DE102021115692A1 - Grenzflächenstruktur einer unteren elektrode für einen speicher - Google Patents

Grenzflächenstruktur einer unteren elektrode für einen speicher Download PDF

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Tzu-Yu Lin
Chia-Wen Zhong
Yao-Wen Chang
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Abstract

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen eine ferroelektrische Direktzugriffsspeicherzelle (FeRAM-Zelle) oder eine andere geeignete Art von Speicherzelle, die eine Grenzflächenstruktur einer unteren Elektrode umfasst. Die Speicherzelle umfasst des Weiteren eine untere Elektrode, eine Umschaltschicht über der unteren Elektrode, und eine obere Elektrode über der Umschaltschicht. Die Grenzflächenstruktur der unteren Elektrode trennt die untere Elektrode und die Umschaltschicht voneinander. Des Weiteren ist die Grenzflächenstruktur dielektrisch und dafür eingerichtet, das Diffundieren von Metallatomen und/oder Verunreinigungen in der unteren Elektrode zu der Umschaltschicht blockieren oder anderweitig zu verhindern. Durch das Blockieren oder anderweitige Verhindern einer solchen Diffusion kann der Leckstrom verringert werden. Des Weiteren kann die Lebensdauer der Speicherzelle verlängert werden.

Description

  • VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 13. April 2021 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/174,124 , deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND
  • Viele moderne elektronische Geräte enthalten nicht-flüchtigen Speicher. Nicht-flüchtiger Speicher ist elektronischer Speicher, der in der Lage ist, Daten zu speichern, auch wenn er nicht mit Strom versorgt wird. Einer aus einer Reihe vielversprechender Kandidaten für die nächste Generation nicht-flüchtiger Speicher ist ferroelektrischer Direktzugriffsspeicher (Ferroelectric Random-Access Memory, FeRAM). FeRAM hat eine relativ einfache Struktur und ist mit Herstellungsprozessen für Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-Logik (CMOS-Logik) kompatibel.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es ist anzumerken, dass gemäß der gängigen Praxis in der Industrie verschiedene Strukturelemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Die Abmessungen der verschiedenen Strukturelemente können vielmehr im Interesse der Übersichtlichkeit der Besprechung nach Bedarf vergrößert oder verkleinert werden.
    • 1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen einer Speicherzelle, die eine Grenzflächenstruktur einer unteren Elektrode umfasst.
    • 2A-2C veranschaulichen Querschnittsansichten einiger alternativer Ausführungsformen der Speicherzelle von 1.
    • 3 veranschaulicht eine vergrößerte Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen der Speicherzelle von 1, wobei sich die Speicherzelle in einer Interconnect-Struktur eines integrierten Schaltkreis-Chips (IC-Chips) befindet.
    • 4A-4E veranschaulichen Querschnittsansichten einiger alternativer Ausführungsformen der Speicherzelle von 3.
    • 5A und 5B veranschaulichen Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen eines IC-Chips, wobei Speicherzellen in individuellen One-Transistor One-Resistor-Zellen (1T1R-Zellen) integriert sind und individuelle Grenzflächenstrukturen unterer Elektroden umfassen.
    • 6 veranschaulicht ein Draufsicht-Layout einiger Ausführungsformen des IC-Chips der 5A und 5B.
    • 7 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einiger alternativer Ausführungsformen des IC-Chips von 5A, wobei die Speicherzellen unterschiedliche Layouts aufweisen.
    • 8-19 veranschaulichen eine Reihe von Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Bilden von Speicherzellen, die in 1T1R-Zellen integriert sind und Grenzflächenstrukturen unterer Elektroden umfassen.
    • 20 veranschaulicht ein Blockdiagramm einiger Ausführungsformen des Verfahrens der 8-19.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele für die Implementierung verschiedener Merkmale dieser Offenbarung bereit. Im Folgenden werden konkrete Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und dienen nicht der Einschränkung. Zum Beispiel kann das Bilden eines ersten Strukturelements über oder auf einem zweiten Strukturelement in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Strukturelement in direktem Kontakt gebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Strukturelemente zwischen dem ersten und dem zweiten Strukturelement gebildet sein können, so dass das erste und das zweite Strukturelement nicht unbedingt in direktem Kontakt stehen. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und schafft nicht automatisch eine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
  • Des Weiteren können räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, im vorliegenden Text zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen auch andere Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht, oder sonstige Ausrichtungen), und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden.
  • Eine ferroelektrische Direktzugriffsspeicherzelle (FeRAM-Zelle) kann über einem Draht in einer Interconnect-Struktur eines integrierten Schaltkreis-Chips (IC-Chips) liegen. Die FeRAM-Zelle kann eine untere Elektrode, eine ferroelektrische Umschaltschicht auf der unteren Elektrode, und eine Schicht einer oberen Elektrode, die über der ferroelektrischen Umschaltschicht liegt, umfassen. Die untere Elektrode erstreckt sich durch eine Sperrschicht in Richtung des Drahtes und ist elektrisch mit diesem gekoppelt. Die Sperrschicht trennt die untere Elektrode von dem Draht und blockiert die Migration von Material von dem Draht zu der unteren Elektrode.
  • Eine Herausforderung bei der FeRAM-Zelle besteht darin, dass aktive Metallatome aus der Sperrschicht in die untere Elektrode diffundieren können. Außerdem können aktive Metallatome und/oder Störatome in der unteren Elektrode von der unteren Elektrode in die ferroelektrische Umschaltschicht diffundieren. Die aktiven Metallatome haben einen hohen Diffusionskoeffizienten und können zum Beispiel Kupferatome, Tantalatome, ein oder mehrere andere geeignete Metallatome oder eine Kombination der oben Genannten umfassen. Die Störatome können während der Abscheidung der ferroelektrischen Umschaltschicht in die untere Elektrode diffundiert sein und können zum Beispiel Chlorionen und/oder andere geeignete Ionen aus Vorläufern enthalten, die während der Abscheidung der ferroelektrischen Umschaltschicht verwendet wurden. Die aktiven Metallatome und/oder die Störatome können den Leckstrom erhöhen und können somit die Datenbeibehaltung beeinträchtigen.
  • Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen eine FeRAM-Zelle oder eine andere geeignete Art von Speicherzelle, die eine Grenzflächenstruktur einer unteren Elektrode umfasst. Die Speicherzelle liegt über einem Draht in einer Interconnect-Struktur eines IC-Chips und umfasst des Weiteren eine untere Elektrode und eine Umschaltschicht. Wenn die Speicherzelle eine FeRAM-Zelle ist, so kann die Umschaltschicht eine ferroelektrische Umschaltschicht sein. Die untere Elektrode erstreckt sich durch eine Sperrschicht in Richtung des Drahtes und ist elektrisch mit diesem gekoppelt. Die Sperrschicht trennt die untere Elektrode von dem Draht und ist dafür eingerichtet, die Diffusion aktiver Metallatome von dem Draht zu der unteren Elektrode zu blockieren oder anderweitig zu reduzieren. Die Umschaltschicht liegt über der unteren Elektrode und ist von der unteren Elektrode durch die Grenzflächenstruktur einer unteren Elektrode getrennt. Die Grenzflächenstruktur einer unteren Elektrode ist dielektrisch und dafür eingerichtet, die Diffusion aktiver Metallatome und/oder Störatome von der untere Elektrode zu der Umschaltschicht zu blockieren oder anderweitig zu reduzieren. Solche aktiven Metallatome können zum Beispiel von der Sperrschicht zu der unteren Elektrode migrieren oder anderweitig von der unteren Elektrode stammen.
  • Durch Blockieren oder anderweitiges Reduzieren der Diffusion aktiver Metallatome und/oder Störatome von der Sperrschicht und/oder der unteren Elektrode zu der Umschaltschicht kann die Grenzflächenstruktur einer unteren Elektrode den Leckstrom an der Umschaltschicht reduzieren. Durch Reduzieren des Leckstroms an der Umschaltschicht kann die Grenzflächenstruktur einer unteren Elektrode die Datenbeibehaltung der Speicherzelle verbessern und kann somit die Zuverlässigkeit der Speicherzelle erhöhen. Des Weiteren kann die Grenzflächenstruktur einer unteren Elektrode dafür eingerichtet sein, die Diffusion aktiver Metallatome des Drahtes zu der Umschaltschicht zu blockieren oder anderweitig zu reduzieren, so dass die Sperrschicht weggelassen werden kann. Durch Weglassen der Sperrschicht können die Material- und Verarbeitungskosten reduziert werden.
  • In 1 ist eine Querschnittsansicht 100 einiger Ausführungsformen einer Speicherzelle 102 dargestellt, die eine Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode umfasst. Wie oben beschrieben, ist die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode dafür eingerichtet, das Diffundieren von Störatomen und/oder aktiven Metallatomen von einer untere Elektrode 106 zu einer Umschaltschicht 108 zu blockieren oder anderweitig zu reduzieren. Dies kann den Leckstrom reduzieren und kann somit die Lebensdauer verlängern.
  • Die Speicherzelle 102 liegt über einer unteren Metallstruktur 110 und kann zum Beispiel eine FeRAM-Zelle, eine resistive Direktzugriffszelle (Resistive Random-Access-Memory, RRAM) oder ein anderer geeigneter Typ von Speicherzelle sein. Die untere Metallstruktur 110 kann zum Beispiel ein Draht, eine Durchkontaktierung, ein Kontakt oder eine andere geeignete Struktur sein. Die Speicherzelle 102 umfasst eine Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode, die untere Elektrode 106, die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode, die Umschaltschicht 108 und eine obere Elektrode 114, die über die untere Metallstruktur 110 gestapelt sind.
  • Die untere Elektrode 106, die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode, die obere Elektrode 114 und die untere Metallstruktur 110 sind leitfähig, und die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode ist dielektrisch. Wenn des Weiteren die Speicherzelle 102 eine FeRAM-Zelle ist, so ist die Umschaltschicht 108 ferroelektrisch. Die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode liegt über der unteren Metallstruktur 110, und die untere Elektrode 106 liegt über der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode, so dass die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode die untere Elektrode 106 von der unteren Metallstruktur 110 trennt. Die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode liegt über der untere Elektrode 106, und die Umschaltschicht 108 liegt über der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode, so dass die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode die untere Elektrode 106 von der Umschaltschicht 108 trennt. Die obere Elektrode 114 liegt über der Umschaltschicht 108.
  • Die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode ist dielektrisch und ist ein anderes Material als die untere Elektrode 106 und die Umschaltschicht 108. Die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode ist dafür eingerichtet, das Diffundieren oder sonstige Migrieren von Material, das während der Bildung der Umschaltschicht 108 verwendet wird, in die untere Elektrode 106 zu blockieren oder anderweitig zu verhindern, damit keine Störatome in der unteren Elektrode 106 entstehen. Die Umschaltschicht 108 kann zum Beispiel durch Atomschichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) oder einen anderen geeigneten Abscheidungsprozess, der gasförmige Vorläufer verwendet, gebildet werden. Die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode kann die Diffusion der gasförmigen Vorläufer in die untere Elektrode 106 während des Abscheidungsprozesses blockieren oder anderweitig verhindern.
  • Ohne die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode kann Material, das während der Bildung der Umschaltschicht 108 verwendet wird, in die untere Elektrode 106 diffundieren und Störatome in der untere Elektrode 106 hervorbringen. Zum Beispiel können Chlorid- und/oder Oxidvorläufer in die untere Elektrode 106 diffundieren und können Störatome hervorbringen, die Chlorionen (zum Beispiel Cl-) und/oder Sauerstoffionen (O-) umfassen. Des Weiteren können die Störatome bei fehlender Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode nach dem Bilden der Umschaltschicht 108 von der unteren Elektrode 106 zu der Umschaltschicht 108 diffundieren. Dies kann zu einem Anstieg des Leckstroms führen, was die Datenbeibehaltung und damit die Zuverlässigkeit der Speicherzelle 102 beeinträchtigen kann. Dementsprechend kann die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode den Leckstrom reduzieren, indem sie Störatome in der unteren Elektrode 106 verhindert. Dies kann die Datenbeibehaltung und damit die Zuverlässigkeit der Speicherzelle 102 verbessern. Außerdem kann durch das Reduzieren des Leckstroms die Durchschlagspannung der Speicherzelle 102 erhöht werden.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode gegen das bei der Bildung der Umschaltschicht 108 verwendete Material inert. Mit inert ist gemeint, dass die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode nicht mit dem Material reagiert und/oder mehr Energie benötigt, um mit dem Material zu reagieren, als die untere Elektrode 106. In Ausführungsformen, in denen die Umschaltschicht 108 durch ALD abgeschieden wird, erlaubt die Inertheit, dass die Vorläufer vollständig oder vollständiger miteinander reagieren können. Dies wiederum verringert die Wahrscheinlichkeit, dass nichtreaktive Vorläufer die Umschaltschicht 108 kontaminieren und damit den Leckstrom erhöhen. Daher kann die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode den Leckstrom an der Umschaltschicht 108 weiter reduzieren, was die Datenbeibehaltung und damit die Zuverlässigkeit der Speicherzelle 102 verbessern kann.
  • In einigen Ausführungsformen gelangen Störatome während der Bildung der untere Elektrode 106 und/oder zwischen der Bildung der untere Elektrode 106 und der Umschaltschicht 108 in die untere Elektrode 106. Die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode ist des Weiteren dafür eingerichtet, die Diffusion dieser Störatome von der untere Elektrode 106 zu der Umschaltschicht 108 zu blockieren oder anderweitig zu verhindern, um den Leckstrom weiter zu reduzieren. Wie oben beschrieben, kann durch Reduzieren des Leckstroms die Datenbeibehaltung und damit die Zuverlässigkeit der Speicherzelle 102 verbessert werden.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode aktive Metallatome, und die untere Elektrode 106 und/oder die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode sind dafür eingerichtet, die Diffusion der aktiven Metallatome zu der Umschaltschicht 108 zu blockieren oder anderweitig zu verhindern. Im Sinne des vorliegenden Textes sind aktive Metallatome mit einem hohen Diffusionskoeffizienten. Ein hoher Diffusionskoeffizient kann beispielsweise ein Diffusionskoeffizient von mehr als etwa 10-13 Quadratzentimetern pro Sekunde (cm2s-1), 10-12 cm2s-1, 10-11 cm2s-1 oder ein anderer geeigneter Wert sein. Zu nicht-einschränkenden Beispielen aktiver Metallatome gehören Kupferatome, Tantalatome und dergleichen. Durch Blockieren oder anderweitiges Verhindern der Diffusion der aktiven Metallatome von der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode zu der Umschaltschicht 108 kann die untere Elektrode 106 und/oder die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode den Leckstrom reduzieren. Durch Reduzieren des Leckstroms kann die Datenbeibehaltung und damit die Zuverlässigkeit der Speicherzelle 102 verbessert werden.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die untere Elektrode 106 aktive Metallatome, und die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode ist dafür eingerichtet, die Diffusion der aktiven Metallatome zu der Umschaltschicht 108 zu blockieren oder anderweitig zu verhindern. Durch Blockieren oder anderweitiges Verhindern der Diffusion der aktiven Metallatome von der unteren Elektrode 106 kann die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode den Leckstrom reduzieren. Durch Reduzieren des Leckstroms kann die Datenbeibehaltung der Speicherzelle 102 und damit die Zuverlässigkeit der Speicherzelle 102 verbessert werden.
  • In einigen Ausführungsformen blockiert die untere Elektrode 106 - oder verhindert anderweitig - die Diffusion aktiver Metallatome aus der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode, indem sie: 1) amorpher und/oder weniger kristallin als die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode ist; 2) eine durchschnittliche kristalline Korngröße hat, die größer oder kleiner als die der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode ist; 3) eine andere Gitterkonstante als die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode hat; 4) aus Atomen gebildet ist, die größere und/oder kleinere Atomradien als die aktiven Metallatome haben; oder 5) eine Kombination des oben Genannten ist. Zum Beispiel kann die untere Elektrode 106 Titannitrid mit einem Atomprozentsatz an Stickstoff von etwa 50 % oder einem anderen geeigneten Prozentsatz sein oder umfassen, während die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode Tantal und/oder Tantalnitrid sein oder umfassen kann. Andere geeignete Materialien sind jedoch ebenfalls möglich.
  • Amorphie und Kristallinität, die in der gesamten vorliegenden Offenbarung angesprochen werden, können zum Beispiel durch Röntgenbeugung (X-Ray Diffraction, XRD), Elektronenrückstreubeugung (Electron Backscatter Diffraction, EBSD), dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry, DSC) oder jede andere geeignete Technik quantifiziert werden. Darüber hinaus kann eine solche Quantifizierung zum Beispiel für relative Vergleiche zwischen Amorphie und Kristallinität verwendet werden, die in der gesamten vorliegenden Offenbarung beschrieben werden.
  • In einigen Ausführungsformen blockiert die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode - oder verhindert anderweitig - die Diffusion aktiver Metallatome und/oder Störatome von oder zu der unteren Elektrode 106, indem sie: 1) amorpher und/oder weniger kristallin als die untere Elektrode 106 ist; 2) eine durchschnittliche kristalline Korngröße hat, die größer oder kleiner als die der unteren Elektrode 106 ist; 3) eine andere Gitterkonstante als die untere Elektrode 106 hat; 4) aus Atomen gebildet ist, die größere und/oder kleinere Atomradien als die aktiven Metallatome und/oder die Störatome haben; oder 5) eine Kombination des oben Genannten ist. In einigen Ausführungsformen ist die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode amorph, und die untere Elektrode 106 ist kristallin.
  • Die untere Metallstruktur 110 ist oder umfasst aktive Metallatome, und die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode ist dafür eingerichtet, die Diffusion der aktiven Metallatome von der unteren Metallstruktur 110 zu der untere Elektrode 106 zu blockieren oder anderweitig zu verhindern. In einigen Ausführungsformen erreicht die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode dies, indem sie: 1) amorpher und/oder weniger kristallin als die untere Metallstruktur 110 ist; 2) eine durchschnittliche kristalline Korngröße hat, die größer oder kleiner als die der unteren Metallstruktur 110 ist; 3) eine andere Gitterkonstante als die untere Metallstruktur 110 hat; 4) aus Atomen gebildet ist, die größere und/oder kleinere Atomradien haben als die aktiven Metallatome; oder 5) eine Kombination des oben Genannten ist.
  • In mindestens einigen Ausführungsformen, in denen die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode aktive Metallatome umfasst, entsprechen die aktiven Metallatome der unteren Metallstruktur 110 einem anderen Metallelement als die aktiven Metallatome der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode. Zum Beispiel können die aktiven Metallatome der unteren Metallstruktur 110 Kupfer entsprechen, und die aktiven Metallatome der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode können Tantal entsprechen. Andere geeignete Elemente sind jedoch ebenfalls möglich. In einigen Ausführungsformen haben die aktiven Metallatome der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode einen ersten Diffusionskoeffizienten, und die aktiven Metallatome der unteren Metallstruktur 110 haben einen zweiten, größeren Diffusionskoeffizienten.
  • Die Umschaltschicht 108 hat eine Eigenschaft, die zum Darstellen eines Datenbits verwendet wird und dafür eingerichtet ist, reversibel zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umzuschalten. Zum Beispiel kann der erste Zustand eine binäre „1“ darstellen, während der zweite Zustand eine binäre „0“ darstellen kann, oder umgekehrt. Die Eigenschaft kann zum Beispiel dem Widerstand, der remanenten Polarisation, einer anderen geeigneten Eigenschaft oder einer Kombination des oben Genannten entsprechen.
  • In Ausführungsformen, in denen die Speicherzelle 102 eine FeRAM-Zelle ist, besitzt die Umschaltschicht 108 eine remanente Polarisation. Ein erster Zustand der remanenten Polarisation stellt eine binäre „1“ dar, während ein zweiter Zustand der remanenten Polarisation eine binäre „0“ darstellt, oder umgekehrt. Die remanente Polarisation kann in den ersten Zustand versetzt werden, indem eine erste Spannung, die die Koerzitivspannung übersteigt, von der oberen Elektrode 114 an die untere Elektrode 106 angelegt wird. Des Weiteren kann die remanente Polarisation in den zweiten Zustand versetzt werden, indem eine zweite Spannung, die die Koerzitivspannung übersteigt und eine der ersten Spannung entgegengesetzte Polarität aufweist, von der oberen Elektrode 114 an die untere Elektrode 106 angelegt wird. Der Zustand der remanenten Polarisation kann elektrisch bestimmt werden, indem die remanente Polarisation auf den ersten Zustand eingestellt wird. Wenn sich die remanente Polarisation in dem zweiten Zustand befindet, so wird ein Stromimpuls generiert. Andernfalls wird kein Stromimpuls generiert.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die untere Elektrode 106 Tantalnitrid, Molybdän, Titannitrid, Wolframnitrid, Iridium, Ruthenium oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen beträgt eine Dicke Tbe der unteren Elektrode 106 etwa 50-500 Ångström, etwa 50-275 Ångström, etwa 275-500 Ångström, oder einen anderen geeigneten Wert.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die untere Elektrode 106 nicht-aktive Metallatome. Des Weiteren besteht in einigen Ausführungsformen die untere Elektrode 106 im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der unteren Elektrode 106 - bestehen im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen. In dem Sinne des vorliegenden Textes sind nicht-aktive Metallatome mit einem niedrigen Diffusionskoeffizienten. Ein niedriger Diffusionskoeffizient kann zum Beispiel ein Diffusionskoeffizient von weniger als etwa 10-13 cm2s-1, 10-14 cm2s-1 oder einem anderen geeigneten Wert sein.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die untere Elektrode 106 aktive Metallatome. Des Weiteren besteht in einigen Ausführungsformen die untere Elektrode 106 im Wesentlichen aus aktiven Metallatomen, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der unteren Elektrode 106 - bestehen im Wesentlichen aus aktiven Metallatomen. Zu nicht-einschränkenden Beispielen von Materialien mit aktiven Metallatomen gehören Tantal, Kupfer und dergleichen.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Sperrschicht 112 der unteren Elektrode Tantal, Tantalnitrid, ein oder mehrere andere geeignete Materialien, oder eine Kombination des oben Genannten. In einigen Ausführungsformen ist die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode ein einschichtiger Film. In alternativen Ausführungsformen ist die Sperrschicht 112 der unteren Elektrode ein mehrschichtiger Film. Zum Beispiel kann die Sperrschicht 112 der unteren Elektrode ein zweischichtiger Film sein, der eine Tantal-Nitrid-Schicht und eine Tantal-Schicht, die über der Tantal-Nitrid-Schicht liegt, umfasst. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die untere Metallstruktur 110 Kupfer, Aluminium-Kupfer, Tantal, ein oder mehrere andere geeignete Materialien, oder eine Kombination des oben Genannten.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Umschaltschicht 108 ein Dielektrikum mit hohem k-Wert und/oder ist oder umfasst ein Metalloxid. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Umschaltschicht 108 ein(en) Film auf Hafniumoxid-Basis, ein(en) Film auf Zirkoniumoxid-Basis oder dergleichen in der orthorhombischen Phase. Zum Beispiel kann die Umschaltschicht 108 Hafnium-Zirkonium-Oxid (zum Beispiel HfZrO oder HZO), Hafnium-Aluminium-Oxid (zum Beispiel HfAlO), Hafnium-Lanthan-Oxid (zum Beispiel, HfLaO), Hafnium-Cer-Oxid (zum Beispiel HfCeO), Hafnium-Oxid (zum Beispiel HfO), Hafnium-Silizium-Oxid (zum Beispiel HfSiO), Hafnium-Gadolinium-Oxid (zum Beispiel HfGdO), oder dergleichen sein oder umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die Umschaltschicht 108 mit Dotanden dotiert, die einen Atomprozentsatz von maximal etwa 50%, 40%, 25% oder einen anderen geeigneten Prozentsatz aufweisen. Die Dotanden können zum Beispiel Aluminium (zum Beispiel Al), Silizium (zum Beispiel Si), Lanthan (zum Beispiel La), Scandium (zum Beispiel Sc), Calcium (zum Beispiel, Ca), Barium (zum Beispiel Ba), Gadolinium (zum Beispiel Gd), Yttrium (zum Beispiel Y), Strontium (zum Beispiel Sr), ein oder mehrere andere geeignete Elemente, oder eine Kombination des oben Genannten sein oder umfassen. In Ausführungsformen, in denen die Speicherzelle 102 eine FeRAM-Zelle ist und somit die Umschaltschicht 108 ferroelektrisch ist, hat die Umschaltschicht 108 ein Verhältnis von orthorhombischen, tetragonalen und kubischen Phasen zu orthorhombischen, tetragonalen, kubischen und monoklinen Phasen, das größer als etwa 0,5 oder ein anderer geeigneter Wert ist.
  • In einigen Ausführungsformen beträgt eine Dicke Tsi der Umschaltschicht 108 etwa 20-500 Ängström, etwa 20-260 Ångström, etwa 260-500 Ångström, oder einen anderen geeigneten Wert. Wenn die Dicke Tsl zu klein ist (zum Beispiel weniger als etwa 20 Ångström), so könnte die Kristallisation der Umschaltschicht 108 schlecht sein, wodurch die Umschaltschicht 108 eine niedrige Durchschlagspannung aufweisen könnte. Ist eine Dicke Tsl dagegen zu groß (zum Beispiel mehr als etwa 500 Ångström), so könnten die Betriebsspannungen der Speicherzelle 102 hoch sein.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode ein Metalloxid, ein Metallnitrid, ein Metalloxynitrid oder dergleichen. Zum Beispiel kann die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode Titanoxid, Titannitrid, Titanoxynitrid, Tantaloxid, Tantalnitrid, Tantaloxynitrid oder dergleichen sein oder umfassen. In mindestens einigen Ausführungsformen, in denen die untere Elektrode 106 Titannitrid ist oder umfasst, ist oder umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode Titanoxynitrid oder dergleichen. In mindestens einigen Ausführungsformen, in denen die untere Elektrode 106 Tantalnitrid ist oder umfasst, ist oder umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode Tantaloxynitrid oder dergleichen.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode ein Oxid oder Oxynitrid von aktiven Metallatomen. In anderen Ausführungsformen ist oder umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode nicht-aktive Metallatome. Des Weiteren besteht in einigen Ausführungsformen die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode - bestehen im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen. In einigen Ausführungsformen nutzen die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode und die untere Elektrode 106 ein gemeinsames Metall, das aktiv oder nicht-aktiv sein kann. In einigen Ausführungsformen nimmt die Konzentration nichtmetallischer Elemente (zum Beispiel Stickstoff, Sauerstoff oder dergleichen) in der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode von einer Oberseite der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode zu einer Unterseite der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode ab. Die Konzentration kann kontinuierlich oder schrittweise von oben nach unten abnehmen.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode ein Metallelement und ein erstes Nichtmetallelement oder besteht im Wesentlichen daraus. In einigen Ausführungsformen wird das Metallelement mit der unteren Elektrode 106 gemeinsam genutzt, und die untere Elektrode 106 ist frei von dem ersten Nichtmetallelement. In einigen Ausführungsformen umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode des Weiteren ein zweites Nichtmetallelement, das sich von dem ersten Nichtmetallelement unterscheidet. In einigen Ausführungsformen werden das Metallelement und das zweite Nichtmetallelement mit der untere Elektrode 106 gemeinsam genutzt, und die untere Elektrode 106 ist frei von dem ersten Nichtmetallelement. Das erste Nichtmetallelement und das zweite Nichtmetallelement können zum Beispiel jeweils Sauerstoff, Stickstoff oder ein anderes geeignetes Element sein.
  • In einigen Ausführungsformen weist eine Grenzfläche an einer Unterseite der Umschaltschicht 108 eine geringere durchschnittliche arithmetische Rauigkeit auf, als wenn die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode weggelassen werden würde. Mit der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode befindet sich die Grenzfläche zwischen der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode und der Umschaltschicht 108. Ohne die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode befindet sich die Grenzfläche zwischen der untere Elektrode 106 und der Umschaltschicht 108. In einigen Ausführungsformen beträgt die geringere arithmetische durchschnittliche Rauigkeit etwa 3 Ängström, weniger als etwa 3 Ängström, etwa 2-3 Ångström, oder einen anderen geeigneten Wert. Der arithmetische durchschnittliche Rauigkeit kann zum Beispiel durch Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) oder dergleichen gemessen werden. Die geringere arithmetische durchschnittliche Rauigkeit kann die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes über die Umschaltschicht 108 hinweg verbessern und somit die Lebensdauer verlängern.
  • In einigen Ausführungsformen beträgt eine Dicke Tifs der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode etwa 20-200 Ångström, etwa 20-110 Ångström, etwa 110-200 Ångström, oder andere geeignete Werte. Wenn die Dicke Tifs zu klein ist (zum Beispiel weniger als etwa 20 Ängström), so ist die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode möglicherweise nicht in der Lage, die Diffusion aktiver Metallatome und/oder Störatome durch die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode zu verhindern. Daher ist die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode möglicherweise nicht in der Lage, den Leckstrom zu reduzieren. Wenn eine Dicke Tifs zu groß ist (zum Beispiel mehr als etwa 200 Ängström), so können problematische Verarbeitungsbedingungen auftreten.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die obere Elektrode 114 Tantalnitrid, Molybdän, Titannitrid, Wolframnitrid, Iridium, Ruthenium oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die obere Elektrode 114 das gleiche Material wie die untere Elektrode 106. In anderen Ausführungsformen ist die obere Elektrode 114 ein anderes Material als die untere Elektrode 106. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die obere Elektrode 114 nicht-aktive Metallatome. Des Weiteren besteht in einigen Ausführungsformen die obere Elektrode 114 im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der oberen Elektrode 114 - bestehen im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die obere Elektrode 114 ein Nitrid von aktiven Metallatomen In einigen Ausführungsformen beträgt eine Dicke der oberen Elektrode 114 etwa 50-500 Ångström, etwa 50-275 Ångström, etwa 275-500 Ångström, oder einen anderen geeigneten Wert.
  • In den 2A-2C sind Querschnittsansichten 200A-200C einiger alternativer Ausführungsformen der Speicherzelle 102 von 1 gezeigt.
  • In 2A ist die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode weggelassen, und die Unterelektrode 106 kontaktiert direkt die untere Metallstruktur 110. Die untere Elektrode 106 und/oder die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode sind somit dafür eingerichtet, die Diffusion der aktiven Metallatome der unteren Metallstruktur 110 zu der Umschaltschicht 108 zu blockieren oder anderweitig zu verhindern. Durch Blockieren oder anderweitiges Verhindern der Diffusion der aktiven Metallatome zu der Umschaltschicht 108 können die untere Elektrode 106 und/oder die Grenzflächenstruktur 104 den Leckstrom reduzieren. Durch Reduzieren des Leckstroms kann die Datenbeibehaltung und damit die Zuverlässigkeit der Speicherzelle 102 verbessert werden. Außerdem kann die Durchschlagspannung erhöht werden.
  • In einigen Ausführungsformen blockiert die untere Elektrode 106 - oder verhindert anderweitig - die Diffusion der aktiven Metallatome, indem sie: 1) amorpher und/oder weniger kristallin als die untere Metallstruktur 110 ist; 2) eine durchschnittliche kristalline Korngröße hat, die größer oder kleiner als die der unteren Metallstruktur 110 ist; 3) eine andere Gitterkonstante als die untere Metallstruktur 110 hat; 4) aus Atomen gebildet ist, die größere und/oder kleinere Atomradien haben als die aktiven Metallatome; oder 5) eine Kombination des oben Genannten ist. Zum Beispiel kann die untere Elektrode 106 Titannitrid mit einem Atomprozentsatz an Stickstoff von etwa 50 % oder einem anderen geeigneten Prozentsatz sein oder umfassen, während die untere Metallstruktur 110 Kupfer und/oder Aluminium-Kupfer sein oder umfassen kann. Andere geeignete Materialien sind jedoch ebenfalls möglich. In einigen Ausführungsformen blockiert die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode - oder verhindert anderweitig - die Diffusion der aktiven Metallatome der unteren Metallstruktur 110, indem sie: 1) amorpher und/oder weniger kristallin als die untere Elektrode 106 ist; 2) eine durchschnittliche kristalline Korngröße hat, die größer oder kleiner als die der unteren Elektrode 106 ist; 3) eine andere Gitterkonstante als die untere Elektrode 106 hat; 4) aus Atomen gebildet ist, die größere und/oder kleinere Atomradien als die aktiven Metallatome und/oder die Störatome haben; oder 5) eine Kombination des oben Genannten ist.
  • In 2B umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode mehrere Grenzflächenschichten 104a-104c, die zwischen der untere Elektrode 106 und der Umschaltschicht 108 gestapelt sind. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode zusätzliche Grenzflächenschichten. In alternativen Ausführungsformen werden des Weiteren eine oder mehrere der Grenzflächenschichten 104a-104c weggelassen. Die Grenzflächenschichten 104a-104c sind jeweils für sich genommen so, wie die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode mit Bezug auf 1 beschrieben ist.
  • In einigen Ausführungsformen sind, umfassen oder bestehen die Grenzflächenschichten 104a-104c im Wesentlichen aus einem gemeinsamen Satz von Elementen, einschließlich eines oder mehrerer Metallelemente und eines oder mehrerer Nichtmetallelemente. Das eine oder die mehreren Nichtmetallelemente können zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff oder dergleichen oder eine Kombination des oben Genannten enthalten. In mindestens einigen solcher Ausführungsformen weisen die Grenzflächenschichten 104a-104c unterschiedliche Atomprozentsätze des einen oder der mehreren Nichtmetallelemente auf und haben des Weiteren unterschiedliche Atomprozentsätze des oder der Metallelemente. Zum Beispiel kann eine erste Grenzflächenschicht 104a einen ersten Atomprozentsatz des oder der Nichtmetallelemente aufweisen, eine zweite Grenzflächenschicht 104b kann einen zweiten Atomprozentsatz des oder der Nichtmetallelemente aufweisen, und eine dritte Grenzflächenschicht 104c kann einen dritten Atomprozentsatz des oder der Nichtmetallelemente aufweisen, wobei der erste, der zweite und der dritte Atomprozentsatz verschieden sind. In einigen Ausführungsformen nehmen die Atomprozentsätze des oder der Nichtmetallelemente schrittweise von der Umschaltschicht 108 zu der unteren Elektrode 106 ab. Zum Beispiel kann, in Fortsetzung des vorherigen Beispiels, der erste Atomprozentsatz kleiner sein als der zweite Atomprozentsatz, der kleiner sein kann als der dritte Atomprozentsatz.
  • In einigen Ausführungsformen sind oder umfassen die Grenzflächenschichten 104a-104c Titanoxid oder -nitrid und weisen individuelle Atomprozentsätze von Sauerstoff oder Nitrid auf, die schrittweise von der Umschaltschicht 108 zu der unteren Elektrode 106 abnehmen. In einigen Ausführungsformen sind oder umfassen die Grenzflächenschichten 104a-104c Titanoxynitrid oder Titanoxynitrid und weisen individuelle Atomprozentsätze von Oxynitrid auf, die schrittweise von der Umschaltschicht 108 zu der unteren Elektrode 106 abnehmen.
  • In 2C trennt eine Grenzflächenstruktur 202 einer oberen Elektrode die Umschaltschicht 108 von der oberen Elektrode 114. Des Weiteren sind eine obere Metallstruktur 204 und eine Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode über der oberen Elektrode 114 gestapelt, und die Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode trennt die obere Metallstruktur 204 von der oberen Elektrode 114. In alternativen Ausführungsformen wird die Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode weggelassen, und die obere Metallstruktur 204 kontaktiert direkt die obere Elektrode 114.
  • Die Grenzflächenstruktur 202 einer oberen Elektrode ist so, wie die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode in Bezug auf 1 beschrieben ist, außer dass die Grenzflächenstruktur 202 einer oberen Elektrode die Diffusion von Störatomen und/oder aktiven Metallatomen von oberhalb der Grenzflächenstruktur 202 einer oberen Elektrode zu der Umschaltschicht 108 blockiert oder verhindert. Solche Störatome und/oder aktiven Metallatome können zum Beispiel von der oberen Elektrode 114, der oberen Metallstruktur 204, der Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode, oder einer Kombination des oben Genannten stammen. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode mehrere Grenzflächenschichten 104a-104c, wie in Bezug auf 2B beschrieben, und/oder die Grenzflächenstruktur 202 einer oberen Elektrode umfasst mehrere Grenzflächenschichten, wie für die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode in Bezug auf 2B beschrieben.
  • Die obere Elektrode 114 kann zum Beispiel so sein, wie die untere Elektrode 106 in Bezug auf 1 beschrieben ist. Die obere Metallstruktur 204 kann zum Beispiel so sein, wie die untere Metallstruktur 110 in Bezug auf 1 beschrieben ist. Die Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode kann zum Beispiel so sein, wie die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode in Bezug auf 1 beschrieben ist.
  • Während 2A eine Variante von 1 beschreibt, bei der die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode weggelassen ist, kann die Variante auf jede der 2B und 2C angewendet werden. So kann zum Beispiel die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode aus 2B und/oder 2C weggelassen werden. Während 2B eine Variante von 1 beschreibt, bei der die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode mehrere Grenzflächenschichten 104a-104c umfasst, kann diese Variante auf jede der 2A und 2C angewendet werden. Somit kann die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode zum Beispiel mehrere Grenzflächenschichten 104a-104c in 2A und/oder 2B umfassen. Während 2C eine Variante von 1 beschreibt, bei der eine Grenzflächenstruktur 202 einer oberen Elektrode die obere Elektrode 114 von der Umschaltschicht 108 trennt, kann diese Variante auf jede der 2A und 2B angewendet werden. Somit kann die Grenzflächenstruktur 202 einer oberen Elektrode die obere Elektrode 114 von der Umschaltschicht 108 in 2A und/oder 2B trennen. Während 2C eine obere Metallstruktur 204 und eine Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode beschreibt, die über der oberen Elektrode 114 gestapelt sind, können die obere Metallstruktur 204 und die Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode in einigen Ausführungsformen der 1, 2A und 2B über der oberen Elektrode 114 gestapelt sein.
  • In 3 ist eine Querschnittsansicht 300 einiger Ausführungsformen der Speicherzelle 102 von 1 dargestellt, in der sich die Speicherzelle 102 in einer Interconnect-Struktur 302 eines IC-Chips, vertikal zwischen einem Draht 304b einer unteren Elektrode und einem Draht 304t einer oberen Elektrode, befindet. Es ist zu beachten, dass der Draht 304b einer unteren Elektrode zum Beispiel der unteren Metallstruktur 110 entsprechen kann, die in Bezug auf die 1 und 2A-2C beschrieben ist.
  • Ein Durchkontaktierung 306t einer oberen Elektrode erstreckt sich von dem Draht 304t einer oberen Elektrode nach unten in Richtung der oberen Elektrode 114, und eine Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode legt sich um eine Unterseite der Durchkontaktierung 306t einer oberen Elektrode herum, um die Durchkontaktierung 306t einer oberen Elektrode von der oberen Elektrode 114 zu trennen. Es ist zu beachten, dass die Durchkontaktierung 306t einer oberen Elektrode zum Beispiel der oberen Metallstruktur 204 entsprechen kann, die in Bezug auf 2C beschrieben ist, und/oder dass die Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode zum Beispiel ihrem Gegenstück entsprechen kann, das in Bezug auf 2C beschrieben ist. Des Weiteren erstrecken sich die Durchkontaktierung 306t einer oberen Elektrode und die Sperrschicht 206 einer oberen Elektrode durch eine Hartmaske 308 auf der oberen Elektrode 114. In alternativen Ausführungsformen wird die Hartmaske 308 weggelassen.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Hartmaske 308 Siliziumnitrid und/oder ein oder mehrere andere geeignete Dielektrika. In einigen Ausführungsformen sind oder umfassen der Draht 304t der oberen Elektrode, der Draht 304b der unteren Elektrode und die Durchkontaktierung 306t der oberen Elektrode zum Beispiel Kupfer, Aluminium-Kupfer, ein oder mehrere andere geeignete Metalle, oder eine Kombination des oben Genannten.
  • Die untere Elektrode 106 hat ein T-förmiges Profil und steht nach unten in Richtung des Drahtes 304b der unteren Elektrode vor, wodurch eine Durchkontaktierung 310 einer unteren Elektrode gebildet wird. Des Weiteren legt sich die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode um die Durchkontaktierung 310 einer unteren Elektrode herum, um die Durchkontaktierung 310 einer unteren Elektrode und damit die untere Elektrode 106 von dem Draht 304b einer unteren Elektrode zu trennen. In alternativen Ausführungsformen wird die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode weggelassen, so dass die Durchkontaktierung 310 einer unteren Elektrode den Draht 304b einer unteren Elektrode direkt kontaktiert.
  • Die untere Elektrode 106, die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode, die Umschaltschicht 108, die obere Elektrode 114 und die Hartmaske 308 haben eine gemeinsame Breite. In alternativen Ausführungsformen variieren die Breiten. Die untere Elektrode 106, die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode, die Umschaltschicht 108, die obere Elektrode 114 und die Hartmaske 308 bilden jeweils gemeinsame Seitenwände auf gegenüberliegenden Seiten der Speicherzelle 102. Die gemeinsamen Seitenwände haben ein planares Profil, können aber in alternativen Ausführungsformen auch ein gekrümmtes oder andere geeignete Profile aufweisen. Des Weiteren sind die gemeinsamen Seitenwände mit einer Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 ausgekleidet. Die Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 hat mehrere Abstandshaltersegmente, die den gemeinsamen Seitenwänden individuell sind und diese jeweils von oben nach unten verkleiden. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 Siliziumnitrid und/oder ein oder mehrere andere geeignete Dielektrika. In einigen Ausführungsformen ist des Weiteren die Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 aus dem gleichen Material wie die Hartmaske 308.
  • Mehrere Zwischenmetalldielektrikum-Schichten (Intermetal Dielectric, IMD) 314 umgeben jeweils den Draht 304b einer unteren Elektrode und den Draht 304t einer oberen Elektrode, und eine Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht 316 trennt die IMD-Schichten 314 und umgibt die Durchkontaktierung 310 einer unteren Elektrode. Des Weiteren bedeckt eine Ätzstoppschicht 318 die Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht 316 und die Speicherzelle 102 und trennt eine obere der IMD-Schichten 314 von der Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht 316 und der Speicherzelle 102.
  • In einigen Ausführungsformen sind oder umfassen die IMD-Schichten 314 ein Dielektrikum mit extrem niedrigem k-Wert und/oder ein oder mehrere andere geeignete Dielektrika. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Durchkontaktierung-Dielektrikumschicht 316 Siliziumcarbid und/oder ein oder mehrere andere geeignete Dielektrika. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Ätzstoppschicht 318 Siliziumcarbid, Tetraethylorthosilikat-Oxid (TEOS-Oxid), ein oder mehrere andere geeignete Dielektrika, oder eine Kombination des oben Genannten.
  • In den 4A-4E sind Querschnittsansichten 400A-400F einiger alternativer Ausführungsformen der Speicherzelle 102 von 3 gezeigt.
  • In 4A ist die Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 weggelassen. Des Weiteren haben die untere Elektrode 106 und die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode eine erste Breite gemeinsam, während die obere Elektrode 114 und die Hartmaske 308 eine zweite Breite gemeinsam haben, die kleiner als die erste Breite ist. In alternativen Ausführungsformen variieren die Breiten zwischen der unteren Elektrode 106 und der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode und/oder zwischen der oberen Elektrode 114 und der Hartmaske 308.
  • Die untere Elektrode 106 und die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode bilden jeweils erste gemeinsame Seitenwände auf gegenüberliegenden Seiten der Speicherzelle 102, während die obere Elektrode 114 und die Hartmaske 308 jeweils zweite gemeinsame Seitenwände auf den gegenüberliegenden Seiten bilden. Die ersten und die zweiten gemeinsamen Seitenwände haben planare Profile, aber es sind auch gekrümmte oder andere geeignete Profile möglich. Die Umschaltschicht 108 hat jeweils auf den gegenüberliegenden Seiten der Speicherzelle 102 Seitenwände, die sich von den ersten gemeinsamen Seitenwänden jeweils zu den zweiten gemeinsamen Seitenwänden hin nach innen krümmen. Somit nimmt eine Breite der Umschaltschicht 108 von der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode zu der oberen Elektrode 114 ab.
  • In 4B haben die untere Elektrode 106 und die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode eine erste Breite gemeinsam, während die Umschaltschicht 108, die obere Elektrode 114 und die Hartmaske 308 eine zweite, geringere Breite gemeinsam haben. In alternativen Ausführungsformen variieren die Breiten zwischen der unteren Elektrode 106 und der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode und/oder zwischen der Umschaltschicht 108, der oberen Elektrode 114 und der Hartmaske 308. Des Weiteren bilden die untere Elektrode 106 und die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode jeweils erste gemeinsame Seitenwände auf gegenüberliegenden Seiten der Speicherzelle 102, während die Umschaltschicht 108, die obere Elektrode 114 und die Hartmaske 308 jeweils zweite gemeinsame Seitenwände auf den gegenüberliegenden Seiten bilden. Die ersten und die zweiten gemeinsamen Seitenwände haben planare Profile, aber es sind auch gekrümmte oder andere geeignete Profile möglich.
  • Die Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 liegt über der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode seitlich zwischen den ersten gemeinsamen Seitenwänden. Des Weiteren verkleidet die Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 die zweiten gemeinsamen Seitenwände. Insbesondere sind die Abstandshaltersegmente den zweiten gemeinsamen Seitenwänden individuell und verkleiden diese jeweils von oben nach unten.
  • In 4C sind die Sperrschicht 112 der unteren Elektrode, die untere Elektrode 106, die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode, die Umschaltschicht 108, die obere Elektrode 114 und die Hartmaske 308 an der Durchkontaktierung 310 der unteren Elektrode eingerückt.
  • Die Sperrschicht 112 der unteren Elektrode, die untere Elektrode 106, die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode und die Umschaltschicht 108 haben eine erste Breite gemeinsam, während die obere Elektrode 114 und die Hartmaske 308 eine zweite, geringere Breite gemeinsam haben. In alternativen Ausführungsformen variieren die Breiten zwischen der Sperrschicht 112 der unteren Elektrode, der unteren Elektrode 106, der Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode und der Umschaltschicht 108 und/oder zwischen der oberen Elektrode 114 und der Hartmaske 308. Die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode, die untere Elektrode 106, die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode und die Umschaltschicht 108 bilden jeweils erste gemeinsame Seitenwände auf gegenüberliegenden Seiten der Speicherzelle 102, während die obere Elektrode 114 und die Hartmaske 308 jeweils zweite gemeinsame Seitenwände auf den gegenüberliegenden Seiten bilden. Die ersten und die zweiten gemeinsamen Seitenwände haben planare Profile, aber es sind auch gekrümmte oder andere geeignete Profile möglich.
  • Die Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 liegt über der Umschaltschicht 108 seitlich zwischen den ersten gemeinsamen Seitenwänden. Des Weiteren verkleidet die Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 die zweiten gemeinsamen Seitenwände. Insbesondere sind die Abstandshaltersegmente den zweiten gemeinsamen Seitenwänden individuell und verkleiden diese jeweils von oben nach unten.
  • In 4D ist die Speicherzelle 102 wie in 4C beschrieben, außer dass die Speicherzelle 102 geradliniger ist und die Bestandteile der Speicherzelle 102 andere Proportionen haben. Außerdem ist die Durchkontaktierung 306t einer oberen Elektrode zu einer Seite der Speicherzelle 102 verschoben, anstatt sich in einer Mitte der Breite der Speicherzelle 102 zu befinden.
  • In 4E sind die Durchkontaktierung 310 einer unteren Elektrode, die Hartmaske 308 und die Seitenwand-Abstandsstruktur 312 weggelassen, und die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode, die untere Elektrode 106, die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode und die Umschaltschicht 108 weisen U-förmige Profile auf, die sich um eine Unterseite der oberen Elektrode 114 herum legen. Außerdem sind die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode, die untere Elektrode 106, die Grenzflächenstruktur 104 einer unteren Elektrode, die Umschaltschicht 108 und die obere Elektrode 114 von der Ätzstoppschicht 318 bedeckt und haben individuelle Oberseiten, die miteinander bündig abschließen.
  • Obgleich die 3 und 4A-4E unter Verwendung von Ausführungsformen der Speicherzelle 102 in 1 veranschaulicht sind, können die 3 und 4A-4E alternativ beliebige der Ausführungsformen in den 2A-2C verwenden. Zum Beispiel kann die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode in jeder der 3 und 4A-4E weggelassen werden, wie in Bezug auf 2A veranschaulicht und beschrieben ist.
  • Unter Bezug auf 5A wird eine Querschnittsansicht 500A einiger Ausführungsformen von Speicherzellen 102 bereitgestellt, bei denen die Speicherzellen 102 individuelle Grenzflächenstrukturen 104 einer unteren Elektrode umfassen und in individuelle One-Transistor One-Resistor-Zellen (1T1R-Zellen) 502 in einem IC-Chip integriert sind. Jede der Speicherzellen 102 von 5A ist so, wie die Speicherzelle 102 von 4D veranschaulicht und beschrieben ist. Die 1T1R-Zellen 502 umfassen individuelle Drain-Regionen 504 und individuelle Drain-seitige leitfähige Pfade 506.
  • Die Drain-Regionen 504 sind dotierte Regionen eines Substrats 508 und haben jeweils einen Dotierungstyp, der einer angrenzenden Region des Substrats 508 entgegengesetzt ist. Des Weiteren sind die Drain-Regionen 504 elektrisch durch eine Grabenisolationsstruktur 510 voneinander getrennt und definieren teilweise Zugangstransistoren 512 (teilweise gezeigt), die zum individuellen Auswählen der Speicherzellen 102 verwendet werden. Die Grabenisolationsstruktur 510 erstreckt sich in eine Oberseite des Substrats 508 hinein und umfasst Siliziumoxid und/oder ein oder mehrere andere geeignete dielektrische Materialien. Die Grabenisolationsstruktur 510 kann zum Beispiel eine Flachgrabenisolations (Shallow Trench Isolation, STI)-Struktur oder eine andere geeignete Grabenisolationsstruktur sein. Das Substrat 508 kann zum Beispiel ein Volumensiliziumsubstrat, ein Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat) oder ein anderes geeignetes Halbleitersubstrat sein.
  • Die Drain-seitigen leitfähige Pfade 506 koppeln die Drain-Regionen 504 elektrisch mit den Speicherzellen 102. Des Weiteren werden die Drain-seitigen leitfähige Pfade 506 durch die Interconnect-Struktur 302 gebildet, die mehrere Drähte 304 und mehrere Durchkontaktierungen 306 umfasst. Die mehreren Drähte 304 umfassen Drähte 304t einer oberen Elektrode und Drähte 304b einer unteren Elektrode. In einigen Ausführungsformen entsprechen die Drähte 304t der oberen Elektrode Bitleitungen BL. Die mehreren Durchkontaktierungen 306 umfassen Durchkontaktierungen 306t einer oberen Elektrode. Eine Ebene der Durchkontaktierungen 306, die dem Substrat 508 am nächsten liegen, liegt in einer Zwischenschichtdielektrikumschicht (Interlayer Dielectric, ILD) 514, während die übrigen Ebenen der Durchkontaktierungen 306 und der Drähte 304 in IMD-Schichten 314 liegen. Die Drähte 304 und die Durchkontaktierungen 306 können zum Beispiel Kupfer, ein oder mehrere andere geeignete leitfähige Materialien, oder eine Kombination des oben Genannten sein oder umfassen.
  • Eine Randregion 516 an einer Seite der 1T1R-Zellen 502 nimmt periphere Vorrichtungen 518 (nur teilweise gezeigt) auf. Die peripheren Vorrichtungen 518 können zum Beispiel MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Finnen-Feldeffekttransistoren (finFETs), Gate-All-Around-Feldeffekttransistoren (GAA-FETs) oder eine andere geeignete Art von Halbleitervorrichtung sein. Jede der peripheren Vorrichtungen 518 umfasst ein Paar Source/Drain-Regionen 520 (von denen nur eine gezeigt ist) in dem Substrat 508 und eine Gate-Struktur (nicht gezeigt) zwischen den Source/Drain-Regionen 520. Die Source/Drain-Regionen 520 sind dotierte Regionen des Substrats 508 und haben jeweils einen Dotierungstyp, der einer angrenzenden Region des Substrats 508 entgegengesetzt ist.
  • In 5B ist eine Querschnittsansicht 500B einiger Ausführungsformen des IC-Chips von 5A entlang einer Achse orthogonal zu einer Achse dargestellt, entlang der die Querschnittsansicht 500A von 5A dargestellt ist. Die 1T1R-Zellen 502 umfassen individuelle Speicherzellen 102, individuelle Drain-seitige leitfähige Pfade 506, individuelle Zugangstransistoren 512, und individuelle Source-seitige leitfähige Pfade 522. Die Speicherzellen 102 von 5B sind jeweils so, wie die Speicherzelle 102 von 4D veranschaulicht und beschrieben ist.
  • Die Zugangstransistoren 512 befinden sich auf dem Substrat 508 zwischen dem Substrat 508 und der Interconnect-Struktur 302 und sind durch die Grabenisolationsstruktur 510 elektrisch getrennt. Die Zugangstransistoren 512 umfassen individuelle Drain-Regionen 504, individuelle Source-Regionen 524, individuelle Gate-Dielektrikumschichten 526 und individuelle Gate-Elektroden 528. Die Gate-Elektroden 528 liegen jeweils über den Gate-Dielektrikumschichten 526 und bilden in einigen Ausführungsformen Wortleitungen WL. Die Drain- und Source-Regionen 504, 524 sind dotierte Regionen des Substrats 508 und haben jeweils einen Dotierungstyp, der einer angrenzenden Region des Substrats 508 entgegengesetzt ist. Die Drain-Regionen 504 grenzen jeweils an Drain-Seiten der Gate-Elektroden 528, und die Source-Regionen 524 grenzen jeweils an Source-Seiten der Gate-Elektroden 528. Die Zugangstransistoren 512 können zum Beispiel MOSFETs, finFETs, GAA-FETs oder ein anderer geeigneter Typ von Halbleitervorrichtung sein.
  • Die Drain-seitigen leitfähige Pfade 506 koppeln die Drain-Regionen 504 elektrisch mit den Speicherzellen 102, und die Source-seitigen leitfähige Pfade 522 koppeln die Source-Regionen 524 elektrisch mit den Source-Leitungen SL. Die Drain-seitigen und Source-seitigen leitfähige Pfade 506, 522 werden durch die mehreren Drähte 304 und die mehreren Durchkontaktierungen 306 in der Interconnect-Struktur 302 gebildet.
  • In 6 ist ein Draufsicht-Layout 600 einiger Ausführungsformen des IC-Chips der 5A und 5B gezeigt. Die Querschnittsansichten 500A, 500B von 5A und 5B können zum Beispiel jeweils entlang der Linien A und B oder an anderen geeigneten Stellen verlaufen. Der IC-Chip umfasst mehrere 1T1R-Zellen 502 in mehreren Reihen und mehreren Spalten, wodurch ein Speicherarray 602 gebildet wird. Die peripheren Vorrichtungen 518 umgeben das Speicherarray 602 in einer peripheren Regionen 516 des IC-Chips. Die peripheren Vorrichtungen 518 können zum Beispiel eine Lese-/Schreibschaltung und/oder eine andere geeignete Schaltungen zum Betreiben der 1T1R-Zellen 502 implementieren.
  • In einigen Ausführungsformen hat das Speicherarray 602 eine NOR-Speicherarchitektur. Somit nutzen die 1T1R-Zellen 502 für eine gegebene Spalte eine gemeinsame Bitleitung (siehe zum Beispiel die Bitleitungen BL der 5A und 5B) und eine gemeinsame Source-Leitung (siehe zum Beispiel die Source-Leitungen SL von 5B) und sind von der gemeinsamen Bitleitung zu der gemeinsamen Source-Leitung elektrisch parallel geschaltet. 5A und 5B können zum Beispiel dieser Speicherarchitektur entsprechen. In alternativen Ausführungsformen hat das Speicherarray 602 eine NAND-Speicherarchitektur. Somit nutzen die 1T1R-Zellen 502 für eine gegebene Spalte eine gemeinsame Bitleitung (siehe zum Beispiel die Bitleitungen BL der 5A und 5B) und eine gemeinsame Source-Leitung (siehe zum Beispiel die Source-Leitungen SL von 5B), aber sind von der gemeinsamen Bitleitung zu der gemeinsamen Source-Leitung elektrisch in Reihe geschaltet. Die Anordnung der Drähte 304 und der Durchkontaktierungen 306 in den 5A und 5B kann zum Beispiel in dieser Speicherarchitektur anders sein.
  • Obgleich die 5A und 5B unter Verwendung der Speicherzellenausführungsformen in 4D veranschaulicht sind, können alternativ die Speicherzellenausführungsformen in einer oder einer Kombination der 1, 2A-2C,3, 4A-4C und 4E in den 5A und 5B verwendet werden. Zum Beispiel können die Speicherzellenausführungsformen in den 4E alternativ in den 5A und 5B verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können alternativ die Speicherzellenausführungsformen in 2A verwendet werden, so dass die Sperrschichten 112 unterer Elektroden in den 5A und 5B weggelassen werden können. Als ein weiteres Beispiel kann eine der Speicherzellen 102 in 5A so sein wie in 4D, während eine andere der Speicherzellen 102 in 5A so sein kann wie in 3.
  • In 7 ist eine Querschnittsansicht 700 einiger alternativer Ausführungsformen des IC-Chips von 5A gezeigt, wobei die Speicherzellen 102 unterschiedliche Layouts haben. Eine erste Speicherzelle 102a ist so wie in 3 eingerichtet, während eine zweite Speicherzelle 102b wie in 4D eingerichtet ist. In alternativen Ausführungsformen ist die erste Speicherzelle 102a wie in einer oder einer Kombination der 1,2A-2C, 4A-4C und 4E eingerichtet, und/oder die zweite Speicherzelle 102b ist wie in einer oder einer Kombination der 1, 2A-2C, 4A-4C und 4E eingerichtet.
  • In den 8-19 ist eine Reihe von Querschnittsansichten 800-1900 einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Bilden von Speicherzellen gezeigt, wobei die Speicherzellen individuelle Grenzflächenstrukturen unterer Elektroden umfassen und in 1T1R-Zellen in einem IC-Chip integriert sind. Die Querschnittsansichten 800-1900 können zum Beispiel 5A entsprechen und können somit zum Beispiel die Bildung des IC-Chips der 5A und 5B veranschaulichen. Des Weiteren können die Querschnittsansichten 800-1900 zum Beispiel entlang der Linie A in 6 verlaufen.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 800 von 8 veranschaulicht, wird eine Grabenisolationsstruktur 510 gebildet, die sich in eine Oberseite eines Substrats 508 erstreckt. Die Grabenisolationsstruktur 510 umgibt und begrenzt individuell Regionen des Substrats 508, an denen 1T1R-Zellen 502 gebildet werden, und umgibt und begrenzt des Weiteren eine periphere Region 516 des IC-Chips.
  • Wie ebenfalls durch die Querschnittsansicht 800 von 8 veranschaulicht, werden mehrere Halbleitervorrichtungen auf dem Substrat 508 gebildet. Die mehreren Halbleitervorrichtungen umfassen Zugangstransistoren 512, die den 1T1R-Zellen 502 individuell sind und jeweils an den 1T1R-Zellen ausgebildet sind. Des Weiteren umfassen die mehreren Halbleitervorrichtungen periphere Vorrichtungen 518 in der peripheren Region 516 des IC-Chips. Die Zugangstransistoren 512 umfassen individuelle Drain-Regionen 504 und individuelle Source-Regionen (nicht gezeigt) in dem Substrat 508. Des Weiteren umfassen die Zugangstransistoren 512 individuelle Gate-Strukturen (nicht gezeigt). Die Gate-Strukturen haben individuelle Drain-Seiten, die jeweils an die Drain-Regionen 504 grenzen, und haben des Weiteren individuelle Source-Seiten, die jeweils an die Source-Regionen grenzen. Die peripheren Vorrichtungen 518 umfassen individuelle Paare von Source-/Drain-Regionen 520 (wobei von jedem Paar nur eine gezeigt ist) in dem Substrat 508 und umfassen des Weiteren individuelle Gate-Strukturen (nicht gezeigt) zwischen den - und angrenzend an die - Source-/Drain-Regionen 520.
  • Wie ebenfalls durch die Querschnittsansicht 800 von 8 veranschaulicht, wird eine Interconnect-Struktur 302 teilweise über den Halbleitervorrichtungen (zum Beispiel dem Zugangstransistor 512 und den peripheren Vorrichtungen 518) gebildet und elektrisch mit diesen gekoppelt. Die Interconnect-Struktur 302 umfasst eine dielektrische Struktur, und umfasst des Weiteren mehrere Drähte 304 und mehrere Durchkontaktierungen 306, die in der dielektrischen Struktur gestapelt sind. Die dielektrische Struktur umfasst eine ILD-Schicht 514 und mehrere IMD-Schichten 314 über der ILD-Schicht 514. Die mehreren Drähte 304 umfassen mehrere Drähte 304b unterer Elektroden entlang einer Oberseite der Interconnect-Struktur 302. Die Drähte 304b unterer Elektroden sind den gebildeten 1T1R-Zellen 502 individuell und jeweils an diesen ausgebildet. Des Weiteren sind die Drähte 304b unterer Elektroden jeweils mit den Drain-Regionen 504 des Zugangstransistors 512 durch darunterliegende Drähte und Durchkontaktierungen elektrisch gekoppelt.
  • Die Drähte 304, einschließlich der Drähte 304b unterer Elektroden, umfassen aktive Metallatome. Im Sinne des vorliegenden Textes sind aktive Metallatome Metallatome mit einem hohen Diffusionskoeffizienten. Ein hoher Diffusionskoeffizient kann beispielsweise ein Diffusionskoeffizient von mehr als etwa 10-13 cm2s-1, 10-12 cm2s-1, 10-11 cm2s-1 oder ein anderer geeigneter Wert sein. Zu nicht-einschränkenden Beispielen aktiver Metallatome gehören Kupferatome, Tantalatome und dergleichen.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 900 von 9 veranschaulicht, wird auf der Interconnect-Struktur 302 eine Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht 316 aufgebracht oder anderweitig gebildet. Es ist zu beachten, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Zeichnungen ein unterer Abschnitt der Interconnect-Struktur 302 hier und in den anschließenden Figuren weggelassen wurde. Die Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht 316 kann zum Beispiel Siliziumcarbid, siliziumreiches Oxid, ein oder mehrere andere geeignete Dielektrika, oder eine Kombination des oben Genannten sein oder umfassen.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1000 von 10 veranschaulicht, wird die Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht 316 so strukturiert, dass Durchkontaktierungsöffnungen 1002 entstehen, die den gebildeten 1T1R-Zellen 502 individuell und jeweils an diesen ausgebildet sind. Die Durchkontaktierungsöffnungen 1002 erstrecken sich durch die Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht 316 und legen jeweils die Drähte 304b unterer Elektroden frei. Das Strukturieren kann beispielsweise durch einen Photolithographie-/Ätzprozess oder einen anderen geeigneten Strukturierungsprozess erfolgen.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1100 von 11 veranschaulicht, werden eine Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode und eine Schicht 1102 einer unteren Elektrode so abgeschieden, dass die Durchkontaktierung-Dielektrikumschicht 316 bedeckt wird und die Durchkontaktierungsöffnungen 1002 ausgekleidet werden. In alternativen Ausführungsformen wird die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode weggelassen. Abschnitte der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode und der Schicht 1102 einer unteren Elektrode in den Durchkontaktierungsöffnungen 1002 bilden mindestens teilweise Durchkontaktierungen 310 unterer Elektroden.
  • Die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode ist dafür eingerichtet, die Diffusion der aktiven Metallatome der Drähte 304b unterer Elektroden von den Drähten 304b unterer Elektroden zu der Schicht 1102 einer unteren Elektrode zu blockieren oder anderweitig zu verhindern. In einigen Ausführungsformen blockiert die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode - oder verhindert auf sonstige Weise - die Diffusion, indem sie: 1) amorpher und/oder weniger kristallin als die Drähte 304b unterer Elektroden ist; 2) eine durchschnittliche kristalline Korngröße hat, die größer oder kleiner als die der Drähte 304b unterer Elektroden ist; 3) eine andere Gitterkonstante als die Drähte 304b unterer Elektroden hat; 4) aus Atomen gebildet ist, die größere und/oder kleinere Atomradien als die aktiven Metallatome haben; oder 5) eine Kombination des oben Genannten ist.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode nicht-aktive Metallatome. Des Weiteren besteht in einigen Ausführungsformen die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode - bestehen im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen. In dem Sinne des vorliegenden Textes sind nicht-aktive Metallatome Metallatome mit einem niedrigen Diffusionskoeffizienten. Ein niedriger Diffusionskoeffizient kann beispielsweise ein Diffusionskoeffizient von weniger als etwa 10-13 cm2s-1, 10-14 cm2s-1, 10-15 cm2s-1 oder ein anderer geeigneter Wert sein.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode aktive Metallatome. Des Weiteren besteht in einigen Ausführungsformen die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode im Wesentlichen aus aktiven Metallatomen, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode - bestehen im Wesentlichen aus aktiven Metallatomen. Aktive Metallatome sind Metallatome mit einem hohen Diffusionskoeffizienten. Ein hoher Diffusionskoeffizient kann zum Beispiel ein Diffusionskoeffizient von mehr als etwa 10-13 cm2s-1 oder ein anderer geeigneter Wert sein.
  • In einigen Ausführungsformen, in denen die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode aktive Metallatome umfasst, entsprechen die aktiven Metallatome der Drähte 304b unterer Elektroden einem anderen Metallelement als die aktiven Metallatome der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode. Zum Beispiel können die aktiven Metallatome der Drähte 304b unterer Elektroden Kupfer entsprechen, während die aktiven Metallatome der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode Tantal entsprechen können. Andere geeignete Metallelemente sind jedoch ebenfalls möglich. In einigen Ausführungsformen haben die aktiven Metallatome der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode einen ersten Diffusionskoeffizienten, während die aktiven Metallatome der Drähte 304b einer unteren Elektrode einen zweiten Diffusionskoeffizienten haben, der größer oder auf sonstige Weise anders als der erste Diffusionskoeffizient ist.
  • In einigen Ausführungsformen, in denen die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode aktive Metallatome umfasst, blockiert die Schicht 1102 einer unteren Elektrode - oder verhindert anderweitig - die Diffusion der aktiven Metallatome. In einigen Ausführungsformen blockiert die Schicht 1102 einer unteren Elektrode - oder verhindert auf sonstige Weise - die Diffusion, indem sie: 1) amorpher und/oder weniger kristallin als die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode ist; 2) eine durchschnittliche kristalline Korngröße hat, die größer oder kleiner als die der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode ist; 3) eine andere Gitterkonstante als die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode hat; 4) aus Atomen gebildet ist, die größere und/oder kleinere Atomradien als die aktiven Metallatome haben; oder 5) eine Kombination des oben Genannten ist.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Schicht 1102 einer unteren Elektrode Tantalnitrid, Molybdän, Titannitrid, Wolframnitrid, Iridium, Ruthenium oder dergleichen. Es wurde erkannt, dass solche Materialien die Diffusion aktiver Metallatome, einschließlich Kupfer, Tantal und dergleichen, blockieren oder anderweitig verhindern. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Schicht 1102 einer unteren Elektrode Titannitrid mit einem Atomprozentsatz an Stickstoff, der etwa 50 % oder einen anderen geeigneten Prozentsatz beträgt, während die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode Tantal und/oder Tantalnitrid ist oder umfasst. Andere geeignete Materialien sind jedoch ebenfalls möglich.
  • Insofern die Schicht 1102 einer unteren Elektrode die Diffusion aktiver Metallatome blockiert oder anderweitig verhindert, kann die Schicht 1102 einer unteren Elektrode verhindern, dass die aktiven Metallatome in eine Umschaltschicht, die anschließend über einer Schicht 1102 einer unteren Elektroden abgeschieden wird, diffundieren und diese kontaminieren. Eine Kontaminierung der Umschaltschicht mit den aktiven Metallatomen kann zu einem erhöhten Leckstrom führen, der sich negativ auf die Zuverlässigkeit, die Durchschlagspannung und andere zweckmäßige Eigenschaften der gebildeten Speicherzellen auswirkt. Daher kann die Schicht 1102 einer unteren Elektrode durch Blockieren oder anderweitiges Verhindern der Diffusion den Leckstrom reduzieren und die Leistung der gebildeten Speicherzellen verbessern.
  • In einigen Ausführungsformen, in denen die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode aktive Metallatome umfasst, lässt die Schicht 1102 einer unteren Elektrode die Diffusion der aktiven Metallatome passieren oder ermöglicht sie anderweitig, weshalb sie die Diffusion der aktiven Metallatome weder blockiert noch anderweitig verhindert. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode nicht-aktive Metallatomen. Des Weiteren besteht in einigen Ausführungsformen die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode - bestehen im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen. In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Schicht 1102 einer unteren Elektrode aktive Metallatome. In einigen Ausführungsformen besteht die Schicht 1102 einer unteren Elektrode im Wesentlichen aus aktiven Metallatomen, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der Schicht 1102 einer unteren Elektrode - bestehen im Wesentlichen aus aktiven Metallatomen.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1200 von 12 veranschaulicht, wird über der Schicht 1102 einer unteren Elektrode eine Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode gebildet, welche die Durchkontaktierungen 1002 auskleidet. Die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode ist dielektrisch und ist ein anderes Material als die Schicht 1102 einer unteren Elektrode. Die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode ist dafür eingerichtet, die Diffusion aktiver Metallatome und/oder Störatome durch die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode zu blockieren oder anderweitig zu verhindern. In einigen Ausführungsformen blockiert die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode - oder verhindert auf sonstige Weise - die Diffusion, indem sie: 1) amorpher und/oder weniger kristallin ist als die Schicht 1102 einer unteren Elektrode; 2) eine durchschnittliche kristalline Korngröße hat, die größer oder kleiner ist als die Schicht 1102 einer unteren Elektrode; 3) eine andere Gitterkonstante hat als die Schicht 1102 einer unteren Elektrode; 4) aus Atomen gebildet ist, die größere und/oder kleinere Atomradien haben als die aktiven Metallatome und/oder Störatome; oder 5) eine Kombination des oben Genannten ist.
  • Wie im Folgenden zu sehen ist, wird anschließend eine Umschaltschicht gebildet, die über der Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode liegt. Durch Blockieren oder anderweitiges Verhindern der Diffusion verhindert die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode, dass die aktiven Metallatome und/oder die Störatome in die Umschaltschicht diffundieren. Insofern die aktiven Metallatome und/oder die Störatome in die Umschaltschicht diffundieren, könnte der Leckstrom erhöht werden, und somit könnte die Lebensdauer verkürzt werden. Daher kann die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode durch Blockieren oder anderweitiges Verhindern der Diffusion den Leckstrom reduzieren. Das Reduzieren des Leckstroms verbessert wiederum die Zuverlässigkeit und erhöht die Durchschlagspannung der gebildeten Speicherzellen.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode ein Metalloxid, ein Metallnitrid, ein Metalloxynitrid oder dergleichen. Zum Beispiel kann die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode Titanoxid, Titannitrid, Titanoxynitrid, Tantaloxid, Tantalnitrid, Tantaloxynitrid oder dergleichen sein oder umfassen. In mindestens einigen Ausführungsformen, in denen die Schicht 1102 einer unteren Elektrode Titannitrid ist oder umfasst, ist oder umfasst die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode Titanoxynitrid oder dergleichen. In mindestens einigen Ausführungsformen, in denen die Schicht 1102 einer unteren Elektrode Tantalnitrid ist oder umfasst, ist oder umfasst die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode Tantaloxynitrid oder dergleichen.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode nicht-aktive Metallatome, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode - bestehen im Wesentlichen aus nicht-aktiven Metallatomen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode aktive Metallatome, und/oder die Metallatome - unter allen Metallatomen in der Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode - bestehen im Wesentlichen aus aktiven Metallatomen. In einigen Ausführungsformen nutzt die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode ein gemeinsames Metallelement mit der Schicht 1102 einer unteren Elektrode. In einigen Ausführungsformen ist die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode frei von remanenter Polarisation und ist daher nicht ferroelektrisch. Solche Ausführungsformen kommen mindestens dann in Frage, wenn die gebildeten Speicherzellen FeRAM-Zellen und RRAM-Zellen sind.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst ein Prozess zum Bilden der Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode eine Plasmabehandlung der Schicht 1102 einer unteren Elektrode. Die Plasmabehandlung kann zum Beispiel durchgeführt werden, um Stickstoff in einen oberen Abschnitt der Schicht 1102 einer unteren Elektrode zu oxidieren und/oder einzuarbeiten, wodurch die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode aus dem oberen Abschnitt gebildet wird. In einigen Ausführungsformen verringert die Plasmabehandlung die Kristallinität und/oder erhöht die Amorphie in dem oberen Abschnitt und damit an der Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode. Die Plasmabehandlung umfasst das Generieren eines Plasmas aus einem Prozessgas und das Inkontaktbringen der Schicht 1102 einer unteren Elektrode mit dem Plasma. In einigen Ausführungsformen wird die Plasmabehandlung durchgeführt mit: 1) einer Prozessleistung von mehr als etwa 600 Watt oder einem anderen geeigneten Wert; 2) einer Prozesstemperatur von etwa 200-500 Grad Celsius (°C), etwa 200-350°C, etwa 350-500°C oder einem anderen geeigneten Wert; 3) einem Prozessgas, das Ammoniak (zum Beispiel NH3), Stickstoffgas (zum Beispiel N2), Distickstoffoxid (zum Beispiel N2O), Sauerstoffgas (zum Beispiel O2), ein anderes geeignetes Gas, oder eine Kombination des oben Genannten ist oder umfasst; 4) einem Prozessdruck von etwa 1-10 Torr, etwa 1-5,5 Torr, etwa 5,5-10 Torr oder einem anderen geeigneten Wert; 5), oder einer Kombination des oben Genannten.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1300 von 13 veranschaulicht, wird eine Umschaltschicht 108 über der Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode abgeschieden oder anderweitig gebildet. Die Umschaltschicht 108 hat eine Eigenschaft, die zum Darstellen eines Datenbits verwendet wird und dafür eingerichtet ist, reversibel zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umzuschalten. Zum Beispiel kann die Umschaltschicht 108 ferroelektrisch sein, wodurch eine remanente Polarisation der Umschaltschicht 108 zum Darstellen des Datenbits verwendet werden kann. Ein erster Zustand der remanenten Polarisation stellt eine binäre „1“ dar, während ein zweiter Zustand der remanenten Polarisation eine binäre „o“ darstellt, oder umgekehrt.
  • In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Umschaltschicht 108 ein(en) Film auf Hafniumoxid-Basis, ein(en) Film auf Zirkoniumoxid-Basis oder dergleichen in der orthorhombischen Phase. Zum Beispiel kann die Umschaltschicht 108 Hafnium-ZirkoniumOxid (zum Beispiel HfZrO oder HZO), Hafnium-Aluminium-Oxid (zum Beispiel HfAlO), Hafnium-Lanthan-Oxid (zum Beispiel, HfLaO), Hafnium-Cer-Oxid (zum Beispiel HfCeO), Hafnium-Oxid (zum Beispiel HfO), Hafnium-Silizium-Oxid (zum Beispiel HfSiO), Hafnium-Gadolinium-Oxid (zum Beispiel HfGdO), oder dergleichen sein oder umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die Umschaltschicht 108 mit Dotanden dotiert, die einen Atomprozentsatz von maximal etwa 50%, 40%, 25% oder einen anderen geeigneten Prozentsatz aufweisen. Die Dotanden können zum Beispiel Aluminium (zum Beispiel Al), Silizium (zum Beispiel Si), Lanthan (zum Beispiel La), Scandium (zum Beispiel Sc), Calcium (zum Beispiel, Ca), Barium (zum Beispiel Ba), Gadolinium (zum Beispiel Gd), Yttrium (zum Beispiel Y), Strontium (zum Beispiel Sr), ein oder mehrere andere geeignete Elemente, oder eine Kombination des oben Genannten sein oder umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die Umschaltschicht 108 ein Dielektrikum mit hohem k-Wert und/oder ein Metalloxid. In Ausführungsformen, in denen die gebildeten Speicherzellen FeRAM-Zellen sind und somit die Umschaltschicht 108 ferroelektrisch ist, hat die Umschaltschicht 108 ein Verhältnis von orthorhombischen, tetragonalen und kubischen Phasen zu orthorhombischen, tetragonalen, kubischen und monoklinen Phasen, das größer als etwa 0,5 oder ein anderer geeigneter Wert ist.
  • Die Umschaltschicht 108 kann durch ALD, chemisches Aufdampfen (Chemical Vapor Deposition, CVD) oder einen anderen geeigneten Abscheidungsprozess abgeschieden werden. In mindestens einigen Ausführungsformen, in denen die Umschaltschicht 108 durch ALD abgeschieden wird, wird die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode gasförmigen Vorläufern ausgesetzt. Die gasförmigen Vorläufer können zum Beispiel Chlorvorläufer, Oxidvorläufer, andere geeignete gasförmige Vorläufer, oder eine Kombination des oben Genannten sein oder umfassen.
  • Die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode ist dafür eingerichtet, die Diffusion der gasförmigen Vorläufer zu blockieren oder anderweitig zu verhindern. Ohne die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode können die gasförmigen Vorläufer in die Schicht 1102 einer unteren Elektrode diffundieren und können Störatome in der Schicht 1102 einer unteren Elektrode hervorbringen. Zum Beispiel können Chlorid- und/oder Oxidvorläufer in die die Schicht 1102 einer unteren Elektrode diffundieren und können Störatome hervorbringen, die Chlorionen (zum Beispiel Cl-) und/oder Sauerstoffionen (O-) umfassen. Des Weiteren können die Störatome bei fehlender Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode von der Schicht 1102 einer unteren Elektrode zu der Umschaltschicht 108 diffundieren, nachdem die Umschaltschicht 108 abgeschieden wurde. Dies kann zu einem Anstieg des Leckstroms führen, was die Datenbeibehaltung und damit die Zuverlässigkeit der gebildeten Speicherzellen beeinträchtigen kann. Dementsprechend kann die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode den Leckstrom reduzieren, indem sie das oben angesprochene Verhalten verhindert. Dies kann wiederum die Datenbeibehaltung und damit die Zuverlässigkeit der gebildeten Speicherzellen verbessern.
  • In einigen Ausführungsformen blockiert die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode - oder verhindert auf sonstige Weise - die Diffusion, indem sie: 1) amorpher und/oder weniger kristallin ist als die Schicht 1102 einer unteren Elektrode und/oder die Umschaltschicht 108; 2) eine durchschnittliche kristalline Korngröße hat, die größer oder kleiner ist als die der Schicht 1102 einer unteren Elektrode und/oder der Umschaltschicht 108; 3) eine andere Gitterkonstante hat als die Schicht 1102 einer unteren Elektrode und/oder die Umschaltschicht 108; 4) aus Atomen gebildet ist, die größere und/oder kleinere Atomradien haben als die diffundierenden Atome, die blockiert oder anderweitig verhindert werden sollen; oder 5) eine Kombination des oben Genannten ist.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode auch gegenüber den gasförmigen Vorläufern inert, die während der Abscheidung der Umschaltschicht 108 verwendet werden. Mit inert ist gemeint, dass die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode nicht mit den gasförmigen Vorläufern reagiert und/oder mehr Energie benötigt, um mit den gasförmigen Vorläufern zu reagieren, als die Schicht 1102 einer unteren Elektrode. Aufgrund der Inertheit können die gasförmigen Vorläufer vollständiger miteinander reagieren, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass nicht-reaktive Vorläufer oder teilweise reagierte Vorläufer die Umschaltschicht 108 kontaminieren und den Leckstrom erhöhen. Daher kann die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode den Leckstrom weiter reduzieren, was die Datenbeibehaltung und damit die Zuverlässigkeit der gebildeten Speicherzellen verbessern kann.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Schicht 1102 einer unteren Elektrode mit den gasförmigen Vorläufern reaktiv, während die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode inert und/oder mit den gasförmigen Vorläufern nicht-reaktiv ist. In mindestens einigen dieser Ausführungsformen kann das Weglassen der Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode zu nicht-reaktiven oder teilweise reagierten Vorläufern führen, welche die Umschaltschicht 108 kontaminieren können und somit den Leckstrom erhöhen können.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1400 von 14 veranschaulicht, wird eine Schicht 1402 einer oberen Elektrode über der Umschaltschicht 108 abgeschieden. Die Schicht 1402 einer oberen Elektrode kann zum Beispiel durch physikalische Aufdampfung (Physical Vapor Deposition, PVD), CVD, einen oder mehrere andere geeignete Abscheidungsprozesse, oder eine Kombination des oben Genannten abgeschieden werden.
  • Wie ebenfalls durch die Querschnittsansicht 1400 von 14 veranschaulicht, werden auch Hartmasken 308 individuell für die 1T1R-Zellen 502 und an diesen ausgebildet. Wie im Folgenden zu sehen, weisen die Hartmasken 308 Strukturen für Speicherzellen der 1T1R-Zellen 502 auf. Die Hartmasken 308 können zum Beispiel durch Abscheiden einer Hartmaskenschicht über der Schicht 1402 einer oberen Elektrode und anschließendes Strukturieren der Hartmaskenschicht zu den Hartmasken 308 gebildet werden. Das Strukturieren kann beispielsweise durch einen Photolithographie-/Ätzprozess oder einen anderen geeigneten Strukturierungsprozess erfolgen.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1500 von 15 veranschaulicht, wird ein erstes Ätzen in die Schicht 1402 einer oberen Elektrode (siehe zum Beispiel 14) durchgeführt, während sich die Hartmaske 308 an ihrem Platz befindet. Das erste Ätzen stoppt auf der Umschaltschicht 108 und überträgt Strukturen der Hartmasken 308 zu der Schicht 1402 einer oberen Elektrode, um obere Elektroden 114 individuell für die, und an den, 1T1R-Zellen 502 zu bilden.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1600 von 16 veranschaulicht, werden Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 312 über der Umschaltschicht 108 an gemeinsamen Seitenwänden gebildet, die durch die Hartmasken 308 und die oberen Elektroden 114 gebildet werden. Ein Prozess zum Bilden der Seitenwand-Abstandshalterstruktur 312 kann zum Beispiel umfassen: 1) Abscheiden einer Abstandshalterschicht, welche die Umschaltschicht 108 und die Hartmasken 308 bedeckt und verkleidet und des Weiteren die gemeinsamen Seitenwände verkleidet; und 2) Rückätzen der Abstandshalterschicht. Es sind jedoch auch andere geeignete Prozesse möglich.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1700 von 17 veranschaulicht, wird ein zweites Ätzen in die Umschaltschicht 108, die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode, die Schicht 1102 einer unteren Elektrode und die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode durchgeführt, während sich die Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 312 und die Hartmasken 308 an ihrem Platz befinden. Das zweite Ätzen stoppt auf der Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht 316 und überträgt Strukturen der Hartmasken 308 und der Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 312 zu der Umschaltschicht 108, der Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode, der Schicht 1102 einer unteren Elektrode und der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode. Das zweite Ätzen unterteilt die Umschaltschicht 108, die Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode, die Schicht 1102 einer unteren Elektrode und die Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode in Segmente, die für die 1T1R-Zellen 502 individuell sind und sich jeweils an diesen befinden.
  • Die Segmente der Schicht 1102 einer unteren Elektrode werden im Folgenden als untere Elektroden 106 bezeichnet, während die Segmente einer Grenzflächenschicht 1202 einer unteren Elektrode im Folgenden als Grenzflächenstrukturen 104 unterer Elektroden bezeichnet werden. Die untere und die obere Elektrode 106, 114 und die Grenzflächenstrukturen 104 unterer Elektroden sowie die Segmente der Umschaltschicht 108 und der Sperrschicht 112 einer unteren Elektrode bilden jeweils gemeinsam Speicherzellen 102 an den 1T1R-Zellen 502. In Ausführungsformen, in denen die Umschaltschicht 108 ferroelektrisch ist, können die Speicherzellen 102 FeRAM-Zellen sein.
  • Wie durch die Querschnittsansichten 1800, 1900 der 18 und 19 veranschaulicht, wird die Interconnect-Struktur 302 über den Speicherzellen 102 vollendet. In 18 wird eine Ätzstoppschicht 318 über den Speicherzellen 102 abgeschieden, so dass sie diese verkleiden. Des Weiteren wird eine zusätzliche IMD-Schicht 314 über der Ätzstoppschicht 318 abgeschieden. In 19 werden mehrere zusätzliche Drähte 304 und mehrere zusätzliche Durchkontaktierungen 306 über den Speicherzellen 102 gebildet und in die zusätzliche IMD-Schicht 314 über den Speicherzellen 102 hinein ausgespart. Die mehreren zusätzlichen Drähte 304 umfassen Drähte 304t einer oberen Elektrode, die für die Speicherzellen 102 individuell sind und über ihnen liegen. Die mehreren zusätzlichen Durchkontaktierungen 306 umfassen Durchkontaktierungen 306t oberer Elektroden, die für die Speicherzellen 102 individuell sind und über ihnen liegen. Des Weiteren erstrecken sich die Durchkontaktierungen 306t oberer Elektroden jeweils von den Drähten 304t oberer Elektroden zu den Speicherzellen 102.
  • Obgleich die 8-19 in Bezug auf ein Verfahren beschrieben werden, versteht es sich, dass die in den 8-19 gezeigten Strukturen nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern vielmehr eigenständig von dem Verfahren getrennt stehen können. Obgleich die 8-19 als eine Reihe von Aktionen beschrieben werden, versteht es sich, dass die Reihenfolge der Aktionen in anderen Ausführungsformen geändert werden kann. Obgleich die 8-19 eine bestimmte Reihe von Aktionen veranschaulichen und beschreiben, können einige Aktionen, die veranschaulicht und/oder beschrieben werden, in anderen Ausführungsformen weggelassen werden. Darüber hinaus können Aktionen, die nicht veranschaulicht und/oder beschrieben sind, in anderen Ausführungsformen vorhanden sein. Obgleich die 8-19 das Verfahren mit Ausführungsformen der Speicherzellen 102 in 4D veranschaulichen, können alternative Ausführungsformen des Verfahrens für Ausführungsformen der Speicherzellen 102 in einer oder einer Kombination der 1,2A-2C,3 und 4A-4C durchgeführt werden.
  • In 20 ist ein Blockdiagramm 2000 einiger Ausführungsformen des Verfahrens der 8-19 gezeigt.
  • Bei 2002 wird eine Interconnect-Struktur teilweise über einem Substrat gebildet, wobei die Interconnect-Struktur einen Draht einer unteren Elektrode umfasst. Siehe zum Beispiel 8.
  • Bei 2004 wird eine Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht über der Interconnect-Struktur abgeschieden. Siehe zum Beispiel 9.
  • Bei 2006 wird die Durchkontaktierungs-Dielektrikumschicht so strukturiert, dass eine Durchkontaktierungsöffnung entsteht, die über dem Draht einer unteren Elektrode liegt und diesen frei legt. Siehe zum Beispiel 10.
  • Bei 2008 werden eine Sperrschicht einer unteren Elektrode und eine Schicht einer unteren Elektrode abgeschieden, welche die Durchkontaktierung-Dielektrikumschicht bedecken und die Durchkontaktierung auskleiden. Siehe zum Beispiel 11.
  • Bei 2010 wird über der Schicht einer unteren Elektrode eine Grenzflächenschicht einer unteren Elektrode gebildet, wobei die Grenzflächenschicht einer unteren Elektrode dafür eingerichtet ist, die Diffusion von aktiven Metallelementen und/oder Störatomen zu blockieren oder zu verhindern. Siehe zum Beispiel 12.
  • Bei 2012 werden eine Umschaltschicht und eine Schicht einer oberen Elektrode in gestapelter Weise über der Grenzflächenschicht einer unteren Elektrode abgeschieden, wobei die Umschaltschicht zwischen der Schicht einer oberen Elektrode und der Grenzflächenschicht einer unteren Elektrode liegt. Siehe zum Beispiel 13 und 14. In einigen Ausführungsformen ist die gebildete Speicherzelle eine FeRAM-Zelle, wobei die Umschaltschicht ferroelektrisch ist. In anderen Ausführungsformen ist die Speicherzelle ein anderer geeigneter Speicherzellentyp, wobei die Umschaltschicht ein anderer geeigneter Materialtyp ist.
  • Bei 2014 werden die Schichten einer unteren und einer oberen Elektrode, die Grenzflächenstruktur einer unteren Elektrode und die FSL strukturiert, um eine Speicherzelle zu bilden, die über dem Draht einer unteren Elektrode liegt und mit diesem elektrisch gekoppelt ist. Siehe zum Beispiel 15-17.
  • Bei 2016 wird die Interconnect-Struktur über der Speicherzelle und um die Speicherzelle herum vollendet. Siehe zum Beispiel 18 und 19.
  • Obgleich das Blockdiagramm 2000 von 20 im vorliegenden Text als eine Reihe von Aktionen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben ist, versteht es sich, dass die veranschaulichte Reihenfolge solcher Aktionen oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinne zu interpretieren ist. Zum Beispiel können einige Aktionen in anderer Reihenfolge, als im vorliegenden Text gezeigt und/oder beschrieben ist, und/oder gleichzeitig mit anderen Aktionen oder Ereignissen ausgeführt werden. Darüber hinaus müssen nicht alle veranschaulichten Aktionen erforderlich sein, um einen oder mehrere Aspekte oder eine oder mehrere Ausführungsformen der Beschreibung im vorliegenden Text zu implementieren, und eine oder mehrere der im vorliegenden Text gezeigten Aktionen können in einer oder mehreren separaten Aktionen und/oder Phasen ausgeführt werden.
  • In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Offenbarung einen IC-Chip bereit, der eine Speicherzelle aufweist, wobei die Speicherzelle aufweist: eine untere Elektrode; eine Umschaltschicht über der unteren Elektrode; eine obere Elektrode über der Umschaltschicht; und eine Grenzflächenstruktur, welche die untere Elektrode und die Umschaltschicht voneinander trennt, wobei die Grenzflächenstruktur dielektrisch ist und dafür eingerichtet ist, Metallatome und/oder Störatome in der unteren Elektrode daran zu hindern, zu der Umschaltschicht zu diffundieren. In einigen Ausführungsformen ist die Grenzflächenstruktur amorpher als die untere Elektrode. In einigen Ausführungsformen ist die Umschaltschicht ferroelektrisch. In einigen Ausführungsformen haben die untere Elektrode und die Grenzflächenstruktur ein gemeinsames Metallelement. In einigen Ausführungsformen ist die Grenzflächenstruktur ein Metalloxid, ein Metallnitrid oder ein Metalloxynitrid. In einigen Ausführungsformen ist die untere Elektrode ein Metallnitrid, und wobei die Grenzflächenstruktur ein Metalloxynitrid ist. In einigen Ausführungsformen weist der IC-Chip des Weiteren auf: einen Draht, der unter einer unteren Elektrode liegt; und eine Sperrschicht, die den Draht von der unteren Elektrode trennt und dafür eingerichtet ist, Material des Drahtes daran zu hindern, zu der unteren Elektrode zu diffundieren; wobei die Sperrschicht aktive Metallatome mit einem Diffusionskoeffizienten größer als etwa 10-13 cm2s-1 enthält, und wobei die untere Elektrode dafür eingerichtet ist, die Diffusion der aktiven Metallatome zu blockieren. In einigen Ausführungsformen weist der IC-Chip des Weiteren auf: einen Draht, der unter einer unteren Elektrode liegt; und eine Sperrschicht, die den Draht von der unteren Elektrode trennt und dafür eingerichtet ist, Material des Drahtes daran zu hindern, zu der unteren Elektrode zu diffundieren; wobei die Sperrschicht Tantal enthält, und wobei die untere Elektrode Molybdän, Titannitrid, Wolframnitrid, Iridium, Ruthenium enthält.
  • In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Offenbarung einen IC-Chip bereit, der eine FeRAM-Zelle enthält, wobei die FeRAM-Zelle aufweist: eine untere Elektrode; eine ferroelektrische Umschaltschicht über der unteren Elektrode; eine obere Elektrode über der ferroelektrischen Umschaltschicht; und eine Grenzflächenstruktur, welche die untere Elektrode und die ferroelektrische Umschaltschicht trennt, wobei die Grenzflächenstruktur dielektrisch ist und ein Metallelement und ein Nichtmetallelement enthält, wobei das Metallelement der Grenzflächenstruktur und der unteren Elektrode gemeinsam ist, und wobei die Konzentration des Nichtmetallelements von einer Oberseite der Grenzflächenstruktur zu einer Unterseite der Grenzflächenstruktur abnimmt. In einigen Ausführungsformen ist die untere Elektrode frei von dem Nichtmetallelement. In einigen Ausführungsformen enthält die Grenzflächenstruktur des Weiteren ein zweites Nichtmetallelement, das der Grenzflächenstruktur und der unteren Elektrode gemeinsam ist. In einigen Ausführungsformen ändert sich die Konzentration schrittweise von oben nach unten. In einigen Ausführungsformen enthält das Nichtmetallelement Sauerstoff oder Stickstoff. In einigen Ausführungsformen weist der IC-Chip des Weiteren eine zusätzliche Grenzflächenstruktur auf, welche die obere Elektrode und die ferroelektrische Umschaltschicht voneinander trennt, wobei die zusätzliche Grenzflächenstruktur dielektrisch ist und dafür eingerichtet ist, Metallatome und/oder Störatome in der oberen Elektrode daran zu hindern, zu der ferroelektrischen Umschaltschicht zu diffundieren. In einigen Ausführungsformen weist der IC-Chip des Weiteren einen Draht auf, der unter der unteren Elektrode liegt und diese direkt berührt; wobei der Draht und die untere Elektrode aktive Metallatome mit einem Diffusionskoeffizienten größer als etwa 10-13 cm2s-1 enthalten, und wobei die Grenzflächenstruktur dafür eingerichtet ist, die Diffusion der aktiven Metallatome in die ferroelektrische Umschaltschicht zu blockieren.
  • In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren bereit, das umfasst: Abscheiden einer Schicht einer unteren Elektrode, die über einem Draht liegt und mit diesem elektrisch gekoppelt ist; Plasmabehandeln einer Oberseite der Schicht einer unteren Elektrode, um eine Grenzflächenschicht zu bilden, die über der Schicht einer unteren Elektrode liegt; Abscheiden einer Umschaltschicht, die über der Grenzflächenschicht liegt, unter Verwendung eines Vorläufergases, wobei die Grenzflächenschicht dafür eingerichtet ist, das Vorläufergas daran zu hindern, zu der Schicht einer unteren Elektrode zu diffundieren und mit dieser zu interagieren; Abscheiden einer Schicht einer oberen Elektrode über der Umschaltschicht; und Strukturieren der Schichten einer unteren und einer oberen Elektrode, der Umschaltschicht und der Grenzflächenschicht, um eine Speicherzelle zu bilden. In einigen Ausführungsformen benötigt die Grenzflächenschicht mehr Energie, um mit dem Vorläufergas zu reagieren, als die Schicht einer unteren Elektrode. In einigen Ausführungsformen umfasst die Plasmabehandlung das Generieren eines Plasmas aus einem Gas, das Sauerstoff und/oder Stickstoff enthält. In einigen Ausführungsformen bildet die Plasmabehandlung die Grenzflächenschicht aus einem oberen Abschnitt der Schicht einer unteren Elektrode und verringert die Kristallinität an dem oberen Abschnitt. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren des Weiteren: Abscheiden einer Sperrschicht, die über dem Draht liegt und Metallatome enthält; wobei die Schicht einer unteren Elektrode über der Sperrschicht abgeschieden wird, wobei die Metallatome von der Sperrschicht zu der Schicht einer unteren Elektrode diffundieren, und wobei die Grenzflächenschicht dafür eingerichtet ist, die Migration der Metallatome von der Schicht einer unteren Elektrode zu der Umschaltschicht zu blockieren.
  • Das oben Dargelegte umreißt Merkmale verschiedener Ausführungsformen, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Dem Fachmann ist klar, dass er die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Basis für das Entwerfen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um die gleichen Zwecke und/oder die gleichen Vorteile wie bei den im vorliegenden Text vorgestellten Ausführungsformen zu erreichen. Dem Fachmann sollte auch klar sein, dass solche äquivalenten Bauformen nicht das Wesen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung verlassen, und dass er verschiedene Änderungen, Substituierungen und Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung vornehmen kann, ohne vom Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63174124 [0001]

Claims (20)

  1. Integrierter-Schaltkreis-Chip (IC-Chip), der eine Speicherzelle umfasst, wobei die Speicherzelle umfasst: eine untere Elektrode; eine Umschaltschicht über der unteren Elektrode; eine obere Elektrode über der Umschaltschicht; und eine Grenzflächenstruktur, welche die untere Elektrode und die Umschaltschicht voneinander trennt, wobei die Grenzflächenstruktur dielektrisch ist und dafür eingerichtet ist, Metallatome und/oder Verunreinigungen in der unteren Elektrode daran zu hindern, zu der Umschaltschicht zu diffundieren.
  2. IC-Chip nach Anspruch 1, wobei die Grenzflächenstruktur amorpher ist als die untere Elektrode.
  3. IC-Chip nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Umschaltschicht ferroelektrisch ist.
  4. IC-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die untere Elektrode und die Grenzflächenstruktur ein gemeinsames Metallelement haben.
  5. IC-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Grenzflächenstruktur ein Metalloxid, ein Metallnitrid oder ein Metalloxynitrid ist.
  6. IC-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die untere Elektrode ein Metallnitrid ist und wobei die Grenzflächenstruktur ein Metalloxynitrid ist.
  7. IC-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, der des Weiteren umfasst: einen Draht, der unter der unteren Elektrode liegt; und eine Sperrschicht, die den Draht von der unteren Elektrode trennt und dafür eingerichtet ist, Material des Drahtes daran zu hindern, zu der unteren Elektrode zu diffundieren; wobei die Sperrschicht aktive Metallatome umfasst, die einen Diffusionskoeffizienten größer als etwa 10-13 Quadratzentimeter pro Sekunde (cm2s-1) aufweisen, und wobei die untere Elektrode dafür eingerichtet ist, die Diffusion der aktiven Metallatome zu blockieren.
  8. IC-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, der des Weiteren umfasst: einen Draht, der unter der unteren Elektrode liegt; und eine Sperrschicht, die den Draht von der unteren Elektrode trennt und dafür eingerichtet ist, Material des Drahtes daran zu hindern, zu der unteren Elektrode zu diffundieren; wobei die Sperrschicht Tantal umfasst und wobei die untere Elektrode Molybdän, Titannitrid, Wolframnitrid, Iridium oder Ruthenium umfasst.
  9. Integrierter-Schaltkreis-Chip (IC-Chip), der eine ferroelektrische Direktzugriffsspeicherzelle (FeRAM-Zelle) umfasst, wobei die FeRAM-Zelle umfasst: eine untere Elektrode; eine ferroelektrische Umschaltschicht über der unteren Elektrode; eine obere Elektrode über der ferroelektrischen Umschaltschicht; und eine Grenzflächenstruktur, welche die untere Elektrode und die ferroelektrische Umschaltschicht trennt, wobei die Grenzflächenstruktur dielektrisch ist und ein Metallelement und ein Nichtmetallelement umfasst, wobei das Metallelement der Grenzflächenstruktur und der unteren Elektrode gemeinsam ist und wobei die Konzentration des Nichtmetallelements von einer Oberseite der Grenzflächenstruktur zu einer Unterseite der Grenzflächenstruktur abnimmt.
  10. IC-Chip nach Anspruch 9, wobei die untere Elektrode frei von dem Nichtmetallelement ist.
  11. IC-Chip nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Grenzflächenstruktur des Weiteren ein zweites Nichtmetallelement umfasst, das der Grenzflächenstruktur und der unteren Elektrode gemeinsam ist.
  12. IC-Chip nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei sich die Konzentration schrittweise von oben nach unten ändert.
  13. IC-Chip nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Nichtmetallelement Sauerstoff oder Stickstoff umfasst.
  14. IC-Chip nach einem der Ansprüche 9 bis 13, der des Weiteren umfasst: eine zusätzliche Grenzflächenstruktur, welche die obere Elektrode und die ferroelektrische Umschaltschicht voneinander trennt, wobei die zusätzliche Grenzflächenstruktur dielektrisch ist und dafür eingerichtet ist, Metallatome und/oder Verunreinigungen in der oberen Elektrode daran zu hindern, zu der ferroelektrischen Umschaltschicht zu diffundieren.
  15. IC Chip nach einem der Ansprüche 9 bis 14, der des Weiteren umfasst: einen Draht, der unter der unteren Elektrode liegt und diese direkt kontaktiert; wobei der Draht und die untere Elektrode aktive Metallatome mit einem Diffusionskoeffizienten größer als etwa 10-13 Quadratzentimetern pro Sekunde (cm2s-1) umfassen und wobei die Grenzflächenstruktur dafür eingerichtet ist, die Diffusion der aktiven Metallatome zu der ferroelektrischen Umschaltschicht zu blockieren.
  16. Verfahren, das umfasst: Abscheiden einer Schicht einer unteren Elektrode, die über einem Draht liegt und mit diesem elektrisch gekoppelt ist; Plasmabehandeln einer Oberseite der Schicht der unteren Elektrode, um eine Grenzflächenschicht zu bilden, die über der Schicht der unteren Elektrode liegt; Abscheiden einer Umschaltschicht, die über der Grenzflächenschicht liegt, unter Verwendung eines Vorläufergases, wobei die Grenzflächenschicht dafür eingerichtet ist, das Vorläufergas daran zu hindern, zu der Schicht der unteren Elektrode zu diffundieren und mit dieser zu interagieren; Abscheiden einer Schicht einer oberen Elektrode über der Umschaltschicht; und Strukturieren der Schichten der unteren und der oberen Elektrode, der Umschaltschicht und der Grenzflächenschicht, um eine Speicherzelle zu bilden.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Grenzflächenschicht mehr Energie benötigt, um mit dem Vorläufergas zu reagieren, als die Schicht der unteren Elektrode.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Plasmabehandeln ein Generieren von Plasma aus einem Gas umfasst, das Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Plasmabehandeln die Grenzschicht aus einem oberen Abschnitt der Schicht der unteren Elektrode bildet und eine Kristallinität an einem oberen Abschnitt verringert.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, das des Weiteren umfasst: Abscheiden einer Sperrschicht, die über dem Draht liegt und Metallatome umfasst; wobei die Schicht der unteren Elektrode über der Sperrschicht abgeschieden wird, wobei die Metallatome von der Sperrschicht zu der Schicht der unteren Elektrode diffundieren und wobei die Grenzflächenschicht dafür eingerichtet ist, die Migration der Metallatome von der Schicht der unteren Elektrode zu der Umschaltschicht zu blockieren.
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