) zeigt die zweite Zwischenschicht 170', die in einigen Ausführungsformen zwischen der zweiten Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial und der oberen Elektrode 120' gebildet ist, um zu verhindern, dass Materialdiffusion von der oberen Elektrode 120' in die zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial die zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial verunreinigt und deren Eigenschaft ändert. 8(c) zeigt die zweite Zwischenschicht 170', die in einigen Ausführungsformen zwischen der zweiten Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial und der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht 160' gebildet ist, um zu verhindern, dass Materialdiffusion von der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht 160' in die zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial die zweite Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial verunreinigt und deren Eigenschaft ändert. In einigen Ausführungsformen können die Zwischenschichten 170 und 170' durch irgendeine chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition - CVD), Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition - PLD), Sputtern, Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) oder irgendeinen anderes Dünnschicht-Abscheidungsverfahren gebildet werden.
  • 9(a) bis 9(f), 10(a) bis 10(i), 11(a) bis 11(h) und 12(a) bis 12(g) zeigen die verschiedenen Fertigungsarbeitsvorgänge zur Herstellung von PCRAMs gemäß den vorhergehenden Ausführungsformen. Es versteht sich, dass zusätzliche Arbeitsvorgänge vor, während und nach den in 9(a) bis 9(f), 10(a) bis 10(i), 11(a) bis 11(h) und 12(a) bis 12(g) gezeigten Prozessen bereitgestellt werden können und einige der in der Folge beschriebenen Arbeitsvorgänge für zusätzliche Ausführungsformen der Verfahren ersetzt oder beseitigt werden können. Die Reihenfolge der Arbeitsvorgänge/Prozesse kann austauschbar sein.
  • 9(a) zeigt einen Arbeitsvorgang zur Bildung einer unteren Elektrode 120 über einem Substrat 100. In einigen Ausführungsformen ist das Substrat 100 irgendein Substrat, das für eine elektronische Speichervorrichtung verwendet werden kann, das ein monokristallines Halbleitermaterial, wie beispielsweise Si, Ge, SiGe, GaAs, InSb, GaP, GaSb, InAlAs, InGaAs, GaSbP, GaAsSb und InP umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist. In bestimmten Ausführungsformen ist das Substrat 100 aus kristallinem Si hergestellt. In einigen Ausführungsformen wird die untere Elektrode 120 durch Aufdampfen oder irgendein Gasphasenabscheidungsverfahren, wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition - CVD), Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition - PLD), Sputtern, Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) oder irgendein anderes Dünnschicht-Abscheidungsverfahren gebildet. Die untere Elektrode 120 kann durch Strukturieren der gebildeten Schicht unter Verwendung von Maskierungs- und Ätzprozessen, wie beispielsweise UV-Photolithographie, gebildet werden. Zur Verbesserung der Isolationseigenschaft zwischen den PCRAM-Vorrichtungen oder Zellen, wird eine Isolationsschicht aus z. B. Siliziumoxid (durch Oxidation oder irgendein Dünnschicht-Abscheidungsverfahren) über dem Substrat 100 (nicht gezeigt) gebildet, bevor die untere Elektrode 120 auf dem Substrat 100 gebildet wird.
  • 9(b) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer Isolationsschicht 150 über der unteren Elektrode 120. Die Isolationsschicht 150 ist ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxinitrid (SiON), SiOCN, SiCN, Al2O3, fluor-dotiertem Silikatglas (FSG), einem Low-k-Dielektrikum oder anderen geeigneten dielektrischen Materialien besteht, die bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen wird die Isolationsschicht 150 zum Beispiel durch chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition - CVD), wie beispielsweise Tiefdruck-Gasphasenabscheidung (Low-Pressure Chemical Vapor Deposition - LPCVD), Plasma-CVD oder fließfähige CVD, Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition - PLD), Sputtern, Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) oder irgendein anderes Dünnschicht-Abscheidungsverfahren gebildet.
  • 9(c) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer strukturierten Photoresist-Schicht 200 über der Isolationsschicht 150. 9(d) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Ätzen der Isolationsschicht 150 unter Verwendung von isotropem Ätzen, Nassätzen und/oder Trockenätzen. Das Ätzen bildet ein Durchgangsloch h, das eine Breite von etwa 10 nm aufweist, in der Isolationsschicht 150, wodurch die untere Elektrodenschicht 120 freigelegt wird.
  • 9(e) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden eines Heizelements 140 in dem Durchgangsloch h. Das Heizelement 140 wird in einigen Ausführungsformen durch Abscheiden einer Metalllegierungsschicht über der Isolationsschicht 150, gefolgt von einem chemischmechanischen Polieren (CMP), gebildet, derart, dass die Oberfläche des Heizelements 140 koplanar mit der Oberfläche der Isolationsschicht 150 ist. Die Heizelementschicht 140, die in 9(e) gebildet ist, wird ferner geätzt, um die Dicke in dem Durchgangsloch h zu verringern, d. h. die Ausführungsformen in 9(f) und 9(g) zu bilden.
  • Die Ausführungsform in 9(e) wird in einigen Ausführungsformen durch die Verarbeitung in 10(a) fortgesetzt, um eine gestapelte PCRAM-Vorrichtung zu bilden, die in 10(i) gezeigt ist. 10(a) zeigt die Ausführungsform, die in 9(e) bildlich dargestellt ist. 10(b) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer strukturierten Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial über dem Heizelement 140 durch ein oder mehrere Dünnschichtabscheidungs- und Strukturierungsverfahren. 10(c) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer strukturierten Auswahlvorrichtungsschicht 160 durch ein oder mehrere Dünnschichtabscheidungs- und Strukturierungsverfahren. 10(d) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer Metallschicht 110 über der Auswahlvorrichtungsschicht 160 durch ein Dünnschichtabscheidungs- und Strukturierungsverfahren. Alternativ werden die drei Schichten 130, 160 und 110 in anderen Ausführungsformen zusammen durch Bilden der drei Schichten und anschließendes Strukturieren der drei Schichten in einem einzigen Schritt gebildet. 10(e) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden und Strukturieren der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht 160' und der zweiten Schicht 130' aus Phasenwechselmaterial über der Metallschicht 110. In einigen Ausführungsformen werden die Schichten 130, 160, 110, 160' und 130' durch mehr als einen Ätzprozess strukturiert. 10(f) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden der Isolationsschicht 150'. 10(g) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden eines zweiten Durchgangslochs h' durch Bilden der Photoresist-Schicht und Ätzen einer Isolationsschicht 150''. In einigen Ausführungsformen werden die Isolationsschichten 150' und 150'' anstatt von zwei Schichten, die in zwei getrennten Arbeitsvorgängen gebildet werden, als eine Schicht in einem Arbeitsvorgang gebildet. Das Durchgangsloch h' wird anschließend durch Ätzen der einen Isolationsschicht gebildet. In einigen Ausführungsformen werden die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' aus den gleichen Materialien, wie oben beschrieben, gebildet. 10(h) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden eines zweiten Heizelements 140'. 10(i) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer oberen Elektrode 120'. Auf diese Weise umschließen in der gebildeten Vorrichtung in 10(i) die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' zusammen mit der oberen Elektrode 120' und der unteren Elektrode 120 die anderen Bauelemente in dieser Vorrichtung, wodurch bessere elektrische und thermische Isolationseigenschaften bereitgestellt und thermische und Kreuzkopplungsstörungen verringert werden.
  • Die Verarbeitung der Ausführungsform in 9(f) wird in einigen Ausführungsformen in 11(a) fortgesetzt, um die Ausführungsform in 11(h) zu bilden und die Verarbeitung der Ausführungsform in 9(g) wird in einigen Ausführungsformen in 12(a) fortgesetzt, um die Ausführungsform in 12(g) zu bilden. 11(a) zeigt die Ausführungsform, die in 9(f) bildlich dargestellt ist. 11(b) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial in dem Durchgangsloch h und über dem Heizelement 140 durch ein oder mehrere Dünnschichtabscheidungsverfahren. 11(c) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer strukturierten Auswahlvorrichtungsschicht 160 und einer Metallschicht 110 durch ein oder mehrere Dünnschichtabscheidungs- und Strukturierungsverfahren. 11(d) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer zweiten Auswahlvorrichtungsschicht 160' durch ein oder mehrere Dünnschichtabscheidungs- und Strukturierungsverfahren. Alternativ werden in anderen Ausführungsformen die drei Schichten 160, 110 und 160' durch Dünnschichtabscheidungsverfahren gebildet und dann zusammen unter Verwendung eines Strukturierungsverfahrens strukturiert. 11(e) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden der Isolationsschicht 150'. 11(f) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden eines zweiten Durchgangslochs h'. Das zweite Durchgangsloch h' wird in einigen Ausführungsformen durch Photolithographie- und Ätzarbeitsvorgänge gebildet. In einigen Ausführungsformen werden die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' aus dem gleichen Material, wie oben beschrieben, gebildet. Auch werden die Isolationsschichten 150' und 150'' in einigen Ausführungsformen als eine Schicht in einem Arbeitsvorgang gebildet. 11(g) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden eines zweiten Heizelements 140' in dem zweiten Durchgangsloch h'. 11(h) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer oberen Elektrode 120'. Auf diese Weise umschließen in der gebildeten Vorrichtung in 11(h) die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' zusammen mit der oberen Elektrode 120' und der unteren Elektrode 120 die anderen Bauelemente in dieser Vorrichtung, wodurch bessere elektrische und thermische Isolationseigenschaften bereitgestellt und thermische und Kreuzkopplungsstörungen verringert werden.
  • 12(a) zeigt die Ausführungsform, die in 9(g) bildlich dargestellt ist. 12(b) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer ersten Schicht 130 aus Phasenwechselmaterial und einer ersten Auswahlvorrichtungsschicht 160 in dem Durchgangsloch h und über dem Heizelement 140 durch ein oder mehrere Dünnschichtabscheidungs- und Strukturierungsverfahren. 12(c) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer strukturierten Metallschicht 110 und einer strukturierten zweiten Auswahlvorrichtungsschicht 160' durch ein oder mehrere Dünnschichtabscheidungs- und Strukturierungsverfahren. Alternativ werden in anderen Ausführungsformen die Schichten 110 und 160' gebildet und dann zusammen unter Verwendung eines Strukturierungsverfahrens strukturiert. 12(d) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden der Isolationsschicht 150'. 12(e) zeigt einen anderen Arbeitsvorgang zum Bilden eines zweiten Durchgangslochs h' in der Isolationsschicht 150'' unter Verwendung von Photolithographie- und Ätzarbeitsvorgängen in einigen Ausführungsformen. In einigen Ausführungsformen werden die Isolationsschichten 150' und 150'' als eine Schicht gebildet, die in einem einzigen Arbeitsvorgang gebildet wird. 12(f) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden eines zweiten Heizelements 140' in dem zweiten Durchgangsloch h'. 12(g) zeigt einen Arbeitsvorgang zum Bilden einer oberen Elektrode 120'. In einigen Ausführungsformen werden die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' aus den gleichen Materialien, wie oben beschrieben, gebildet. Auf diese Weise umschließen in der Vorrichtung in 12(h) die Isolationsschichten 150, 150' und 150'' zusammen mit der oberen Elektrode 120' und der unteren Elektrode 120 die anderen Bauelemente in dieser Vorrichtung, wodurch bessere elektrische und thermische Isolationseigenschaften bereitgestellt und thermische und Kreuzkopplungsstörungen verringert werden.
  • 13 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren umfasst die Arbeitsvorgänge S131: Bilden einer unteren Elektrode über einem Substrat, S132: Bilden einer Isolationsschicht über der unteren Elektrode, S133: Bilden eines Durchgangslochs in der Isolationsschicht, S134: Bilden eines Heizelements in dem Durchgangsloch, S135: Bilden einer Schicht aus Phasenwechselmaterial über dem Heizelement, S136: Bilden einer Auswahlvorrichtungsschicht über der Schicht aus Phasenwechselmaterial, und S137: Bilden einer Metallschicht über der Auswahlvorrichtungsschicht. Insbesondere kann der Arbeitsvorgang S135 das Bilden der Schicht aus Phasenwechselmaterial über der Isolationsschicht und über dem Heizelement oder das Bilden der Schicht aus Phasenwechselmaterial in dem Durchgangsloch der Isolationsschicht und über dem Heizelement umfassen. Auch kann der Arbeitsvorgang S136 das Bilden der Auswahlvorrichtungsschicht über der Isolationsschicht und über dem Heizelement oder das Bilden der Auswahlvorrichtungsschicht in dem Durchgangsloch der Isolationsschicht und über dem Heizelement umfassen. Die Prozessbedingungen von jedem Arbeitsvorgang umfassen die Details der hier offenbarten Ausführungsformen.
  • Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Speichervorrichtung, die ein Substrat, eine untere Elektrode, die über dem Substrat angeordnet ist, und eine Isolationsschicht, die über der unteren Elektrode angeordnet ist. Die Isolationsschicht weist ein Durchgangsloch auf, das in der Isolationsschicht definiert ist. In dem Durchgangsloch ist ein Heizelement angeordnet. Über dem Heizelement ist eine Schicht aus Phasenwechselmaterial angeordnet. Eine Auswahlvorrichtungsschicht ist über der Schicht aus Phasenwechselmaterial angeordnet und eine Metallschicht ist über der Auswahlvorrichtungsschicht angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die Metallschicht gebildet, um breiter als die Schicht aus Phasenwechselmaterial zu sein. In einigen Ausführungsformen ist die Schicht aus Phasenwechselmaterial in dem Durchgangsloch gebildet. In einigen Ausführungsformen ist die Auswahlvorrichtungsschicht in dem Durchgangsloch angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist eine Zwischenschicht zwischen der Schicht aus Phasenwechselmaterial und der Auswahlvorrichtungsschicht in der Speichervorrichtung umfasst. In einigen Ausführungsformen ist die Zwischenschicht aus einem von Kohlenstoff und Wolfram gebildet. In einigen Ausführungsformen wirkt die Metallschicht als eine obere Elektrode.
  • Eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Speichervorrichtung, die ein Substrat, eine untere Elektrode, die über dem Substrat angeordnet ist, und ein erstes Heizelement aufweist, das über der unteren Elektrode angeordnet ist. Über dem ersten Heizelement ist eine erste Schicht aus Phasenwechselmaterial angeordnet. Über der ersten Schicht aus Phasenwechselmaterial ist eine erste Auswahlvorrichtungsschicht angeordnet. Eine Metallschicht ist über der ersten Auswahlvorrichtungsschicht angeordnet. Eine zweite Auswahlvorrichtungsschicht ist über der Metallschicht angeordnet. Ein zweites Heizelement und eine zweite Schicht aus Phasenwechselmaterial sind über der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht angeordnet. Eine obere Elektrode ist über dem zweiten Heizelement und der zweiten Schicht aus Phasenwechselmaterial angeordnet und eine Isolationsschicht zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode umschließt mit der unteren und der oberen Elektrode das erste und das zweite Heizelement, die erste und die zweite Auswahlvorrichtungsschicht, die erste und die zweite Schicht aus Phasenwechselmaterial und die Metallschicht. In einigen Ausführungsformen ist die Metallschicht gebildet, um breiter als die erste Schicht aus Phasenwechselmaterial zu sein. In einigen Ausführungsformen ist das zweite Heizelement über der zweiten Schicht aus Phasenwechselmaterial angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist zweite Schicht aus Phasenwechselmaterial über dem zweiten Heizelement angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Auswahlvorrichtungsschicht gebildet, um breiter als die erste Auswahlvorrichtungsschicht zu sein. In einigen Ausführungsformen ist eine Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht aus Phasenwechselmaterial und der ersten Auswahlvorrichtungsschicht angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die Zwischenschicht aus einem von Kohlenstoff und Wolfram gebildet.
  • Eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Bildung einer Speichervorrichtung. Das Verfahren umfasst das Bilden einer unteren Elektrode über einem Substrat, das Bilden einer Isolationsschicht über der unteren Elektrode und das Bilden eines Durchgangslochs in der Isolationsschicht. In dem Durchgangsloch wird ein Heizelement gebildet. Über dem Heizelement wird eine Schicht aus Phasenwechselmaterial gebildet. Eine Auswahlvorrichtungsschicht wird über der Schicht aus Phasenwechselmaterial gebildet und eine Metallschicht wird über der Auswahlvorrichtungsschicht gebildet. In einigen Ausführungsformen ist die Metallschicht gebildet, um breiter als die Schicht aus Phasenwechselmaterial zu sein. In einigen Ausführungsformen wird die Schicht aus Phasenwechselmaterial in dem Durchgangsloch gebildet. In einigen Ausführungsformen ist die Auswahlvorrichtungsschicht in dem Durchgangsloch angeordnet. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Bilden einer zweiten Auswahlvorrichtungsschicht über der Metallschicht, das Bilden eines zweiten Heizelements und einer zweiten Schicht aus Phasenwechselmaterial über der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht und das Bilden einer oberen Elektrode über dem zweiten Heizelement und der zweiten Schicht aus Phasenwechselmaterial, wobei die Isolationsschicht zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode mit der unteren und der oberen Elektrode die Heizelemente, die Auswahlvorrichtungsschichten, die Schichten aus Phasenwechselmaterial und die Metallschicht umschließt. In einigen Ausführungsformen werden die Auswahlvorrichtungsschichten gebildet, um unterschiedliche Breiten aufzuweisen.
  • Vorhergehend wurden Merkmale von mehreren Ausführungsformen oder Beispielen dargestellt, derart, dass der Fachmann die Gesichtspunkte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Der Fachmann sollte verstehen, dass die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Grundlage zum Entwerfen oder Abwandeln anderer Prozesse und Strukturen dienen kann, um die gleichen Zwecke durchzuführen und/oder die gleichen Vorteile von hier eingeführten Ausführungsformen oder Beispielen zu erreichen. Der Fachmann sollte auch verstehen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass er verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen daran vornehmen kann, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung 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 62592964 [0001]

Claims (20)

  1. Speichervorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Substrat; eine untere Elektrode, die über dem Substrat angeordnet ist; eine Isolationsschicht, die über der unteren Elektrode angeordnet ist, wobei die Isolationsschicht ein Durchgangsloch (h) aufweist, das in der Isolationsschicht gebildet ist; ein Heizelement, das in dem Durchgangsloch (h) angeordnet ist; eine Schicht aus Phasenwechselmaterial, die über dem Heizelement angeordnet ist; eine Auswahlvorrichtungsschicht, die über der Schicht aus Phasenwechselmaterial angeordnet ist; und eine Metallschicht, die über der Auswahlvorrichtungsschicht angeordnet ist.
  2. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht breiter als die Schicht aus Phasenwechselmaterial ist.
  3. Speichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht aus Phasenwechselmaterial in dem Durchgangsloch (h) angeordnet ist.
  4. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswahlvorrichtungsschicht in dem Durchgangsloch (h) angeordnet ist.
  5. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner Folgendes umfasst: eine Zwischenschicht zwischen der Schicht aus Phasenwechselmaterial und der Auswahlvorrichtungsschicht.
  6. Speichervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Zwischenschicht aus mindestens einem von Kohlenstoff und Wolfram gebildet ist.
  7. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht als eine obere Elektrode wirkt.
  8. Speichervorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Substrat; eine untere Elektrode, die über dem Substrat angeordnet ist; ein erstes Heizelement, das über der unteren Elektrode angeordnet ist; eine erste Schicht aus Phasenwechselmaterial, die über dem ersten Heizelement angeordnet ist; eine erste Auswahlvorrichtungsschicht, die über der ersten Schicht aus Phasenwechselmaterial angeordnet ist; eine Metallschicht, die über der ersten Auswahlvorrichtungsschicht angeordnet ist; eine zweite Auswahlvorrichtungsschicht, die über der Metallschicht angeordnet ist; ein zweites Heizelement und eine zweite Schicht aus Phasenwechselmaterial, die über der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht angeordnet sind; eine obere Elektrode, die über dem zweiten Heizelement und der zweiten Schicht aus Phasenwechselmaterial gebildet ist; und eine Isolationsschicht zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode, die mit der unteren und der oberen Elektrode das erste und das zweite Heizelement, die erste und die zweite Auswahlvorrichtungsschicht, die erste und die zweite Schicht aus Phasenwechselmaterial und die Metallschicht umschließt.
  9. Speichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Metallschicht breiter als die erste Schicht aus Phasenwechselmaterial ist.
  10. Speichervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei das zweite Heizelement über der zweiten Schicht aus Phasenwechselmaterial gebildet ist.
  11. Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die zweite Schicht aus Phasenwechselmaterial über dem zweiten Heizelement angeordnet ist.
  12. Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die zweite Auswahlvorrichtungsschicht breiter als die erste Auswahlvorrichtungsschicht ist.
  13. Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, die ferner Folgendes umfasst: eine Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht aus Phasenwechselmaterial und der ersten Auswahlvorrichtungsschicht.
  14. Speichervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Zwischenschicht aus mindestens einem von Kohlenstoff und Wolfram gebildet ist.
  15. Verfahren zum Herstellen einer Speichervorrichtung, das Folgendes umfasst: Bilden einer unteren Elektrode über einem Substrat; Bilden einer Isolationsschicht über der unteren Elektrode; Bilden eines Durchgangslochs (h) in der Isolationsschicht; Bilden eines Heizelements in dem Durchgangsloch (h); Bilden einer Schicht aus Phasenwechselmaterial über dem Heizelement; Bilden einer Auswahlvorrichtungsschicht über der Schicht aus Phasenwechselmaterial; und Bilden einer Metallschicht über der Auswahlvorrichtungsschicht.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Metallschicht derart gebildet wird, dass sie breiter als die Schicht aus Phasenwechselmaterial ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Schicht aus Phasenwechselmaterial in dem Durchgangsloch (h) gebildet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Auswahlvorrichtungsschicht in dem Durchgangsloch (h) angeordnet wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, das ferner Folgendes umfasst: Bilden einer zweiten Auswahlvorrichtungsschicht über der Metallschicht; Bilden eines zweiten Heizelements und einer zweiten Schicht aus Phasenwechselmaterial über der zweiten Auswahlvorrichtungsschicht; und Bilden einer oberen Elektrode über dem zweiten Heizelement und der zweiten Schicht aus Phasenwechselmaterial, wobei die Isolationsschicht zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode mit der unteren und der oberen Elektrode die Heizelemente, die Auswahlvorrichtungsschichten, die Schichten aus Phasenwechselmaterial und die Metallschicht umschließt.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Auswahlvorrichtungsschichten mit unterschiedlichen Breiten gebildet werden.
DE102018106929.4A 2017-11-30 2018-03-23 PCRAM-Struktur mit Auswahlvorrichtung Pending DE102018106929A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762592964P 2017-11-30 2017-11-30
US62/592,964 2017-11-30
US15/885,001 2018-01-31
US15/885,001 US11152569B2 (en) 2017-11-30 2018-01-31 PCRAM structure with selector device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018106929A1 true DE102018106929A1 (de) 2019-06-06

Family

ID=66634091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018106929.4A Pending DE102018106929A1 (de) 2017-11-30 2018-03-23 PCRAM-Struktur mit Auswahlvorrichtung

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11152569B2 (de)
KR (1) KR102254854B1 (de)
CN (1) CN109860387B (de)
DE (1) DE102018106929A1 (de)
TW (1) TWI699873B (de)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11233090B2 (en) * 2017-09-27 2022-01-25 Intel Corporation Double selector element for low voltage bipolar memory devices
US10522590B2 (en) * 2018-03-14 2019-12-31 Avalanche Technology, Inc. Magnetic memory incorporating dual selectors
US11031689B2 (en) 2018-08-14 2021-06-08 Newport Fab, Llc Method for rapid testing of functionality of phase-change material (PCM) radio frequency (RF) switches
US10978639B2 (en) 2018-08-14 2021-04-13 Newport Fab, Llc Circuits for reducing RF signal interference and for reducing DC power loss in phase-change material (PCM) RF switches
US10862477B2 (en) 2018-08-14 2020-12-08 Newport Fab, Llc Read out integrated circuit (ROIC) for rapid testing of functionality of phase-change material (PCM) radio frequency (RF) switches
US10615338B2 (en) 2018-08-14 2020-04-07 Newport Fab, Llc Phase-change material (PCM) contacts with slot lower portions and contact dielectric for reducing parasitic capacitance and improving manufacturability in PCM RF switches
US10916540B2 (en) 2018-08-14 2021-02-09 Newport Fab, Llc Device including PCM RF switch integrated with group III-V semiconductors
US10770389B2 (en) 2018-08-14 2020-09-08 Newport Fab, Llc Phase-change material (PCM) radio frequency (RF) switches with capacitively coupled RF terminals
US10862032B2 (en) 2018-08-14 2020-12-08 Newport Fab, Llc Phase-change material (PCM) radio frequency (RF) switch
US11050022B2 (en) 2018-08-14 2021-06-29 Newport Fab, Llc Radio frequency (RF) switches having phase-change material (PCM) and heat management for increased manufacturability and performance
US10937960B2 (en) 2018-08-14 2021-03-02 Newport Fab, Llc Concurrent fabrication of and structure for capacitive terminals and ohmic terminals in a phase-change material (PCM) radio frequency (RF) switch
US11031555B2 (en) 2018-08-14 2021-06-08 Newport Fab, Llc Power handling improvements for phase-change material (PCM) radio frequency (RF) switch circuits
US10686130B2 (en) * 2018-08-14 2020-06-16 Newport Fab, Llc Phase-change material (PCM) contact configurations for improving performance in PCM RF switches
US11158794B2 (en) 2018-08-14 2021-10-26 Newport Fab, Llc High-yield tunable radio frequency (RF) filter with auxiliary capacitors and non-volatile RF switches
US10944052B2 (en) 2018-08-14 2021-03-09 Newport Fab, Llc Phase-change material (PCM) radio frequency (RF) switch using a chemically protective and thermally conductive layer
US11196401B2 (en) 2018-08-14 2021-12-07 Newport Fab, Llc Radio frequency (RF) module using a tunable RF filter with non-volatile RF switches
CN112018232A (zh) * 2019-05-31 2020-12-01 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种选通管材料及包含选通管材料的选通管单元
CN111146339B (zh) * 2019-12-19 2023-01-31 上海集成电路研发中心有限公司 一种相变存储器单元及其制备方法
FR3107138B1 (fr) * 2020-02-06 2022-02-11 Commissariat Energie Atomique Cellule mémoire à changement de phase
JP2021150390A (ja) * 2020-03-17 2021-09-27 キオクシア株式会社 記憶装置
US11411180B2 (en) 2020-04-28 2022-08-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Phase-change memory device and method
CN113517393B (zh) * 2020-04-28 2024-05-28 台湾积体电路制造股份有限公司 相变存储器件及其形成方法
CN111969107A (zh) * 2020-08-25 2020-11-20 长江存储科技有限责任公司 相变存储器及其制造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016114156A1 (de) * 2015-10-27 2017-04-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Speichervorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben
US20170250222A1 (en) * 2016-02-25 2017-08-31 Samsung Electronics Co., Ltd. Variable resistance memory devices

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050028015A (ko) * 2002-07-12 2005-03-21 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 텅스텐 질소화물의 증기 증착
DE60307646T2 (de) * 2002-07-24 2007-08-09 Koninklijke Philips Electronics N.V. Mehrfach gestapelter optischer aufzeichnungsträger, welcher eine thermochrome schicht enthält
US6980507B2 (en) * 2002-08-30 2005-12-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Luminescence-phase change based data storage
US7084024B2 (en) * 2004-09-29 2006-08-01 International Business Machines Corporation Gate electrode forming methods using conductive hard mask
EP1677371A1 (de) * 2004-12-30 2006-07-05 STMicroelectronics S.r.l. Zweiteiliger Widerstandsheizer für Phasenwechselspeicher und Herstellungsmethode
US7259038B2 (en) * 2005-01-19 2007-08-21 Sandisk Corporation Forming nonvolatile phase change memory cell having a reduced thermal contact area
US20070052009A1 (en) * 2005-09-07 2007-03-08 The Regents Of The University Of California Phase change memory device and method of making same
DE602005021382D1 (de) * 2005-12-23 2010-07-01 St Microelectronics Srl Verfahren zur Herstellung eines Auswahl-Bauelements mit reduziertem Leckstrom, sowie ein Auswahl-Bauelement, insbesondere für Phasenwechsel-Speicher
KR100718156B1 (ko) * 2006-02-27 2007-05-14 삼성전자주식회사 상전이 메모리 소자 및 그 제조방법
US20070292985A1 (en) * 2006-06-16 2007-12-20 Yuegang Zhang Phase change memory with nanofiber heater
KR100861296B1 (ko) 2006-09-27 2008-10-01 주식회사 하이닉스반도체 컨파인드 셀 구조를 갖는 상변환 기억 소자 및 그의제조방법
KR100809437B1 (ko) 2006-12-05 2008-03-05 한국전자통신연구원 상부 전극층과 상변화층 사이에 차폐층을 갖는 상변화메모리 소자 및 그 제조 방법
KR100896180B1 (ko) * 2007-01-23 2009-05-12 삼성전자주식회사 선택적으로 성장된 상변화층을 구비하는 상변화 메모리소자 및 그 제조방법
US7704788B2 (en) * 2007-04-06 2010-04-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Methods of fabricating multi-bit phase-change memory devices and devices formed thereby
KR20090009459A (ko) * 2007-07-20 2009-01-23 주식회사 하이닉스반도체 상변화 기억 소자 및 그 제조방법
JP2009267219A (ja) * 2008-04-28 2009-11-12 Hitachi Ltd 半導体記憶装置およびその製造方法
KR20110015934A (ko) * 2009-08-10 2011-02-17 삼성전자주식회사 비휘발성 메모리 장치 및 이의 프로그램 방법
CN102610749B (zh) * 2011-01-25 2014-01-29 中国科学院微电子研究所 阻变型随机存储单元及存储器
US8486743B2 (en) * 2011-03-23 2013-07-16 Micron Technology, Inc. Methods of forming memory cells
US9425237B2 (en) * 2014-03-11 2016-08-23 Crossbar, Inc. Selector device for two-terminal memory
US9613689B1 (en) * 2016-07-08 2017-04-04 Sandisk Technologies Llc Self-selecting local bit line for a three-dimensional memory array

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016114156A1 (de) * 2015-10-27 2017-04-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Speichervorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben
US20170250222A1 (en) * 2016-02-25 2017-08-31 Samsung Electronics Co., Ltd. Variable resistance memory devices

Also Published As

Publication number Publication date
CN109860387B (zh) 2022-11-01
CN109860387A (zh) 2019-06-07
KR102254854B1 (ko) 2021-05-26
TW201926638A (zh) 2019-07-01
US11152569B2 (en) 2021-10-19
KR20190064390A (ko) 2019-06-10
TWI699873B (zh) 2020-07-21
US20190165264A1 (en) 2019-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102018106929A1 (de) PCRAM-Struktur mit Auswahlvorrichtung
EP1708292B1 (de) Anschlusselektrode für Phasen-Wechsel-Material, zugehöriges Phasen-Wechsel-Speicherelement sowie zugehöriges Herstellungsverfahren
DE102019126918A1 (de) Phasenübergangsspeicher und herstellungsverfahren
DE60216708T2 (de) Speicherzellestruktur
DE102007040826B9 (de) Integrierter Schaltkreis mit einer Zelle mit einer Schicht veränderbarer Resistivität und Verfahren zur Herstellung
DE60032129T2 (de) Elektrisch programmierbares speicherelement mit verbesserten kontakten
TWI497706B (zh) 具有自動對準底電極和二極體存取裝置之蕈狀記憶胞
DE112011101925T5 (de) Integration eines Phasenwechselspeicherprozesses mit einer Maske
DE102008041810A1 (de) Phasenwechselspeicherbauelement für eine Mehr-Bit-Speicherung
DE10343209A1 (de) Speicher- und Zugriffsbauelemente und Verfahren zu deren Herstellung
DE102007017252A1 (de) Phasenwechselspeicher
DE112010004406B4 (de) Phasenwechsel-Speichervorrichtung geeignet zum Betrieb bei hoher Temperatur und Verfahren zum Betreiben derselben
DE102022100084A1 (de) Zugangstransistor mit einer metalloxidsperrschicht und verfahren zu dessen herstellung
DE102021110683A1 (de) Speicherzellenbauelement mit dünnschichttransistor-auswahleinrichtung und verfahren zum bilden desselben
DE102021119389B4 (de) Halbleiterspeichervorrichtungen und derenherstellungsverfahren
US11538861B2 (en) Variable resistance memory device
DE112021005571T5 (de) Phasenwechselspeicherzelle mit einem projektions-liner
DE102020104126A1 (de) Erzeugung selbstausgerichteter heizelemente für pcram
DE112008001618B4 (de) Elektronisches Bauteil und Verfahren zum Herstellen eines solchen
DE102020107107A1 (de) Diffusionssperrschicht in programmierbarer metallisierungszelle
DE112021005680T5 (de) Phasenwechselspeicherzelle
DE112021007784T5 (de) Resistive random access memory (rram-) zellen und konstruktionsverfahren
DE102020100126B3 (de) Integrierter Schaltkreis mit zumindest einem Feldeffekttransistor und einer Metall-Ferroelektrikum-Metall-Struktur
DE102023112038A1 (de) Phasenwechselvorrichtungsstruktur
DE102007054641A1 (de) Integrierter Schaltkreis mit Speicherzellen, und Verfahren zur Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01L0027240000

Ipc: H10B0063000000

R016 Response to examination communication