DE102021111157A1 - Halbleitende metalloxid-speichervorrichtung mit wasserstoff-vermittelter schwellspannungsmodulation und deren herstellungsverfahren - Google Patents

Halbleitende metalloxid-speichervorrichtung mit wasserstoff-vermittelter schwellspannungsmodulation und deren herstellungsverfahren Download PDF

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Marcus Johannes Henricus Van Dal
Gerben Doornbos
Georgios VALLIANITIS
Blandine Duriez
Mauricio Manfrini
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Abstract

Eine Speichervorrichtung wird bereitgestellt, die eine erste Elektrode, einen Speicherschichtstapel, der mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht und mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht aufweist, und eine zweite Elektrode aufweisen kann. Eine Halbleitervorrichtung wird bereitgestellt, die eine halbleitende Metalloxidschicht mit einem Source-Bereich, einem Drain-Bereich und einem Kanalbereich, eine wasserstoffhaltige Metallschicht auf einer Oberfläche des Kanalbereichs und eine Gateelektrode auf der wasserstoffhaltigen Metallschicht aufweisen kann. Jede wasserstoffhaltige Metallschicht kann mindestens ein Metall, ausgewählt aus Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium, mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % enthalten und kann Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz von 0,001 % bis 10 % enthalten. Wasserstoffatome können reversibel in eine entsprechende halbleitende Metalloxidschicht imprägniert werden, um den spezifischen Widerstand zu ändern und ein Speicherbit zu kodieren.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung 63/045,353 mit dem Titel „Novel IGZO Based Memory Element including a H Reservoir“, eingereicht am 29. Juni 2020, deren gesamter Inhalt für alle Zwecke hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND
  • Da Halbleiterbauelemente immer kleiner werden, sind neue Arten von Halbleiterspeicherzellen gefragt, die eine hohe Lebensdauer bereitstellen und eine geringe Betriebsleistungsaufnahme benötigen.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung lassen sich am besten anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer ersten beispielhaften Struktur nach der Bildung von komplementären Metalloxid-Halbleitertransistoren (CMOS-Transistoren), Metall-Interconnect-Strukturen, die in Dielektrikumsmaterialschichten eingebettet sind, und einer Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 2 ist eine vertikale Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Struktur nach Bildung eines Arrays von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 3 ist eine vertikale Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Struktur nach Bildung einer ersten Elektrodenmaterialschicht, eines Speichermaterialschichtstapels und einer zweiten Elektrodenmaterialschicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 4 ist eine vertikale Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Struktur nach dem Strukturieren von Säulenstrukturen aufweisend eine erste Elektrode, einen Speicherschichtstapel und eine zweite Elektrode gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 5 ist eine vertikale Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Struktur nach Bildung von dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhaltern gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 6 ist eine vertikale Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Struktur nach Bildung einer Speicherebene-Dielektrikumschicht und Speicherebene-Metall-Interconnect-Strukturen und Planarisierung der oberen Elektroden gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 7 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer ersten alternativen Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 8 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer zweiten alternativen Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 9 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer dritten alternativen Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 10 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer vierten alternativen Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 11 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer fünften alternativen Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 12A ist eine vertikale Querschnittsansicht einer zweiten beispielhaften Struktur nach Bildung einer halbleitenden Metalloxidschicht über einer Dielektrikumsmaterialschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 12B ist eine Draufsicht der zweiten beispielhaften Struktur von 12A. Die vertikale Ebene A - A' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 12A.
    • 13A ist eine vertikale Querschnittsansicht der zweiten beispielhaften Struktur nach Bildung einer wasserstoffhaltigen Metallschicht und einer Gateelektrode über der halbleitenden Metalloxidschicht gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 13B ist eine Draufsicht der zweiten beispielhaften Struktur von 13A. Die vertikale Ebene A - A' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 13A.
    • 14A ist eine vertikale Querschnittsansicht der zweiten beispielhaften Struktur nach Bildung eines dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalters, eines Source-Bereichs und eines Drain-Bereichs gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 14B ist eine Draufsicht der zweiten beispielhaften Struktur von 14A. Die vertikale Ebene A - A' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 14A.
    • 15A ist eine vertikale Querschnittsansicht der zweiten beispielhaften Struktur nach Bildung einer Source-Kontakt-Durchkontaktierungsstruktur, einer Drain-Kontakt-Durchkontaktierungsstruktur und einer Gate-Kontakt-Durchkontaktierungsstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 15B ist eine Draufsicht der zweiten beispielhaften Struktur von 15A. Die vertikale Ebene A - A' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 15A.
    • 16A ist eine vertikale Querschnittsansicht einer ersten alternativen Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 16B ist eine Draufsicht der ersten alternativen Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur von 16A. Die vertikale Ebene A - A' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 16A.
    • 17A ist eine vertikale Querschnittsansicht einer zweiten alternativen Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 17B ist eine Draufsicht der zweiten alternativen Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur von 17A. Die vertikale Ebene A - A' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 17A.
    • 18A ist eine vertikale Querschnittsansicht einer dritten alternativen Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 18B ist eine Draufsicht der dritten alternativen Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur von 18A. Die vertikale Ebene A - A' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 18A.
    • 19A ist eine vertikale Querschnittsansicht einer vierten alternativen Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 19B ist eine Draufsicht der vierten alternativen Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur von 19A. Die vertikale Ebene A - A' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 19A.
    • 20 ist ein Flussdiagramm, das allgemeine Verarbeitungsschritte der Verfahren zur Herstellung einer Speichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
    • 21 ist ein Flussdiagramm, das allgemeine Verarbeitungsschritte der Verfahren zur Herstellung eine Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
    • 22 ist ein Flussdiagramm, das allgemeine Schritte zum Betrieb einer Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung bietet viele verschiedene Ausführungsformen und Beispiele für die Implementierung verschiedener Merkmale des hierin bereitgestellten Gegenstands. Zur Vereinfachung der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden spezifische Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben. Dies sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht einschränkend sein. Zum Beispiel kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal gegebenenfalls nicht in direktem Kontakt stehen. Ferner können Bezugszeichen in den verschiedenen Beispielen der vorliegenden Offenbarung wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und schreibt nicht grundsätzlich eine Beziehung zwischen den verschiedenen diskutierten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Des Weiteren können hier zur Vereinfachung der Beschreibung räumlich relative Begriffe wie „unter“, „unterhalb“, „unten“, „über“, „auf“, „oberhalb“, „oben“ und dergleichen verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal wie in den Zeichnungen dargestellt zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen neben der in den Zeichnungen dargestellten Ausrichtung auch andere Ausrichtungen der Vorrichtung während Benutzung oder Betrieb umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlich relativen Bezeichnungen können ebenfalls entsprechend interpretiert werden.
  • Hydride aller Übergangsmetalle wurden bislang erfolgreich synthetisiert, mit der Ausnahme derjenigen der vier Platinmetalle und Wolfram, wie in V. Antonov et al. „The Solubility of Hydrogen in the Platinum Metals under High Pressure, Platinum Metals Rev.", 1984, 28 (4) 158 beschrieben. Die „Platinmetalle“ beziehen sich auf Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium. Was die Platinmetalle angeht, gab es zahlreiche Versuche, Platin-, Iridium-, Osmium- und Rutheniumhybride zu synthetisieren, aber das Scheitern, die Platinmetalle zu synthetisieren, ist auf ihre geringe Aufnahmefähigkeit von Wasserstoff in ihre Gitter zurückzuführen. Diese Inertheit oder Resistenz gegenüber der Wasserstoffaufnahme ist dadurch gekennzeichnet, dass, obwohl das chemische Potenzial des in Metall gelösten Wasserstoffs sehr hoch sein kann, die Löslichkeiten von Wasserstoff, die äquivalent hohen äußeren Drücken von Wasserstoffgas entsprechen, im Allgemeinen sehr niedrig sind.
  • Somit kann ein Wasserstoffatom in den Platinmetallen (d.h. Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium) vorhanden sein, ohne dass Hydride gebildet werden. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erkennen, dass Wasserstoff in einer relativ hohen atomaren Konzentration in einer wasserstoffhaltigen Metallschicht gespeichert werden kann, die Platin, Iridium, Osmium und/oder Ruthenium enthält und zu einer halbleitende Metalloxidschicht benachbart ist. Wasserstoff kann reversibel in eine halbleitende Metalloxidschicht eingefügt und/oder aus dieser extrahiert werden. Die Wasserstoffatome können in interstitielle Stellen des halbleitenden Metalloxidmaterials eingebaut werden. Die Wasserstoffatome können als seichte Donator wirken, wodurch die Schwellspannung des halbleitenden Metalloxidmaterials gesenkt wird.
  • Ein Stapel von einer wasserstoffhaltigen Metallschicht und einer halbleitenden Metalloxidschicht kann zwischen zwei Elektroden oder in einer Transistorkonfiguration bereitgestellt werden. Ein elektrischer Strom kann senkrecht zu der Grenzfläche zwischen der wasserstoffhaltigen Metallschicht und der halbleitenden Metalloxidschicht fließen. Der elektrische Strom kann eine variable Leitfähigkeit aufweisen, die von der Menge des in die halbleitende Metalloxidschicht eingebauten Wasserstoffs abhängt. Alternativ kann der elektrische Strom entlang einer in der Ebene liegenden (planaren) Richtung innerhalb der halbleitenden Metalloxidschicht fließen, mit unterschiedlichen Schwellspannungen, die durch die Menge des in die halbleitende Oxidschicht eingebauten Wasserstoffs nach Anlegen einer Gate-Spannung an die wasserstoffhaltige Metallschicht bestimmt werden. Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden nun ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • Mit Bezug auf 1 ist eine erste beispielhafte Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Die erste beispielhafte Struktur umfasst komplementäre Metalloxid-Halbleitertransistoren (CMOS-Transistoren), die auf einem Halbleitersubstrat, beispielsweise einem einkristallinen Siliziumsubstrat, gebildet sind, und Metall-Interconnect-Strukturen, die in Dielektrikumsmaterialschichten gebildet sind. Insbesondere umfasst die erste beispielhafte Struktur ein Substrat 9, das ein Halbleitersubstrat wie beispielsweise ein handelsüblicher Siliziumwafer sein kann. Flache Grabenisolationsstrukturen 720, die ein dielektrisches Material wie beispielsweise Siliziumoxid enthalten, können in einem oberen Abschnitt des Substrats 9 gebildet werden. Geeignete dotierte Halbleiterwannen, wie beispielsweise p-Wannen und n-Wannen, können in jedem Bereich gebildet werden, der seitlich von einem Abschnitt der flachen Grabenisolationsstrukturen 720 umgeben ist. Feldeffekttransistoren können über der oberen Oberfläche des Substrats 9 gebildet werden. Beispielsweise kann jeder Feldeffekttransistor einen Source-Bereich 732, einen Drain-Bereich 738, einen Halbleiterkanal 735, der einen Oberflächenabschnitt des Substrats 9 umfasst, der sich zwischen dem Source-Bereich 732 und dem Drain-Bereich 738 erstreckt, und eine Gate-Struktur 750 umfassen. Jede Gate-Struktur 750 kann ein Gate-Dielektrikum 752, eine Gateelektrode 754, ein Gate-Deck-Dielektrikum 758 und einen dielektrischen Gate-Abstandhalter 756 umfassen. Ein source-seitiger Metall-Halbleiter-Legierungsbereich 742 kann auf jedem Source-Bereich 732 gebildet werden und ein drain-seitiger Metall-Halbleiter-Legierungsbereich 748 kann auf jedem Drain-Bereich 738 gebildet werden.
  • Im Allgemeinen können Feldeffekttransistoren auf einem Halbleitersubstrat gebildet werden und Elektroden von nachfolgend auszubildenden Speichervorrichtungen können durch Metall-Interconnect-Strukturen, die über dem Halbleitersubstrat in Interconnect-Ebene-Dielektrikumsmaterialschichten (Dielektrikumsmaterialschichten auf Interconnect-Ebene) gebildet sind, elektrisch mit den jeweiligen Feldeffekttransistoren verbunden werden. Beispielsweise kann die erste beispielhafte Struktur einen Speicherarray-Bereich 100, in dem anschließend ein Array von Speicherelementen gebildet wird, und einen peripheren Bereich 200 umfassen, in dem Logikvorrichtungen gebildet werden, welche den Betrieb des Arrays von Speicherelementen unterstützen. In einer Ausführungsform können Vorrichtungen (beispielsweise Feldeffekttransistoren) in dem Speicherarray-Bereich 100 untere Elektrode-Zugangstransistoren enthalten, die den Zugang zu den unteren Elektroden der nachfolgend zu bildenden Speicherzellen ermöglichen. Obere Elektrode-Zugangstransistoren, die den Zugang zu den oberen Elektroden der nachfolgend zu bildenden Speicherzellen ermöglichen, können in diesem Verarbeitungsschritt in dem peripheren Bereich 200 gebildet werden. Vorrichtungen (wie beispielsweise Feldeffekttransistoren) in dem peripheren Bereich 200 können Funktionen bereitstellen, die für den Betrieb des Arrays der nachfolgend zu bildenden Speicherzellen erforderlich sind. Insbesondere können die Vorrichtungen in dem peripheren Bereich eingerichtet sein, die Programmieroperation, die Löschoperation und die Leseoperation des Arrays von Speicherzellen zu steuern. Beispielsweise können die Vorrichtungen in dem peripheren Bereich eine Abtastschaltung und/oder eine obere Elektrode-Vorspannungsschaltung aufweisen. Die auf der oberen Oberfläche des Substrats 9 gebildeten Vorrichtungen können komplementäre Metalloxid-Halbleitertransistoren (CMOS) und optional zusätzliche Halbleitervorrichtungen (wie Widerstände, Dioden, Kondensatoren usw.) umfassen und werden gemeinsam als eine CMOS-Schaltung 700 bezeichnet.
  • Verschiedene Metall-Interconnect-Strukturen, die in Dielektriumsmaterialschichten eingebettet sind, können anschließend über dem Substrat 9 und den Vorrichtungen (beispielsweise Feldeffekttransistoren) gebildet werden. Die Dielektrikumsmaterialschichten können beispielsweise eine Kontaktebene-Dielektrikumsmaterialschicht 601, eine erste Metallleitungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 610, eine zweite Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 620, eine dritte Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 630 und eine vierte Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 640 umfassen. Die Metall-Interconnect-Strukturen können Vorrichtungskontakt-Durchkontaktierungsstrukturen 612, die in der Kontaktebene-Dielektrikumsmaterialschicht 601 gebildet sind und eine zugehörige Komponente der CMOS-Schaltung 700 kontaktieren, erste Metallleitungsstrukturen 618, die in der ersten Metallebene-Dielektrikumsmaterialschicht 610 gebildet sind, erste Metalldurchkontaktierungsstrukturen 622, die in einem unteren Abschnitt der zweiten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 620 gebildet sind, zweite Metallleitungsstrukturen 628, die in einem oberen Abschnitt der zweiten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 620 gebildet sind, zweite Metalldurchkontaktierungsstrukturen 632, die in einem unteren Abschnitt der dritten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 630 gebildet sind, dritte Metallleitungsstrukturen 638, die in einem oberen Abschnitt der dritten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 630 gebildet sind, dritte Metalldurchkontaktierungsstrukturen 642, die in einem unteren Abschnitt der vierten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 640 gebildet sind, und vierte Metallleitungsstrukturen 648 umfassen, die in einem oberen Abschnitt der vierten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 640 gebildet sind. In einer Ausführungsform können die zweiten Metallleitungsstrukturen 628 Source-Leitungen umfassen, die mit einer source-seitigen Stromversorgung für ein Array von Speicherelementen verbunden sind. Die von den Source-Leitungen bereitgestellte Spannung kann über die Zugriffstransistoren, die in dem Speicherarray-Bereich 100 bereitgestellt sind, an die unteren Elektroden angelegt werden.
  • Jede der Dielektrikumsmaterialschichten (601, 610, 620, 630, 640) kann ein dielektrisches Material wie undotiertes Silikatglas, ein dotiertes Silikatglas, Organosilikatglas, amorphen fluorierten Kohlenstoff, poröse Varianten davon oder Kombinationen davon enthalten. Jede der Metall-Interconnect-Strukturen (612, 618, 622, 628, 632, 638, 642, 648) kann mindestens ein leitfähiges Material enthalten, das eine Kombination von einer Metallauskleidungsschicht (wie einem Metall-Nitrid oder einem Metall-Karbid) und einem Metallfüllmaterial sein kann. Jede Metallauskleidungsschicht kann TiN, TaN, WN, TiC, TaC und WC enthalten und jeder Metallfüllmaterialabschnitt kann W, Cu, Al, Co, Ru, Mo, Ta, Ti, Legierungen davon und/oder Kombinationen davon enthalten. Andere geeignete Materialien innerhalb des beabsichtigten Offenbarungsumfangs können ebenfalls verwendet werden. In einer Ausführungsform können die ersten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 622 und die zweiten Metallleitungsstrukturen 628 als integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungsstrukturen durch einen dualen Damaszenerprozess gebildet werden, die zweiten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 632 und die dritten Metallleitungsstrukturen 638 können als integrierte Leitungs-und Durchkontaktierungsstrukturen gebildet werden, und/oder die dritten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 642 und die vierten Metallleitungsstrukturen 648 können als integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungsstrukturen gebildet werden. Während die vorliegende Offenbarung anhand einer Ausführungsform beschrieben wird, bei der ein Array von Speicherzellen über der vierten Leitungs- und Durchkontaktierungsebene der Dielektrikumsmaterialschicht 640 gebildet wird, werden hier ausdrücklich Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen das Array von Speicherzellen auf einer anderen Metall-Interconnect-Ebene gebildet sein kann.
  • Die Dielektrikumsmaterialschichten (601, 610, 620, 630, 640) liegen auf einer niedrigeren Ebene relativ zu einem Array von Speicherzellen, die anschließend gebildet werden. Daher werden die Dielektrikumsmaterialschichten (601, 610, 620,630,640) hierin als Untere-Ebene-Dielektrikumschichten bezeichnet, d.h. als Dielektrikumsmaterialschicht, die auf einer niedrigeren (unteren) Ebene bezüglich des Arrays von Speicherzellen liegt, welches anschließend zu bilden ist. Die Metall-Interconnect-Strukturen (612, 618, 622, 628, 632, 638, 642, 648) werden hier als Untere-Ebene-Metall-Interconnect-Strukturen bezeichnet. Eine Teilmenge der Metall-Interconnect-Strukturen (612, 618, 622, 628, 632, 638, 642, 648) umfasst Untere-Ebene-Metallleitungen (wie die vierten Metallleitungsstrukturen 648), die in die Dielektrikumschichten der unteren Ebene eingebettet sind und obere Oberflächen innerhalb einer horizontalen Ebene aufweisen, die eine oberste Oberfläche der Untere-Ebene-Dielektrikumschichten umfasst. Im Allgemeinen kann die Gesamtzahl der Metallleitungsebenen innerhalb der Untere-Ebene-Dielektrikumschichten (601, 610, 620, 630, 640) 1 bis 10 betragen.
  • Eine dielektrische Deckschicht 108 und eine Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 können nacheinander über den Metallleitungsstrukturen und den Dielektrikumsmaterialschichten gebildet werden. Beispielsweise kann die dielektrische Deckschicht 108 auf den oberen Oberflächen der vierten Metallleitungsstrukturen 648 und auf der oberen Oberfläche der vierten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 640 gebildet werden. Die dielektrische Deckschicht 108 enthält ein dielektrisches Deckmaterial, das darunterliegende Metall-Interconnect-Strukturen wie die vierten Metallleitungsstrukturen 648 schützen kann. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Deckschicht 108 ein Material enthalten, das eine hohe Ätzbeständigkeit bietet, d.h. ein dielektrisches Material und auch als ein Ätzstoppmaterial während eines nachfolgenden anisotropen Ätzprozesses dienen kann, der die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 ätzt. Die dielektrische Deckschicht 108 kann beispielsweise Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid enthalten und eine Dicke von 5 nm bis 30 nm aufweisen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 kann jedes Material enthalten, das für die Dielektrikumsmaterialschichten (601, 610, 620, 630, 640) verwendet werden kann. Beispielsweise kann die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 undotiertes Silikatglas oder ein dotiertes Silikatglas enthalten, das durch Zersetzung von Tetraethylorthosilikat (TEOS) abgeschieden wird. Die Dicke der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 kann 50 nm bis 200 nm betragen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Die dielektrische Deckschicht 108 und die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 können als abdeckende (unstrukturierte) Schichten gebildet werden, die eine jeweilige ebene obere Oberfläche und eine jeweilige ebene untere Oberfläche aufweisen, welche sich über den gesamten Speicherarray-Bereich 100 und den peripheren Bereich 200 erstreckt.
  • Mit Bezug auf 2 können Durchkontaktierungsöffnungen durch die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 und die dielektrische Deckschicht 108 gebildet werden. Beispielsweise kann eine Photoresistschicht (nicht dargestellt) über der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 aufgetragen werden und mit einer Struktur versehen werden, um Öffnungen in Bereichen des Speicherarray-Bereichs 100 zu bilden, die über einer jeweiligen der vierten Metallleitungsstrukturen 648 liegen. Ein anisotropes Ätzen kann durchgeführt werden, um die Struktur in der Photoresistschicht durch die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 und die dielektrische Deckschicht 108 zu übertragen. Die durch den anisotropen Ätzprozess gebildeten Durchkontaktierungshohlräume werden hierin als untere Elektrodenkontakt-Durchkontaktierungshohlräume bezeichnet, da die untere Elektrodenverbindungs-Durchkontaktierungsstrukturen nachfolgend in den unteren Elektrodenkontakt-Durchkontaktierungshohlräumen gebildet werden. Die unteren Elektrodenkontakt-Durchkontaktierungshohlräume können verjüngte Seitenwände mit einem Verjüngungswinkel (bezüglich einer vertikalen Richtung) von 1 Grad bis 10 Grad aufweisen. Eine obere Oberfläche einer vierten Metallleitungsstruktur 648 kann an der Unterseite jedes der unteren Elektrodenkontakt-Durchkontaktierungshohlräume physisch freigelegt sein. Die Photoresistschicht kann anschließend beispielsweise durch Veraschung entfernt werden.
  • Eine Metallsperrschicht kann als eine Materialschicht gebildet werden. Die Metallsperrschicht kann die physisch freigelegten oberen Oberflächen der vierten Metallleitungsstrukturen 648, die verjüngten Seitenwände der unteren Elektrodenkontakt-Durchkontaktierungsöffnungen und die oberen Oberflächen der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 abdecken, ohne dass eine Öffnung durch sie hindurch vorhanden ist. Die Metallsperrschicht kann ein leitfähiges metallisches Nitrid wie TiN, TaN und/oder WN enthalten. Andere geeignete Materialien in dem Rahmen der Offenbarung können ebenfalls verwendet werden. Die Dicke der Metallsperrschicht kann 3 nm bis 20 nm betragen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Ein Metallfüllmaterial, wie beispielsweise Wolfram oder Kupfer, kann in die verbleibenden Volumina der unteren Elektrodenkontakt-Durchkontaktierungsöffnungen abgeschieden werden. Andere geeignete Metallfüllmaterialien fallen in den Geltungsberiech der Offenbarung. Teile des Metallfüllmaterials und der Metallsperrschicht, die über der horizontalen Ebene einschließlich der obersten Oberfläche der Dielektrikumschicht 110 auf Verbindungsdurchkontaktierungsebene liegen, können durch einen Planarisierungsprozess, wie beispielsweise chemisch-mechanische Planarisierung, entfernt werden. Jeder verbleibende Abschnitt des Metallfüllmaterials, der sich in einem jeweiligen Durchkontaktierungshohlraum befindet, umfasst einen Metalldurchkontaktierungsfüllmaterial-Abschnitt 124. Jeder verbleibende Abschnitt der Metallsperrschicht in einem jeweiligen Durchkontaktierungshohlraum umfasst eine Metallsperrschicht 122. Jede Kombination von einer Metallsperrschicht 122 und einem Metalldurchkontaktierungsfüllmaterial-Abschnitt 124, der einen Durchkontaktierungshohlraum füllt, bildet eine Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur (122, 124). Ein Array von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) kann in der Dielektrikumschicht 110 auf Verbindungsdurchkontaktierungsebene auf darunter liegenden Metall-Interconnect-Strukturen gebildet werden. Das Array von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) kann die oberen Oberflächen einer Teilmenge der vierten Metallleitungsstrukturen 648 kontaktieren. Im Allgemeinen kontaktiert das Array von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) die oberen Oberflächen einer Teilmenge von Metallleitungen der unteren Ebene, die auf der obersten Ebene der Dielektrikumschichten (601, 610, 620, 630, 640) der unteren Ebene liegen. In einer Ausführungsform kann das Array von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) als erste Metall-Interconnect-Strukturen verwendet werden, die eine elektrische Verbindung zu einer ersten Elektrode jeder nachfolgend zu bildenden Speicherzelle herstellen.
  • Alternativ kann das Bilden der dielektrischen Deckschicht 108, der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 und des Arrays von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) entfallen und eine Teilmenge von Metallleitungsstrukturen, die in eine Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht oder in eine Leitungsebene-Dielektrikumschicht eingebettet sind, kann als erste Metall-Interconnect-Strukturen verwendet werden, die eine elektrische Verbindung zu einer ersten Elektrode jeder nachfolgend zu bildenden Speicherzelle herstellen. Beispielsweise kann eine Teilmenge der vierten Metallleitungsstrukturen 648, die in die vierte Leitungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 640 eingebettet sind und in dem Speicherarray-Bereich 100 liegen, als erste Metall-Interconnect-Strukturen verwendet werden, die eine elektrische Verbindung zu einer ersten Elektrode jeder nachfolgend zu bildenden Speicherzelle herstellen. Im Allgemeinen können erste Metall-Interconnect-Strukturen bereitgestellt werden, die eingerichtet sind, eine elektrische Verbindung zu einer ersten Elektrode (beispielsweise einer unteren Elektrode) jeder nachfolgend zu bildenden Speicherzelle herstellen. Die ersten Metall-Interconnect-Strukturen können als Metallleitungen (beispielsweise ein eindimensionales periodisches Array von Metallleitungen, die sich entlang einer gemeinsamen horizontalen Richtung erstrecken) oder als Metalldurchkontaktierungsstrukturen, wie beispielsweise ein zweidimensionales Array von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124), vorgesehen sein. Im Allgemeinen kann jede erste Metall-Interconnect-Struktur in eine erste Dielektrikumsmaterialschicht eingebettet sein, wie beispielsweise die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 (in Ausführungsformen, in denen ein zweidimensionales Array von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) verwendet wird), eine Dielektrikumsmaterialschicht, die Metallleitungen einbettet (wie beispielsweise die vierte Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 640). Jede untere Oberfläche einer ersten Elektrode kann anschließend auf einer oberen Oberfläche einer jeweiligen der ersten Metall-Interconnect-Strukturen gebildet werden.
  • Während die vorliegende Offenbarung anhand einer Ausführungsform beschrieben wird, in der die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110 als erste Dielektrikumsmaterialschicht verwendet wird und das Array von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) als erste Metall-Interconnect-Strukturen verwendet wird, werden hierin ausdrücklich Ausführungsformen in Betracht gezogen, in denen ein Array von Durchkontaktierungsstrukturen, die sich auf einer anderen Ebene befinden, oder ein Array von Metallleitungen als die ersten Metall-Interconnect-Strukturen verwendet wird.
  • Mit Bezug auf 3 können eine erste Elektrodenmaterialschicht 126L, ein Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L) und eine zweite Elektrodenmaterialschicht 158L nacheinander über der oberen Oberfläche einer ersten Dielektrikumsmaterialschicht (wie der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110) abgeschieden werden, die das Array von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122,124) einbettet.
  • Die erste Elektrodenmaterialschicht 126L kann ein leitfähiges Metallnitridmaterial und/oder ein elementares Metall und/oder eine Zwischenmetall-Legierung enthalten und/oder im Wesentlichen daraus bestehen. Leitfähige Metallnitridmaterialien können ein Metalldiffusionssperrmaterial umfassen, das die Diffusion von Wasserstoff blockieren kann. Leitfähige Metallnitridmaterialien, die für die erste Elektrodenmaterialschicht 126L verwendet werden können, enthalten beispielsweise TiN, TaN oder WN. Elementare Metalle, die für die erste Elektrodenmaterialschicht 126L verwendet werden können, umfassen W, Ta, Re, Nb, Mb, Ru, Co und Ni, sind aber nicht beschränkt darauf. Im Allgemeinen kann ein elementares Metall für die erste Elektrodenmaterialschicht 126L verwendet werden, das gegen Wasserstoffdiffusion beständig ist. In einer Ausführungsform kann ein hochschmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt von mehr als 2.000 Grad Celsius für die erste Elektrodenmaterialschicht 126L verwendet werden. Im Allgemeinen neigen elementare Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt dazu, aufgrund der relativ engen Bindung zwischen den Atomen einen niedrigen Massendiffusionskoeffizienten für Gase zu bereitzustellen.
  • Die erste Elektrodenmaterialschicht 126L kann durch physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden werden. Die Dicke der ersten Elektrodenmaterialschicht 126L kann 1 nm bis 100 nm betragen, beispielsweise 2 nm bis 50 nm und/oder 4 nm bis 20 nm, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Als erste Elektrodenmaterialschicht 126L kann ein Stapel von mehreren Metallschichten verwendet werden.
  • Der Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L) umfasst mindestens eine halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L und mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140L. Im Allgemeinen kann die mindestens eine halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L eine einzelne halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L oder mehrere halbleitende Metalloxidmaterialschichten 130L sein, die durch die mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140L vertikal voneinander beabstandet sein können. Die mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140L kann eine einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140L oder mehrere wasserstoffhaltige Metallschichten 140L sein, die durch die mindestens eine halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L vertikal voneinander beabstandet sein können. In einer Ausführungsform können eine einzelne halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L und eine einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140L in dem Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L) vorhanden sein. In dieser Ausführungsform kann die einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140L über oder unter der einzelnen halbleitenden Metalloxidmaterialschicht 130L liegen. In einer anderen Ausführungsform können eine einzelne halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L und zwei wasserstoffhaltige Metallschichten 140L in dem Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L) vorhanden sein. In dieser Ausführungsform kann die einzelne halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L zwischen den beiden wasserstoffhaltigen Metallschichten 140L angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform können zwei halbleitende Metalloxidmaterialschichten 130L und eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140L in dem Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L) vorhanden sein. In dieser Ausführungsform kann die einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140L zwischen den beiden halbleitenden Metalloxidmaterialschichten 130L angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform können mindestens zwei halbleitende Metalloxidmaterialschichten 130L und mindestens zwei wasserstoffhaltige Metallschichten 140L in dem Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L) vorhanden sein. In dieser Ausführungsform können die mindestens zwei halbleitenden Metalloxidmaterialschichten 130L und die mindestens zwei wasserstoffhaltigen Metallschichten 140L in einer vertikal alternierenden Reihenfolge angeordnet sein, in der jedes vertikal benachbarte Schichtenpaar eine jeweilige halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L und eine jeweilige wasserstoffhaltige Metallschicht 140L enthält.
  • Jede halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L enthält ein halbleitendes Metalloxidmaterial, d.h. ein Metalloxidmaterial, das bei geeigneter Dotierung mit elektrischen Dotierstoffen (die p-Dotierstoffe oder n-Dotierstoffe sein können) eine elektrische Leitfähigkeit in einem Bereich von 1,0 S/m bis 1,0 × 105 S/m bereitstellen kann. In einem intrinsischen Zustand oder unter der Bedingung einer geringen elektrischen Dotierung kann ein halbleitendes Metalloxidmaterial halbleitend oder isolierend sein und kann eine elektrische Leitfähigkeit im Allgemeinen in einem Bereich von 1,0 × 10-10 S/m bis 1,0 × 10 S/m aufweisen. Beispielhafte halbleitende Metalloxidmaterialien, die für die mindestens eine halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L verwendet werden können, umfassen unter anderem Indiumgalliumzinkoxid (IGZO), Indiumwolframoxid, Indiumzinkoxid, Indiumzinnoxid, Galliumoxid, Indiumoxid, dotiertes Zinkoxid, dotiertes Indiumoxid, dotiertes Cadmiumoxid und verschiedene andere davon abgeleitete dotierte Varianten. In einer Ausführungsform kann die halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L Indiumgalliumzinkoxid enthalten.
  • Das halbleitende Metalloxidmaterial jeder halbleitenden Metalloxidmaterialschicht 130L kann beispielsweise durch physikalische Gasphasenabscheidung (d.h. Sputtern) abgeschieden werden. Das halbleitende Metalloxidmaterial jeder halbleitenden Metalloxidmaterialschicht 130L kann als polykristallines Material abgeschieden werden oder es kann als amorphes Material abgeschieden werden und anschließend bei erhöhter Temperatur zu einem polykristallinen Material getempert werden, um die durchschnittliche Korngröße des halbleitenden Metalloxidmaterials zu erhöhen. Die Dicke jeder halbleitenden Metalloxidmaterialschicht 130L kann 2 nm bis 100 nm betragen, beispielsweise von 4 nm bis 50 nm und/oder 6 nm bis 25 nm, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140L kann mindestens eines der Platinmetalle (d.h. Platin, Iridium, Osmium, Ruthenium oder Kombinationen davon) und Wasserstoffatome enthalten und/oder im Wesentlichen daraus bestehen. Platinmetalle beziehen sich auf Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium, von denen jedes unter normalen hydridenbildenden Bedingungen, wie beispielsweise Bedingungen, bei denen der Wasserstoffpartialdruck 1 kbar bis 50 kbar beträgt, keine Metallhydride bildet. Die Metall-Komponente der wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L kann im Wesentlichen aus mindestens einem Metall von Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium gebildet sein. In einer Ausführungsform kann die Metallkomponente der wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L im Wesentlichen aus Platin gebildet sein.
  • Jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140L kann durch physikalische Gasphasenabscheidung in Vakuum oder in einer Umgebung mit Wasserstoff gebildet werden. Der Wasserstoffpartialdruck während des Abscheidungsprozesses kann auf einem Niveau gehalten werden, das den Abscheidungsprozess wie beispielsweise den physikalischen Dampfabscheidungsprozess nicht behindert nicht behindert. In einer Ausführungsform kann der Wasserstoffpartialdruck während der Abscheidung jeder wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L 1,0 × 10-10 Torr bis 1,0 × 10-3 Torr betragen. Alternativ kann die wasserstoffhaltige Metallschicht 140L in einer wasserstofffreien Umgebung oder in einer Umgebung mit niedrigem Wasserstoffdruck abgeschieden werden und bei einer erhöhten Temperatur in einer wasserstoffhaltigen Umgebung getempert werden. In dieser Ausführungsform kann die Tempertemperatur 200 Grad Celsius bis 500 Grad Celsius betragen, beispielsweise 300 Grad Celsius bis 400 Grad Celsius, und der Wasserstoffpartialdruck während des Tempervorgangs kann 100 mTorr bis 760 Torr betragen. Alternativ oder zusätzlich können Wasserstoffatome nach der Abscheidung von mindestens einem der Elemente Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium in einer wasserstofffreien Umgebung oder in einer Umgebung mit niedrigem Wasserstoffdruck in jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140L implantiert werden.
  • Die verschiedenen Verarbeitungsparameter, die das Einbringen von Wasserstoff in jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140L beeinflussen, können so gewählt werden, dass der atomare Prozentsatz der Wasserstoffatome in jeder wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L 0,001 % bis 10 % beträgt, beispielsweise 0,01 % bis 5 % und/oder 0,1 % bis 3 %. Die verschiedenen Verarbeitungsparameter, die den Atomanteil der Wasserstoffatome in jeder wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L beeinflussen, umfassen unter anderem die Dosis der Wasserstoffatome während des Wasserstoffimplantationsprozesses, den Partialdruck des Wasserstoffs während eines Temperprozesses in einer wasserstoffhaltigen Umgebung sowie die Temperatur und die Dauer des Temperprozesses. In einer Ausführungsform kann die Wasserstoffimplantation verwendet werden, um einen hohen atomaren Anteil an Wasserstoff in jeder wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L zu schaffen. In dieser Ausführungsform kann jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140L Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz von mehr als 1,0 Prozent enthalten, wie beispielsweise einen Prozentsatz von 1,0 Prozent bis 10 %.
  • Jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140L kann mindestens ein Metall von Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % enthalten und Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz von 0,001 % bis 10 % nach dem Einbringen von Wasserstoff enthalten. In einer Ausführungsform kann jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140L Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz von 0,001 % bis 10 % nach dem Einbringen von Wasserstoff enthalten und der Rest des Atomprozentsatzes kann der Atomprozentsatz des mindestens einen Metalls von Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium sein. In einer Ausführungsform kann das mindestens eine Metall von Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium Platin sein. In dieser Ausführungsform kann jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140L Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz von 0,001 % bis 10 % nach dem Einbringen von Wasserstoff enthalten und der Atomprozentsatz von Platin kann der Rest des Atomprozentsatzes von Wasserstoffatomen sein.
  • Die Dicke jeder wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L kann 2 nm bis 100 nm betragen, beispielsweise von 4 nm bis 50 nm und/oder von 6 nm bis 25 nm, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140L enthält kein Metallhydrid, d.h. eine MH-Verbindung, in der M ein Metall ist und Wasserstoffatome Substitutionsplätze einer Gitterstruktur einnehmen. Somit ist ein überwiegender Teil oder alle Wasserstoffatome, die innerhalb jeder wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L vorhanden sind, an Zwischengitterplätzen angeordnet.
  • Die zweite Elektrodenmaterialschicht 158L kann ein leitfähiges Metallnitridmaterial und/oder ein elementares Metall und/oder eine Zwischenmetall-Legierung enthalten und/oder im Wesentlichen daraus gebildet sein. Leitfähige Metallnitridmaterialien können ein metallisches Diffusionssperrmaterial enthalten, das die Diffusion von Wasserstoff blockieren kann. Leitfähige Metallnitridmaterialien, die für die zweite Elektrodenmaterialschicht 158L verwendet werden können, sind beispielsweise TiN, TaN oder WN. Elementare Metalle, die für die zweite Elektrodenmaterialschicht 158L verwendet werden können, umfassen W, Ta, Re, Nb, Mb, Ru, Co und Ni, sind aber nicht beschränkt darauf. Im Allgemeinen kann ein elementares Metall, das beständig gegen Wasserstoffdiffusion ist, für die zweite Elektrodenmaterialschicht 158L verwendet werden. In einer Ausführungsform kann für die zweite Elektrodenmaterialschicht 158L ein hochschmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt über 2.000 Grad Celsius verwendet werden. Im Allgemeinen neigen elementare Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt dazu, aufgrund der relativ engen Bindung zwischen den Atomen einen niedrigen Massendiffusionskoeffizienten für Gase bereitzustellen.
  • Die zweite Elektrodenmaterialschicht 158L kann durch physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden werden. Die Dicke der zweiten Elektrodenmaterialschicht 158L kann 1 nm bis 100 nm betragen, beispielsweise von 2 nm bis 50 nm und/oder von 4 nm bis 20 nm, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Als zweite Elektrodenmaterialschicht 158L kann ein Stapel von mehreren Metallschichten verwendet werden. Das Metallmaterial der zweiten Elektrodenmaterialschicht 158L kann dem Metallmaterial der ersten Elektrodenmaterialschicht 126L gleich sein oder von diesem verschieden sein.
  • Mit Bezug auf 4 kann eine Photoresistschicht 177 über der zweiten Elektrodenmaterialschicht 158L aufgebracht und in ein Array diskreter Photoresistmaterial-Abschnitte in dem Speicherarray-Bereich 100 lithographisch strukturiert werden. Jeder strukturierte Abschnitt der Photoresistschicht 177 kann über einer jeweiligen der Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) liegen. Die Seitenwand/Seitenwände jedes strukturierten Abschnitts der Photoresistschicht 177 kann/können mit dem Randbereich einer oberen Oberfläche einer darunter liegenden Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur (122, 124) übereinstimmen oder gegenüber diesem seitlich nach außen oder nach innen versetzt sein. Die Seitenwand/Seitenwände jedes strukturierten Abschnitts der Photoresistschicht 177 kann/können eine horizontale Querschnittsform eines Kreises, einer Ellipse, eines Rechtecks, eines abgerundeten Rechtecks oder einer beliebigen allgemein gekrümmten geschlossenen zweidimensionalen Form aufweisen.
  • Ein anisotroper Ätzprozess kann durchgeführt werden, um nicht-maskierte Abschnitte der zweiten Elektrodenmaterialschicht 158L, des Speichermaterialschichtstapels (130L, 140L) und der ersten Elektrodenmaterialschicht 126L zu ätzen. Jeder strukturierte Abschnitt der zweiten Elektrodenmaterialschicht 158L umfasst eine zweite Elektrode 158. Jeder strukturierte Abschnitt des Speichermaterialschichtstapels (130L, 140L) umfasst einen Speicherschichtstapel (130, 140). Jeder strukturierte Abschnitt der ersten Elektrodenmaterialschicht 126L umfasst eine erste Elektrode 126. Ein Satz verbleibender Materialabschnitte des Materialschichtstapels, der die zweite Elektrodenmaterialschicht 158L, den Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L) und die erste Elektrodenmaterialschicht 126L umfasst, bildet eine Speicherzelle 150. Jede Speicherzelle 150 kann eine Säulenstruktur mit einer ebenen oberen Oberfläche, einer ebenen unteren Oberfläche und mindestens einer geraden Seitenwand sein, die sich zwischen der ebenen oberen Oberfläche und der ebenen unteren Oberfläche erstreckt. Die mindestens eine gerade Seitenwand kann eine einzelne Seitenwand (beispielsweise eine kreiszylindrische Seitenwand) oder mehrere gerade Seitenwände (beispielsweise vier ebene Seitenwände einer rechteckigen Säulenstruktur oder eine Kombination aus vier ebenen Seitenwänden und vier konvexen zylindrischen Seitenwänden einer Säulenstruktur mit der horizontalen Querschnittsform eines abgerundeten Rechtecks) sein.
  • Im Allgemeinen kann jede Kombination einer ersten Elektrode 126, eines Speicherschichtstapels (130, 140) und einer zweiten Elektrode 158 eine Säulenstruktur aufweisen, die eine obere Oberfläche, welche eine obere Oberfläche der zweiten Elektrode 158 ist, eine untere Oberfläche, welche eine untere Oberfläche der ersten Elektrode 126 ist, und eine Seitenwand aufweist, die sich gerade zwischen einem Randbereich der oberen Oberfläche der zweiten Elektrode 158 und einem Randbereich der unteren Oberfläche der ersten Elektrode 126 erstreckt.
  • Jeder Speicherschichtstapel (130, 140) enthält mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht 130 und mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140. Jede halbleitende Metalloxidschicht 130 ist ein strukturierter Abschnitt einer jeweiligen halbleitenden Metalloxidmaterialschicht 130L, wie sie in den Verarbeitungsschritten von 3 gebildet wird. Jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140 ist ein strukturierter Abschnitt einer jeweiligen wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L, wie sie in den Verarbeitungsschritten von 3 gebildet wird. Im Allgemeinen kann die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht 130 eine einzelne halbleitende Metalloxidschicht 130 oder mehrere halbleitende Metalloxidschichten 130 sein, die vertikal durch die mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140 voneinander beabstandet sind. Die mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140 kann eine einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140 oder mehrere wasserstoffhaltige Metallschichten 140 sein, die durch die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht 130 vertikal voneinander beabstandet sind. In einer Ausführungsform können eine einzelne halbleitende Metalloxidschicht 130 und eine einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140 in dem Speichermaterialschichtstapel (130, 140) vorhanden sein. In dieser Ausführungsform kann die einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140 über oder unter der einzelnen halbleitenden Metalloxidschicht 130 liegen. In einer anderen Ausführungsform können eine einzelne halbleitende Metalloxidschicht 130 und zwei wasserstoffhaltige Metallschichten 140 in dem Speichermaterialschichtstapel (130, 140) vorhanden sein. In dieser Ausführungsform kann die einzelne halbleitende Metalloxidschicht 130 zwischen den beiden wasserstoffhaltigen Metallschichten 140 angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform können zwei halbleitende Metalloxidschichten 130 und eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140 in dem Speichermaterialschichtstapel (130, 140) vorhanden sein. In dieser Ausführungsform kann die einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140 zwischen den zwei halbleitenden Metalloxidschichten 130 angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform können mindestens zwei halbleitende Metalloxidschichten 130 und mindestens zwei wasserstoffhaltige Metallschichten 140 in dem Speichermaterialschichtstapel (130, 140) vorhanden sein. In dieser Ausführungsform können die mindestens zwei halbleitenden Metalloxidschichten 130 und die mindestens zwei wasserstoffhaltigen Metallschichten 140 in einer vertikal alternierenden Reihenfolge angeordnet sein, in der jedes vertikal benachbarte Schichtenpaar eine jeweilige halbleitende Metalloxidschicht 130 und eine jeweilige wasserstoffhaltige Metallschicht 140 aufweist.
  • Ein zweidimensionales Array von Speicherzellen 150 kann bereitgestellt werden. Jede Speicherzelle 150 kann, von unten nach oben, eine erste Elektrode 126, einen Speicherschichtstapel (130, 140), der auf der ersten Elektrode 126 liegt und mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht 130 und mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140 aufweist, und eine zweite Elektrode 158 aufweisen, die über dem Speicherschichtstapel (130, 140) liegt. Die erste Elektrode 126 kann eine erste Metallelektrode sein, die im Wesentlichen aus mindestens einem Metallmaterial gebildet ist. Die zweite Elektrode 158 kann eine zweite Metallelektrode sein, die im Wesentlichen aus mindestens einem Metallmaterial gebildet ist. Jede der mindestens einen wasserstoffhaltigen Metallschicht kann mindestens ein Metall von Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % enthalten und/oder im Wesentlichen daraus gebildet sein und Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz von 0,001 % bis 10 % enthalten und/oder im Wesentlichen daraus gebildet sein. Die zweite Elektrode.
  • In einer Ausführungsform kontaktiert jede der mindestens einen halbleitenden Metalloxidschicht 130 eine horizontale Oberfläche einer jeweiligen der mindestens einen wasserstoffhaltigen Metallschicht 140 innerhalb jedes Speicherschichtstapels (130, 140). In einer Ausführungsform kann der Speicherschichtstapel (130, 140) eine einzelne halbleitende Metalloxidschicht 130 und eine einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140, die miteinander in Kontakt stehen, aufweisen und/oder im Wesentlichen daraus gebildet sein. In einer Ausführungsform kontaktiert die einzelne halbleitende Metalloxidschicht 130 eine der ersten Elektrode 126 und der zweiten Elektrode 158 und die einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140 kontaktiert die jeweils andere der ersten Elektrode 126 und der zweiten Elektrode 158. Die Photoresistschicht 177 kann anschließend entfernt werden, beispielsweise durch Veraschen.
  • Mit Bezug auf 5 kann eine dielektrische Diffusionssperrmaterialschicht konform über dem zweidimensionalen Array von Speicherzellen 150 durch ein konformes Abscheideverfahren, wie beispielsweise einen chemischen Gasphasenabscheidungsprozess, abgeschieden werden. Die dielektrische Diffusionssperrmaterialschicht umfasst eine Wasserstoffdiffusionssperrmaterialschicht, die die Diffusion von Wasserstoff blockiert. Das dielektrische Diffusionssperrmaterial kann beispielsweise Siliziumnitrid enthalten. Die Dicke der dielektrischen Diffusionssperrmaterialschicht kann 5 nm bis 50 nm betragen, beispielsweise 10 nm bis 25 nm, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Ein anisotroper Ätzprozess kann durchgeführt werden, um horizontale Teile der dielektrischen Diffusionssperrmaterialschicht zu entfernen. Die verbleibenden, sich vertikal erstreckenden Abschnitte der dielektrischen Diffusionssperrmaterialschicht umfassen dielektrische Diffusionssperre-Abstandhalter 156, die eine jeweilige Säulenstruktur kontaktieren und seitlich umgeben, welche eine Speicherzelle 150 ist.
  • Jede wasserstoffhaltige Metallschicht 140 dient als ein Wasserstoffreservoir für eine oder zwei halbleitende Metalloxidschichten 130. Die erste Elektrode 126 und die zweite Elektrode 158 können Metallmaterialien enthalten, die eine Diffusion von Wasserstoffatomen durch sie hindurch verhindern. Die dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 156 dienen als ein Einschluss, der das Entweichen von Wasserstoffatomen aus einer jeweiligen Speicherzelle 150 verhindert.
  • Im Allgemeinen können die Wasserstoffatome innerhalb jeder Speicherzelle 150 zwischen mindestens einer wasserstoffhaltigen Metallschicht 140 und mindestens einer halbleitenden Metalloxidschicht 130 bewegt werden, indem ein Programmierimpuls über die erste Elektrode 126 und die zweite Elektrode 158 angelegt wird. Somit kann das Anlegen eines ersten Programmierimpulses einer ersten Polarität an die zweite Elektrode 158 relativ zu der ersten Elektrode 126 bewirken, dass eine ausgewählte Speicherzelle 150 in einen hydrierten Zustand programmiert wird, in dem eine oder mehrere und/oder die Gesamtheit der mindestens einen halbleitenden Metalloxidschicht 130 Wasserstoffatome in einer hohen Atomkonzentration enthält, die 0,001 % bis 10 % betragen kann, beispielsweise 0,01 % bis 5 % und/oder 0,1 % bis 3 %. Das Anlegen eines zweiten Programmierimpulses mit einer zweiten Polarität an die zweite Elektrode 158 relativ zu der ersten Elektrode 126 kann bewirken, dass eine ausgewählte Speicherzelle 150 in einen dehydrierten Zustand programmiert wird, in dem eine oder mehrere und/oder die Gesamtheit der mindestens einen halbleitenden Metalloxidschicht 130 Wasserstoffatome in einer niedrigen Atomkonzentration enthält, die 0,0001 % bis 3,3 % betragen kann, beispielsweise 0,001 % bis 1,67 % und/oder 0,01 % bis 1 %. Im Allgemeinen kann das Verhältnis des Atomprozentsatzes der Wasserstoffatome in dem hydrierten Zustand einer halbleitenden Metalloxidschicht 130 zu dem Atomprozentsatz der Wasserstoffatome in dem dehydrierten Zustand der halbleitenden Metalloxidschicht 130 3 bis 100 betragen, beispielsweise 5 bis 10, wobei auch geringere und größere Verhältnisse verwendet werden können.
  • Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird angenommen, dass das Anlegen einer negativen Spannung an eine Seite eines Metalls (wie die erste Elektrode 126 oder die zweite Elektrode 158), das Wasserstoffatome enthält, die Tendenz aufweist, Wasserstoffatome anzuziehen, weil sich die Wasserstoffatome in einem partiellen Donorzustand befinden, in dem ein Teil der negativen Ladung eines Elektrons an das gemeinsame Leitungsband des Metalls abgegeben werden kann. Die Polarität der Programmierimpulse kann davon abhängig bestimmt werden, in welche Richtung die Wasserstoffatome zum Zwecke der Programmierung zu bewegen sind. Die Größe der Programmierimpulse hängt von der Dicke und dem Schichtstapelaufbau innerhalb jedes Speicherschichtstapels (130, 140) ab. In einem anschaulichen Beispiel können Programmierimpulse mit einer Größe von 3 V bis 30 V verwendet werden. Da der Widerstand des Strompfades innerhalb jeder Speicherzelle 150, d.h. des Strompfades, der sich zwischen der ersten Elektrode 126 und der zweiten Elektrode 158 über jede Schicht innerhalb des Speicherschichtstapels (130, 140) erstreckt, relativ hoch ist, kann der elektrische Strom durch jede ausgewählte Speicherzelle 150 unter Programmierung klein sein und der Stromverbrauch kann trotz relativ hoher Betriebsspannungen klein sein.
  • Das Vorhandensein von Wasserstoffatomen in jeder halbleitenden Metalloxidschicht 130 erhöht die Leitfähigkeit der halbleitenden Metalloxidschicht 130. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird angenommen, dass die Wasserstoffatome, die in den Zwischengitterplätzen aufgenommen sind, als kleine Donatoren dienen und die Leitfähigkeit des Materials der halbleitenden Metalloxidschicht 130 erhöhen. So kann zwischen dem hydrierten Zustand und dem dehydrierten Zustand jeder halbleitenden Metalloxidschicht 130 unterschieden werden, indem die Größe des Leckstroms durch jede ausgewählte Speicherzelle 150 zwischen einer jeweiligen ersten Elektrode 126 und der jeweiligen zweiten Elektrode 158 gemessen wird.
  • Mit Bezug auf 6 kann eine Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 um das Array von Speicherzellen 150 und das Array von dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 156 und über diesen gebildet werden. Die Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 umfasst enthält planarisierbares dielektrisches Material wie beispielsweise undotiertes Silikatglas oder dotiertes Silikatglas. Das dielektrische Material der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 kann durch ein konformes Abscheideverfahren (beispielsweise ein chemisches Gasphasenabscheideverfahren) oder ein selbstplanarisierendes Abscheideverfahren (beispielsweise Aufschleuderbeschichtung) abgeschieden werden. Optional kann die obere Oberfläche der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 planarisiert werden, beispielsweise durch chemisch-mechanische Planarisierung. Der vertikale Abstand zwischen der oberen Oberfläche der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 und den oberen Oberflächen der Speicherzellen 150 kann 50 nm bis 500 nm betragen, wobei auch geringere oder größere vertikale Abstände verwendet werden können.
  • Mindestens ein lithografischer Strukturierungsschritt und mindestens ein anisotroper Ätzprozess können verwendet werden, um Interconnect-Hohlräume in der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 zu bilden. Beispielsweise kann eine erste Photoresistschicht (nicht dargestellt) über der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 aufgebracht und lithografisch strukturiert werden, um eine Reihe von diskreten Öffnungen in der ersten Photoresistschicht zu bilden. Ein erster anisotroper Ätzprozess kann durchgeführt werden, um Durchkontaktierungsöffnungen in der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 zu bilden. In einer Ausführungsform kann ein Durchkontaktierungshohlraum über jeder der Speicherzellen 150 gebildet werden. Nach dem Entfernen der ersten Photoresistschicht kann eine zweite Photoresistschicht (nicht dargestellt) über der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 aufgebracht und lithografisch strukturiert werden, um linienförmige Öffnungen in der zweiten Photoresistschicht zu bilden. Ein zweiter anisotroper Ätzprozess kann durchgeführt werden, um linienförmige Hohlräume in der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 zu bilden. Die zweite Photoresistschicht kann anschließend entfernt werden. In einer Ausführungsform können die Interconnect-Hohlräume als integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungshohlräume gebildet werden. In dieser Ausführungsform kann jeder integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungshohlraum einen Leitungshohlraum, der sich in einem oberen Abschnitt der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 befindet, und mindestens einen Durchkontaktierungshohlraum, der an einen unteren Abschnitt des Leitungshohlraums angrenzt und sich vertikal durch einen unteren Abschnitt der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 erstreckt.
  • In einer Ausführungsform kann ein zweidimensionales Array von Durchkontaktierungen in dem Speicherarray-Bereich 100 gebildet werden, so dass jede der oberen Oberflächen der Speicherzellen 150 unterhalb einer jeweiligen Durchkontaktierung innerhalb des zweidimensionalen Arrays von Durchkontaktierungen physisch freigelegt ist. Eine obere Oberfläche einer darunter liegenden Metall-Interconnect-Struktur, wie beispielsweise einer vierten Metallleitungsstruktur 648, die in einem oberen Abschnitt der vierten Schicht dielektrischen Leitungsmaterials 640 eingebettet ist, kann an der Unterseite von mindestens einer Teilmenge der Interconnect-Hohlräume in der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 in dem peripheren Bereich 200 physisch freigelegt sein. Im Allgemeinen kann zumindest eine Teilmenge der Interconnect-Hohlräume, die sich vertikal zwischen der oberen Oberfläche der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 und den oberen Oberflächen einer darunter liegenden Metallleitungsstruktur erstrecken, durch die Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 in dem peripheren Bereich 200 gebildet werden.
  • Mindestens ein metallisches Material kann in den Interconnect-Hohlräumen in dem Speicherarray-Bereich 100 und in dem peripheren Bereich 200 abgeschieden werden. Das mindestens eine Metallmaterial wird hierin als mindestens ein Speicherebene-Metallmaterial bezeichnet. In einer Ausführungsform können eine Metallsperrmaterialschicht (beispielsweise eine TiN-, TaN- und/oder WN-Schicht) und ein Metallfüllmaterial (beispielsweise W, Cu, Co, Ru, Mo oder eine Zwischenmetall-Legierung) in den Interconnect-Hohlräumen und über der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 abgeschieden werden.
  • Ein Planarisierungsprozess, wie beispielsweise ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess, kann durchgeführt werden, um das mindestens eine Speicherebene-Metallmaterial von oberhalb der Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 zu entfernen. Verbleibende Abschnitte des mindestens einen Speicherebene-Metallmaterials, die die Interconnect-Hohlräume in dem Speicherarray-Bereich 100 füllen, umfassen Array-Kontakt-Metall-Interconnect-Strukturen 664. Verbleibende Abschnitte des mindestens einen Speicherebene-Metallmaterials, die die Interconnect-Hohlräume in dem peripheren Bereich 200 füllen, umfassen periphere Metall-Interconnect-Strukturen 666. Die Array-Kontakt-Metall-Interconnect-Strukturen 664 und die periphere-Metall-Interconnect-Struktur 666 werden gemeinsam als Speicherebene-Metall-Interconnect-Strukturen 666 bezeichnet.
  • Im Allgemeinen können erste Metall-Interconnect-Strukturen, die in eine erste Dielektrikumsmaterialschicht eingebettet sind, vor der Bildung eines zweidimensionalen Arrays von Speicherzellen 150 gebildet werden. Jede erste Metall-Interconnect-Struktur kann eine untere Oberfläche einer entsprechenden ersten Elektrode 126 innerhalb des zweidimensionalen Arrays von Speicherzellen 150 kontaktieren. Zweite Metall-Interconnect-Strukturen (wie die Array-Kontakt-Metall-Interconnect-Strukturen 664), die in eine zweite Dielektrikumsmaterialschicht (wie die Speicherebene-Dielektrikumschicht 170) eingebettet sind, können auf einer oberen Oberfläche einer jeweiligen der zweiten Elektroden 158 gebildet werden. Im Allgemeinen kann jede erste Elektrode 126 elektrisch mit einem Knoten eines elektrischen Schalters verbunden sein, der einen der Feldeffekttransistoren umfassen kann, die auf einem Halbleitersubstrat (wie dem Substrat 9) liegen. Ebenso kann jede zweite Elektrode 158 elektrisch mit einem Knotenpunkt eines elektrischen Schalters verbunden sein, der einen anderen der Feldeffekttransistoren umfassen kann, welche auf einem Halbleitersubstrat (wie dem Substrat 9) liegen.
  • Mit Bezug auf 7 kann eine erste alternative Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur von der in 6 dargestellten ersten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, indem die Bildung der dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 156 entfällt. In dieser Ausführungsform kann die Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 ein wasserstoffdiffusionssperrendes dielektrisches Material wie beispielsweise Siliziumnitrid enthalten. Alternativ kann die Speicherebene-Dielektrikumschicht 170 einen Schichtstapel enthalten, der eine Schicht wasserstoffdiffusionssperrenden Materials (beispielsweise Siliziumnitrid) und eine Zwischenschicht dielektrischen Materials (beispielsweise eine Schicht aus undotiertem Silikatglas, dotiertem Silikatglas, Organosilikatglas oder einem porösen dielektrischen Material) enthält.
  • Mit Bezug auf 8 kann eine zweite alternative Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur aus der ersten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, indem eine Kombination von einem permeablen dielektrischen Abstandhalter 256 und einem dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 156 anstelle der jeweiligen dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 156 gebildet wird. In dieser Ausführungsform kann eine permeable Dielektrikumsmaterialschicht, die für Wasserstoffatome durchlässig sind, konform gebildet werden, nachdem die Photoresistschicht 177 von der in 4 dargestellten ersten beispielhaften Struktur entfernt ist. Die permeable Dielektrikumsmaterialschicht kann ein dielektrisches Material wie beispielsweise Siliziumoxid, Organosilikatglas oder ein poröses dielektrisches Material enthalten. Ein anisotropes Ätzen kann durchgeführt werden, um horizontale Abschnitte der permeablen Dielektrikumsmaterialschicht zu entfernen, und jeder verbleibende, sich vertikal erstreckende Abschnitt der permeablen Dielektrikumsmaterialschicht bildet einen permeablen dielektrischen Abstandhalter 256. Jeder permeable dielektrische Abstandhalter 256 kann eine laterale Dicke von 1 nm bis 50 nm, wie beispielsweise 3 nm bis 20 nm, zwischen einer inneren Seitenwand und einer äußeren Seitenwand aufweisen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Die oberen Oberflächen der permeablen dielektrischen Abstandhalter 256 können unterhalb der horizontalen Ebene liegen, die die oberen Oberflächen der zweiten Elektroden 158 einschließt, um die Bedeckung der oberen Abschnitte der permeablen dielektrischen Abstandhalter 256 durch dielektrische Diffusionssperre-Abstandhalter 156 zu erleichtern, die anschließend gebildet werden.
  • Anschließend können die Verarbeitungsschritte von 5 durchgeführt werden, um ein Array von dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhaltern 156 zu bilden. Jeder dielektrische Diffusionssperre-Abstandhalter 156 kann jeweils einen der permeablen dielektrischen Abstandhalter 256 einkapseln. Die Verarbeitungsschritte von 6 können anschließend gebildet werden. In dieser Konfiguration dienen die permeablen dielektrischen Abstandhalter 256 als ein zusätzliches Reservoir für Wasserstoffatome und die dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 156 dienen als Verkapselungsstrukturen, die das Entweichen von Wasserstoffatomen aus jeder Speicherzelle 150 verhindern. Für jede Speicherzelle 150, die eine Säulenstruktur aufweist, kann ein permeabler dielektrischer Abstandhalter 256, der ein wasserstoffdurchlässiges dielektrisches Material enthält, die Säulenstruktur kontaktieren und seitlich umgeben und ein dielektrischer Diffusionssperre-Abstandhalter 156, der ein Wasserstoffdiffusionssperrmaterial umfasst, kann den permeablen dielektrischen Abstandhalter 256 kontaktieren und seitlich umgeben.
  • Mit Bezug auf 9 kann eine dritte alternative Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur von der in 6 dargestellten ersten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, indem die Positionen der halbleitenden Metalloxidschicht 130 und der wasserstoffhaltigen Metallschicht 140 vertauscht werden. Im Allgemeinen kann eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140 mit jedem Stapel einer wasserstoffhaltigen Metallschicht 140 und einer halbleitenden Metalloxidschicht 130 über einer halbleitenden Metalloxidschicht 130 liegen, wie in 6 dargestellt, oder eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140 kann mit jedem Stapel einer wasserstoffhaltigen Metallschicht 140 und einer halbleitenden Metalloxidschicht 130 unter einer halbleitenden Metalloxidschicht 130 liegen, wie in 6 dargestellt. Die Polarität der Programmierimpulse kann während der Programmierung umgekehrt werden, je nachdem, ob eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140 über oder unter einer halbleitenden Metalloxidschicht 130 liegt.
  • Mit Bezug auf 10 kann eine vierte alternative Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur von jeder Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur, die in 6-10 dargestellt ist, abgeleitet werden, indem mehrere wasserstoffhaltige Metallschichten 140 verwendet werden. Eine Asymmetrie über die erste Elektrode 126 und die zweite Elektrode 158 zum Zweck der Programmierung jeder Speicherzelle 150 kann herbeigeführt werden, indem unterschiedliche Dicken für die wasserstoffhaltigen Metallschichten 140 verwendet werden. Eine Speicherzelle 150 kann eine einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht 140 oder mehrere wasserstoffhaltige Metallschichten 140 umfassen. In einer Ausführungsform kann die mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140 innerhalb jeder Speicherzelle 150 von mehreren wasserstoffhaltigen Metallschichten 140 umfassen und eine oder mehrere und/oder jede der mindestens einen halbleitenden Metalloxidschicht 130 (die eine einzelne halbleitende Metalloxidschicht 130 oder mehrere halbleitende Metalloxidschichten 130 sein kann) kann zwei der mehreren wasserstoffhaltigen Metallschichten 140 kontaktieren.
  • Mit Bezug auf 11 kann eine fünfte alternative Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur von einer beliebigen Konfiguration der ersten beispielhaften Struktur wie in 6-10 dargestellt abgeleitet werden, indem ein verschachtelter Schichtstapel von mindestens zwei wasserstoffhaltigen Metallschichten 140 und mindestens zwei halbleitenden Metalloxidschichten 130 verwendet wird. Die Dicke jeder wasserstoffhaltigen Metallschicht 140 kann 1 nm bis 30 nm, beispielsweise 2 nm bis 15 nm betragen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Die Dicke jeder halbleitenden Metalloxidschicht 130 kann 1 nm bis 30 nm, beispielsweise von 2 nm bis 15 nm betragen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Die Asymmetrie zwischen der ersten Elektrode 126 und der zweiten Elektrode 158 zum Zwecke der Programmierung jeder Speicherzelle 150 kann herbeigeführt werden, indem die Dicken jeder Schicht innerhalb des verschachtelten Schichtstapels von mindestens zwei wasserstoffhaltigen Metallschichten 140 und mindestens zwei halbleitenden Metalloxidschichten 130 abgestimmt werden. Beispielsweise kann die Dicke jeder wasserstoffhaltigen Metallschicht 140 mit zunehmendem Abstand von der ersten Elektrode 126 abnehmen und die Dicke jeder halbleitenden Metalloxidschicht 130 kann mit zunehmendem Abstand von der ersten Elektrode zunehmen, oder umgekehrt.
  • Mit Bezug auf 12A und 12B ist eine zweite beispielhafte Struktur dargestellt, die zur Bildung eines Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise eines Feldeffekttransistors, verwendet werden kann, der ein Speicherbit in Form eines Widerstandszustands eines Kanalbereichs speichern kann. Eine halbleitende Metalloxidschicht 30 kann über einer Dielektrikumsmaterialschicht 20 gebildet werden. Die Dielektrikumsmaterialschicht 20 kann eine beliebige der in 1 dargestellten Kontaktebene-Dielektrikumsmaterialschicht 601, der ersten Metallleitungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 610, der zweiten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 620, der dritten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 630 und der vierten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 640 sein. Ferner kann die Dielektrikumsmaterialschicht 20 eine beliebige der Dielektrikumsmaterialschichten sein, die über der ersten beispielhaften Struktur von 1 oder über der ersten beispielhaften Struktur von 6-11 gebildet sein können. In dieser Ausführungsform wird der Bereich, in dem die zweite beispielhafte Struktur gebildet wird, so gewählt, dass keine Metall-Interconnect-Strukturen auf dem Abschnitt der Dielektrikumsmaterialschicht 20, über dem die zweite beispielhafte Struktur gebildet ist, vorhanden sind. Alternativ können Kontakt-Durchkontaktierungsstrukturen (nicht dargestellt) und Metallleitungen (nicht dargestellt) in einem oberen Abschnitt der Dielektrikumsmaterialschicht 20 gebildet werden, so dass die Kontakt-Durchkontaktierungsstrukturen oder Metallleitungen einen Source-Bereich oder einen Drain-Bereich eines Feldeffekttransistors kontaktieren, wenn der Source-Bereich und der Drain-Bereich gebildet sind. Alternativ kann die Dielektrikumsmaterialschicht 20 einen Abschnitt einer flachen Grabenisolationsstruktur 720 umfassen, die sich über einen relativ großen Bereich, wie beispielsweise einen Vorrichtungsbereich, erstreckt. Alternativ kann die Dielektrikumsmaterialschicht 20 als eine Isoliermaterialschicht bereitgestellt werden, die über einem Substrat, wie beispielsweise einem Halbleitersubstrat, abgeschieden wird. Weiter alternativ kann die Dielektrikumsmaterialschicht 20 als ein Teil eines isolierenden Substrats bereitgestellt werden. Während nur ein einzelner Feldeffekttransistor dargestellt ist, um die Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben, sind ausdrücklich Ausführungsformen denkbar, in denen ein Array von Feldeffekttransistoren (wie ein zweidimensionales Array von Feldeffekttransistoren) über einem Substrat gebildet wird.
  • Die halbleitende Metalloxidschicht 30 kann die gleiche Materialzusammensetzung wie die halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L der ersten beispielhaften Struktur aufweisen und kann durch den gleichen Abscheidungsprozess (wie beispielsweise einen physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess) gebildet werden. Die Dicke der halbleitenden Metalloxidschicht 30 kann 1 nm bis 100 nm, beispielsweise von 2 nm bis 50 nm und/oder 4 nm bis 25 nm betragen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Die halbleitende Metalloxidschicht 30 kann strukturiert werden, beispielsweise durch Aufbringen einer Photoresistschicht (nicht gezeigt) über der halbleitenden Metalloxidschicht 30, durch lithografisches Strukturieren der Photoresistschicht, um einen diskreten Photoresistmaterialabschnitt einzuschließen, und durch Ätzen nicht-maskierter Abschnitte der halbleitenden Metalloxidschicht 30. Eine halbleitende Metalloxidschicht 30, wie sie durch einen Ätzprozess strukturiert ist, kann eine Länge entlang einer ersten horizontalen Richtung hd1 und eine Breite entlang einer zweiten horizontalen Richtung hd2 aufweisen. Die Länge kann 50 nm bis 1 Mikron betragen und die Breite kann 30 nm bis 1 Mikron betragen, wobei auch geringere und größere Längen und Breiten verwendet werden können. Die Photoresistschicht kann anschließend entfernt werden, beispielsweise durch Veraschung. Optional kann ein geeigneter Reinigungsprozess durchgeführt werden.
  • Wie in 13A und 13B gezeigt, können eine wasserstoffhaltige Metallschicht und eine Gateelektrodenmaterialschicht über der halbleitenden Metalloxidschicht 30 abgeschieden werden. Die wasserstoffhaltige Metallschicht und die Gateelektrodenmaterialschicht können als flächige Materialschichten, d.h. als unstrukturierte Materialschichten, abgeschieden werden. Die wasserstoffhaltige Metallschicht der zweiten beispielhaften Struktur kann die gleiche Materialzusammensetzung aufweisen wie die wasserstoffhaltige Metallschicht 140L der ersten beispielhaften Struktur und kann durch den gleichen Abscheidungsprozess (beispielsweise einen physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess) gebildet werden. Die Dicke der abdeckenden wasserstoffhaltigen Metallschicht der zweiten beispielhaften Struktur kann 1 nm bis 100 nm, beispielsweise 2 nm bis 50 nm und/oder 4 nm bis 25 nm betragen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Die Gateelektrodenmaterialschicht umfasst ein metallisches Gateelektrodenmaterial. In einer Ausführungsform umfasst die Gateelektrodenmaterialschicht eines der Metallmaterialien, die für die erste Elektrodenmaterialschicht oder die zweite Elektrodenmaterialschicht in der ersten beispielhaften Struktur verwendet werden können. Beispielsweise kann die Gateelektrodenmaterialschicht ein leitfähiges Metallnitridmaterial und/oder ein elementares Metall und/oder eine Zwischenmetall-Legierung enthalten und/oder im Wesentlichen daraus gebildet sein. Leitfähige Metallnitridmaterialien, die für die Gateelektrodenmaterialschicht verwendet werden können, sind beispielsweise TiN, TaN oder WN. Elementare Metalle, die für die Gateelektrodenmaterialschicht verwendet werden können, sind unter anderem W, Ta, Re, Nb, Mb, Ru, Co und Ni. Im Allgemeinen kann ein elementares Metall, das gegen Wasserstoffdiffusion resistent ist, für die Gateelektrodenmaterialschicht verwendet werden. In einer Ausführungsform kann für die Gateelektrodenmaterialschicht ein hochschmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt von über 2.000 Grad Celsius verwendet werden. Die Gateelektrodenmaterialschicht kann durch physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden werden. Die Dicke der Gateelektrodenmaterialschicht kann 50 nm bis 200 nm betragen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Als Gateelektrodenmaterialschicht kann ein Stapel von mehreren Metallschichten verwendet werden.
  • Eine Photoresistschicht kann über der Gateelektrodenmaterialschicht aufgebracht werden (nicht dargestellt), die lithografisch mit einer Gatestruktur strukturiert werden kann. Beispielsweise kann ein rechteckiger Bereich, der sich über einen mittleren Abschnitt der halbleitenden Metalloxidschicht 30 erstreckt, als maskierter Bereich der Gatestruktur verwendet werden. Ein anisotroper Ätzprozess kann durchgeführt werden, um die nicht-maskierten Bereiche der Gateelektrodenmaterialschicht und der wasserstoffhaltigen Metalldeckschicht zu ätzen. In einer Ausführungsform kann der anisotrope Ätzprozess einen ersten anisotropen Ätzschritt umfassen, der nicht-maskierte Bereiche der Gateelektrodenmaterialschicht selektiv gegenüber dem Material der wasserstoffhaltigen Metalldeckschicht ätzt, und einen zweiten anisotropen Ätzschritt, der nicht-maskierte Bereiche der wasserstoffhaltigen Metalldeckschicht selektiv gegenüber dem Material der halbleitenden Metalloxidschicht 30 ätzt. Die Photoresistschicht kann anschließend entfernt werden, beispielsweise durch Veraschung.
  • Ein verbleibender Teil der Gateelektrodenmaterialschicht, der über der halbleitenden Metalloxidschicht 30 liegt, umfasst eine Gateelektrode 50. Ein verbleibender Teil der wasserstoffhaltigen Metallschicht, der über der Gateelektrode 50 liegt, umfasst eine wasserstoffhaltige Metallschicht 40, die in die Halbleitervorrichtung der zweiten beispielhaften Struktur eingebettet ist. Ein Gatestapel von einer wasserstoffhaltigen Metallschicht 40 und einer Gateelektrode 50 kann einen mittleren Abschnitt der halbleitenden Metalloxidschicht 30 entlang der zweiten horizontalen Richtung hd2 überspannen. Die Abmessung des Gatestapels (40, 50) entlang der ersten horizontalen Richtung hd1 wird hierin als die Gatelänge bezeichnet, die 10 nm bis 300 nm, beispielsweise 30 nm bis 100 nm betragen kann, obwohl auch geringere und größere Gatelängen verwendet werden können.
  • Die wasserstoffhaltige Metallschicht 40 liegt auf einer Oberfläche der halbleitenden Metalloxidschicht 30 und enthält mindestens ein Metall von Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium, und/oder ist im Wesentlichen daraus gebildet, mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % und Wasserstoffatomen mit einem Atomprozentsatz von 0,001 % bis 10 %, wie beispielsweise 0,01 % bis 5 % und/oder 0,1 % bis 3 %. Die Gateelektrode 50 liegt auf der wasserstoffhaltigen Metallschicht 40. Seitenwände der Gateelektrode 50 und Seitenwände der wasserstoffhaltigen Metallschicht 40 können vertikal zusammenfallen, d.h. in gemeinsamen vertikalen Ebenen liegen.
  • Mit Bezug auf 14A und 14B können geeignete elektrische Dotierstoffe in nicht-maskierte Bereiche der halbleitenden Metalloxidschicht 30 implantiert werden, indem ein Ionenimplantationsprozess durchgeführt wird. Die Gateelektrode 50 kann während des Ionenimplantationsprozesses als eine Ionenimplantationsmaske verwendet werden. Elektrische Dotierstoffe, die überschüssige Löcher oder überschüssige Elektronen in den implantierten Bereichen der halbleitenden Metalloxidschicht 30 bilden können, umfassen unter anderem Na, K, Mg, Ca, Sr, Y, La, B, Al, Ga, N, P, As, Sb, F, Cl und andere Elemente, die die Bildung von Löchern oder überschüssigen Elektronen in der halbleitenden Metalloxidschicht 30 induzieren können. Alternativ oder zusätzlich kann optional eine Plasmabehandlung durchgeführt werden, um die elektrischen Eigenschaften des halbleitenden Metalloxidmaterials in der halbleitenden Metalloxidschicht 30 zu verbessern. Ein Source-Bereich 32 wird in einer Seite der halbleitenden Metalloxidschicht 30 gebildet und ein Drain-Bereich 38 wird in einer anderen Seite der halbleitenden Metalloxidschicht 30 gebildet. Der nicht-implantierte Teil der halbleitenden Metalloxidschicht 30 bildet einen Kanalbereich 35, der unter der Gateelektrode 50 liegt.
  • Eine dielektrische Diffusionssperrmaterialschicht kann konform über der Gateelektrode 50 und der halbleitenden Metalloxidschicht 30 durch ein konformes Abscheideverfahren, wie beispielsweise ein chemisches Gasphasenabscheideverfahren, abgeschieden werden. Die dielektrische Diffusionssperrmaterialschicht umfasst eine Wasserstoffdiffusionssperrmaterialschicht, die die Diffusion von Wasserstoff blockiert. Das dielektrische Diffusionssperrmaterial kann beispielsweise Siliziumnitrid enthalten. Die Dicke der dielektrischen Diffusionssperrmaterialschicht kann 5 nm bis 50 nm, beispielsweise von 10 nm bis 25 nm betragen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Ein anisotroper Ätzprozess kann durchgeführt werden, um horizontale Abschnitte der dielektrischen Diffusionssperrmaterialschicht zu entfernen. Ein verbleibender Teil der dielektrischen Diffusionssperrmaterialschicht, der sich vertikal erstreckt, umfasst einen dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 56, der den Gatestapel (40,50) einschließlich der wasserstoffhaltigen Metallschicht 40 und der Gateelektrode 50 kontaktiert und seitlich umgibt. Die wasserstoffhaltige Metallschicht 40 dient als ein Wasserstoffreservoir für den Kanalbereich 35. Wasserstoffatome können aus der wasserstoffhaltigen Metallschicht 40 in den Kanalbereich 35 injiziert werden, um den Kanalbereich 35 in einen hydrierten Zustand zu programmieren. Zusätzlich können die Wasserstoffatome aus dem Kanalbereich 35 in die wasserstoffhaltige Metallschicht 40 extrahiert werden, um den Kanalbereich 35 in einen dehydrierten Zustand zu programmieren. Die Gateelektrode 50 kann ein metallisches Material enthalten, das die Diffusion von Wasserstoffatomen durch sie hindurch verhindert. Die dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 56 dienen als eine Kapselung, die das Entweichen von Wasserstoffatomen aus dem Feldeffekttransistor verhindert.
  • Die Programmierung des Kanalbereichs 35 des Feldeffekttransistors in den hydrierten Zustand kann im Allgemeinen erfolgen, indem ein erster Programmierimpuls mit einer ersten Polarität bezüglich des jeweiligen Source-Bereichs 32 und/oder des jeweiligen Drain-Bereichs 38 an die Gateelektrode 50 angelegt wird. Die Programmierung des Kanalbereichs 35 des Feldeffekttransistors in den dehydrierten Zustand kann erfolgen, indem ein zweiter Programmierimpuls mit einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, bezüglich des jeweiligen Source-Bereichs 32 und/oder des jeweiligen Drain-Bereichs 38 an die Gateelektrode 50 angelegt wird. In einer Ausführungsform können der Source-Bereich 32 und der Drain-Bereich 38 während der Programmierung des Kanalbereichs 35 in den hydrierten Zustand oder in den dehydrierten Zustand mit einer gleichen Spannung vorgespannt sein.
  • In einer Ausführungsform enthält der hydrierte Zustand des Kanalbereichs 35 Wasserstoffatome mit einer hohen atomaren Konzentration, die 0,001 % bis 10 %, beispielsweise von 0,01 % bis 5 % und/oder 0,1 % bis 3 % betragen kann. Der dehydrierte Zustand des Kanalbereichs 35 enthält Wasserstoffatome mit einer niedrigen atomaren Konzentration, die 0,0001 % bis 3,3 %, wie beispielsweise 0,001 % bis 1,67 % und/oder 0,01 % bis 1 % betragen kann. Im Allgemeinen kann das Verhältnis des Atomprozentsatzes der Wasserstoffatome in dem hydrierten Zustand des Kanalbereichs 35 einer halbleitenden Metalloxidschicht 30 zu dem Atomprozentsatz der Wasserstoffatome in dem dehydrierten Zustand des Kanalbereichs 35 der halbleitenden Metalloxidschicht 30 3 bis 100, wie beispielsweise 5 bis 10 betragen, wobei auch geringere und größere Verhältnisse verwendet werden können.
  • Mit Bezug auf 15A und 15B kann eine Dielektrikumsmaterialschicht über der Gateelektrode 50 und der halbleitenden Metalloxidschicht 30 abgeschieden werden. Die Dielektrikumsmaterialschicht wird hierin als eine Kontakt-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 70 bezeichnet. Die Kontakt-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 70 kann ein planarisierbares dielektrisches Material wie undotiertes Silikatglas oder ein dotiertes Silikatglas oder ein selbstplanarisierendes dielektrisches Material wie fließfähiges Oxid (FOX) enthalten. Optional kann ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess durchgeführt werden, um die obere Oberfläche der Kontakt-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 70 zu planarisieren.
  • Kontakt-Durchkontaktierungshohlräume können durch die Kontakt-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 70 gebildet werden. Eine obere Oberfläche des Source-Bereichs 32, eine obere Oberfläche des Drain-Bereichs 38 und eine obere Oberfläche der Gateelektrode 50 können an der Unterseite der Kontakt-Durchkontaktierungshohlräume physisch freigelegt werden. Mindestens ein leitfähiges Material, wie beispielsweise eine Kombination eines leitfähigen Metall-Auskleidungsmaterials (beispielsweise TiN, TaN und/oder WN) und eines leitfähigen Metallfüllmaterials (beispielsweise W, Cu, Co, Mo, Ru, eines anderen elementaren Metalls oder einer Zwischenmetall-Legierung), kann in den Kontakt-Durchkontaktierungshohlräumen abgeschieden werden. Die Abscheidung des mindestens einen leitfähigen Materials kann durch physikalisches Gasphasenabscheidung, chemisches Gasphasenabscheidung, Eletroplattieren und/oder stromloses Plattieren erfolgen. Überschüssige Teile des mindestens einen leitfähigen Materials können oberhalb der horizontalen Ebene, die die obere Oberfläche der Kontakt-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 70 einschließt, durch einen Planarisierungsprozess wie beispielsweise ein aussparendes Ätzen und/oder einen chemisch-mechanischen Planarisierungsprozess entfernt werden. Die verbleibenden Abschnitte des mindestens einen leitfähigen Materials, die die Kontakt-Durchkontaktierungshohlräume füllen, umfassen eine Source-Kontakt-Durchkontaktierungsstruktur 72, eine Drain-Kontakt-Durchkontaktierungsstruktur 78 und eine Gate-Kontakt-Durchkontaktierungsstruktur 75. Die Source-Kontakt-Durchkontaktierungsstruktur 72 kann den Source-Bereich 32 kontaktieren, die Drain-Kontakt-Durchkontaktierungsstruktur 78 kann den Drain-Bereich 38 kontaktieren und die Gate-Kontakt-Durchkontaktierungsstruktur 75 kann die Gateelektrode 50 kontaktieren.
  • Mit Bezug auf 16A und 16B ist eine erste alternative Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur dargestellt, die von der zweiten beispielhaften Struktur der 15A und 15B abgeleitet werden kann, indem die Bildung der dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 56 entfällt. In dieser Ausführungsform kann die Kontakt-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 70 ein Wasserstoffdiffusionssperrmaterial wie Siliziumoxid enthalten. Alternativ kann die Kontakt-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 70 einen Schichtstapel aufweisen, der eine Wasserstoffdiffusionssperrschicht (beispielsweise eine Siliziumnitridschicht) und eine Zwischenschicht-Dielektrikumsmaterialschicht (beispielsweise eine Schicht aus undotiertem Silikatglas, dotiertem Silikatglas, Organosilikatglas oder ein poröses dielektrisches Material) enthält.
  • Mit Bezug auf 17A und 17B kann eine zweite alternative Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, indem eine Kombination von einem permeablen dielektrischen Abstandhalter 456 und einem dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 56 anstelle eines dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalters 56 in der zweiten beispielhaften Struktur der 15A und 15B gebildet wird. In dieser Ausführungsform kann eine permeable Dielektrikumsmaterialschicht, die für Wasserstoffatome durchlässig ist, nach der Bildung des Source-Bereichs 32 und des Drain-Bereichs 38 direkt auf den Seitenwänden des Gatestapels (40, 50) konform gebildet werden. Die permeable Dielektrikumsmaterialschicht kann ein dielektrisches Material wie Siliziumoxid, Organosilikatglas oder ein poröses dielektrisches Material enthalten. Ein anisotropes Ätzen kann durchgeführt werden, um horizontale Abschnitte der permeablen Dielektrikumsmaterialschicht zu entfernen, und jeder verbleibende Teil der permeablen Dielektrikumsmaterialschicht, der sich vertikal erstreckt, bildet einen permeablen dielektrischen Abstandhalter 456. Jeder permeable dielektrische Abstandhalter 456 kann eine laterale Dicke von 1 nm bis 50 nm, beispielsweise von 3 nm bis 20 nm, zwischen einer inneren Seitenwand und einer äußeren Seitenwand aufweisen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Die oberen Oberflächen der permeablen dielektrischen Abstandhalter 456 können unterhalb der horizontalen Ebene liegen, die die oberen Oberflächen der Gateelektrode 50 einschließt, um die Abdeckung eines oberen Abschnitts des permeablen dielektrischen Abstandhalters 456 durch einen dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 56 zu erleichtern, der anschließend gebildet wird.
  • Anschließend kann ein dielektrischer Diffusionssperre-Abstandhalter 56 auf dem permeablen dielektrischen Abstandhalter 456 gebildet werden. Jeder dielektrische Diffusionssperre-Abstandhalter 56 kann jeweils einen der permeablen dielektrischen Abstandhalter 456 einkapseln. Die Verarbeitungsschritte von 15A und 15B können anschließend gebildet werden. In dieser Konfiguration dienen die permeablen dielektrischen Abstandhalter 456 als ein zusätzliches Reservoir für Wasserstoffatome und die dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 56 dienen als Verkapselungsstrukturen, die das Entweichen von Wasserstoffatomen aus dem jeweiligen Feldeffekttransistor verhindern. Der permeable dielektrische Abstandhalter 456, der ein wasserstoffdurchlässiges dielektrisches Material enthält, kann den Gatestapel (40, 50) kontaktieren und seitlich umgeben und ein dielektrischer Diffusionssperre-Abstandhalter 56, der ein Wasserstoffdiffusionssperrmaterial enthält, kann den permeablen dielektrischen Abstandhalter 456 kontaktieren und seitlich umgeben.
  • Mit Bezug auf 18A und 18B kann eine dritte alternative Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur von jeder der Konfigurationen der zweiten beispielhaften Struktur, wie in 15A-17B dargestellt abgeleitet werden, indem ein Aussparungsgraben in der Dielektrikumsmaterialschicht 20 vor der Bildung der halbleitenden Metalloxidschicht 30 gebildet wird, und indem der Aussparungsgraben mit einer Metallleitung gefüllt wird, die eine rückseitige Gateelektrode 350 für den Feldeffekttransistor bildet. In Ausführungsformen, in denen die Dielektrikumsmaterialschicht 20 eine Interconnect-Ebene-Dielektrikumsmaterialschicht auf ist, die in einer Back-End-of-Line-Struktur liegt, wie beispielsweise die Kontaktebene-Dielektrikumsmaterialschicht 601, die erste Metallleitungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 610, die zweite Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 620, die dritte Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 630 oder die vierte Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 640 wie in 1 dargestellt, kann die rückseitige Gateelektrode 350 gleichzeitig mit Metallleitungsstrukturen gebildet werden, die in die Interconnect-Ebene-Dielektrikumsmaterialschicht eingebettet sind, wie den ersten Metallleitungsstrukturen 618, den zweiten Metallleitungsstrukturen 628, den dritten Metallleitungsstrukturen 638 oder den vierten Metallleitungsstrukturen 648. Ferner sind Ausführungsformen ausdrücklich denkbar, bei denen die rückseitige Gateelektrode 350 eine Metallleitungsstruktur in einer oberen Metall-Interconnect-Struktur umfasst, die über der vierten Leitungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 640 liegt. Alternativ kann die Dielektrikumsmaterialschicht 20 eine flache Grabenisolationsstruktur umfassen.
  • Die Dicke der rückseitige Gateelektrode 350 kann 20 nm bis 200 nm betragen, wobei auch geringere und größere Dicken verwendet werden können. Die rückseitige Gateelektrode 350 kann ein Metall enthalten, das gegen Wasserstoffdiffusion resistent ist. Beispielsweise kann die rückseitige Gateelektrode 350 ein leitfähiges Metallnitridmaterial und/oder ein elementares Metall und/oder eine Zwischenmetall-Legierung enthalten. Leitfähige Metallnitridmaterialien, die für die rückseitige Gateelektrode 350 verwendet werden können, sind beispielsweise TiN, TaN oder WN. Zu den elementaren Metallen, die für die rückseitige Gateelektrode 350 verwendet werden können, gehören unter anderem W, Ta, Re, Nb, Mb, Ru, Co und Ni. Im Allgemeinen kann ein elementares Metall für die rückseitige Gateelektrode 350 verwendet werden, das gegen Wasserstoffdiffusion beständig ist. In einer Ausführungsform kann für die rückseitige Gateelektrode 350 ein hochschmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt über 2.000 Grad Celsius verwendet werden. Die halbleitende Metalloxidschicht 30 kann über einer planarisierten oberen Oberfläche der rückseitigen Gateelektrode 350 gebildet werden. Die Oberfläche der rückseitigen Gateelektrode 350 kann die Oberfläche der Gateelektrode 50 überlappen. Die Kombination der Gateelektrode 50 und der rückseitigen Gateelektrode 350 ergibt eine Dualgate-Konfiguration, die eine engere Kontrolle der Schwellspannung ermöglicht. Die rückseitige Gateelektrode 350 kann eine variable Kanalvorspannung bereitstellen, um die Drift der Transistoreigenschaften des Feldeffekttransistors, der den Source-Bereich 32, den Drain-Bereich 38, den Kanalbereich 35, die wasserstoffhaltige Metallschicht 40 und die Gateelektrode 50 umfasst, zu kompensieren, die durch den allmählichen Verlust von Wasserstoffatomen über einen langen Verwendungszeitraum verursacht werden kann.
  • Mit Bezug auf 19A und 19B kann eine vierte alternative Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur von jeder der Konfigurationen der zweiten beispielhaften Struktur wie in 15A - 17B dargestellt abgeleitet werden, indem ein Aussparungsgraben in der Dielektrikumsmaterialschicht 20 gebildet wird, ein rückseitiger dielektrischer Diffusionssperre-Abstandhalter 356 gebildet wird, der ein wasserstoffsperrendes dielektrisches Sperrmaterial (wie Siliziumnitrid) um die Seitenwände des Aussparungsgrabens herum enthält, und ein Stapel einer rückseitigen Gateelektrode 350 und einer rückseitigen wasserstoffhaltigen Metallschicht 340 innerhalb des Aussparungsgrabens gebildet wird.
  • Der rückseitige dielektrische Diffusionssperre-Abstandhalter 356 kann durch konformes Abscheiden einer rückseitigen dielektrischen Diffusionssperrschicht und anisotropes Ätzen der rückseitigen dielektrischen Diffusionssperrschicht gebildet werden. Die rückseitige Gateelektrode 350 kann gebildet werden, indem mindestens ein leitfähiges Material in dem Hohlraum, der seitlich von dem rückseitigen Diffusionssperre-Abstandhalter 356 umgeben ist, abgeschieden wird, und indem das mindestens eine leitfähige Material unterhalb der horizontalen Ebene, die die obere Oberfläche der Dielektrikumsmaterialschicht 20 einschließt, vertikal ausgespart wird, indem ein Planarisierungsprozess verwendet wird, der einen Aussparungs-Ätzprozess umfasst. Beispielsweise kann ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess verwendet werden, um den Teil des mindestens einen leitfähigen Materials oberhalb der horizontalen Ebene einschließlich der oberen Oberfläche der Dielektrikumsmaterialschicht 20 zu entfernen, und ein Aussparungs-Ätzprozess kann durchgeführt werden, um die obere Oberfläche eines verbleibenden Abschnitts des mindestens einen leitfähigen Materials vertikal auszusparen. Ein verbleibender Abschnitt des mindestens einen leitfähigen Materials in dem Aussparungsgraben bildet die rückseitige Gateelektrode 350. Die Aussparungstiefe kann gleich der Dicke der rückseitigen wasserstoffhaltigen Metallschicht 340 sein, die anschließend gebildet wird. Beispielsweise kann die Aussparungstiefe 1 nm bis 100 nm, wie beispielsweise von 2 nm bis 50 nm und/oder von 4 nm bis 25 nm betragen, wobei auch geringere und größere Aussparungstiefen verwendet werden können. Die rückseitige Gateelektrode 350 kann das gleiche Material enthalten wie in der dritten alternativen Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur wie in 18A und 18B dargestellt.
  • Die rückseitige wasserstoffhaltige Metallschicht 340 kann durch die gleichen Verarbeitungsschritte gebildet werden, die zur Bildung einer wasserstoffhaltigen Metallschicht 140L in der ersten beispielhaften Struktur verwendet werden. Die rückseitige wasserstoffhaltige Metallschicht 340 kann die gleiche Materialzusammensetzung und den gleichen Dickenbereich aufweisen wie jede der wasserstoffhaltigen Metallschichten 140L, die in der ersten beispielhaften Struktur verwendet werden können. Anschließend können die Verarbeitungsschritte der 12A - 17B durchgeführt werden, um die vierte Konfiguration der zweiten beispielhaften Struktur bereitzustellen, wie in 18A und 18B dargestellt.
  • Mit Bezug auf 12A-18B und zugehörige Zeichnungen und gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine halbleitende Metalloxidschicht 30, die auf einer Dielektrikumsmaterialschicht 20 liegt und einen Source-Bereich 32, einen Drain-Bereich 38 und einen Kanalbereich 35 aufweist, der zwischen dem Source-Bereich 32 und dem Drain-Bereich 38 liegt; eine wasserstoffhaltige Metallschicht 40, die auf einer Oberfläche des Kanalbereichs 35 liegt und mindestens ein Metall enthält, das aus Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % ausgewählt ist und Wasserstoffatome enthält; und eine Gateelektrode 50, die auf der wasserstoffhaltigen Metallschicht 40 liegt.
  • In einer Ausführungsform weist die Halbleitervorrichtung auf: einen dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 56, der ein Wasserstoffdiffusionssperrmaterial enthält, und die wasserstoffhaltige Metallschicht 40 und die Gateelektrode 50 kontaktiert und seitlich umgibt.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Halbleitervorrichtung einen permeablen dielektrischen Abstandhalter 456, der ein wasserstoffdurchlässiges dielektrisches Material enthält und die Gateelektrode 50 und die wasserstoffhaltige Metallschicht 40 kontaktiert und seitlich umgibt; und einen dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter 56, der ein Wasserstoffdiffusionssperrmaterial enthält und den permeablen dielektrischen Abstandhalter 456 kontaktiert und seitlich umgibt.
  • In einer Ausführungsform weist die Halbleitervorrichtung Folgendes auf: eine rückseitige Gateelektrode 350, die in die Dielektrikumsmaterialschicht 20 eingebettet ist; und eine wasserstoffhaltige rückseitige Metallschicht 340, die mindestens ein zusätzliches Metall enthält, das aus Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % ausgewählt ist und Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz von 0,001 % bis 10 % enthält, und zwischen einer unteren Oberfläche des Kanalbereichs 35 und der rückseitigen Gateelektrode 350 liegt. Das mindestens eine zusätzliche Metall kann das gleiche sein wie das mindestens eine Metall der wasserstoffhaltigen Metallschicht 40, oder von diesem verschieden sein.
  • In einer Ausführungsform weist die Halbleitervorrichtung Folgendes auf: eine rückseitige Gateelektrode 350, die in die Dielektrikumsmaterialschicht 20 eingebettet ist und eine rückseitige Oberfläche des Kanalbereichs 35 kontaktiert.
  • Mit Bezug auf 20 veranschaulicht ein Flussdiagramm die allgemeinen Verarbeitungsschritte der Verfahren zur Herstellung einer Speichervorrichtung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Mit Bezug auf Schritt 2010 und 1 und 2 wird eine Dielektrikumsmaterialschicht (wie beispielsweise eine Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Dielektrikumschicht 110, eine vierte Leitungs-und-Durchkontaktierungsebene-Dielektrikumsmaterialschicht 640, eine beliebige andere Interconnect-Ebene-Dielektrikumschicht oder ein sich seitlich erstreckender Abschnitt einer flachen Grabenisolationsstruktur 720) über einem Substrat 9 gebildet. Mit Bezug auf Schritt 2020 und 3 kann ein Materialschichtstapel (126L, 130, 140L, 158L), der eine erste Elektrodenmaterialschicht 126L, mindestens eine halbleitende Metalloxidmaterialschicht 130L, mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht 140L und eine zweite Elektrodenmaterialschicht 158L aufweist, über der Dielektrikumsmaterialschicht 20 gebildet werden. Mit Bezug auf Schritt 2030 und 4 kann der Materialschichtstapel (126L, 130, 140L, 158L) in mindestens eine Säulenstruktur strukturiert werden, die eine erste Elektrode 126, einen Speicherschichtstapel (130, 140) und eine zweite Elektrode 158 aufweist. Anschließend können die Verarbeitungsschritte von 5-11 durchgeführt werden.
  • Mit Bezug auf 21 veranschaulicht ein Flussdiagramm die allgemeinen Verarbeitungsschritte der Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung (die eine Speichervorrichtung sein kann) der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Mit Bezug auf Schritt 2110 und 12A und 12B, 18A und 18B sowie 19A und 19B wird eine halbleitende Metalloxidschicht 30 über einer Dielektrikumsmaterialschicht 20 gebildet. Mit Bezug auf Schritt 2120 und 13A und 13B, 18A und 18B sowie 19A und 19B können eine wasserstoffhaltige Metallschicht 40 und eine Gateelektrode 50 über der halbleitenden Metalloxidschicht 30 gebildet werden. Mit Bezug auf Schritt 2130 und 14A und 14B, 18A und 18B sowie 19A und 19B können in der halbleitenden Metalloxidschicht 30 ein Source-Bereich 32 und ein Drain-Bereich 38 gebildet werden. Anschließend können weitere Verarbeitungsschritte von 14A-19B durchgeführt werden.
  • Mit Bezug auf 22 veranschaulicht ein Flussdiagramm allgemeine Schritte zum Betrieb einer Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung, die eine von den ersten beispielhaften Strukturen und den zweiten beispielhaften Strukturen sein kann. Mit Bezug auf Schritt 2210 und 6-11 und 15A-19B wird eine Halbleitervorrichtung mit einem Schichtstapel {(130, 140) oder (30,40)} zwischen einer ersten Elektrode (126 oder 32) und einer zweiten Elektrode (158 oder 38) bereitgestellt, wobei der Schichtstapel mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht (130 oder 30) und mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht (140 oder 40) über einer Dielektrikumsmaterialschicht {(110 oder 640) oder 20} aufweist. In der zweiten beispielhaften Struktur dient der Source-Bereich 32 als die erste Elektrode und der Drain-Bereich dient als die zweite Elektrode. Jede der mindestens einen wasserstoffhaltigen Metallschicht (140 oder 40) umfasst enthält ein Metall, das aus Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % ausgewählt ist, und enthält Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz von 0,001 % bis 10 %.
  • Mit Bezug auf Schritt 2220 kann die Halbleitervorrichtung in einen hydrierten Zustand oder einen dehydrierten Zustand programmiert werden, indem ein Programmierimpuls über die erste Elektrode 126 und die zweite Elektrode 158 angelegt wird oder über eine Gateelektrode 50, die auf der mindestens einen wasserstoffhaltigen Metallschicht 40 liegt, und eine der ersten Elektrode (mit einem Source-Bereich 32) und der zweiten Elektrode (mit einem Drain-Bereich 38) angelegt wird. Der hydrierte Zustand ist ein Zustand, in dem die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht (130, 30) mit Wasserstoffatomen eingeimpft ist, und der dehydrierte Zustand ist ein Zustand, in dem die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht (130, 30) wasserstoff-verarmt ist. Mit Bezug auf Schritt 2230 kann ein Speicherzustand der Halbleitervorrichtung durch Messen von elektrischer Leitfähigkeit eines Messstrompfades zwischen der ersten Elektrode (126 oder 32) und der zweiten Elektrode (158 oder 38) unter einer Messvorspannungsbedingung bestimmt werden.
  • In der ersten Ausführungsform erstreckt sich der Messstrompfad durch jede Schicht innerhalb des Schichtstapels (130, 140) entlang einer Richtung, die senkrecht zu jeder Grenzfläche zwischen jedem benachbarten Paar von Schichten innerhalb des Schichtstapels von halbleitendem Metalloxid verläuft. Ein Leseverstärker kann verwendet werden, um die Größe des Messstroms zu messen und den Speicherzustand einer Speicherzelle 150 zu bestimmen. In einer Ausführungsform umfasst das Programmieren der Halbleitervorrichtung in den hydrierten Zustand das Anlegen eines ersten Programmierimpulses mit einer ersten Polarität an die zweite Elektrode 158 relativ zu der ersten Elektrode 126, und das Programmieren der Halbleitervorrichtung in den dehydrierten Zustand umfasst das Anlegen eines zweiten Programmierimpulses mit einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, an die zweite Elektrode 158 relativ zu der ersten Elektrode 126.
  • In der zweiten Ausführungsform umfasst die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht eine halbleitende Metalloxidschicht 30, die einen Source-Bereich 32 (als die erste Elektrode), einen Drain-Bereich 38 (als die zweite Elektrode) und einen zwischen dem Source-Bereich 32 und dem Drain-Bereich 38 liegenden Kanalbereich 35 aufweist. Die erste Elektrode weist den Source-Bereich 32 auf und die zweite Elektrode weist den Drain-Bereich 38 auf. Der elektrisch leitfähige Pfad erstreckt sich durch den Kanalbereich 35 entlang einer Richtung, die parallel zu einer Grenzfläche zwischen dem Kanalbereich 35 und der mindestens einen wasserstoffhaltigen Metallschicht 40 ist, die den Kanalbereich 35 kontaktiert. Ein Leseverstärker kann verwendet werden, um die Größe des Messstroms zu messen und den Speicherzustand der Halbleitervorrichtung zu bestimmen, die einen Feldeffekttransistor mit einer variablen Schwellspannung umfasst, welche durch Wasserstoffpegel in dem Kanalbereich 35 moduliert wird.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Programmieren der Halbleitervorrichtung in den hydrierten Zustand das Anlegen eines ersten Programmierimpulses an die Gateelektrode 50 mit einer ersten Polarität relativ zu der einen (oder beiden) der ersten Elektrode (die den Source-Bereich 32 aufweist) und der zweiten Elektrode (die den Drain-Bereich 38 aufweist); und das Programmieren der Halbleitervorrichtung in den dehydrierten Zustand umfasst das Anlegen eines zweiten Programmierimpulses mit einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, an die Gateelektrode 50, an die eine (oder beide) der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode.
  • Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen halbleitende Metalloxid-Speichervorrichtungen bereit, die wasserstoffvermittelte Schwellspannungsmodulation verwenden. Insbesondere bestimmt die Menge an Wasserstoff in der mindestens einen halbleitenden Metalloxidschicht (130, 30) die Leitfähigkeit der mindestens einen halbleitenden Metalloxidschicht (130, 30) und stellt eine wasserstoffvermittelte Schwellspannung für die halbleitenden Metalloxid-Speichervorrichtungen bereit. Der elektrische Strom, der durch die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht (130, 30) fließt, kann über oder unter einem vordefinierten Schwellenwert liegen, je nachdem, ob sich die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht (130, 30) in einem hydrierten Zustand oder in einem dehydrierten Zustand befindet. Als solches kann die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht (130,30) ein Bit in einer nichtflüchtigen und reversiblen Weise kodieren. Durch die Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung kann eine nichtflüchtige Speichervorrichtung mit langer Lebensdauer bereitgestellt werden.
  • Vorstehend sind Merkmale mehrerer Ausführungsformen umrissen, damit der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Der Fachmann sollte erkennen, dass die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Grundlage für die Entwicklung oder Modifizierung anderer Verfahren und Strukturen verwendet werden kann, um die gleichen Zwecke zu erfüllen und/oder die gleichen Vorteile der hier vorgestellten Ausführungsformen zu erzielen. Der Fachmann sollte ferner erkennen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen, und dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen hierin vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • V. Antonov et al. „The Solubility of Hydrogen in the Platinum Metals under High Pressure, Platinum Metals Rev.“, 1984 [0006]

Claims (20)

  1. Speichervorrichtung aufweisend: eine erste Elektrode; einen Speicherschichtstapel, der auf der ersten Elektrode angeordnet ist und mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht und mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht aufweist, welche mindestens ein Metall mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 %, enthält, das aus Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium ausgewählt ist, und Wasserstoffatome enthält; und eine zweite Elektrode, die über dem Speicherschichtstapel angeordnet ist.
  2. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine erste Metall-Interconnect-Struktur, die in eine erste Dielektrikumsmaterialschicht eingebettet ist und eine untere Oberfläche der ersten Elektrode kontaktiert; und eine zweite Metall-Interconnect-Struktur, die in eine zweite Dielektrikumsmaterialschicht eingebettet ist und eine obere Oberfläche der zweiten Elektrode kontaktiert.
  3. Speichervorrichtung nach Anspruch 2, ferner aufweisend: ein Halbleitersubstrat, das unter der ersten Dielektrikumsmaterialschicht liegt; und Feldeffekttransistoren, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei die erste Elektrode oder die zweite Elektrode über zusätzliche Metall-Interconnect-Strukturen, die zwischen dem Halbleitersubstrat und der ersten Dielektrikumsmaterialschicht liegen, elektrisch mit einem der Feldeffekttransistoren verbunden ist.
  4. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der mindestens einen halbleitenden Metalloxidschicht eine horizontale Oberfläche einer jeweiligen der mindestens einen wasserstoffhaltigen Metallschicht kontaktiert.
  5. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: der Speicherschichtstapel eine einzelne halbleitende Metalloxidschicht und einer einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht aufweist, die miteinander in Kontakt stehen; die einzelne halbleitende Metalloxidschicht eine von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kontaktiert; und die einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht die andere der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kontaktiert, wobei die einzelne wasserstoffhaltige Metallschicht die Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz unter 10 % enthält.
  6. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht mehrere wasserstoffhaltige Metallschichten aufweist; und eine der mindestens einen halbleitenden Metalloxidschicht zwei der mehreren wasserstoffhaltigen Metallschichten kontaktiert.
  7. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Speicherschichtstapel einen verschachtelten Schichtstapel von mindestens zwei wasserstoffhaltigen Metallschichten und mindestens zwei halbleitenden Metalloxidschichten aufweist.
  8. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kombination von der ersten Elektrode, dem Speicherschichtstapel und der zweiten Elektrode eine Säulenstruktur aufweist, die eine obere Oberfläche aufweist, welche eine obere Oberfläche der zweiten Elektrode ist, eine untere Oberfläche aufweist, welche eine untere Oberfläche der ersten Elektrode ist, und eine Seitenwand aufweist, welche sich gerade zwischen einem Randbereich der oberen Oberfläche der zweiten Elektrode und einem Randbereich der unteren Oberfläche der ersten Elektrode erstreckt.
  9. Speichervorrichtung nach Anspruch 8, ferner aufweisend: einen dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter, der ein Wasserstoffdiffusionssperrmaterial enthält, die Säulenstruktur kontaktiert und diese seitlich umgibt.
  10. Speichervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, ferner aufweisend: einen permeablen dielektrischen Abstandhalter, der ein wasserstoffdurchlässiges dielektrisches Material enthält und die Säulenstruktur kontaktiert und diese seitlich umgibt; und einen dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter, der ein Wasserstoffdiffusionssperrmaterial enthält, den permeablen dielektrischen Abstandhalter kontaktiert und diesen seitlich umgibt.
  11. Halbleitervorrichtung aufweisend: eine halbleitende Metalloxidschicht, die auf einer Dielektrikumsmaterialschicht angeordnet ist und einen Source-Bereich, einen Drain-Bereich und einen Kanalbereich aufweist, der zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich angeordnet ist; eine wasserstoffhaltige Metallschicht, die auf einer Oberfläche des Kanalbereichs angeordnet ist und mindestens ein Metall mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % enthält, das aus Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium ausgewählt ist, und Wasserstoffatome enthält; und eine Gateelektrode, die auf der wasserstoffhaltigen Metallschicht angeordnet ist.
  12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, ferner aufweisend: einen dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter, der ein Wasserstoffdiffusionssperrmaterial enthält, die wasserstoffhaltige Metallschicht und die Gateelektrode kontaktiert und diese seitlich umgibt.
  13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, ferner aufweisend: einen permeablen dielektrischen Abstandhalter, der ein wasserstoffdurchlässiges dielektrisches Material enthält, die Gateelektrode und die wasserstoffhaltige Metallschicht kontaktiert und diese seitlich umgibt; und einen dielektrischen Diffusionssperre-Abstandhalter, der ein Wasserstoffdiffusionssperrmaterial enthält, den permeablen dielektrischen Abstandhalter kontaktiert und diesen seitlich umgibt.
  14. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner aufweisend: eine rückseitige Gateelektrode, die in die Dielektrikumsmaterialschicht eingebettet ist; und eine rückseitige wasserstoffhaltige Metallschicht, die mindestens ein zusätzliches Metall mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % enthält, das aus Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium ausgewählt ist, und Wasserstoffatome mit einem Atomprozentsatz unter 10 % enthält, und zwischen einer unteren Oberfläche des Kanalbereichs und der rückseitigen Gateelektrode angeordnet ist, wobei das mindestens eine zusätzliche Metall das gleiche ist wie das mindestens eine Metall der wasserstoffhaltigen Metallschicht oder davon verschieden ist.
  15. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner aufweisend eine rückseitige Gateelektrode, die in die Dielektrikumsmaterialschicht eingebettet ist und in Kontakt mit einer rückseitigen Oberfläche des Kanalbereichs steht.
  16. Verfahren zum Betreiben einer Halbleitervorrichtung, umfassend: Bereitstellen einer Halbleitervorrichtung, die einen Schichtstapel zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode aufweist, wobei der Schichtstapel mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht und mindestens eine wasserstoffhaltige Metallschicht über einer Dielektrikumsmaterialschicht enthält, wobei jede der mindestens einen wasserstoffhaltigen Metallschicht mindestens ein Metall mit einem Atomprozentsatz von mindestens 90 % enthält, das aus Platin, Iridium, Osmium und Ruthenium ausgewählt ist, und Wasserstoffatome enthält; Programmieren der Halbleitervorrichtung in einen hydrierten Zustand oder einen dehydrierten Zustand durch Anlegen eines Programmierimpulses über die erste Elektrode und die zweite Elektrode oder über eine Gateelektrode, die auf der mindestens einen wasserstoffhaltigen Metallschicht angeordnet ist, und eine der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei der hydrierte Zustand ein Zustand ist, in dem die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht mit Wasserstoffatomen imprägniert ist, und wobei der dehydrierte Zustand ein Zustand ist, in dem die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht wasserstoff-verarmt ist; und Bestimmen eines Speicherzustands der Halbleitervorrichtung durch Messen der elektrischen Leitfähigkeit eines Messstrompfads zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode unter einer Messvorspannungsbedingung.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei sich der Messstrompfad durch jede Schicht innerhalb des Schichtstapels entlang einer Richtung erstreckt, die senkrecht zu jeder Grenzfläche zwischen jedem benachbarten Paar von Schichten innerhalb des Schichtstapels verläuft.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei: das Programmieren der Halbleitervorrichtung in den hydrierten Zustand Anlegen eines ersten Programmierimpulses an die zweite Elektrode mit einer ersten Polarität relativ zu der ersten Elektrode umfasst; und das Programmieren der Halbleitervorrichtung in den dehydrierten Zustand Anlegen eines zweiten Programmierimpulses an die zweite Elektrode mit einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, relativ zu der ersten Elektrode umfasst.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei: die mindestens eine halbleitende Metalloxidschicht eine halbleitende Metalloxidschicht aufweist, die einen Source-Bereich, einen Drain-Bereich und einen Kanalbereich aufweist, der zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich angeordnet ist; die erste Elektrode den Source-Bereich aufweist und die zweite Elektrode den Drain-Bereich aufweist; und sich der Messstrompfad durch den Kanalbereich entlang einer Richtung erstreckt, die parallel zu einer Grenzfläche zwischen dem Kanalbereich und der mindestens einen wasserstoffhaltigen Metallschicht ist, welche in Kontakt mit dem Kanalbereich steht.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei: das Programmieren der Halbleitervorrichtung in den hydrierten Zustand Anlegen eines ersten Programmierimpulses an die Gateelektrode mit einer ersten Polarität relativ zu der einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode umfasst; und das Programmieren des Halbleitervorrichtung in den dehydrierten Zustand Anlegen eines zweiten Programmierimpulses an die Gateelektrode mit einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, zu der einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode umfasst.
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