Die vorliegende Erfindung betrifft
nicht nichtflüchtige
Speichervorrichtungen und Verfahren zur Herstellung derselben und
insbesondere Phasenwechsel-Speicherzellen (Phase-Change-Speicherzellen)
und deren Herstellungsverfahren.
2. Beschreibung des Stands
der Technik
Nichtflüchtige Speichervorrichtungen
behalten die darin gespeicherten Daten auch nach dem ihre Spannungsversorgung
unterbrochen worden ist. Einige nichtflüchtige Speichervorrichtungen
verwenden Flash-Speicherzellen mit geschichteten Gatestrukturen
(stacked gate structures). Flash-Speicherzellen können eine
Tunneloxidschicht, eine Floating-Gate, eine dielektrische Gatezwischenschicht und
eine Gate-Steuerelektrode enthalten, welche aufeinander folgend
auf einen Kanalbereich gestapelt bzw. geschichtet sind. Die Zuverlässigkeit
und die Programmiereffizienz der Flash-Speicherzellen kann von den
Eigenschaften der Tunndeloxidschicht und dem Kopplungsverhältnis(coupling
ratio) der Zelle abhängen.
Eine nichtflüchtige Speichervorrichtung,
die eine Phasenwechsel-Speichervorrichtung anstelle von einer Flash-Speichervorrichtung
verwendet, wurde vorgestellt. 1 stellt
eine Ersatzschaltung einer Phasenwechsel-Speicherzelle dar. Gemäß 1, enthält die Phasenwechsel-Speicherzelle
einen einzigen Zugriffstransistor TA und
einem einzigen variablen Widerstand R, welche seriell miteinander
verbunden sind. Der variable Widerstand R dienst als ein Datenspeicherelement,
und enthält
eine untere Elektrode, eine obere Elektrode und eine dazwischen
liegende Phasenwechsel-Materialschicht. Die obere Elektrode des
variablen Widerstands R ist mit einer Plattenelektrode PL verbunden.
Der Zugriffstransistor TA enthält einen
Sourcebereich, der mit der unteren Elektrode verbunden ist, einen
Drainbereich, der von dem Sourcebereich beabstandet ist, und eine Gateelektrode,
die über
einen Kanalbereich zwischen den Source- und Drainbereichen angeordnet ist.
Die Gateelektrode und der Drainbereich sind mit einer Wortleitung
WL bzw. einer Bitleitung BL elektrisch verbunden. Die Ersatzschaltung
der Phasenwechsel-Speicherzelle ähnelt
der einer dynamischen Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (DRAM-Zelle). Jedoch
wird die Phasenwechsel-Speicherzelle in einer völlig anderen Art und Weise
wie die DRAM-Zelle programmiert. Beispielsweise kann die Phasenwechsel-Materialschicht
zwischen zwei stabilen Zuständen
in Abhängigkeit
von der Temperatur wechseln.
2 ist
ein Graph, der die Eigenschaft der Phasenwechsel-Materialschicht
darstellt. Bei diesem Graph stellt die Abszisse die Zeit T dar und
die Ordinate stellt die Temperatur TMP der Phasenwechsel-Materialschicht
dar.
Gemäß 2 wird die Phasenwechsel-Materialschicht
in einen amorphen Zustand (siehe Kurve 1) transformiert,
wenn die Phasenwechsel-Materialschicht für eine erste Zeitdauer T1 auf
eine Temperatur erwärmt
wird, die höher
als ihr Schmelzpunkt Tm ist, und anschließend schnell abgekühlt wird.
Wenn im Gegensatz dazu die Phasenwechsel-Materialschicht für eine zweite
Zeitdauer T2 (die länger
als die erste Zeitdauer T1 ist) auf eine Temperatur erwärmt wird,
die in einem Bereich zwischen dessen Kristallisationtemperatur Tc
und seiner Schmelztemperatur Tm liegt und anschließend abgekühlt wird, wird
die Phasenwechsel-Materialschicht in einen kristallinen Zustand
(siehe
2)
transformiert. Die Widerstandsgröße der Phasenwechsel-Materialschicht
in dem amorphen Zustand ist höher
als die in dem kristallinen Zustand. Somit kann in Formation in
der Speicherzelle als logische "1" oder als logische "0" durch Einstellen der Phase der Phasenwechsel-Materialschicht
gespeichert werden und kann durch Erfassen des Stroms, der durch
die Phasenwechsel-Materialschicht fließt, ausgelesen werden. Eine
Verbundmaterialschicht bestehend aus Germanium Ge, Antimon Sb und
Telur Te (im folgenden als GST-Schicht bezeichnet) kann als die
Phasenwechsel-Materialschicht verwendet werden.
Ein Verfahren zur Herstellung der
Phasenwechsel-Speichervorrichtung wird in dem US-Patent Nr. 6,117,720
mit dem Titel "Method
of making an integrated circuit electrode having a reduced contact area" beschrieben.
3 zeigt
eine Querschnittsansicht, die einen variablen Widerstand 30 darstellt,
der in dem US-Patent Nr. 6,117,720 beschrieben ist.
Gemäß 3 wird eine untere Elektrode 10 über einem
nicht näher
dargestellten Halbleitersubstrat angeordnet. Eine Zwischenisolationsschicht 12, die
eine Öffnung
aufweist, wird auf die untere Elektrode 10 geschichtet.
Ein unterer Abschnitt der Öffnung wird
mit einem Plug (Kontaktelement) 14 gefüllt, der mit der unteren Elektrode 10 elektrisch
verbunden ist. Eine Seitenwand der Öffnung und ein Rand des Plugs 14 sind
mit einem Spacer 16 bedeckt. Der verbleibende Raum der Öffnung wird
mit einem Kontaktabschnitt 18 aufgefüllt, und der Kontaktabschnitt 18 ist
elektrisch mit dem Plug 14 verbunden.
Der Kontaktabschnitt 18 kann
eine Phasenwechsel-Materialschicht oder eine leitende Schicht bzw,
Leitungsschicht sein. Wenn der Kontaktabschnitt 18 eine
Phasenwechsel-Materialschicht ist, wird die Zwischenisolationsschicht 12 und
der Kontaktabschnitt 18 mit einer oberen Elektrode 20 gedeckt.
Wenn der Kontaktabschnitt l8 eine Leitungsschicht ist,
wird der Kontaktabschnitt 18 mit einem Phasenwech sel-Materialschichtmuster
bedeckt und das Phasenwechsel-Materialschichtmuster wird mit einer
oberen Elektrode bedeckt.
4 und 5 sind vergrößerte Schnittansichten
des in 3 gezeigten Kontaktabschnitts 18. 4 stellt einen Kontaktabschnitt 18a dar,
der einen Phasentransformationsbereich 22 enthält, und 5 stellt einen Kontaktabschnitt 18b dar,
der eine Leitungsschicht ist, und der durch ein Phasenwechsle-Materialschichtmuster 20,
daß einen
Phasentransformationsbereich 22 aufweist, bedeckt ist.
Gemäß der Phasenwechsel-Speicherzelle der 4 wird Wärme an einer Schnittstelle
zwischen dem Plug 14 und dem Kontaktabschnitt 18a ebenso
wie in dem Bulk-Bereich des Kontaktabschnitts 18a erzeugt,
wenn Strom in der unteren Elektrode 10 fließt. Die
Erwärmung
kann zu einer Phasenänderung
in dem Phasentransformationsbereich 22 des Kontaktabschnitts 18a führen. Die
Temperatur am Rand des Kontaktabschnitts 18a, welcher in
Kontakt mit dem Plug 14 ist, kann niedriger sein, als die
Temperatur seines Zentralbereichs, da beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit
des Plugs 14 verglichen mit dem Kontaktabschnitt 18a relativ
hoch sein kann, und die Temperatur des Spacers 16 niedriger
als die des Kontaktabschnitts 18a sein kann. Folglich kann
der Rand des Kontaktabschnitts 18a nicht vollständig in
den amorphen Zustand und/oder den kristallinen Zustand transformiert
werden, wenn der Phasentransformationsbereich 22 eine entsprechende
Zustands-Transformation erfährt.
Falls der Rand des Kontaktabschnitts 18a nicht vollständig in den
amorphen Zustand transformiert wird, kann beim Lese-Modus ein Leckstrom
(leackage current) durch den Rand des Kontaktabschnitts 18a fließen. Ein
derartiger Leckstrom kann eine Fehlfunktion oder eine andere unerwünschte Betriebseigenschaft
der Phasenwechsel-Speicherzelle verursachen.
Gemäß der Phasenwechsel-Speicherzelle der 5 ist der Kontaktabschnitt 18b der
leitenden Schicht mit dem Phasenwechsel-Materialschichtmuster 20 bedeckt,
und der Phasentransformationsbereich 22 ist in dem Phasenwechsel-Materialschichtmuster 20 ausgebildet.
Aufgrund beispielsweiser ungleichmäßiger Erwärmung kann das Phasenwechsel-Materialschichtmuster 20 über dem Rand
des Kontaktabschnitts 18b nicht vollständig in den amorphen Zustand
und/oder den kristallinen Zustand transformiert werden, wenn der
Phasentransformationsbereich 20 eine entsprechende Zustandstransformation
erfährt.
Demgemäß kann die
Phasenwechsel-Speicherzelle, die in 5 gezeigt
ist, eine Fehlfunktion aufweisen oder kann dazu anderen unerwünschten
Betriebseigenschaften neigen, wie sie im Bezug auf die Phasenwechsel-Speicherzelle
der 4 beschrieben worden
sind. Die Phasenwechsel-Speicherzelle der 4 und 5 weist
ebenso eine geringe Schreibeffizienz auf.
KURZFASSUNG
DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung,
eine Phasenwechsel-Speicherzelle vorzusehen, die die oben genannten
Nachteile beseitigt und eine verbesserte Schreibeffizienz vorsieht,
sowie geeignete Herstellungsverfahren dafür.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der anliegenden Ansprüche
1, 6 und 13 bzw. 20, 24 und 31 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen bilden den Gegenstand der untergeordnete Ansprüche, deren
Inhalt hiermit zu ausdrücklich
zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle
ihren Wortlaut zu wiederholen.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
sehen eine Phasenwechsel-Speicherzelle vor, die ein Substrat, eine
untere Elektrode, eine Phasenwechsel-Materialschichtmuster und eine
obere Elektrode enthält.
Die untere Elektrode befindet sich auf dem Substrat. Das Phasenwechsel-Materialschichtmuster
befindet sich auf der unteren Elektrode. Die obere Elektrode befindet
sich auf dem Phasenwechsel-Materialschichtmuster und weist ein Spitze
auf, die sich in Richtung der unteren Elektrode erstreckt.
Bei anderen Ausführungsformen kann die untere
Elektrode zylindrisch ausgeführt
sein und kann einen planaren Abschnitt und einen vertikalen Abschnitt
aufweisen, der sich von dem Rand des planaren Abschnitts aus erstreckt.
Die Spitze der oberen Elek trode kann sich in Richtung des vertikalen
Abschnitts der unteren Elektrode erstrecken. Die Phasenwechsel-Speicherzelle
kann ferner eine mittlere Zwischenisolationsschicht auf der unteren
Elektrode enthalten, welche eine Kontaktöffnung definiert, die zumindest
eine Teil des vertikalen Abschnittes der unteren Elektrode freilegt.
Das Phasenwechsel-Materialschichtmuster kann in einer Kontaktöffnung sein,
und kann sich ebenso quer zu einem Abschnitt der mittleren Zwischenisolationsschicht
erstrecken.
Verschiedene andere Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung sehen andere Phasenwechsel-Speicherzellen
und Verfahren zur Herstellung von Phasenwechsel-Speicherzellen vor.
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
1 ist
ein Ersatzschaltungsdiagramm, das eine Phasenwechsel-Speicherzelle
darstellt.
2 ist
ein Graph, der Eigenschaften eines Phasenwechsel-Materials darstellt,
das in einer Phasenwechsel-Speicherzelle verwendet werden kann.
3 ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer herkömmlichen
Phasenwechsel-Speicherzelle.
4 und 5 sind vergrößerte Querschnittsansichten
der herkömmlichen
in 3 gezeigten Phasenwechsel-Speicherzelle.
6A und 6B sind jeweils eine Querschnittsansicht
bzw. eine Draufsicht, die einen variablen Widerstand einer Phasenwechsel-Speicherzelle
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen.
7A und 7B sind jeweils eine Querschnittsansicht
bzw. eine Draufsicht, die einen variablen Widerstand einer Phasenwechsel-Speicherzelle
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen.
8 bis 12 sind Querschnittsansichten,
die Verfahren zur Herstellung einer Phasenwechsel-Speichezelle gemäß der ersten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellen.
13 bis 15 sind Querschnittsansichten, die
Verfahren zur Herstellung einer Phasenwechsel-Speicherzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen.
16 ist
eine schematische Ansicht, die eine Stromverteilung in den Phasenwechsel-Materialschichten
der herkömmlichen
Phasenwechsel-Speicherzelle darstellt.
17 ist
eine schematische Ansicht, die eine Stromverteilung in den Phasenwechsel-Materialschichten
einer Phasenwechsel-Speicherzelle gemäß den verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird im
folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, in welcher
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind, eingehender beschrieben. Die Erfindung
kann jedoch in verschiedenen Formen verkörpert sein und sollte nicht
als auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden.
Vielmehr sind diese Ausführungsformen dazu
vorgesehen, die Offenbarung sorgfältig und vollständig darzulegen,
und vermitteln dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig. In
den Figuren ist die Dicke der Schichten und Bereiche aus Gründen der Übersichtlichkeit
vergrößert dargestellt. Ebenso
ist es offensichtlich, daß wenn
ein Element, wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat, als "auf" einem anderen Element
bezeichnet wird, dieses direkt auf dem anderen Element sein kann,
oder ebenso dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn
im Gegensatz dazu ein Element, wie etwa eine Schicht, ein Bereich,
oder ein Substrat, als "direkt
auf" einem anderen
Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente
vorhanden.
Gemäß der Phasenwechsel-Speicherzelle der 4 wird Wärme an einer Schnittstelle
zwischen dem Plug 14 und dem Kontaktabschnitt 18a ebenso
wie in dem Bulk-Bereich des Kontaktabschnitts 18a erzeugt,
wenn Strom in der unteren Elektrode 10 fließt. Die
Erwärmung
kann zu einer Phasenänderung
in einem Phasentransformationsbereich 22 des Kontaktabschnitts 18a führen. Die Temperatur
am Rand des Kontaktabschnitts 18a, welcher in Kontakt mit
dem Plug 14 ist, kann niedriger sein, als die Temperatur
seines Zentralbereichs, da beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit des Plugs 14 verglichen
mit dem Kontaktabschnitt 18a relativ hoch sein kann, und
die Temperatur des Spacers 16 niedriger als die des Kontaktabschnitts 18a sein
kann. Folglich kann der Rand des Kontaktabschnitts 18a nicht
vollständig
in den amorphen Zustand und/oder den kristallinen Zustand transformiert
werden, wenn der Phasentransformationsbereich 22 eine entsprechende
Zustands-Transformation erfährt.
Falls der Rand des Kontaktabschnitts 18a nicht vollständig in den
amorphen Zustand transformiert wird, kann beim Lese-Modus ein Leckstrom
durch den Rand des Kontaktabschnitts 18a fließen. Ein
derartiger Leckstrom kann eine Fehlfunktion oder eine andere unerwünschte Betriebseigenschaft
der Phasenwechsel-Speicherzelle verursachen.
Gemäß der Phasenwechsel-Speicherzelle der 5 ist der Kontaktabschnitt 18b der
leitenden Schicht mit dem Phasenwechsel-Materialschichtmuster 20 bedeckt,
und der Phasentransformationsbereich 22 ist in dem Phasenwechsel-Materialschichtmuster 20 ausgebildet.
Aufgrund beispielsweiser ungleichmäßiger Erwärmung kann das Phasenwechsel-Materialschichtmuster 20 über dem Rand
des Kontaktabschnitts 18b nicht vollständig in den amorphen Zustand
und/oder den kristallinen Zustand transformiert werden, wenn der
Phasentransformationsbereich 20 eine entsprechende Zustandstransformation
erfährt.
Demgemäß kann die
Phasenwechsel-Speicherzelle, die in 5 gezeigt
ist, eine Fehlfunktion aufweisen oder kann zu anderen unerwünschten
Betriebseigenschaften neigen, wie sie im Bezug auf die Phasenwechsel-Speicherzelle
der 4 beschrieben worden
sind. Die Phasenwechsel-Speicherzelle der 4 und 5 weist
ebenso eine geringe Schreibeffizienz auf.
6A ist
eine Draufsicht auf einen variablen Widerstand einer Phasenwechsel-Speicherzelle gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und 6B ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I in 6A.
Gemäß 6A und 6B enthält die Phasenwechsel-Speicherzelle
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung eine zylindrische untere Elektrode 56e, die über einem
nicht näher
dargestellten Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Die untere Elektrode
(bottom electrode) 56e befindet sich auf einer unteren
Zwischenisolationsschicht 50, die sich wiederum auf dem
Halbleitersubstrat befindet. Die untere Elektrode 56e kann über einen
Kontakt-Pulg 52, der die untere Zwischenisolationsschicht 50 durchdringt,
mit dem Halbleitersubstrat elektrisch verbunden sein. Die untere
Elektrode 56e kann einen planaren Abschnitt 56p und
einen vertikalen Abschnitt 56v enthalten, der sich von
einem Rand des planaren Abschnitts 56p aus erstreckt. Der
planare Abschnitt 56p kann direkt auf dem Kontakt-Plug 52 ausgebildet
sein. Die untere Elektrode 56e kann aus einer Titannitridschicht
(TiN), einer Titanaluminiumnitridschicht (TiALN), einer Titansiliziumnitridschicht (TiSiN),
einer Tantalaluminiumnitridschicht (TaALN) und/oder einer Tantalsiliziumnitridschicht
(TaSiN) bestehen.
Die untere Elektrode 56e kann
von einer inneren Formschicht (inner mold layer) 58r und
einer äußeren Formschicht
(outer mold layer) 54 umgeben sein. Die innere Formschicht 58r füllt einen
Innenraum der unteren Elektrode 56e auf. Demgemäß befindet
sich der vertikale Abschnitt 56v zwischen der inneren Formschicht 58r und
der äußeren Formschicht 54,
und ein oberes Ende des vertikalen Abschnitts 56v kann
einen, aus der Draufsicht gesehen, ringförmigen Aufbau aufweisen.
Die untere Elektrode 56e und
die Formschichten 54 und 58r können mit einer weiteren Zwischenisolationsschicht 60 bedeckt
sein. Eine Ätzstopschicht 58 kann
zwi schen den Zwischenisolationsschichten 54 und 60 liegen.
Ein Teil des vertikalen Abschnitts 56v wird durch eine
Kontaktöffnung
freigelegt, die die Zwischenisolationsschicht 60 und die Ätzstopschicht 59 durchdringt.
Eine Seitenwand 60s der Kontaktöffnung wird durch ein Spacer-Muster 62 bedeckt.
Eine Seitenwand 62s des Spacer-Musters 62 definiert
einen Hohlbereich (hollow region) 63 in der Kontaktöffnung.
Der Hohlbereich 63 legt einen Teil des vertikalen Abschnitts 56v frei.
Der Hohlbereich 63 kann mit dem Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64g und
einer oberen Elektrode 66e, welche aufeinanderfolgend geschichtet
sind, bedeckt sein. Das Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64g und
die obere Elektrode 66e können sich quer über einen
Abschnitt der Zwischenisolationsschicht 60 erstrecken.
Das Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64g ist über den
Hohlbereich 63 mit dem vertikalen Abschnitt 56v der
unteren Elektrode 56e elektrisch verbunden. Die obere Elektrode 66e weist
eine Spitze T auf, die sich in Richtung der unteren Elektrode 56e erstreckt,
und kann sich insbesondere in Richtung des vertikalen Abschnitts 56v der
unteren Elektrode 56e erstrecken. Die obere Elektrode 66e kann
aus einer Titannitridschicht (TiN), einer Titanaluminiumnitridschicht
(TiALN), einer Titansiliziumnitridschicht (TiSiN), einer Tantalaluminiumnitridschicht (TaALN)
und/oder einer Tantalsiliziumnitridschicht (TaSiN) bestehen. Ein
Hartmaskenmuster 68h kann zusätzlich auf die obere Elektrode 66e geschichtet sein.
Das Substrat einschließlich
der oberen Elektrode 66e ist mit einer oberen Zwischenisolationsschicht 72 bedeckt.
Eine Abschirmschicht (shield layer) 70 kann zwischen der
oberen Zwischenisolationsschicht 72 und einer Seitenwand 64s des
Phasenwechsel-Materialschichtmusters 64g angeordnet sein.
Die Abschirmschicht 70 kann verhindern, daß die Eigenschaften
des Phasenwechsel-Materiaschichtmusters 64g sich verschlechtern.
Die Abschirmschicht 70 kann eine Siliziumoxinitridschicht
sein. Eine Plattenelektrode 76 ist auf der oberen Zwischenisolationsschicht 72 angeordnet.
Die Plattenelektrode 76 ist über einem Plug 74,
der die obere Zwischenisolationsschicht 72, die Abschirmschicht 70 und
das Hartmaskenmuster 68h durchdringt, mit der oberen Elektrode 66e elektrisch
verbunden. Alternativ kann die Plattenelektrode 76 direkt
auf der oberen Elektrode 66e ausgebildet sein.
7A ist
eine Draufsicht, die einen variablen Widerstand einer Phasenwechsel-Speicherzelle gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, und 7B ist eine Querschnittsansicht entlang
der Linie II-II in 7A.
Gemäß 7A und 7B weisen
die untere Elektrode 56e, ein Spacer-Muster 62 und
ein Hohlbereich 63 den gleichen Aufbau auf, wie bei der
ersten Ausführungsform,
die in Bezug auf 6A und 6B beschrieben worden ist.
Der Hohlbereich 63, der von dem Spacer-Muster 62 umgeben
ist, wird mit einem Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64t aufgefüllt. Somit
steht eine Seitenwand des Phasenwechsel-Materialschichtmusters 64t in
Kontakt mit dem Spacer-Muster 62. Wenn das Spacer-Muster 62 eine Siliziumoxynitridschicht
ist, besteht keine Notwendigkeit für eine zusätzliche Abschirmschicht, wie
etwa der Abschirmschicht 70 in 6B . Das Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64t kann
mit einer oberen Elektrode 66e bedeckt sein. Die obere
Elektrode 66e erstreckt sich horizontal derart, daß sie die Zwischenisolationsschicht 60 bedeckt.
Demgemäß ist eine
Seitenwand 66s der oberen Elektrode 66e auf der
Zwischenisolationsschicht 60 angeordnet. Die obere Elektrode 66e weist
ebenso eine Spitze T auf, die sich in Richtung des vertikalen Abschnitts 56v der
unteren Elektrode 56e erstreckt. Ein Hartmaskenmuster 68h und
eine obere Zwischenisolationsschicht 72 sind auf das Substrat
einschließlich der
oberen Elektrode 66e geschichtet, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform.
Eine Plattenelektrode 78 ist auf der oberen Zwischenisolationsschicht 72 angeordnet.
Die Plattenelektrode 78 ist über eine Kontaktöffnung,
die die obere Zwischenisolationsschicht 72 und das Hartmaskenmuster 68h durchdringt,
mit der oberen Elektrode 66e elektrisch verbunden.
8 bis 12 sind Querschnittsansichten
entlang der Linie I-I in 6A,
die Verfahren zur Herstellung einer Phasenwechsel-Speicherzelle
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen.
Gemäß 8 wird eine untere Zwischenisolationsschicht 50 auf
einem nicht näher
dargestellten Halbleitersubstrat ausgebildet. Ein Kontakt-Plug 52 wird
in der unteren Zwischenisolationsschicht 50 ausgebildet.
Der Kontakt-Plug 52 ist mit einem vorbe stimmten Bereich
des Halbleitersubstrats elektrisch verbunden. Beispielsweise kann
der vorbestimmte Bereich ein Source-Bereich eines Zugriffstransistors sein.
Eine erste dielektrische Formschicht (first mold dielectric layer) 54 wird
auf den Kontakt-Plug 52 und der unteren Zwischenisolationsschicht 50 ausgebildet.
Die erste dielektrische Formschicht 54 wird derart gemustert,
daß sie
eine untere Elektrodenöffnung mit
einer Seitenwand 54s ausbildet. Die untere Elektrodenöffnung ist
derart ausgebildet, daß sie
den Kontakt-Plug 52 freilegt.
Gemäß 9 wird eine konformale Leitungsschicht 56 aus
dem Substrat mit der unteren Elektrodenöffnung ausgebildet. Die Leitungsschicht kann
beispielsweise aus einer Titannitridschicht (TiN), einer Titanaluminiumnitridschicht
(TiAlN), einer Titansiliziumnitridschicht (TiSiN), einer Tantalaluminiumnitridschicht
(TaAlN) und/oder einer Tantalsiliziumnitridschicht (TaSiN) bestehen.
Eine zweite dielektrische Formschicht 58 wird anschließend auf
der Leitungsschicht 56 ausgebildet.
Gemäß 10 wird eine zweite dielektrische Formschicht 58 und
die leitende Schicht 56 unter Verwendung von beispielsweise
einem chemisch-mechanischen Polierverfahren (CMP-Verfahren) so lange
planarisiert, bis eine obere Oberfläche der ersten dielektrischen
Formschicht 54 freigelegt ist. Folglich wird eine zylindrische
untere Elektrode 56e, welche mit dem Kontakt-Plug 52 elektrisch
verbunden ist, in der ersten dielektrischen Formschicht 54 ausgebildet.
Die untere Elektrode 56e weist eine mit dem Kontakt-Plug 52 verbundenene
planaren Abschnitt 56p und einen vertikalen Abschnitt 56v auf, der
zwischen den dielektrischen Formschichten 54 und 58r angeordnet
ist. Der vertikale Abschnitt 56v kann eine ringförmige Form
aufweisen, wenn er aus der Draufsicht gesehen wird. Eine mittlere
Zwischenisolationsschicht 60 wird anschließend auf
dem Substrat dort ausgebildet, wo die untere Elektrode 56e ausgebildet
ist. Eine Ätzstopschicht 59 kann
auf dem Substrat mit der unteren Elektrode 56e vor der
Ausbilden der mittleren Zwischensisolationsschicht 60 ausgebildet
sein. Die mittlere Zwischenisolationsschicht 60 ist derart
gemustert, daß sie
eine Öffnung ausbildet,
die einen Teil des vertikalen Abschnitts 56v freilegt.
Diese Öffnung
weist eine Seitenwand 60s auf. Wenn die Ätzstopschicht 59 verwendet
wird, kann die Öffnung
durch sequentielles Mustern der mittleren Zwischenisolationsschicht 60 und
der Ätzstopschicht 59 ausgebildet
werden. In diesem Fall kann die Ätzstopschicht 59 verhindern,
daß die
untere Elektrode 56e überätzt wird,
während
die mittlere Zwischenisolationsschicht 60 zum Ausbilden
der Öffnung
geätzt
wird.
Im Anschluß daran wird eine Spacer-Isolationsschicht
konform auf dem Substrat einschließlich der Öffnung ausgebildet. Die Spacer-Isolationsschicht
kann zum Ausbilden eines Spacer-Musters 62, das die Seitenwand 60s der Öffnung bedeckt,
anisotrop geätzt
werden. Eine Seitenwand 62s des Spacer-Musters 62 definiert
einen Hohlbereich 63. Der Hohlbereich 63 legt
den vertikalen Abschnitt 56v frei.
Gemäß 11 wird eine konformale Phasenwechsel-Materialschicht 64 auf
dem Substrat einschließlich
des Spacer-Musters 62 ausgebildet. Die Phasenwechsel-Materialschicht 64 kann
eine geeignete Dicke aufweisen, um einen Einkerbungs- bzw. Vertiefungsabschnitt
in dem Hohlbereich 63 vorzusehen. Der Vertiefungsabschnitt
der Phasenwechsel-Materialschicht 64 kann sich in Richtung
des vertikalen Abschnitts 56v erstrecken. Eine Leitungsschicht 66 wird
anschließend
auf der Phasenwechsel-Materialschicht 64 einschließlich des
Vertiefungsabschnitts ausgebildet. Die leitende Schicht 66 formt dabei
eine Spitze T, die den Vertiefungsabschnitt der Phasenwechsel-Materialschicht 64 auffüllt. Die
Spitze T kann sich in Richtung des vertikalen Abschnitts 56v erstrecken
(z. B. hineinragen), wie in 11 gezeigt.
Die Leitungsschicht 66 kann beispielsweise aus einer Titannitridschicht
(TiN), einer Titanaluminiumnitridschicht (TiAlN), einer Titansiliziumnitridschicht
(TiSiN), einer Tantalaluminiumnitridschicht (TaAlN) und/oder einer
Tantalsiliziumnitridschicht (TaSiN) bestehen. Eine Hartmaskenschicht 68 kann zusätzlich auf
der Leitungsschicht 66 ausgebildet sein.
Gemäß 12 wird die Hardmaskenschicht 68,
die Leitungsschicht 66 und die Phasenwechsel-Materialschicht 64 aufeinanderfolgend
gemustert, um ein Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64g,
eine obere Elektrode 66e und ein Hardmaskenmuster 68h auszubilden,
welche aufeinanderfolgend über
dem Hohlbereich 63 geschichtet sind. Das Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64g wird
derart ausgebildet, daß es
eine Seitenwand 64s auf der mittleren Zwischenisolationsschicht 60 aufweist.
Eine Abschirmschicht 70 und eine obere Zwischenisolationsschicht 72 werden
aufeinanderfolgend auf dem Substrat mit der oberen Elektrode 66e und
dem Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64g ausgebildet. Die
Abschirmschicht 70 kann als eine Schutzschicht dienen,
die eine Verschlechterung der Eigenschaften des Phasenwechsel-Materialschichtmusters 64g verhindert.
Die Abschirmschicht 70 kann aus einer Siliziumoxynitridschicht
(SiON) ausgebildet sein. Die obere Zwischenisolationsschicht 72 kann
durch sequentielles Schichten einer High-Density-Plasma-Oxidschicht
(HDP-Oxidschicht) und einer Plasma-Enhanced-Tetra-Ethyl-Ortho-Silikatschicht
(PETEOS-Schicht) ausgebildet sein.
Obgleich nicht in 12 gezeigt, kann anschließend eine
Plattenelektrode (ähnlich
der Plattenelektrode 76 in 6A und 6B) auf der oberen Zwischenisolationsschicht 72 ausgebildet
werden. Die Plattenelektrode 76 kann durch eine Kontaktöffnung,
die die obere Zwischenisolationsschicht 72, die Abschirmschicht 70 und
das Hardmaskenmuster 68h durchdringt, mit der oberen Elektrode 66e elektrisch verbunden
sein.
13 bis 15 sind Querschnittsansichten, die
Verfahren zur Herstellung einer Phasenwechsel-Speicherzelle gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung darstellen.
Gemäß 13 wird unter Verwendung der gleichen
Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform die im Zusammenhang
mit 8 bis 11 beschrieben worden ist,
der Hohlbereich 63 und die Phasenwechsel-Materialschicht 64 über dem
Halbleitersubstrat ausgebildet. Die Phasenwechsel-Materialschicht 64 wird
derart ausgebildet, daß sie
einen Vertiefungsabschnitt D aufweist, wie bei der ersten Ausführungsform
beschrieben. Bei dieser Ausführungsform
kann die Phasenwechsel-Materialschicht 64 derart ausgebildet
sein, daß der
unterste Punkt des Vertiefungsabschnitts D niedriger ist, als die
obere Oberfläche
der mittleren Zwischenisolationsschicht 60. Der unterste
Punkt des Vertiefungsabschnitts D kann um eine vorbestimmte Höhe H niedriger
sein, als die obere Oberfläche
der mittleren Zwischenisolationsschicht 60, wie in 13 angedeutet.
Gemäß 14 wird die Phasenwechsel-Materialschicht 64 unter
Verwendung eines chemisch-mechanischen Polierverfahrens so lange
planarisiert, bis die obere Oberfläche der mittleren Zwischenisolationsschicht 60 freigelegt
ist. Im Ergebnis wird in dem Hohlbereich 63 ein Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64t ausgebildet.
Das Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64t enthält einen
Vertiefungsabschnitt D, wobei wie zuvor der unterste Punkt der Vertiefung
D niedriger sein kann, als die obere Oberfläche der mittleren Zwischenisolationsschicht 60,
wie vorangehend beschrieben. Eine leitende Schicht bzw. Leitungsschicht 66 wird
auf dem Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64t einschließlich des
Vertiefungsabschnitts D ausgebildet. Demgemäß weist die Leitungsschicht 66 eine
Spitze T auf, die den Vertiefungsabschnitt D auffüllt. Die Spitze
T erstreckt sich bzw. ragt in Richtung der unteren Elektrode 56e und
kann sich in Richtung des vertikalen Abschnitts 56v der
unteren Elektrode 56e erstrecken. Außerdem kann die Hartmaskenschicht 68 auf
der leitenden Schicht 66 ausgebildet sein, wie bei der
ersten Ausführungsform
beschrieben.
Gemäß 15 sind die Hartmaskenschicht 68 und
die leitende Schicht 66 derart gemustert, daß sie eine
obere Elektrode 66e und ein Hartmaskenmuster 64t ausbilden,
welche aufeinanderfolgend über
dem Phasenwechsel-Materialschichtmuster 64t geschichtet
sind. Eine obere Zwischenisolationsschicht 72 wird auf
dem Substrat mit der oberen Elektrode 66e und dem Hartmaskenmuster 64t ausgebildet.
Die Plattenelektrode (ähnlich der
Plattenelektrode 78 in 7B),
die mit der oberen Elektrode 66e elektrisch verbunden ist,
wird auf der oberen Zwischenisolationsschicht 72 ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform
besteht keine Notwendigkeit dazu, eine Abschirmschicht (ähnlich der
Abschirmschicht 70 in 12)
auszubilden, da die Seitenwand des Phasenwechsel-Materialschichtmusters 64t von
dem Space-Muster 62 umgeben ist.
16 zeigt
ein Stromverteilungsdiagramm einer Phasenwechsel-Materialschicht
einer herkömmlichen
Phasenwechsel-Speicherzelle, und 17 ist
ein Stromverteilungsdiagramm einer Phasenwechsel-Materialschicht
einer Phasenwechsel-Speicherzelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
Wie in 16 gezeigt,
weist die herkömmliche
Phasenwechsel-Speicherzelle obere und untere Elektroden TE und BE
auf, die eben und zueinander parallel sind. Demgemäß ist eine
Stromdichte D1 zwischen den oberen und unteren Elektroden TE und BE
der herkömmlichen
Phasenwechsel-Speicherzelle gleichförmig. Demgemäß fließt der Zellstrom gleichförmig durch
die Phasenwechsel-Materialschicht GST, die zwischen den oberen und
unteren Elektroden TE und BE angeordnet ist.
Im Gegensatz dazu weist die Phasenwechsel-Speicherzelle
gemäß den Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung eine obere Elektrode TE mit einer Spitze,
wie beispielsweise in 17 gezeigt,
auf. Die Kontaktfläche
zwischen der Bodenelektrode BE und der Phasenwechsel-Materialschicht GST
ist geringer als die Kontaktfläche
zwischen der oberen Elektrode TE und der Phasenwechsel-Materialschicht
GST. Folglich ist der Kontaktwiderstand zwischen der Bodenelektrode
BE und der Phasenwechsel-Materialschicht GST höher als der Kontaktwiderstand
zwischen der oberen Elektrode TE und der Phasenwechsel-Materialschicht
GST, und der Stromfluß durch
die Phasenwechsel-Materialschicht GST kann sich an der Spitze der
oberen Elektrode TE konzentrieren. Wie in 17 gezeigt, können demgemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung eine relativ hohe Stromdichte in der Phasenwechsel-Materialschicht
verglichen mit der herkömmlichen
Phasenwechsel-Speicherzelle, wie sie in 16 gezeigt ist, aufweisen. Folglich können effiziente
Schreibvorgänge
ohne der Notwendigkeit zum Erhöhen
des Stroms erzielt werden und eine Phasenwechsel-Speichervorrichtung
mit einer niedrigen Leistung bzw. mit einem niedrigen Leistungsverbrauch
kann dadurch vorgesehen werden.
Viele Abänderungen und Modifikationen können durch
den Fachmann ohne von der Erfindung abzuweichen durchgeführt werden.
Daher sind die hier dargestellten Ausführungsformen lediglich zu Beispielzwecken
vorgesehen und sollten nicht die Erfindung, wie sie durch die folgenden
Ansprüche
definiert ist, beschränkend
ausgelegt werden. Die folgenden Ansprüche sind daher so zu verstehen,
daß sie nicht
nur die Kombination der Elemente, die darin wortwörtlich wiedergegeben
sind, umfassen, sondern ebenso äquivalente
Elemente, die im wesentlichen die gleiche Funktion auf im wesentlichen
die gleiche Weise ausführen,
um im wesentlichen das gleiche Ergebnis zu erzielen. Die Ansprüche sind
daher so zu verstehen, daß sie
sowohl das umfassen, was spezifisch dargestellt und beschrieben
worden ist, als auch das was konzeptionell äquivalent ist, und beinhalten
die wesentliche Idee der Erfindung.