DE102021111163A1

DE102021111163A1 - Ferroelektrische tunnelübergangsspeichervorrichtung, welche ein magnesiumoxid-tunnelungsdielektrikum verwendet, und verfahren zur bildung derselben

Info

Publication number: DE102021111163A1
Application number: DE102021111163.3A
Authority: DE
Inventors: Mauricio Manfrini; Sai-Hooi Yeong; Han-Jong Chia; Bo-Feng YOUNG; Chun-Chieh Lu
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-12-23
Also published as: KR20210158319A; TW202201698A; TWI763540B; KR102624988B1; US20210398991A1; US11805657B2; CN113497044A; CN113497044B

Abstract

Eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeichervorrichtung (FTJ-Speichervorrichtung) weist eine untere Elektrode über einem Substrat, eine obere Elektrode, welche über der unteren Elektrode angeordnet ist, und ein ferroelektrisches Tunnelübergangsspeicherelement zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode auf. Das ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherelement weist mindestens eine ferroelektrische Materialschicht und mindestens eine dielektrische Tunnelungsschicht auf.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/042,595 , eingereicht am 23. Juni 2020, mit dem Titel „Halbleiterbauelement und Herstellungsverfahren“, die durch Bezugnahme für sämtliche Zwecke vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein ferroelektrisches Material ist ein Material, welches eine spontane elektrische Polarisation ungleich Null (das heißt ein elektrisches Gesamtdipolmoment ungleich Null) aufweisen kann, wenn das externe elektrische Feld Null beträgt. Die spontane elektrische Polarisation kann durch ein starkes externes elektrisches Feld, welches in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird, umgekehrt werden. Die elektrische Polarisation hängt nicht nur vom externen elektrischen Feld zum Zeitpunkt der Messung ab, sondern auch vom Verlauf des externen elektrischen Feldes, und weist somit eine Hystereseschleife auf. Das Maximum der elektrischen Polarisation wird als Sättigungspolarisation bezeichnet. Die elektrische Polarisation, welche verbleibt, nachdem ein externes elektrisches Feld, welches eine Sättigungspolarisation induziert, nicht mehr angelegt wird (das heißt, ausgeschaltet ist), wird als remanente Polarisation bezeichnet. Die Stärke des elektrischen Feldes, welches in der entgegengesetzten Richtung der remanenten Polarisation angelegt werden muss, um einen Nullzustand der Polarisation zu erreichen, wird als koerzitives elektrisches Feld (Zwangsfeld) bezeichnet. Zum Zweck der Bildung von Speichervorrichtungen ist es in der Regel wünschenswert, eine hohe remanente Polarisation und ein hohes koerzitives elektrisches Feld bereitzustellen. Eine hohe remanente Polarisation kann die Größe eines elektrischen Signals erhöhen. Ein hohes koerzitives elektrisches Feld macht die Speichervorrichtungen stabiler gegen Störungen verursacht durch Grundrauschen des elektrischen Feldes und Interferenzen.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden 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 willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.

1 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer beispielhaften Struktur nach der Bildung von komplementären Metalloxidhalbleitertransistoren (CMOS-Transistoren), Metall-Interconnect-Strukturen gebildet in dielektrischen Materialschichten und Dünnfilmtransistoren (TFTs) im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung einer Anordnung von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung einer unteren Elektrodenmaterialschicht, einer durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht, einer durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht, einer oberen Elektrodenmaterialschicht und einer metallischen Hartmaskenmaterialschicht im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung ferroelektrischer Tunnelübergangsspeicherzellen im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung einer dielektrischen Schicht auf Speicherebene sowie von Metall-Interconnect-Strukturen auf Speicherebene im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung von Metall-Interconnect-Strukturen auf höherer Ebene im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
7 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer ersten alternativen Ausführungsform der beispielhaften Struktur im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
8 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer zweiten alternativen Ausführungsform der beispielhaften Struktur im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
9 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer dritten alternativen Ausführungsform der beispielhaften Struktur im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
10 stellt vertikale Querschnittsansichten alternativer Ausführungsformen der ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzellen im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar.
11 ist ein Flussdiagramm, welches die allgemeinen Verarbeitungsschritte der Verfahren der vorliegenden Offenbarung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung stellt viele unterschiedliche Ausführungsformen oder Beispiele zur Umsetzung verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands bereit. Nachfolgend sind spezifische Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Dabei handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, welche keinesfalls als Einschränkung auszulegen sind. Zum Beispiel kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in welchen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt miteinander gebildet sind, kann jedoch auch Ausführungsformen umfassen, in welchen zusätzliche Merkmale derart zwischen dem ersten Merkmal und dem zweiten Merkmal gebildet sein können, dass das erste und das zweite Merkmal nicht in direktem Kontakt miteinander sein können. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugsziffern und/oder -zeichen in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Vereinfachung und Klarheit, und schreibt für sich selbst keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
Ferner können Begriffe räumlicher Beziehungen, wie zum Beispiel „darunter“, „unterhalb“, „niedrig“, „oberhalb“, „obere/r/s“ und dergleichen hierin zum Zweck einer einfacheren Beschreibung der Beziehung eines in den Figuren dargestellten Elements oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) oder Merkmal(en) verwendet werden. Die Begriffe räumlicher Beziehungen sollen dazu dienen, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung bei der Verwendung oder im Betrieb zusätzlich zur in den Figuren abgebildeten Ausrichtung einzuschließen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) angeordnet sein, und die hierin verwendeten Begriffe räumlicher Beziehungen können somit auch dementsprechend ausgelegt werden.
In der Regel können die Strukturen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung dazu verwendet werden, eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherzelle und/oder eine Anordnung ferroelektrischer Tunnelübergangsspeicherzellen zu bilden. Aufgrund ihres ultraniedrigen Energieverbrauchs im Vergleich zu anderen aufkommenden nichtflüchtigen Technologien, wie zum Beispiel magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (MRAM) und resistiver Direktzugriffsspeicher (RRAM), sind ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherzellen vielversprechende Kandidaten für Back-End-of-Line-Speicher (BEOL-Speicher). Durch Hinzufügen einer Tunnelungsisolierschicht (TIL) angrenzend an einen Metall-Ferro-Metall-Kondensator kann eine Metall-FE-Isolator-Metall-Tunnelungsvorrichtung (MFIM-Tunnelungsvorrichtung) gebildet werden. Die Strukturen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können dazu verwendet werden, eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherzelle zu bilden, welche Magnesiumoxid als ein dielektrisches Tunnelungsmaterial aufweist. Magnesiumoxid kann eine kohärentere Elektronentunnelung und dadurch einen hohen Tunnelungselektrowiderstand (TER) ermöglichen. Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer beispielhaften Struktur nach der Bildung von komplementären Metalloxidhalbleitertransistoren (CMOS-Transistoren), Metall-Interconnect-Strukturen gebildet in dielektrischen Materialschichten und Dünnfilmtransistoren (TFTs) im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 1 ist eine beispielhafte Struktur im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Die beispielhafte Struktur weist ein Substrat 9 auf, welches ein Halbleitersubstrat, wie zum Beispiel ein im Handel erhältliches Siliziumsubstrat, sein kann. Flache Grabenisolationsstrukturen 720, welche ein dielektrisches Material, wie zum Beispiel Siliziumoxid enthalten, können in einem oberen Abschnitt des Substrats 9 gebildet sein. Geeignete dotierte Halbleiterwannen, wie zum Beispiel p-Wannen und n-Wannen, können innerhalb jedes der Bereiche, welche jeweils seitlich von einem Abschnitt der flachen Grabenisolationsstrukturen 720 umschlossen sind, gebildet sein. Feldeffekttransistoren können über der oberen Fläche des Substrats 9 gebildet sein. Zum Beispiel kann jeder der Feldeffekttransistoren einen Source-Bereich 732, einen Drain-Bereich 738, einen Halbleiterkanal 735, welcher einen Flächenabschnitt des Substrats 9, der sich zwischen dem Source-Bereich 732 und dem Drain-Bereich 738 erstreckt, aufweist, und eine Gate-Struktur 750 aufweisen. Der Halbleiterkanal 735 kann ein einkristallines Halbleitermaterial enthalten. Jede der Gate-Strukturen 750 kann ein Gate-Dielektrikum 752, eine Gate-Elektrode 754, ein Gate-Kappendielektrikum 758 und ein dielektrisches Gate-Abstandselement 756 aufweisen. Ein source-seitiger Metall-Halbleiter-Legierungsbereich 742 kann an jedem der Source-Bereiche 732 gebildet sein, und ein drain-seitiger Metall-Halbleiter-Legierungsbereich 748 kann an jedem der Drain-Bereiche 738 gebildet sein.
Die beispielhafte Struktur kann einen Speicheranordnungsbereich 100, in welchem anschließend eine Anordnung von Speicherelementen gebildet wird, und einen peripheren Bereich 200, in welchem Logikbauelemente, welche den Betrieb der Anordnung von Speicherelementen unterstützen, gebildet werden können, aufweisen. In einer Ausführungsform können Vorrichtungen (wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren) im Speicheranordnungsbereich 100 untere Elektrodenzugriffstransistoren aufweisen, welche Zugriff auf untere Elektroden von anschließend zu bildenden Speicherzellen bereitstellen. Obere Elektrodenzugriffstransistoren, welche Zugriff auf obere Elektroden anschließend zu bildender Speicherzellen bereitstellen, können in diesem Verarbeitungsschritt im peripheren Bereich 200 gebildet werden. In der Regel können Zugriffstransistoren derart über dem Substrat 9 gebildet sein, dass ein Source-Bereich 732 oder ein Drain-Bereich 738 jedes der Zugriffstransistoren durch einen jeweiligen Satz von Metall-Interconnect-Strukturen mit einer unteren Elektrode oder einer oberen Elektrode einer betreffenden Speicherzelle elektrisch verbunden ist.
Bauelemente (wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren) im peripheren Bereich 200 können Funktionen bereitstellen, welche dazu erforderlich sind, die anschließend zu bildende Anordnung von Speicherzellen zu betreiben. Insbesondere können Bauelemente im peripheren Bereich derart gestaltet sein, dass sie den Programmiervorgang, den Löschvorgang und den Auslesevorgang (Lesevorgang) der Anordnung von Speicherzellen steuern. Zum Beispiel können die Bauelemente im peripheren Bereich eine Erfassungsschaltung und/oder eine obere Elektrodenvorspannungsschaltung aufweisen. Die auf der oberen Fläche des Substrats 9 gebildeten Bauelemente können komplementäre Metalloxidhalbleitertransistoren (CMOS-Transistoren) und optional zusätzliche Halbleiterbauelemente (wie zum Beispiel Widerstände, Dioden, Kondensatoren, etc.) aufweisen, und werden zusammen mit diesen als CMOS-Schaltung 700 bezeichnet. Diese Bauelemente können typischerweise in einer Front-End-of-Line (FEOL) gebildet sein.
Verschiedene innerhalb dielektrischer Materialschichten gebildete Metall-Interconnect-Strukturen können anschließend über dem Substrat 9 und den darauf angeordneten Halbleiterbauelementen (wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren) gebildet werden. Die dielektrischen Materialschichten können zum Beispiel eine dielektrische Kontaktebenen-Materialschicht 601, eine erste dielektrische Metallleitungsebenen-Materialschicht 610, eine zweite dielektrische Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen Materialschicht 620 und eine dritte dielektrische Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 630 aufweisen. Die Metall-Interconnect-Strukturen können Bauelementkontaktdurchkontaktierungsstrukturen 612, welche in der dielektrischen Kontaktebenen-Materialschicht 601 gebildet sind und eine jeweilige Komponente der CMOS-Schaltung 700 kontaktieren, erste Metallleitungsstrukturen 618, welche in der ersten dielektrischen Metallleitungsebenen-Materialschicht 610 gebildet sind, erste Metalldurchkontaktierungsstrukturen 622, welche in einem unteren Abschnitt der zweiten dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 620 gebildet sind, zweite Metallleitungsstrukturen 628, welche in einem oberen Abschnitt der zweiten dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 620 gebildet sind, zweite Metalldurchkontaktierungsstrukturen 632, welche in einem unteren Abschnitt der dritten dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 630 gebildet sind, und dritte Metallleitungsstrukturen 638, welche in einem oberen Abschnitt der dritten dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 630 gebildet sind, aufweisen. In einer Ausführungsform können die zweiten Metallleitungsstrukturen 628 Source-Leitungen aufweisen, welche mit einer source-seitigen Stromversorgung für eine Anordnung von Speicherelementen verbunden sind. Die durch die Source-Leitungen bereitgestellte Spannung kann durch die Zugriffstransistoren, welche im Speicheranordnungsbereich 100 bereitgestellt sind, an die unteren Elektroden angelegt werden.
Jede der dielektrischen Materialschichten (601, 610, 620, 630) kann ein dielektrisches Material, wie zum Beispiel ein undotiertes Silikatglas, ein dotiertes Silikatglas, Organosilikatglas, amorphen fluorierten Kohlenstoff, poröse Varianten derselben oder Kombinationen davon, enthalten. Der Umfang der Offenbarung umfasst jedoch auch andere dielektrische Materialien. Jede der Metall-Interconnect-Strukturen (612, 618, 622, 628, 632, 638) kann mindestens ein leitfähiges Material enthalten, welches eine Kombination aus einer metallischen Auskleidungsschicht (wie zum Beispiel einem Metallnitrid oder einem Metallkarbid) und einem metallischen Füllmaterial sein kann. Jede der metallischen Auskleidungsschichten kann TiN, TaN, WN, TiC, TaC und WC enthalten, und jeder der metallischen Füllmaterialabschnitte kann W, Cu, Al, Co, Ru, Mo, Ta, Ti, Legierungen davon und/oder Kombinationen davon enthalten. Andere geeignete metallische Werkstoffe innerhalb des erwogenen Umfangs der Offenbarung können ebenfalls verwendet werden. In einer Ausführungsform können die ersten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 622 und die zweiten Metallleitungsstrukturen 628 durch einen Doppeldamaszenerprozess als integrierte Leitungs-und-Durchkontaktierungsstrukturen gebildet sein, und/oder die zweiten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 632 sowie die dritten Metallleitungsstrukturen 638 können als integrierte Leitungs-und-Durchkontaktierungsstrukturen gebildet sein. Während die vorliegende Offenbarung unter Verwendung einer Ausführungsform beschrieben ist, in welcher eine Anordnung von Speicherzellen über der dritten Leitungs-und-DurchkontaktierungsebenenMaterialschicht 630 gebildet ist, werden hierin ausdrücklich auch Ausführungsformen ins Auge gefasst, in welchen die Anordnung von Speicherzellen in einer anderen Metall-Interconnect-Ebene gebildet sein kann.
In einer Ausführungsform kann ein Transistor, wie zum Beispiel Dünnfilmtransistoren (TFTs) 800 in einer der Metall-Interconnect-Ebenen gebildet sein. Zum Beispiel können die TFTs 800 innerhalb der zweiten dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 620 oder innerhalb der dritten dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 630 gebildet sein. In einem veranschaulichenden Beispiel können die TFTs 800 innerhalb der dritten dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 630 gebildet sein. In dieser Ausführungsform kann die dritte dielektrische Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 630 eine untere dielektrische Materialschicht 630A, welche vor der Bildung der TFTs über der dielektrischen zweiten Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht gebildet werden kann, und eine obere dielektrische Materialschicht 630B, welche über den TFTs gebildet werden kann, aufweisen. Jeder TFT kann eine jeweilige TFT-Gate-Elektrode 854, ein jeweiliges TFT-Gate-Dielektrikum, welches ein Abschnitt einer durchgehenden dielektrischen TFT-Gate-Schicht 852 sein kann, welche über der TFT-Gate-Elektrode 854 angeordnet ist, einen jeweiligen TFT-Kanal 835, welcher über der jeweiligen TFT-Gate-Elektrode 854 angeordnet ist, einen jeweiligen TFT-Source-Bereich 832, welcher eine obere Fläche eines ersten Endes des jeweiligen TFT-Kanals 835 kontaktiert, und einen jeweiligen TFT-Drain-Bereich 838, welcher eine obere Fläche eines zweiten Endes des jeweiligen TFT-Kanals 835 kontaktiert, aufweisen. Eine Untergruppe der zweiten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 632 können eine/n jeweilige/n der TFT-Gate-Elektroden 854, der TFT-Source-Bereiche 832 und der TFT-Drain - Bereiche 838 kontaktieren. Die TFT-Transistoren 800 können als Zugriffstransistoren dienen, welche den Zugriff zu den unteren Elektroden oder den oberen Elektroden von anschließend darüber zu bildenden Speicherzellen steuern. Während die vorliegende Offenbarung derart beschrieben ist, dass sie eine bestimmte Gestaltung für die TFT-Gate-Elektroden 854, die TFT-Source-Bereiche 832 und die TFT-Drain-Bereiche 838 benutzt, können auch alternative Gestaltung für die TFT-Gate-Elektroden 854, die TFT-Source-Bereiche 832 und die TFT-Drain-Bereiche 838 benutzt werden. Zum Beispiel kann jede/r der TFT-Gate-Elektroden 854, der TFT-Source-Bereiche 832 und der TFT-Drain-Bereiche 838 erhöht, vertieft oder in Bezug auf benachbarten Elemente seitlich verschoben sein.
Eine dielektrische Kappenschicht 108 und eine dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 können nacheinander über den Metall-Interconnect-Strukturen und den dielektrischen Materialschichten gebildet werden. Zum Beispiel kann die dielektrische Kappenschicht 108 an den oberen Flächen der dritten Metallleitungsstrukturen 638 und an der oberen Fläche der dritten dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenen-Materialschicht 630 gebildet werden. Die dielektrische Kappenschicht 108 enthält ein dielektrisches Kappenmaterial, welches darunterliegende Metall-Interconnect-Strukturen, wie zum Beispiel die dritten Metallleitungsstrukturen 638, schützen kann. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Kappenschicht 108 ein Material enthalten, welches einen hohen Ätzwiderstand bereitstellen kann, das heißt ein dielektrisches Material, und welches auch während eines anschließenden anisotropen Ätzprozesses, welcher die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 ätzt, als ein Ätzstoppmaterial dienen kann. Zum Beispiel kann die dielektrische Kappenschicht 108 Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid enthalten, und kann eine Dicke in einem Bereich von 5 nm bis 30 nm aufweisen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
Die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 kann ein beliebiges Material enthalten, welches für die dielektrischen Materialschichten (601, 610, 620, 630) verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 undotiertes Silikatglas oder ein dotiertes Silikatglas enthalten, welches durch Zersetzung von Tetraethylorthosilikat (TEOS) aufgebracht wird. Die Dicke der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 kann in einem Bereich von 50 nm bis 200 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können. Die dielektrische Kappenschicht 108 und die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 können als planare (unstrukturierte) Deckschichten gebildet werden, welche eine entsprechende planare obere Fläche und eine entsprechende planare untere Fläche, welche sich durch den gesamten Speicheranordnungsbereich 100 und den peripheren Bereich 200 erstrecken, aufweisen.
2 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung einer Anordnung von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 2 können Durchkontaktierungshohlräume durch die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 und die dielektrische Kappenschicht 108 gebildet werden. Zum Beispiel kann eine Fotolackschicht (nicht gezeigt) über der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 aufgebracht werden, und kann derart strukturiert sein, das sie innerhalb von Bereichen des Speicheranordnungsbereichs 100, welche über einer jeweiligen der dritten Metall-Interconnect-Strukturen 638 angeordnet sind, eine Öffnung bildet. Eine anisotrope Ätzung kann ausgeführt werden, um die Struktur in der Fotolackschicht durch die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 und die dielektrische Kappenschicht 108 zu übertragen. Die durch den anisotropen Ätzprozess gebildeten Durchkontaktierungshohlräume werden hierin als untere Elektrodenkontaktdurchkontaktierungshohlräume bezeichnet, da anschließend untere Elektrodenverbindungsdurchkontaktierungsstrukturen in den unteren Elektrodenkontakt-Durchkontaktierungshohlräumen gebildet werden. Die unteren Elektrodenkontaktdurchkontaktierungshohlräume 121 können sich verjüngende Seitenwände aufweisen, welche einen Verjüngungswinkel (in Bezug auf eine vertikale Richtung) in einem Bereich von 1 Grad bis 10 Grad aufweisen. Eine obere Fläche einer dritten Metall-Interconnect-Struktur 638 kann an der Unterseite jedes der unteren Elektrodenkontaktdurchkontaktierungshohlräume physisch freigelegt sein. Die Fotolackschicht kann anschließend zum Beispiel durch Veraschung entfernt werden.
Eine metallische Barriereschicht kann als eine Materialschicht gebildet sein. Die metallische Barriereschicht kann physisch freigelegte obere Flächen der dritten Metall-Interconnect-Strukturen 638, sich verjüngende Seitenwände der unteren Elektrodenkontaktdurchkontaktierungshohlräume und die obere Fläche der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 ohne irgendein Loch durch diese bedecken. Die metallische Barriereschicht kann ein leitfähiges Metallnitrid, wie zum Beispiel TiN, TaN und/oder WN, enthalten. Andere geeignete Materialien innerhalb des erwogenen Umfangs der Offenbarung können ebenfalls verwendet werden. Die Dicke der metallischen Barriereschicht kann in einem Bereich von 3 nm bis 20 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
Ein metallisches Füllmaterial, wie zum Beispiel Wolfram oder Kupfer, kann in verbleibenden Volumina der unteren Elektrodenkontaktdurchkontaktierungshohlräume aufgebracht sein. Zum Bilden können Abschnitte des metallischen Füllmaterials und der metallischen Barriereschicht, welche über der horizontalen Ebene, welche die oberste Fläche der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 aufweist, angeordnet sind, können durch einen Planarisierungsprozess, wie zum Beispiel chemisch-mechanische Planarisierung, entfernt werden. Jeder der verbleibenden Abschnitte des metallischen Füllmaterials angeordnet in einem jeweiligen Durchkontaktierungshohlraum weist einen metallischen Durchkontaktierungsfüllmaterialabschnitt 124 auf. Jeder der verbleibenden Abschnitte der metallischen Barriereschicht in einem jeweiligen Durchkontaktierungshohlraum weist eine metallische Barriereschicht 122 auf. Jede der Kombinationen einer metallischen Barriereschicht 122 und eines metallischen Durchkontaktierungsfüllmaterialabschnitts 124, welche einen Durchkontaktierungshohlraum ausfüllt, stellt eine Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur (122, 124) dar. Eine Anordnung von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) kann in der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 an darunter angeordneten Metall-Interconnect Strukturen gebildet sein.
3 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung einer unteren Elektrodenmaterialschicht, einer dielektrischen Tunnelungsschicht, einer ferroelektrischen Materialschicht, einer oberen Elektrodenmaterialschicht und einer metallischen Hartmaskenmaterialschicht im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Tunnelungsschicht mit Magnesiumoxid als das dielektrische Material gebildet sein. In einigen zusätzlichen Ausführungsformen kann die dielektrische Tunnelungsschicht eine durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht sein. In einigen zusätzlichen Ausführungsformen kann die ferroelektrische Materialschicht als eine durchgehende ferroelektrische Materialschicht gebildet sein. Bezugnehmend auf die in 3 dargestellte Ausführungsform kann ein Schichtenstapel aufweisend eine untere Elektrodenmaterialschicht 130L, eine durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L, eine durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L, eine obere Elektrodenmaterialschicht 160L und eine metallische Hartmaskenmaterialschicht 162L über der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsschicht 110 gebildet sein. Die Schichten innerhalb des Schichtenstapels können durch einen entsprechenden chemischen Dampfabscheidungsprozess oder einen entsprechenden physikalischen Dampfabscheidungsprozess aufgebracht werden. Jede der Schichten innerhalb des Schichtenstapels kann als planare Deckmaterialschichten aufweisend eine jeweils durchgehende einheitliche Dicke aufgebracht sein. Die durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L und die durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L werden zusammen als ferroelektrische Tunnelübergangsmaterialschichten bezeichnet. Mit anderen Worten können die ferroelektrischen Tunnelübergangsmaterialschichten zwischen der unteren Elektrodenmaterialschicht 130L und der oberen Elektrodenmaterialschicht 160L gebildet sein.
Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Verwendung einer Ausführungsform beschrieben ist, in welcher die ferroelektrischen Tunnelübergangsmaterialschichten die durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L und die durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L aufweisen, können die Verfahren und Strukturen der vorliegenden Offenbarung auf eine beliebige Struktur angewendet werden, in welcher die ferroelektrischen Tunnelübergangsmaterialschichten mindestens eine durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L und mindestens eine durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L aufweisen. Ferner kann eine durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L oberhalb oder unterhalb einer durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L angeordnet sein. Modifikationen der vorliegenden Offenbarung werden hierin ausdrücklich ins Auge gefasst, in welchen die ferroelektrischen Tunnelübergangsmaterialschichten ein Phasenänderungsspeichermaterial, ein ferroelektrisches Speichermaterial oder ein leerstellemoduliertes leitfähiges Oxidmaterial aufweisen.
Die untere Elektrodenmaterialschicht 130L kann mindestens ein Übergangsmetall, ein leitfähiges Metallnitrid und ein leitfähiges Metallkarbid enthalten und/oder im Wesentlichen aus diesem/diesen bestehen. In einer Ausführungsform enthält die untere Elektrodenmaterialschicht 130L mindestens einen metallischen Werkstoff, wie zum Beispiel TiN, TaN, WN, W, Cu, Al, Ti, Ta, Ru, Co, Mo, Pt, eine Legierung davon und/oder eine Kombination davon. Andere geeignete metallische Werkstoffe innerhalb des erwogenen Umfangs der Offenbarung können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann die untere Elektrodenmaterialschicht 130L ein Elementarmetall, wie zum Beispiel W, Cu, Ti, Ta, Ru, Co, Mo oder Pt, enthalten oder im Wesentlichen aus diesem bestehen. Die Dicke der unteren Elektrodenmaterialschicht 130L kann in einem Bereich von 10 nm bis 100 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
Die durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L enthält und/oder besteht im Wesentlichen aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder einem anderen dielektrischen Metalloxid. Im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können Abschnitte der durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L anschließend als ein Tunnelungsdielektrikum in einem ferroelektrischen Tunnelübergang verwendet werden. In einer Ausführungsform enthält die durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L Magnesiumoxid oder ein magnesiumoxidhaltiges Material. Das Magnesiumoxidmaterial in der durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L weist eine Tendenz dazu auf, entlang einer Richtung <001> zu wachsen, das heißt, in einer Art und Weise, welche kristalline Körner aufweisend eine Richtung <001> entlang der vertikalen Richtung bildet. Die bevorzugte Ausrichtung der Wachstumsausrichtungen der Körner des Magnesiumoxidmaterials der durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L bewirkt das Wachstum großer Körner in der anschließend darauf aufzubringenden durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L. Ein überwiegender Anteil (das heißt mehr als 40 %) der Körner der durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L kann entlang der Richtung <001> ausgerichtet sein.
Die überwiegende Ausrichtung der Körner der durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L entlang der vertikalen Richtung kann die Domäneneinheitlichkeit des Magnesiumoxidmaterials in der durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L, welche anschließend darauf aufzubringen ist, verbessern. Die durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L kann durch physikalische Dampfabscheidung, Vakuumverdampfung oder Atomlagenabscheidung gebildet werden. Die Dicke der durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L kann in einem Bereich von 0,7 nm bis 4 nm, wie zum Beispiel von 1 nm bis 3 nm, liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
Die durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L enthält ein ferroelektrisches Material, welches zwei stabile Richtungen für die elektrische Polarisation aufweist. Die zwei stabilen Richtungen können die Aufwärts- und die Abwärtsrichtung sein. Das ferroelektrische Material der durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L kann mindestens ein Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend wurtzitbasierte ferroelektrische Nitridmaterialien, Hafniumoxid, Hafnium-Zirconiumoxid, Bariumtitanat, Colemanit, Bismuttitanat, Europium-Bariumtitanat, ferroelektrisches Polymer, Germaniumtellurid, Langbeinit, Blei-Scandiumtantalat, Bleititanat, Blei-Zirkoniumtitanat, Lithiumniobat, Polyvinilidenfluorid, Kaliumniobat, Kalium-Sodiumtartrat, Kaliumtitanylphosphat, Sodium-Bismuttitanat, Lithiumtantalat, Blei-Lanthantitanat, Blei-Lanthanzirkonattitanat, Ammoniumdihydrogenphosphat und Kaliumdihydrogenphosphat enthalten. Der ins Auge gefasste Umfang der Offenbarung umfasst jedoch auch andere ferroelektrische Materialien. Die durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L kann zum Beispiel durch physikalische Dampfabscheidung aufgebracht werden. Die Dicke der durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L kann in einem Bereich von 2 nm bis 20 nm, wie zum Beispiel von 4 nm bis 10 nm, liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
Im Einklang mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält die durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L ein wurtzitbasiertes ferroelektrisches Nitridmaterial, wie zum Beispiel ein AlN oder GaN als ein Grundmaterial, welches mit Materialien wie zum Beispiel ScN oder YN entsprechend dotiert ist. In einigen Ausführungsformen können die Natur und Menge des Dotierstoffs des Grundmaterials im Einklang mit anderen Anwendungs- oder Schaltungsanforderungen, wie zum Beispiel der Dicke der ferroelektrischen Schicht, gewählt werden. Wurtzitbasierte ferroelektrische Nitridmaterialien sind unter anderem scandiumdotiertes Aluminiumnitrid, yttriumdotiertes Aluminiumnitrid, scandiumdotiertes Galliumnitrid, yttriumdotiertes Galliumnitrid, scandiumdotiertes Indiumnitrid und yttriumdotiertes Indiumnitrid. Al_1-xSc_xN mit x in einem Bereich von 0,1 bis 0,4 kann zum Beispiel eine Hysteresekurve für eine elektrische Polarisation bereitstellen, welche eine sehr quadratähnliche Polarisations- Spannungs-Schleife (PV-Schleife) und eine hohe remanente Polarisation sowie eine hohe Koerzivität aufweist. Im Einklang mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann für die durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L ein wurtzitbasiertes ferroelektrisches Nitridmaterial benützt werden, um eine enge Verteilung des koerzitiven Felds bereitzustellen, und um ein zuverlässigeres Schalten der ferroelektrischen Bauelemente bereitzustellen.
In einer Ausführungsform kann das Magnesiumoxidmaterial in der durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L die Domäneneinheitlichkeit der durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L verbessern. Eine Erhöhung der Domänengröße und der Domäneneinheitlichkeit im ferroelektrischen Material der durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L stellt eine kohärentere Elektronentunnelung sowie einen großen ferroelektrischen Tunnelungswiderstand, das heißt einen hohes Verhältnis zwischen dem Widerstand des Hochwiderstandszustands des ferroelektrischen Tunnelübergangs und dem Widerstand des Niedrigwiderstandszustands des ferroelektrischen Tunnelübergangs, bereit.
Die obere Elektrodenmaterialschicht 160L weist ein oberes Elektrodenmaterial auf, welches einen beliebigen metallischen Werkstoff, welcher für die untere Elektrodenmaterialschicht 130L verwendet werden kann, enthalten kann. Die obere Elektrodenmaterialschicht 160L kann mindestens eines der Materialien aus der Gruppe umfassend ein Übergangsmetall, ein leitfähiges Metallnitrid und ein leitfähiges Metallkarbid enthalten und/oder im Wesentlichen aus diesem/diesen bestehen. Beispiele für metallische Werkstoffe, welche für die obere Elektrodenmaterialschicht 160L verwendet werden können, sind unter anderem, aber nicht beschränkt auf, TiN, TaN, WN, W, Cu, Al, Ti, Ta, Ru, Co, Mo, Pt, eine Legierung davon und/oder eine Kombination davon. Andere geeignete Materialien innerhalb des erwogenen Umfangs der Offenbarung können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann die obere Elektrodenmaterialschicht 160L ein Elementarmetall, wie zum Beispiel W, Cu, Ti, Ta, Ru, Co, Mo oder Pt, enthalten oder im Wesentlichen aus diesem bestehen. Die Dicke der oberen Elektrodenmaterialschicht 160L kann in einem Bereich von 10 nm bis 100 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
Die metallische Hartmaskenmaterialschicht 162L ist optional. In Ausführungsformen, in welchen die metallische Hartmaskenmaterialschicht 162L vorhanden ist, kann die metallische Hartmaskenmaterialschicht 162L ein metallisches Ätzstoppmaterial, welches hohe Beständigkeit gegen einen anisotropen Ätzprozess, welcher anschließend zu verwenden ist, um ein dielektrisches Material zu ätzen, aufweist, enthalten (welches zum Beispiel undotiertes Silikatglas, ein dotiertes Silikatglas oder Organosilikatglas enthalten kann). In einer Ausführungsform kann die metallische Hartmaskenmaterialschicht 162L ein leitfähiges Metallnitridmaterial (wie zum Beispiel TiN, TaN oder WN) oder ein leitfähiges Metallkarbidmaterial (wie zum Beispiel TiC, TaC oder WC) enthalten. Andere geeignete metallische Hartmaskenwerkstoffe innerhalb des erwogenen Umfangs der Offenbarung können ebenfalls verwendet werden. In einer Ausführungsform enthält die metallische Hartmaskenmaterialschicht 162L TiN und/oder besteht im Wesentlichen aus diesem. Die metallische Hartmaskenmaterialschicht 162L kann durch chemische Aufdampfung oder physikalische Aufdampfung aufgebracht werden. Die Dicke der metallischen Hartmaskenmaterialschicht 162L kann in einem Bereich von 2 nm bis 20 nm, wie zum Beispiel von 3 nm bis 10 nm, liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
In der Regel ist ein Schichtenstapel aufweisend eine untere Elektrodenmaterialschicht 130L, ferroelektrische Tunnelübergangsmaterialschichten (140L, 150L) und eine obere Elektrodenmaterialschicht 160L über einem Substrat 9 gebildet. Die ferroelektrischen Tunnelübergangsmaterialschichten weisen mindestens eine durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L und mindestens eine durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L auf.
4 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung von ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzellen im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 4 kann eine Ätzmaske 177 aufweisend eine zweidimensionale Anordnung von Ätzmaskenabschnitten über der metallischen Hartmaskenmaterialschicht 162L und/oder der oberen Elektrodenmaterialschicht 160L gebildet sein. Zum Beispiel kann die Ätzmaske 177 eine zweidimensionale Anordnung strukturierter Fotolackmaterialabschnitte aufweisen, welche durch Aufbringen und lithografisches Strukturieren einer Fotolackmaterialschicht gebildet worden sind. In einer Ausführungsform kann die Ätzmaske 177 eine zweidimensionale periodische Anordnung (wie zum Beispiel eine zweidimensionale rechteckige Anordnung) strukturierter Fotolackmaterialabschnitte aufweisen. Jeder der strukturierten Fotolackmaterialabschnitte kann eine horizontale Querschnittsform eines Kreises, eines Recktecks, eines abgerundeten Rechtecks, einer Ellipse oder einer anderen geschlossenen gekrümmten Form aufweisen. In Ausführungsformen, in welchen die Ätzmaske 177 eine zweidimensionale Anordnung von Ätzmaskenmaterialabschnitten (wie zum Beispiel Fotolackmaterialabschnitte) aufweist, kann das Abstandsmaß der Ätzmaske 177 entlang jeder horizontalen Periodizitätsrichtung in einem Bereich von 20 nm bis 400 nm, wie zum Beispiel von 40 nm bis 200 nm, liegen, obwohl auch kleinere und größere Abstandsmaße verwendet werden können.
Ein anisotroper Ätzprozess kann ausgeführt werden, um die Struktur in der Ätzmaske 177 durch den Schichtenstapel (162L, 160L, 150L, 140L, 130L) aufweisend die metallische Hartmaskenmaterialschicht 162L, die obere Elektrodenmaterialschicht 160L, die ferroelektrischen Tunnelübergangsmaterialschichten (150L, 140L) und die untere Elektrodenmaterialschicht 130L zu übertragen. Der anisotrope Ätzprozess ätzt unmaskierte Abschnitte des Schichtenstapels (162L, 160L, 150L, 140L, 130L) und bildet eine zweidimensionale Anordnung ferroelektrischer Tunnelübergangsspeicherzellen 101.
Jede der ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzellen 101 weist einen vertikalen Stapel auf, welcher eine untere Elektrode 130, eine dielektrische Tunnelungsschicht 140, eine ferroelektrische Materialschicht 150, eine obere Elektrode 160 und einen metallischen Hartmaskenabschnitt 162 aufweist. In einer Ausführungsform kann die Ätzmaske 177 während des anisotropen Ätzprozesses verbraucht werden, und die metallischen Hartmaskenabschnitte 162 können während des Strukturierens der unteren Elektrodenmaterialschicht 130L als eine zusätzliche Ätzmaske verwendet werden. Jeder der metallischen Hartmaskenabschnitte 162 ist ein strukturierter Abschnitt der metallischen Hartmaskenmaterialschicht 162L. Jede der oberen Elektroden 160 ist ein strukturierter Abschnitt der oberen Elektrodenmaterialschicht 160L. Jede der ferroelektrischen Materialschichten 150 ist ein strukturierter Abschnitt der durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L. Jede dielektrische Tunnelungsschicht 140 ist ein strukturierter Abschnitt der durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L. Jede der unteren Elektroden 130 ist ein strukturierter Abschnitt der durchgehenden unteren Elektrodenmaterialschicht 130L.
Die Seitenwände der Schichten innerhalb jeder der ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzellen 101 können vertikal übereinstimmend sein, das heißt, sie können innerhalb einer vertikalen Ebene angeordnet sein, welche Seitenwände mindestens entweder einer darüberliegenden Schicht und/oder mindestens einer darunterliegenden Schicht aufweist. Die Seitenwände der Schichten innerhalb jeder der ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzellen 101 können vertikal sein, oder können einen Verjüngungswinkel in einem Bereich von 0,1 Grad bis 30 Grad aufweisen. Die Fotolackschicht 177 kann anschließend zum Beispiel durch Veraschung entfernt werden. Optional können dielektrische Abstandselemente (nicht gezeigt) rund um die Anordnung ferroelektrischer Tunnelübergangsspeicherzellen 101 gebildet werden.
Eine Anordnung ferroelektrischer Tunnelübergangsspeicherzellen (FTJ-Speicherzellen) 101 kann gebildet werden. Jede der FTJ-Speicherzellen 101 kann eine untere Elektrode 130 angeordnet über einem Substrat 9, eine obere Elektrode 160, welche über der unteren Elektrode 130 angeordnet ist, und ein ferroelektrisches Tunnelübergangsspeicherelement (FTJ-Speicherelement) (140, 150) angeordnet zwischen der unteren Elektrode 130 und der oberen Elektrode 160 und aufweisend eine ferroelektrische Materialschicht 150 und eine dielektrische Tunnelungsschicht 140 aufweisen.
In einer Ausführungsform kann eine Seitenwand der dielektrischen Tunnelungsschicht 140 in einem FTJ-Speicherelement (140, 150) vertikal übereinstimmend mit einer Seitenwand der ferroelektrischen Materialschicht 150 im FTJ-Speicherelement (140, 150) sein. Die Anordnung von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) kann innerhalb der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 gebildet sein, und kann untere Flächen der unteren Elektroden 130 der FTJ-Speicherzellen 101 kontaktieren. Jede der dielektrischen Tunnelungsschichten 140 kann polykristalline Magnesiumoxidkörner enthalten. Die polykristallinen Magnesiumoxidkörner können eine vorherrschende Kristallausrichtung aufweisen, welche eine Richtung <001> ist und lotrecht zur horizontalen Grenzfläche zwischen jedem sich kontaktierenden Paar einer ferroelektrischen Materialschicht 150 und einer dielektrische Tunnelungsschicht 140 verläuft.
5 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung einer dielektrischen Schicht auf Speicherebene sowie von Metall-Interconnect-Strukturen auf Speicherebene im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 5 kann eine dielektrische Schicht auf Speicherebene 170 rund um, und über, der Anordnung von FTJ-Speicherzellen 101 und der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht 110 gebildet sein. Die dielektrische Schicht auf Speicherebene 170 enthält ein planarisierbares dielektrisches Material, wie zum Beispiel undotiertes Silikatglas oder ein dotiertes Silikatglas. Das dielektrische Material der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 kann durch einen konformen Abscheidungsprozess (wie zum Beispiel einen chemischen Dampfabscheidungsprozess) oder einen selbstplanarisierenden Abscheidungsprozess (wie zum Beispiel Rotationsbeschichtung) aufgebracht werden.
Mindestens ein lithografischer Strukturierungsschritt und mindestens ein anisotroper Ätzprozess können dazu verwendet werden, Interconnect-Hohlräume in der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 zu bilden. Zum Beispiel kann eine erste Fotolackschicht (nicht gezeigt) über der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 aufgebracht werden, und kann dann lithografisch strukturiert werden, um eine Anordnung einzelner Öffnungen in der ersten Fotolackschicht im peripheren Bereich 200 zu bilden. Ein erster anisotroper Ätzprozess kann ausgeführt werden, um Durchkontaktierungshohlräume in der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 zu bilden. Nach der Entfernung der ersten Fotolackschicht kann eine zweite Fotolackschicht (nicht gezeigt) über der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 aufgebracht werden, und kann dann lithografisch strukturiert werden, um leitungsförmige Öffnungen in der zweiten Fotolackschicht innerhalb des peripheren Bereichs 200 zu bilden. Ein zweiter anisotroper Ätzprozess kann ausgeführt werden, um Leitungshohlräume in der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 zu bilden. Die zweite Fotolackschicht kann anschließend entfernt werden. In einer Ausführungsform können die Interconnect-Hohlräume als integrierte Leitungs-und Durchkontaktierungshohlräume gebildet werden. In dieser Ausführungsform kann jeder der integrierten Leitungs-und-Durchkontaktierungshohlräume einen Leitungshohlrum und mindestens einen Durchkontaktierungshohlraum aufweisen. Eine obere Fläche des metallischen Hartmaskenabschnitts 162 (oder eine obere Fläche einer oberen Elektrode 160) kann am Boden jedes der Durchkontaktierungshohlräume, welche im Speicheranordnungsbereich 100 gebildet sind, physisch freigelegt sein, und eine obere Fläche einer Metallleitungsstruktur (wie zum Beispiel einer dritten Metallleitungsstruktur 638) kann am Boden jedes der Durchkontaktierungshohlräume, welche im peripheren Bereich 200 gebildet sind, physisch freigelegt sein.
Mindestens ein metallischer Werkstoff kann in den Interconnect-Hohlräumen aufgebracht sein. Der mindestens eine metallische Werkstoff wird hierin als mindestens ein metallischer Werkstoff auf Speicherebene bezeichnet. In einer Ausführungsform können eine metallische Barrierematerialschicht (wie zum Beispiel eine TiN-Schicht, TaN-Schicht und/oder eine WN-Schicht) und ein metallisches Füllmaterial (wie zum Beispiel W, Cu, Co, Ru, Mo oder eine intermetallische Legierung) in den Interconnect-Hohlräumen und über der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 aufgebracht sein.
Ein Planarisierungsprozess, wie zum Beispiel ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess, kann ausgeführt werden, um den mindestens einen metallischen Werkstoff auf Speicherebene von über der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 zu entfernen. Der chemisch-mechanische Planarisierungsprozess kann Materialabschnitte von über der horizontalen Ebene, welche auch die obere Fläche der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 umfasst, entfernen. Verbleibende Abschnitte des mindestens einen metallischen Werkstoffs auf Speicherebene, welche die Interconnect-Hohlräume füllen, weisen Metall-Interconnect-Strukturen auf Speicherebene (180, 190, 280, 290) auf. In einer Ausführungsform die Metall-Interconnect-Strukturen auf Speicherebene (180, 180, 280, 290). Die Metall-Interconnect-Strukturen auf Speicherebene (180, 190, 280, 290) können erste Leitungs-und-Durchkontaktierungsstrukturen auf Speicherebene (180, 190) gebildet im Speicheranordnungsbereich 100 und zweite Leitungs-und-Durchkontaktierungsstrukturen (280, 290) aufweisen. Jede der ersten Leitungs-und-Durchkontaktierungsstrukturen auf Speicherebene (180, 190) kann im peripheren Bereich 200 gebildet sein.
Jede der ersten Leitungs-und-Durchkontaktierungsstrukturen auf Speicherebene (180, 190) kann einen jeweiligen Metalldurchkontaktierungsabschnitt 180, welcher eine obere Fläche eines metallischen Hartmaskenabschnitts 162 (oder eine obere Fläche einer oberen Elektrode 160) kontaktiert, und einen jeweils darüber angeordneten Metallleitungsabschnitt 190, welcher am jeweiligen Metalldurchkontaktierungsabschnitt 180 anliegt, aufweisen. Jede der zweiten Leitungs-und-Durchkontaktierungsstrukturen auf Speicherebene (280, 290) kann einen jeweiligen Metalldurchkontaktierungsabschnitt 280, welcher eine obere Fläche einer Metallleitungsstruktur (wie zum Beispiel einer dritten Metallleitungsstruktur 638) kontaktiert, und einen jeweils darüber angeordneten Metallleitungsabschnitt 290, welcher am jeweiligen Metalldurchkontaktierungsabschnitt 280 anliegt, aufweisen. Obere Flächen der Metall-Interconnect Strukturen auf Speicherebene (180, 190, 280, 290) können innerhalb der horizontalen Ebene, welche auch die obere Fläche der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 umfasst, angeordnet sein.
In der Regel kann eine dielektrische Materialschicht (wie zum Beispiel eine dielektrische Schicht auf Speicherebene 170) über, und rund um, die Anordnung von FTJ-Speicherzellen 101 gebildet sein. Die dielektrische Materialschicht hat sich innerhalb der Anordnung von FTJ-Speicherzellen 101 gebildet und umgibt diese seitlich. Metall-Interconnect-Strukturen (wie zum Beispiel die ersten Metall-Interconnect-Strukturen auf Speicherebene (180, 190)) und ein Metalldurchkontaktierungsabschnitt können durch die dielektrische Materialschicht gebildet worden sein. Die Metall-Interconnect-Struktur kontaktiert, oder ist elektrisch verbunden mit, den oberen Elektroden 160, welche strukturierte Abschnitte der oberen Elektrodenmaterialschicht 150L sind. Eine Anordnung von Metall-Interconnect-Strukturen, welche einen jeweiligen Metalldurchkontaktierungsabschnitt aufweisen, können bereitgestellt sein. Die Metalldurchkontaktierungsabschnitte können mit einer jeweiligen oberen Elektrode 150 ausgewählt aus der Anordnung von FTJ-Speicherzellen 101 elektrisch verbunden sein.
Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Verwendung einer Ausführungsform beschrieben ist, in welcher die Metall-Interconnect-Strukturen auf Speicherebene (180, 190, 280, 290) als integrierte Leitungs-und-Durchkontaktierungsstrukturen gebildet sind, werden hierin ausdrücklich auch Ausführungsformen ins Auge gefasst, in welchen die Metalldurchkontaktierungsabschnitte (180, 280) unter Verwendung eines ersten einfachen Damaszenerprozesses gebildet werden, und die Metallleitungsabschnitte (190, 290) unter Verwendung eines zweiten einfachen Damaszenerprozesses gebildet werden. In dieser Ausführungsform kann die dielektrische Schicht auf Speicherebene 170 einen vertikalen Stapel aus einer unteren dielektrischen Materialschicht aufweisend die darin gebildeten Metalldurchkontaktierungsabschnitte (180, 280) und einer oberen dielektrischen Materialschicht aufweisend die darin gebildeten Metallleitungsabschnitte (190, 290) aufweisen. Die dielektrische Schicht auf Speicherebene 170 dient als eine vierte dielektrische Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenenmaterialschicht, welche über der dritten dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenenmaterialschicht 630 angeordnet ist.
6 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach der Bildung von Metall-Interconnect-Strukturen auf höherer Ebene im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 6 kann anschließend eine fünfte dielektrische Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenenmaterialschicht 650 über der dielektrischen Schicht auf Speicherebene 170 gebildet werden. Die fünfte dielektrische Leitungs-und-Durchkontaktierungsebenenmaterialschicht 650 kann ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial (ILD-Material) enthalten, welches für die darunter angeordneten dielektrischen Materialschichten (601, 610, 620, 630, 110, 170) verwendet werden kann. Mindestens ein lithografischer Strukturierungsschritt und mindestens ein anisotroper Ätzprozess können dazu verwendet werden, Interconnect-Hohlräume auf der fünften Ebene zu bilden. Mindestens ein metallischer Werkstoff kann in den Interconnect-Hohlräumen der fünften Ebene aufgebracht sein. In einer Ausführungsform können eine metallische Barrierematerialschicht (wie zum Beispiel eine TiN-Schicht, TaN-Schicht und/oder eine WN-Schicht) und/oder ein metallisches Füllmaterial (wie zum Beispiel W, Cu, Co, Ru, Mo oder eine intermetallische Legierung) in den Interconnect-Hohlräumen der fünften Ebene aufgebracht sein. Ein Planarisierungsprozess, wie zum Beispiel ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess, kann ausgeführt werden, um den mindestens einen metallischen Werkstoff auf höherer Ebene von über der horizontalen Ebene, welche auch die obere Fläche der dielektrischen Leitungs-und-Durchkontaktierungsmaterialschicht auf der fünften Ebene 650 umfasst, zu entfernen. Verbleibende Abschnitte des mindestens einen metallischen Werkstoffs, welcher die Interconnect-Hohlräume der fünften Ebene füllt, weisen vierte Metalldurchkontaktierungsstrukturen 652 und fünfte Metallleitungsstrukturen 658, welche als integrierte Leitungs-und-Durchkontaktierungsstrukturen gebildet sein können, auf. Alternativ dazu können die vierten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 652 und fünfte Metallleitungsstrukturen 658 unter Verwendung von zwei einfachen Damaszenerprozessen gebildet werden. Die vierten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 652 und die fünften Metallleitungsstrukturen 658 werden hierin als Metall-Interconnect-Strukturen der höheren Ebene bezeichnet. Zusätzliche Metall-Interconnect-Strukturen höherer Ebene (nicht gezeigt) können nötigenfalls gebildet werden.
In einer Ausführungsform können Zugriffstransistoren (wie sie in einer CMOS-Schaltung 700 bereitgestellt sind oder auch aufweisend Dünnfilmtransistoren 800) zwischen dem Substrat 9 und den unteren Elektroden 130 der Anordnung von FTJ-Speicherzellen 101 angeordnet sein. Da die Speicherzelle in einer BEOL-Position gebildet sein kann, können auch die Zugriffstransistoren im BEOL gebildet sein. In einigen Anwendungen können Transistoren in einer BEOL-Position hergestellt werden. Durch das Herstellen der Transistoren in der BEOL-Position können im BEOL Funktionen hinzugefügt werden, während im FEOL wertvolle Chipfläche verfügbar gemacht werden kann. Solche Transistoren können auch nicht siliziumbasierte Materialien benützen, um einen Halbleiterkanal zu bilden oder Drain- und Source-Bereiche zu dotieren. Zum Beispiel können Metalloxidhalbleiter verwendet werden, welche die halbleitenden Eigenschaften durch Anpassen der relativen Konzentrationen von Materialien steuern können. Ferner können Transistoren, welche Metalloxidhalbleiter verwenden, eine attraktive Option für eine BEOL-Integration sein, da solche Transistoren bei niedrigen Temperaturen (zum Beispiel bei Temperaturen von weniger als 400 Grad Celsius) verarbeitet werden können, und somit zuvor hergestellte Bauelemente nicht beschädigen. Source- und Drain-Bereich solcher Transistoren erfordern keine dotierten Halbleitermaterialbereiche, welche aktivierte (Ersatz-) Dotierstoffe enthalten, sondern können stattdessen einen metallischen Werkstoff einsetzen. Solche Metalloxidhalbleiter können ein halbleitendes Oxid, wie zum Beispiel InGaZnO (IGZO), Indium-Zinnoxid (ITO), InWO, InZnO, InSnO, GaOx, InOx oder dergleichen, enthalten. Andere geeignete Metalloxidhalbleitermaterialien liegen ebenfalls innerhalb des erwogenen Umfangs der Offenbarung.
Ein Source-Bereich (732 oder 832) oder ein Drain-Bereich (738 oder 838) jedes der Zugriffstransistoren kann durch einen Satz von mindestens einer Metall-Interconnect-Struktur mit der unteren Elektrode 130 oder der oberen Elektrode 160 einer betreffenden FTJ-Speicherzelle 101 elektrisch verbunden sein. Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Verwendung einer Ausführungsform beschrieben wird, in welcher die TFTs 800 unter der Anordnung von FTJ-Speicherzellen 101 gebildet sind, werden hierin ausdrücklich auch Ausführungsformen ins Auge gefasst, in welchen die TFTs über der Anordnung von FTJ-Speicherzellen 101 gebildet sind. In der Regel kann eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeicheranordnung (FTJ-Speicheranordnung) bereitgestellt werden. Die FTJ-Speicheranordnung kann eine Anordnung von Zugriffstransistoren (700, 800) angeordnet an, oder über, einem Substrat 9 und eine Anordnung von ferroelektrischen Tunnelübergangspeicherzellen (FTJ-Speicherzellen) 101 angeordnet über, oder unter, oder auf derselben Ebene wie die Anordnung von Zugriffstransistoren aufweisen. Obere Elektroden 160 und/oder untere Elektroden 130 der FTJ-Speicherzellen 101 können mit Source-Bereichen (732, 832) oder Drain-Bereichen (738, 838) der Zugriffstransistoren (700, 800) verbunden sein.
7 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer ersten alternativen Ausführungsform der beispielhaften Struktur im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 7 kann eine erste alternative Ausführungsform der beispielhaften Struktur im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus der beispielhaften Struktur von 6 abgeleitet werden, indem die Reihenfolge der durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L und der durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L in den Verarbeitungsschritten von 3 geändert wird. Somit kontaktiert die ferroelektrische Materialschicht 150 eine obere Fläche der unteren Elektrode 130 innerhalb jeder der FTJ-Speicherzellen 101, und die dielektrische Tunnelungsschicht 140 kontaktiert eine obere Fläche der ferroelektrischen Materialschicht 150 und eine untere Fläche der oberen Elektrode 160 innerhalb jeder der FTJ-Speicherzellen 101. Die dielektrische Tunnelungsschicht 140 enthält polykristalline Magnesiumoxidkörner, und ein überwiegender Anteil (das heißt, mehr als 40 %) der Körner der dielektrischen Tunnelungsschicht 140 kann entlang der Richtung <001> ausgerichtet sein.
8 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer zweiten alternativen Ausführungsform der beispielhaften Struktur im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 8 kann eine zweite alternative Ausführungsform der beispielhaften Struktur aus der beispielhaften Struktur von 6 abgeleitet werden, indem eine Mehrzahl dielektrischer Tunnelungsschichten 140 anstelle einer einzigen dielektrischen Tunnelungsschicht 140 innerhalb jeder der FTJ-Speicherzellen 101 verwendet wird. Die Verwendung einer Mehrzahl dielektrischer Tunnelungsschichten 140 kann den Vorteil schaffen, die Einheitlichkeit von Körnern innerhalb jeder der ferroelektrischen Materialschichten 150 zu erhöhen. In dieser Ausführungsform kann ein Stapel aus einer durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L, einer durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L und einer weiteren durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L bei den Verarbeitungsschritten von 3 anstelle des Stapels aus einer durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L und einer durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L aufgebracht werden. Somit weist jedes der ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherelemente (140, 150) innerhalb einer ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzelle 101 einen vertikalen Stapel auf, welcher von unten nach oben eine erste dielektrische Tunnelungsschicht 140, eine ferroelektrische Materialschicht 150 und eine zweite dielektrische Tunnelungsschicht 140 aufweist. Somit kann die erste dielektrische Tunnelungsschicht eine obere Fläche der unteren Elektrode 130 innerhalb jeder der FTJ-Speicherzellen 101 kontaktieren, und die zweite dielektrische Tunnelungsschicht 140 kann eine untere Fläche der oberen Elektrode 160 innerhalb jeder der FTJ-Speicherzellen 101 kontaktieren. Die ferroelektrische Materialschicht 150 kann die erste dielektrische Tunnelungsschicht 140 und die zweite dielektrische Tunnelungsschicht 140 kontaktieren. Jede der dielektrischen Tunnelungsschichten 140 kann eine Dicke in einem Bereich von 0,7 nm bis 3 nm, wie zum Beispiel von 1 nm bis 2 nm, aufweisen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können. Die dielektrische Tunnelungsschicht 140 enthält polykristalline Magnesiumoxidkörner, und ein überwiegender Anteil (das heißt, mehr als 40 %) der Körner der dielektrischen Tunnelungsschicht 140 kann entlang der Richtung <001> ausgerichtet sein. Die Dicke der ferroelektrischen Materialschicht 150 in jedem der FTJ-Speicherelemente (140, 150) kann in einem Bereich von 2 nm bis 20 nm, wie zum Beispiel von 4 nm bis 10 nm, liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
9 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer dritten alternativen Ausführungsform der beispielhaften Struktur im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 9 kann eine dritte alternative Ausführungsform der beispielhaften Struktur aus der beispielhaften Struktur von 6 abgeleitet werden, indem mindestens zwei Wiederholungen eines Schichtenstapels aufweisend eine dielektrische Tunnelungsschicht 140 und eine ferroelektrische Materialschicht 150 anstelle eines Schichtenstapels aufweisend eine einzelne dielektrische Tunnelungsschicht 140 und eine einzige ferroelektrische Materialschicht 150 innerhalb jeder der FTJ-Speicherzellen 101 verwendet wird. In dieser Ausführungsform können mindestens zwei Wiederholungen eines Schichtenstapels aus einer durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L und einer durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L bei den Verarbeitungsschritten von 3 anstelle des Stapels aus einer durchgehenden dielektrischen Tunnelungsschicht 140L und einer durchgehenden ferroelektrischen Materialschicht 150L aufgebracht werden. Somit weist jedes der ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherelemente (140, 150) innerhalb einer ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzelle 101 mindestens zwei Wiederholungen eines Schichtenstapels auf, welcher eine dielektrische Tunnelungsschicht 140 und eine ferroelektrische Materialschicht 150 aufweist. Mit anderen Worten weist jedes der FTJ-Speicherelemente (140, 150) innerhalb einer ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzelle 101 mindestens zwei dielektrische Tunnelungsschichten 140 und mindestens zwei ferroelektrische Materialschichten 150 auf. Die Gesamtzahl der dielektrischen Tunnelungsschichten 140 in jedem der FTJ-Speicherelemente (140, 150) kann dieselbe oder um 1 größer sein als die Gesamtzahl der ferroelektrischen Materialschichten 150 innerhalb des FTJ-Speicherelements (140, 150). Jede der dielektrischen Tunnelungsschichten 140 kann eine Dicke in einem Bereich von 0,7 nm bis 3 nm, wie zum Beispiel von 1 nm bis 2 nm, aufweisen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können. Die dielektrische Tunnelungsschicht 140 enthält polykristalline Magnesiumoxidkörner, und ein überwiegender Anteil (das heißt, mehr als 40 %) der Körner der dielektrischen Tunnelungsschicht 140 kann entlang der Richtung <001> ausgerichtet sein. Die Dicke jeder der ferroelektrischen Materialschichten 150 kann in einem Bereich von 2 nm bis 20 nm, wie zum Beispiel von 4 nm bis 10 nm, liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
Bezugnehmend auf 10 sind alternative Gestaltungen für eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherzelle 101 innerhalb der beispielhaften Strukturen der vorliegenden Offenbarung dargestellt. In der Regel kann jede der ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzellen 101 von unten nach oben eine untere Elektrode 130, ein ferroelektrisches Tunnelübergangsspeicherelement (140, 150) aufweisend mindestens eine ferroelektrische Materialschicht 150 und mindestens eine dielektrische Tunnelungsschicht 140, und eine obere Elektrode 160 aufweisen. Die ferroelektrische Materialschicht 150 kann über und/oder unter einer dielektrischen Tunnelungsschicht 140 angeordnet sein. Eine dielektrische Tunnelungsschicht 140 kann über und/oder unter einer ferroelektrischen Materialschicht 150 angeordnet sein. In der Regel können eine einzige ferroelektrische Materialschicht 150 oder eine Mehrzahl ferroelektrischer Materialschichten 150 eingesetzt werden. Falls eine Mehrzahl ferroelektrischer Materialschichten 150 eingesetzt wird, kann jedes vertikal benachbarte Paar ferroelektrischer Materialschichten 150 durch eine jeweilige dielektrische Tunnelungsschicht 140 vertikal voneinander beabstandet sein. Eine dielektrische Tunnelungsschicht 140 oder eine Mehrzahl dielektrischer Tunnelungsschichten 140 können eingesetzt werden. Falls eine Mehrzahl dielektrischer Tunnelungsschichten 140 eingesetzt wird, kann jedes vertikal benachbarte Paar dielektrischer Tunnelungsschichten 140 durch eine jeweilige ferroelektrische Materialschicht 150 vertikal voneinander beabstandet sein. Falls eine Mehrzahl dielektrischer Tunnelungsschichten 140 eingesetzt wird, kann die Dicke einer oder mehrerer der dielektrischen Tunnelungsschichten 140 verringert werden, um den elektrischen Strom, welcher durch die ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherzelle 101 fließt, zu erhöhen.
Bezugnehmend auf 11 stellt ein Flussdiagramm die allgemeinen Verarbeitungsschritte der Verfahren der vorliegenden Offenbarung dar, welche dazu verwendet werden können, eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeichervorrichtung (FTJ-Speichervorrichtung) herzustellen. Bezugnehmend auf Schritt 1110 und die 1-3 und 7 - 10 kann ein Schichtenstapel (130L, 140L, 150L, 160L, 162L) aufweisend eine untere Elektrodenmaterialschicht 130L, ferroelektrische Tunnelübergangsmaterialschichten (140L, 150L) und eine obere Elektrodenmaterialschicht 160L über einem Substrat 9 aufgebracht werden. Die ferroelektrischen Tunnelübergangsmaterialschichten (140L, 150L) weisen mindestens eine durchgehende ferroelektrische Materialschicht 150L und mindestens eine durchgehende dielektrische Tunnelungsschicht 140L auf. Bezugnehmend auf Schritt 1120 und die 4 und 7-9 kann ein Bereich des Schichtenstapels (130L, 140L, 150L, 160L, 162L) mit einer Ätzmaske 177 maskiert werden. Bezugnehmend auf Schritt 1130 und die 4-9 kann eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherzelle (FTJ-Speicherzelle) 101 gebildet werden, indem unmaskierte Abschnitte des Schichtenstapels (130L, 140L, 150L, 160L, 162L), welche nicht durch die Ätzmaske 177 maskiert sind, geätzt werden.
Bezugnehmend auf sämtliche Zeichnungen und im Einklang mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeichervorrichtung (FTJ-Speichervorrichtung) bereitgestellt, welche aufweist: eine untere Elektrode 130 angeordnet über einem Substrat 9; eine obere Elektrode 160, welche über der unteren Elektrode 130 angeordnet ist; und ein ferroelektrisches Tunnelübergangsspeicherelement (140, 150) angeordnet zwischen der unteren Elektrode 130 und der oberen Elektrode 160 und aufweisend mindestens eine ferroelektrische Materialschicht 150 und mindestens eine dielektrische Tunnelungsschicht 140.
Im Einklang mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeicheranordnung (FTJ-Speicheranordnung) bereitgestellt, welche aufweist: eine Anordnung von Zugriffstransistoren (700, 800) angeordnet an, oder über, einem Substrat 9; und eine Anordnung ferroelektrischer Tunnelübergangspeicherzellen (FTJ-Speicherzellen) 101 angeordnet über, oder unter, oder auf derselben Ebene wie die Anordnung von Zugriffstransistoren (700, 800), wobei jede der FTJ-Speicherzellen 101 innerhalb der Anordnung von FTJ-Speicherzellen 101 aufweist: eine untere Elektrode 130; eine obere Elektrode 160, welche über der unteren Elektrode 130 angeordnet ist; und eine ferroelektrische Tunnelübergangspeicherzelle (FTJ-Speicherzellen) (140, 150) angeordnet zwischen der unteren Elektrode 130 und der oberen Elektrode 160 und aufweisend mindestens eine ferroelektrische Materialschicht 150 und mindestens eine dielektrische Tunnelungsschicht 140, wobei jede der FTJ-Speicherzellen 101 innerhalb der Anordnung von FTJ-Speicherzellen 101 mit einem jeweiligen Zugriffstransistor (700, 800) innerhalb der Anordnung von Zugriffstransistoren (700, 800) elektrisch verbunden ist.
Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können dazu verwendet werden, eine nichtflüchtige Speichervorrichtung aufweisend mindestens eine ferroelektrische Materialschicht 150 bereitzustellen. Jede der ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzellen 101 kann derart skaliert werden, dass sie eine Schaltleistung im Ausmaß von einigen fJ verbraucht. Das kristalline Magnesiumoxidmaterial der dielektrischen Tunnelungsschicht(en) 140 innerhalb jeder der ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzellen 101 in der Speichervorrichtung der vorliegenden Offenbarung stellt hervorragende Tunnelungseigenschaften und im Vergleich zu amorphen dielektrischen Oxidmaterialien ein höheres Tunnelungswiderstandsverhältnis bereit. Zum Beispiel wird Aluminiumoxid in einer amorphen Form aufgebraucht, und die thermischen Beschränkungen an Back-End-of-Line-Strukturen (BEOL-Strukturen) verhindern ein thermisches Tempern bei mehr als 400 Grad Celsius, welches für die Umwandlung eines amorphen Aluminiumoxidmaterials in kristallines Aluminiumoxidmaterial erforderlich wäre. Aufgrund der großen und gleichmäßigen Domäneneinheitlichkeit stellt die kristalline Natur des Magnesiumoxidmaterials in der/den dielektrischen Tunnelungsschicht(en) 140 der vorliegenden Offenbarung eine kohärente Elektronentunnelung und einen großen Tunnelungselektrowiderstand (TER) bereit. Somit kann die Verwendung der dielektrischen Tunnelungsschicht(en) 140 die Leistung von FTJ-Speicherzellen 101 der vorliegenden Offenbarung verbessern.
Das Vorstehende stellt Merkmale verschiedener Ausführungsformen derart dar, dass ausgebildete Fachleute die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen können. Fachleute sollten erkennen, dass sie die vorliegende Offenbarung problemlos als eine Grundlage zum Designen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen zum Ausführen derselben Zwecke und/oder Erlangen derselben Vorteile der hierin vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute sollten ferner erkennen, dass derartige äquivalente Konstruktionen nicht vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen, und dass sie zahlreiche Änderungen, Ersetzungen und Neugestaltungen vornehmen können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/042595 [0001]

Claims

Ferroelektrische Tunnelübergangsspeichervorrichtung, FTJ-Speichervorrichtung, aufweisend: eine untere Elektrode über einem Substrat; eine obere Elektrode über der unteren Elektrode; und ein ferroelektrisches Tunnelübergangsspeicherelement zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode und mit mindestens einer ferroelektrischen Materialschicht und mindestens eine dielektrische Tunnelungsschicht.
FTJ-Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der mindestens einen dielektrischen Tunnelungsschichten polykristalline Magnesiumoxidkörner enthält.
FTJ-Speichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die polykristallinen Magnesiumoxidkörner eine vorherrschende Kristallausrichtung aufweisen, welche eine Richtung <001> ist und lotrecht zu einer horizontalen Grenzfläche zwischen einer der mindestens einen ferroelektrischen Materialschichten und einer der mindestens einen dielektrischen Tunnelungsschichten verläuft.
FTJ-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Seitenwand jeder der mindestens einen dielektrischen Tunnelungsschichten vertikal mit einer Seitenwand einer der mindestens einen ferroelektrischen Materialschichten übereinstimmt.
FTJ-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine dielektrische Materialschicht, welche darin gebildet ist und die untere Elektrode, die obere Elektrode und eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherzelle seitlich umgibt.
FTJ-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur, welche innerhalb einer dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht gebildet ist und eine untere Fläche der unteren Elektrode kontaktiert; und eine Metall-Interconnect-Struktur mit einen Metalldurchkontaktierungsabschnitt, welcher mit der oberen Elektrode elektrisch verbunden ist.
FTJ-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen ersten Transistor zwischen dem Substrate und der unteren Elektrode, wobei ein Source-Bereich oder ein Drain-Bereich des ersten Transistors durch einen Satz aus mindestens einer Metall-Interconnect-Struktur mit der unteren Elektrode oder der oberen Elektrode elektrisch verbunden ist.
FTJ-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: die mindestens eine ferroelektrische Materialschicht und die mindestens eine dielektrische Tunnelungsschicht, eine ferroelektrische Materialschicht und eine dielektrische Tunnelungsschicht aufweisen, welche miteinander in Kontakt sind; eine der Schichten aus der Gruppe umfassend die ferroelektrische Materialschicht und die dielektrische Tunnelungsschicht die obere Elektrode kontaktiert; und eine andere der Schichten aus der Gruppe umfassend die ferroelektrische Materialschicht und die dielektrische Tunnelungsschicht die untere Elektrode kontaktiert.
FTJ-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherelement eine Mehrzahl dielektrischer Tunnelungsschichten aufweist.
FTJ-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherelement mindestens zwei Wiederholungen eines Schichtenstapels, welcher eine dielektrische Tunnelungsschicht und eine ferroelektrische Materialschicht aufweist, aufweist.
FJT-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede der mindestens einen ferroelektrischen Materialschichten ein Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend wurtzitbasierte ferroelektrische Nitridmaterialien, Hafniumoxid, Hafnium-Zirconiumoxid, Bariumtitanat, Colemanit, Bismuttitanat, Europium-Bariumtitanat, ferroelektrisches Polymer, Germaniumtellurid, Langbeinit, Blei-Scandiumtantalat, Bleititanat, Blei-Zirkoniumtitanat, Lithiumniobat, Polyvinilidenfluorid, Kaliumniobat, Kalium-Sodiumtartrat, Kaliumtitanylphosphat, Sodium-Bismuttitanat, Lithiumtantalat, Blei-Lanthantitanat, Blei-Lanthanzirkonattitanat, Ammoniumdihydrogenphosphat und Kaliumdihydrogenphosphat enthält.
FTJ-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherelement eine Mehrzahl ferroelektrischer Materialschichten oder eine Mehrzahl dielektrische Tunnelungsschichten aufweist.
Ferroelektrische Tunnelübergangsspeicheranordnung (FTJ-Speicheranordnung) aufweisend: eine Anordnung von Transistoren an oder über einem Substrat; und eine Anordnung ferroelektrischer Tunnelübergangspeicherzellen (FTJ-Speicherzellen) über oder unter oder auf derselben Ebene wie die Anordnung von Transistoren, wobei jede der FTJ-Speicherzellen innerhalb der Anordnung von FTJ-Speicherzellen aufweist: eine untere Elektrode; eine obere Elektrode über der unteren Elektrode; und eine ferroelektrische Tunnelübergangsspeicherzelle (FTJ-Speicherzelle) zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode und mit mindestens einer ferroelektrischen Materialschicht und mindestens einer dielektrischen Tunnelungsschicht, wobei jede der FTJ-Speicherzellen innerhalb der Anordnung von FTJ-Speicherzellen mit einem jeweiligen Transistor innerhalb der Anordnung von Transistoren elektrisch verbunden ist.
FTJ-Speichervorrichtung nach Anspruch 13, ferner aufweisend: eine Anordnung von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen, welche eine jeweilige untere Elektrode ausgewählt aus der Anordnung von FTJ-Speicherzellen kontaktiert; und eine Anordnung von Metall-Interconnect-Strukturen mit jeweils einem Metalldurchkontaktierungsabschnitt, welcher mit einer jeweiligen oberen Elektrode ausgewählt aus den FTJ-Speicherzellen elektrisch verbunden ist.
Verfahren zum Herstellen einer ferroelektrischen Tunnelübergangsspeichervorrichtung (FTJ-Speichervorrichtung), umfassend: Bilden eines Schichtenstapels aufweisend eine untere Elektrodenmaterialschicht, ferroelektrische Tunnelübergangsmaterialschichten und eine obere Elektrodenmaterialschicht über einem Substrat, wobei die ferroelektrischen Tunnelübergangsmaterialschichten mindestens eine ferroelektrische Materialschicht und mindestens eine dielektrische Tunnelungsschicht aufweisen; Maskieren eines Bereichs des Schichtenstapels mit einer Ätzmaske; und Bilden einer ferroelektrischen Tunnelübergangsspeicherzelle (FTJ-Speicherzelle) durch Ätzen unmaskierter Abschnitte des Schichtenstapels, welche nicht durch die Ätzmaske maskiert sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei jede der mindestens einen dielektrischen Tunnelungsschichten polykristalline Magnesiumoxidkörner enthält.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei: die Ätzmaske einen strukturierten Fotolackmaterialabschnitt aufweist; und die unmaskierten Abschnitte des Schichtenstapels durch Ausführen eines anisotropen Ätzprozesses geätzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner umfassend: Bilden einer Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur gebildet innerhalb einer dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebenenschicht über dem Substrat, wobei der Schichtenstapel über der Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur gebildet wird; Bilden einer dielektrischen Materialschicht über, und rund um, die FTJ-Speicherzelle; und Bilden einer Metall-Interconnect-Struktur aufweisend einen Metalldurchkontaktierungsabschnitt durch die dielektrische Materialschicht, wobei die Metall-Interconnect-Struktur die obere Elektrode, welche ein strukturierter Abschnitt der oberen Elektrodenmaterialschicht ist, kontaktiert oder elektrisch mit dieser verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, ferner umfassend: Bilden eines ersten Transistors über dem Substrat; und Bilden eines Satzes aus mindestens einer Metall-Interconnect-Struktur gebildet innerhalb mindestens einer dielektrischen Materialschicht, wobei eine untere Elektrode gebildet durch Strukturieren der unteren Elektrodenmaterialschicht durch den Satz aus mindestens einer Metall-Interconnect-Struktur mit dem ersten Transistor verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die mindestens eine dielektrische Tunnelungsschicht eine Mehrzahl dielektrischer Tunnelungsschichten aufweist.