DE112021007796T5

DE112021007796T5 - Kohlenstoffnanoröhren- (cnt-) speicherzellenelement und konstruktionsverfahren

Info

Publication number: DE112021007796T5
Application number: DE112021007796.1T
Authority: DE
Inventors: Yaojian Leng
Original assignee: Microchip Technology Inc
Current assignee: Microchip Technology Inc
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2024-04-18
Also published as: WO2022260701A1

Abstract

Es werden Kohlenstoffnanoröhren- (CNT-) Speicherzellenelemente und Verfahren zur Herstellung von CNT-Speicherzellenelementen bereitgestellt. Eine CNT-Speicherzelle kann ein CNT-Speicherzellenelement aufweisen, z. B. in Kombination mit einem Transistor. Ein CNT-Speicherzellenelement (202) weist eine Metall/CNT-Schicht/Metall (M/CNT/M)-Struktur (220, 222, 224) auf, die zwischen benachbarten Metallverbindungsschichten (Mx, Mx+i) oder zwischen einer silizidierten aktiven Schicht (z. B. einschließlich MOSFET-Bauelementen) und einer Metallverbindungsschicht ausgebildet ist. Die M/CNT/M-Struktur wird durch einen Prozess ausgebildet, der das Ausbilden einer Wannenöffnung (213) in einem dielektrischen Bereich (208), das Ausbilden einer becherförmigen Bodenelektrode (220) in der Wannenöffnung und das Ausbilden einer becherförmigen CNT-Schicht (222) in einer durch die becherförmige untere Elektrode definierten inneren Öffnung und Ausbilden einer oberen Elektrode (224) in einer durch die becherförmige CNT-Schicht definierten inneren Öffnung aufweist.

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität vor der am 9. Juni 2021 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/208.928 im Gemeinschaftseigentum, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme für alle Zwecke einbezogen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf nichtflüchtige Speicher (NVM) und insbesondere auf Kohlenstoffnanoröhren- (CNT-) Speicherzellenelemente und Konstruktionsverfahren.
HINTERGRUND
Nichtflüchtiger Speicher (NVM) bezieht sich auf Speicher, der Daten ohne externe Stromversorgung speichern kann. NVM ist für viele Anwendungen nützlich, beispielsweise als Mikrocontroller-Komponente. Im Gegensatz dazu benötigt ein statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM), der typischerweise aus sechs Transistoren besteht, externe Stromversorgung, um Daten zu speichern. Ebenso benötigt der dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM), der typischerweise einen Transistor und einen Kondensator aufweist, externe Stromversorgung, um Daten zu speichern und aufzufrischen.
Derzeit ist die häufigste Form von NVM der Flash-Speicher, der Speicherzellen auf Floating-Gate-Basis aufweist. Ein Flash-Speicher vom NOR-Typ wird typischerweise zum Speichern von Code verwendet, während ein Flash-Speicher vom NAND-Typ typischerweise zum Speichern von Daten verwendet wird. Allerdings weist Flash-Speicher verschiedene Einschränkungen und Nachteile auf. Beispielsweise ist es schwierig, die kritischen Abmessungen von Flash-Speichern weiter zu reduzieren. Darüber hinaus benötigen Flash-Speicher häufig eine hohe Spannung (typischerweise etwa 20 V) zum Programmieren und Löschen. Darüber hinaus erfordert die Hinzufügung von Flash-Speicherzellen zum typischen CMOS-Prozessablauf als eingebetteter Speicher mehrere zusätzliche Fotomaskenschichten, beispielsweise 5 oder mehr Maskenschichten. Dies erhöht die Kosten für Flash-Speicher in eingebetteten Anwendungen erheblich.
Daher wurden in den letzten Jahren andere Arten von NVM-Speichern entwickelt, darunter Speicher, die eine Kohlenstoffnanoröhre verwenden, die als Kohlenstoffnanoröhren- (CNT-) Speicher bezeichnet wird. Eine Kohlenstoffnanoröhre (CNT) ist eine Röhre aus Kohlenstoffatomen mit winzigem Durchmesser, typischerweise 1-100 Nanometer. Bei einer Struktur, die ein Netzwerk aus ungeordneten (z. B. gekreuzten) CNTs auf einer flachen Oberfläche aufweist, können benachbarte CNTs sich in einer Richtung senkrecht zum Substrat berühren oder leicht voneinander entfernt sein, abhängig von Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen CNTs.
Wenn beispielsweise das CNT-Netzwerk so aufgeladen ist, dass nahegelegene CNTs einander berühren, kann das CNT-Netzwerk einen niedrigen Widerstandszustand aufweisen, beispielsweise in der Größenordnung von 100 kΩ. Wenn das CNT-Netzwerk dagegen so geladen ist, dass sich benachbarte CNTs voneinander trennen, kann das CNT-Netzwerk einen hohen Widerstandszustand aufweisen, beispielsweise in der Größenordnung von 1 MΩ.
CNT-Speicherzellen, z. B. Nano-RAM-Zellen (NRAM), nutzen die oben diskutierten Phänomene, z. B. durch selektive Vorspannung jeder Zelle, um ein CNT-Speicherzellenelement in der jeweiligen CNT-Speicherzelle zwischen einem niedrigen Widerstandszustand und einem hohen Widerstandszustand umzuschalten. CNT-Speicherzellen können typischerweise mit einer 1T1C-Konfiguration (ein Transistor, ein Kondensator) aufgebaut sein, die einen Transistor (z. B. einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder MOSFET) und ein CNT-Speicherzellenelement, das eine Struktur eines Kondensators aufweist, aber als Schalter zwischen einem Zustand mit hohem Widerstand und einem Zustand mit niedrigem Widerstand fungiert. Ein CNT-Speicherzellenelement wird daher üblicherweise abwechselnd als Kondensator oder als Schalter bezeichnet.
Die 1A und 1B veranschaulichen das allgemeine Funktionsprinzip einer beispielhaften CNT-Speicherzelle. 1A zeigt ein Schaltbild der beispielhaften CNT-Speicherzelle einschließlich eines Transistors (z. B. MOSFET) und eines CNT-Speicherzellenelements, und 1B zeigt einen strukturellen Querschnitt des CNT-Speicherzellenelements. Wie in 1B gezeigt, weist das CNT-Speicherzellenelement einen CNT-Bereich (mit „CNT“ bezeichnet) auf, der zwischen einer unteren Elektrode (z. B. Wolfram), die mit einer unteren Metallschicht M_x verbunden ist, und einer oberen Elektrode (z. B. Wolfram), die mit einer obere Metallschicht M_x+1 verbunden ist, ausgebildet ist. Um die CNT-Speicherzelle zu setzen (zu programmieren), wird eine Spannung (z. B. 3 V) über die Source-Leitung (SL) an die obere Elektrode des CNT-Speicherzellenelements angelegt, wobei die untere Elektrode des CNT-Speicherzellenelements durch Anlegen von 0V an die Bitleitung (BL) auf 0V gehalten und der Transistor wird aktiviert wird, wobei der erste Anschluss des Transistors mit BL verbunden ist, ein zweiter Anschluss mit der unteren Elektrode verbunden ist und ein Gate-Anschluss mit einer Wortleitung verbunden ist. Diese Vorspannung führt dazu, dass sich CNTs im CNT-Bereich von der unteren Elektrode entfernen, wodurch zumindest einige leitende Pfade zwischen der oberen und der unteren Elektrode durch den CNT-Bereich elektrisch geöffnet werden, wodurch ein Zustand mit hohem Widerstand für die CNT-Speicherzelle entsteht. Um die CNT-Speicherzelle zurückzusetzen (zu löschen), wird eine Spannung (z. B. 2,5 V) an die BL angelegt und der Transistor aktiviert, wodurch die BL-Spannung an die untere Elektrode des CNT-Speicherzellenelements gekoppelt wird. Der mit der oberen Elektrode des CNT-Speicherzellenelements verbundene SL wird auf 0V gehalten. Diese Vorspannung zieht die CNTs im CNT-Bereich nach unten in Richtung der unteren Elektrode, wodurch viele leitende Pfade zwischen der oberen und unteren Elektrode durch den CNT-Bereich geschlossen werden, wodurch ein Zustand mit niedrigem Widerstand für das CNT-Speicherzellenelement entsteht.
CNT-Speicherzellen können verschiedene Vorteile aufweisen, zum Beispiel einen geringeren Stromverbrauch, eine höhere Schaltkreisdichte, eine schnellere Betriebsgeschwindigkeit, eine höhere Zuverlässigkeit aufgrund des fehlenden Tunnelns durch Oxid und/oder Immunität gegenüber ionisierender Strahlung als Flash-Speicherzellen.
CNT-Speicherzellen weisen jedoch typischerweise verschiedene Nachteile auf. Beispielsweise erfordern einige CNT-Speicherzellen im Vergleich zum relevanten Hintergrund-IC-Herstellungsprozess zumindest eine zusätzliche Maskenschicht.
Als weiteres Beispiel kann der Aufbau von CNT-Speicherzellen eine Stapelätzung erfordern, die möglicherweise schwer zu veraschen ist. Sowohl Fotolack als auch CNT basieren auf Kohlenstoff. Ein Prozess zum Entfernen des Resists nach dem Ätzen, der als Ascheprozess bezeichnet wird, hat daher einen sehr kleinen Prozessspielraum. Beispielsweise kann zu wenig Aschen dazu führen, dass Resist auf dem Wafer zurückbleibt, was zu Defekten führen und die Geräteausbeute oder -zuverlässigkeit verringern kann, während zu viel Aschen die CNT-Struktur beschädigen oder zerstören kann. Während eines Halbleiterherstellungsprozesses kann es sein, dass die kritische Abmessung (CD) oder der Überzug im Strukturierungsschritt außerhalb der Spezifikation liegt und der Fotolack möglicherweise vollständig entfernt werden muss, um eine neue Fotolackschicht aufzutragen und zu strukturieren, um die CD und den Überzug in die Herstellungsspezifikation zu bringen. Dieser Fotonachbearbeitungsprozess kann die CNT-Struktur zerstören.
Es besteht ein Bedarf an CNT-Speicherzellen und Verfahren zum Aufbau einer CNT-Speicherzelle, die einen oder mehrere der oben diskutierten Nachteile und Herausforderungen reduzieren oder beseitigen. Beispielsweise besteht die Notwendigkeit, CNT-Speicherzellen zu geringeren Kosten und mit verbesserten Herstellungsprozessen zu bauen, z. B. durch Reduzierung oder Eliminierung hinzugefügter Maskenschichten.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt Kohlenstoffnanoröhren- (CNT-) Speicherzellenelemente und Verfahren zum Ausbilden von CNT-Speicherzellenelementen bereit. Eine CNT-Speicherzelle kann ein CNT-Speicherzellenelement als Komponente davon aufweisen, z. B. in Kombination mit einem Transistor, wie hier diskutiert. Ein CNT-Speicherzellenelement kann eine Metall/CNT-Schicht/Metall- (M/CNT/M-) Struktur aufweisen, die zwischen benachbarten Metallverbindungsschichten oder zwischen einer aktiven Schicht (z. B. einschließlich MOSFET-Bauelementen) und einer Metallverbindungsschicht, z. B. Metall-1-Schicht, ausgebildet ist. Die M/CNT/M-Struktur des CNT-Speicherzellenelements kann durch einen Prozess ausgebildet werden, der das Ausbilden einer Wannenöffnung in einem dielektrischen Bereich, das Ausbilden einer becherförmigen Bodenelektrode in der Wannenöffnung und das Ausbilden einer becherförmigen CNT-Schicht in einer inneren Öffnung aufweist, die durch die becherförmige untere Elektrode definiert ist, und das Ausbilden einer oberen Elektrode in einer inneren Öffnung, die durch die becherförmige CNT-Schicht definiert ist. In einigen Beispielen kann die becherförmige untere Elektrode gleichzeitig mit Verbindungsdurchkontaktierungen ausgebildet werden, z. B. durch Abscheidung von Wolfram oder einem anderen konformen Metall. In einigen Beispielen kann das CNT-Speicherzellenelement ausgebildet werden, ohne dass Fotomaskenprozesse zu einem Hintergrundprozess zur Herstellung integrierter Schaltkreise hinzugefügt werden, z. B. einem typischen CMOS-Herstellungsprozess.
Ein Aspekt stellt ein Verfahren zum Ausbilden einer integrierten Schaltungsstruktur einschließlich eines CNT-Speicherzellenelements bereit, z. B. zur Verwendung in einer CNT-Speicherzelle. Das Verfahren weist das Ausbilden einer Wannenöffnung in einem dielektrischen Bereich auf, das Ausbilden einer becherförmigen unteren Elektrode in der Wannenöffnung, das Ausbilden einer becherförmigen CNT-Schicht in einer durch die becherförmige untere Elektrode definierten inneren Öffnung, das Ausbilden einer oberen Elektrode in einer inneren Öffnung, die durch die becherförmige CNT-Schicht definiert ist und das Ausbilden einer oberen Metallschicht über dem dielektrischen Bereich, wobei die obere Metallschicht einen Kontakt der oberen Elektrode in Kontakt mit der oberen Elektrode aufweist. Die becherförmige untere Elektrode, die becherförmige CNT-Schicht und die obere Elektrode definieren das CNT-Speicherzellenelement.
In einigen Beispielen wird das CNT-Speicherzellenelement durch einen Damascene-Prozess ausgebildet. Darüber hinaus wird in einigen Beispielen das CNT-Speicherzellenelement ausgebildet, ohne dass Fotomaskenprozesse zu einem Hintergrundprozess zur Herstellung integrierter Schaltkreise hinzugefügt werden.
In einigen Beispielen werden die becherförmige untere Elektrode, die becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht und die obere Elektrode in der Wannenöffnung im dielektrischen Bereich ausgebildet.
In einigen Beispielen wird vor dem Ausbilden der oberen Metallschicht über dem dielektrischen Bereich eine obere Oberfläche des CNT-Speicherzellenelements planarisiert und eine dielektrische Barriereschicht wird abgeschieden, um die planarisierte obere Oberfläche des CNT-Speicherzellenelements zu bedecken. In einem Beispiel weist das Ausbilden der oberen Metallschicht über dem dielektrischen Bereich das Ätzen einer oberen dielektrischen Schicht auf, um eine Kontaktöffnung für die obere Elektrode zum Ausbilden des oberen Elektrodenkontakts auszubilden, und die dielektrische Barriereschicht fungiert während des Ätzens als Ätzstopp.
In einigen Beispielen weist das Verfahren das gleichzeitige Ausbilden der Wannenöffnung und einer Durchkontaktierungsöffnung im dielektrischen Bereich und das Aufbringen eines konformen Metalls auf, um gleichzeitig die becherförmige Bodenelektrode in der Wannenöffnung und einen Durchgang in der Durchkontaktierungsöffnung auszubilden. In einigen Beispielen weist das Ausbilden der oberen Metallschicht über dem dielektrischen Bereich das gleichzeitige Ausbilden des oberen Elektrodenkontakts in Kontakt mit der oberen Elektrode und eines oberen Verbindungselements in Kontakt mit der Durchkontaktierung auf. Das konforme Metall kann Wolfram, Kobalt, Aluminium oder ein anderes konformes Metall aufweisen.
In einigen Beispielen besteht die obere Elektrode aus Titan, Wolfram oder einer Kombination davon.
In einigen Beispielen wird die becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht durch einen Beschichtungsprozess mit mehreren Durchkontaktierungen ausgebildet.
Ein weiterer Aspekt stellt eine integrierte Schaltungsstruktur bereit, die einen dielektrischen Bereich einschließlich einer Wannenöffnung aufweist; ein CNT-Speicherzellenelement, das in der Wannenöffnung ausgebildet ist und eine becherförmige untere Elektrode, eine becherförmige CNT-Schicht und eine obere Elektrode aufweist; und eine obere Metallschicht über dem dielektrischen Bereich und mit einem Kontakt der oberen Elektrode in Kontakt mit der oberen Elektrode.
In einigen Beispielen wird der dielektrische Bereich über einer unteren Metallschicht ausgebildet, die ein unteres Verbindungselement aufweist, und das CNT-Speicherzellenelement ist leitend zwischen dem unteren Verbindungselement in der unteren Metallschicht und dem oberen Elektrodenkontakt in der oberen Metallschicht verbunden.
In einigen Beispielen wird der dielektrische Bereich über einem Transistor ausgebildet, der einen dotierten Source-Bereich und einen dotierten Drain-Bereich aufweist, und die becherförmige Bodenelektrode der Widerstands-CNT-Zellenstruktur ist leitend mit einem Silizidbereich gekoppelt, der auf dem dotierten Source-Bereich oder dem dotierte Drainbereich des Transistors ausgebildet ist.
In einigen Beispielen weist die obere Metallschicht eine Metall-1-Verbindungsschicht auf.
In einigen Beispielen weist die integrierte Schaltungsstruktur eine Durchkontaktierung auf, die in einer Durchkontaktierungsöffnung im dielektrischen Bereich ausgebildet ist, und die obere Metallschicht weist ein Verbindungselement in Kontakt mit der Durchkontaktierung auf.
In einigen Beispielen wird der dielektrische Bereich über einer unteren Metallverbindungsschicht ausgebildet und die obere Metallschicht weist eine obere Metallverbindungsschicht auf.
In einigen Beispielen weist die becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht eine Dicke im Bereich von 200 Å-500 Å auf.
In einigen Beispielen weist das konforme Metall Wolfram auf und die obere Elektrode weist Titan, Wolfram oder eine Kombination davon auf.
In einigen Beispielen ist eine laterale Breite der Wannenöffnung größer als eine vertikale Höhe der Wannenöffnung.
Ein weiterer Aspekt stellt eine integrierte Schaltungsstruktur einschließlich einer Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzelle bereit. Die Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzelle weist einen Transistor mit einem Gate, einem dotierten Source-Bereich und einem dotierten Drain-Bereich sowie ein Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement auf, das elektrisch mit dem Transistor gekoppelt ist. Das Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement weist eine becherförmige untere Elektrode, eine becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht, die in einer durch die becherförmige untere Elektrode definierten, inneren Öffnung ausgebildet ist, und eine obere Elektrode auf, die in einer durch die becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht definierten, inneren Öffnung ausgebildet ist.
In einigen Ausführungsformen ist die becherförmige untere Elektrode elektrisch mit einem Silizidbereich gekoppelt, der auf dem Source-Bereich oder dem Drain-Bereich des Transistors ausgebildet ist.
In einigen Ausführungsformen wird das Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement in einer gemeinsamen Durchkontaktierungsschicht mit zumindest einer Verbindungsdurchkontaktierung oder Kontaktdurchkontaktierung ausgebildet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielaspekte der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend in Verbindung mit den Figuren beschrieben, in denen:

1A ein Schaltplan einer beispielhaften CNT-Speicherzelle nach dem Stand der Technik ist und 1B einen strukturellen Querschnitt eines CNT-Speicherzellenelements der CNT-Speicherzelle aus 1A zeigt;
2A eine beispielhafte integrierte Schaltungsstruktur mit einem beispielhaften CNT-Speicherzellenelement und einer nahegelegenen Verbindungsstruktur zeigt, die zwischen zwei Metallverbindungsschichten ausgebildet ist, wobei sich das CNT-Speicherzellenelement in einem „Ein“-Zustand (niedriger Widerstand) befindet;
2B die beispielhafte integrierte Schaltungsstruktur aus 2A zeigt, wobei sich das CNT-Speicherzellenelement in einem „Aus“-Zustand (hoher Widerstand) befindet;
2C eine beispielhafte integrierte Schaltungsstruktur zeigt, die ein beispielhaftes CNT-Speicherzellenelement zwischen zwei Metallverbindungsschichten aufweist;
Die 3Abis 3G einen beispielhaften Prozess zum Ausbilden der in 2A gezeigten integrierten Schaltungsstruktur veranschaulichen, einschließlich des beispielhaften CNT-Speicherzellenelements und der Verbindungsstruktur;
4 eine beispielhafte integrierte Schaltungsstruktur einschließlich der beispielhaften CNT-Speicherzelle der 2A-2B zeigt, die auf einem MOSFET-Transistor ausgebildet ist, der eine CNT-Speicherzelle oder Komponenten einer CNT-Speicherzelle definieren kann; und
5 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Ausbilden eines beispielhaften CNT-Speicherzellenelements.

Es versteht sich, dass die Bezugsnummer für jedes dargestellte Element, das in mehreren unterschiedlichen Figuren erscheint, in den mehreren Figuren die gleiche Bedeutung aufweist und dass die Erwähnung oder Erörterung eines dargestellten Elements hierin im Kontext einer bestimmten Figur auch für jede andere Figur gilt, falls vorhanden, in der dasselbe abgebildete Element gezeigt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt CNT-Speicherzellenelemente und Verfahren zum Ausbilden von CNT-Speicherzellenelementen bereit. Ein CNT-Speicherzellenelement kann eine Komponente einer CNT-Speicherzelle aufweisen, z. B. in Kombination mit einem oder mehreren Transistoren, wie hierin besprochen. Ein CNT-Speicherzellenelement kann eine M/CNT/M-Struktur aufweisen, die zwischen einer unteren Metallschicht M_x und einer oberen Metallschicht M_x+1 ausgebildet ist. In einigen Beispielen kann die M/CNT/M-Struktur in einer gemeinsamen Durchgangsschicht mit Verbindungsdurchkontaktierungen oder Kontaktdurchkontaktierungen ausgebildet werden, z. B. durch Abscheidung von Wolfram oder einem anderen konformen Metall in entsprechenden Öffnungen in einem gemeinsamen dielektrischen Bereich. In einigen Beispielen kann das CNT-Speicherzellenelement ausgebildet werden, ohne dass Fotomaskenprozesse zu einem Hintergrundprozess zur Herstellung integrierter Schaltkreise hinzugefügt werden, z. B. zu einem typischen CMOS-Herstellungsprozess.
Wie hierin verwendet, kann eine „Metallschicht“, beispielsweise im Zusammenhang mit der unteren Metallschicht M_x und der oberen Metallschicht M_x+1, jedes Metall oder jede metallisierte Schicht oder Schichten aufweisen, einschließlich:

(a) eine Metallverbindungsschicht, z. B., die Kupfer, Aluminium oder ein anderes Metall aufweist, das durch einen Damascene-Prozess ausgebildet oder durch einen subtraktiven Strukturierungsprozess (z. B. Abscheidung, Strukturierung und Ätzen einer Metallschicht) abgeschieden wird, oder
(b) einen silizidierten aktiven Bereich, der eine Reihe silizidierter Strukturen aufweist (Strukturen mit einer darauf ausgebildeten Metallsilizidschicht), beispielsweise ein silizidierter Source-Bereich, ein Drain-Bereich oder ein Polysilizium-Gate eines MOSFET.

Beispielsweise kann ein CNT-Speicherzellenelement zwischen zwei benachbarten Metallverbindungsschichten M_x und M_x+1 in beliebiger Tiefe in einer integrierten Schaltungsstruktur aufgebaut werden.
Als weiteres Beispiel kann ein CNT-Speicherzellenelement über einem silizidierten aktiven Bereich aufgebaut werden, insbesondere auf einem Siliziumtransistor mit Metallsilizidschichten, die auf ausgewählten Transistorkomponenten ausgebildet sind, und unter einer ersten Metallverbindungsschicht (oft als Metall-1 bezeichnet); in einem solchen Beispiel definiert der silizidierte aktive Bereich die untere Metallschicht M_x, wobei x = 0 (d. h. M₀), und die erste Metallverbindungsschicht (Metall-1) definiert die obere Metallschicht M_x+1 (d. h. Mi). In einigen Beispielen können das CNT-Speicherzellenelement und der Transistor gemeinsam eine CNT-Speicherzelle definieren, z. B. eine 1T1C CNT-Speicherzelle, wobei die CNT-Speicherzelle als Kondensator betrachtet wird.
In einigen Beispielen kann das CNT-Speicherzellenelement, insbesondere die M/CNT/M-Struktur des CNT-Speicherzellenelements, gleichzeitig mit bestimmten Verbindungsstrukturen, z. B. Verbindungsdurchkontaktierungen, getrennt vom CNT-Speicherzellenelement, ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine becherförmige untere Elektrode des CNT-Speicherzellenelements gleichzeitig mit Verbindungsdurchkontaktierungen ausgebildet werden, indem eine konforme Metallschicht, z. B. Wolfram, in entsprechenden Öffnungen für die becherförmige untere Elektrode und die Verbindungsdurchgänge abgeschieden wird. Beispielsweise zeigen die 2A-2B, 3A-3G und 4 beispielhafte CNT-Speicherzellenelemente, die gleichzeitig mit der Verbindungsdurchkontaktierung ausgebildet werden.
In anderen Beispielen kann das CNT-Speicherzellenelement, insbesondere die M/CNT/M-Struktur des CNT-Speicherzellenelements, getrennt (nicht gleichzeitig) aus Verbindungsstrukturen, z. B. Verbindungsdurchkontaktierungen, ausgebildet werden. 2C zeigt beispielsweise ein CNT-Speicherzellenelement mit einer M/CNT/M-Struktur, die getrennt (nicht gleichzeitig) aus Verbindungsdurchkontaktierungen ausgebildet wird. Das in 4 gezeigte beispielhafte CNT-Speicherzellenelement kann in ähnlicher Weise getrennt (nicht gleichzeitig) aus Verbindungsstrukturen, z. B. Verbindungsdurchkontaktierungen, ausgebildet werden.
Wie unten unter Bezugnahme auf die 3A-3G besprochen, kann das CNT-Speicherzellenelement in einigen Beispielen ohne Hinzufügen von Maskenoperationen zum Hintergrundprozess der integrierten Schaltung hergestellt werden.
Die 2Aund 2B zeigen eine beispielhafte integrierte Schaltungsstruktur 200a, die ein beispielhaftes CNT-Speicherzellenelement 202 und eine Verbindungsstruktur 204 aufweist. Wie unten erläutert, zeigt 2A das beispielhafte CNT-Speicherzellenelement 202 in einem „Ein“-Zustand, der einen niedrigen Gesamtwiderstand aufweist (z. B. 100 kΩ), während 2B das CNT-Speicherzellenelement 202 in einem „Aus“-Zustand zeigt, der einen hohen Gesamtwiderstand (z. B. 1 MΩ) aufweist. Wie oben erwähnt, kann das beispielhafte CNT-Speicherzellenelement 202 eine Komponente einer CNT-Speicherzelle definieren.
Zunächst auf 2A Bezug nehmend, weist das CNT-Speicherzellenelement 202 eine dreidimensionale M/CNT/M-Struktur auf, die zwischen einer unteren Metallschicht M_x und einer oberen Schicht M_x+1 ausgebildet ist. In dem in 2A, 2B und 3A-3G gezeigten Beispiel sind die untere Metallschicht M_x und eine obere Schicht M_x+1 zwei benachbarte Metallverbindungsschichten, sodass das CNT-Speicherzellenelement 202 in einer Durchgangsschicht V_x zwischen den beiden benachbarten Metallverbindungsschichten M_x und M_x+1 ausgebildet wird. In anderen Beispielen, wie in der unten diskutierten 4 gezeigt, wird das CNT-Speicherzellenelement 202 in einer Durchgangsschicht V_x zwischen einem silizidierten aktiven Bereich (einschließlich eines oder mehrerer siliziumbasierter Transistoren einschließlich silizidierter Strukturen) M₀ und einer Metallverbindungsschicht M₁ (oft als Metal-1 bezeichnet) ausgebildet. Die Durchkontaktierungsschicht V kann verschiedene leitende Strukturen aufweisen, die in einem dielektrischen Bereich 208, z. B. einem Oxidbereich, ausgebildet sind. Der dielektrische Bereich 208 kann ein intermetallischer Dielektrikum- (IMD-) Bereich sein und kann der Einfachheit halber, ohne einschränkend zu sein, als IMD-Bereich 208 bezeichnet werden.
Die Verbindungsstruktur 204 kann ein unteres Verbindungselement 210 aufweisen, das in einer unteren Metallschicht M_x ausgebildet ist (wobei z. B. x = 0 für eine silizidierte aktive Schicht ist, wie oben erläutert), und ein oberes Verbindungselement 260, z. B. Metall-1-Schicht, ausgebildet in einer oberen Metallschicht M_x+1 und mit dem unteren Verbindungselement 210 durch zumindest eine Verbindungsdurchkontaktierung 214 verbunden, die in der Durchkontaktierungsschicht V_x durch Abscheiden eines konformen Metalls, z. B. Wolfram, Kobalt oder Aluminium, in jeweiligen Durchkontaktierungsöffnungen 215 ausgebildet wird. Das untere Verbindungselement 210 und das obere Verbindungselement 260 können einen Draht oder eine andere lateral verlängerte Struktur (z. B. in Richtung der y-Achse verlängert) oder ein diskretes Pad (z. B. mit einer quadratischen, kreisförmigen oder im Wesentlichen quadratischen oder kreisförmigen Form in der x-y-Ebene) oder jede andere geeignete Form und Struktur aufweisen.
Das CNT-Speicherzellenelement 202 weist eine Metall-CNT-Metall-Struktur (M/CNT/M) auf, die in einer Wannenöffnung 213 in der Durchkontaktierungsschicht V_x ausgebildet ist. Die M/CNT/M-Struktur des CNT-Speicherzellenelements 202 weist eine becherförmige untere Elektrode 220 auf, eine auf der becherförmigen unteren Elektrode 220 ausgebildete becherförmige CNT-Schicht 222 und eine obere Elektrode 224, die in einer durch die becherförmige CNT-Schicht 222 definierten inneren Öffnung ausgebildet ist. Die becherförmige untere Elektrode 220 weist (a) eine sich lateral erstreckende untere Elektrodenbasis 230 in Kontakt mit einem darunter liegenden Metallverbindungselement 233 auf und (b) mehrere vertikal verlaufende untere Elektrodenseitenwände 232 sich von der sich lateral erstreckenden unteren Elektrodenbasis 230 nach oben erstrecken. Das Metallverbindungselement 233 kann einen Draht oder eine andere lateral verlängerte Struktur (z. B. in Richtung der y-Achse verlängert) oder ein diskretes Pad (z. B. mit einer quadratischen, kreisförmigen oder im Wesentlichen quadratischen oder kreisförmigen Form in der x-y-Ebene) oder jede andere geeignete Form und Struktur aufweisen.
Wie weiter unten unter Bezugnahme auf die 3Aund 3B besprochen wird, kann die becherförmige untere Elektrode 220 gleichzeitig mit der Verbindungsdurchkontaktierung 214 ausgebildet werden, indem das konforme Metall, z. B. Wolfram, Kobalt oder Aluminium, in der Wannenöffnung 213 und der Durchkontaktierungsöffnung 215 in der Durchkontaktierungsschicht V_x abgeschieden wird. In einigen Beispielen wird eine Klebeschicht 238, die z. B. Titannitrid (TIN) aufweist, in der Wannenöffnung 213 und der Durchkontaktierungsöffnung 215 vor dem konformen Metall abgeschieden, um die Haftung zwischen dem konformen Metall und dem IMD-Bereich 208 zu verbessern.
In einem Beispiel kann die sich lateral erstreckende untere Elektrodenbasis 230 einen rechteckigen Umfang aufweisen (z. B. mit einer quadratischen oder nicht quadratischen rechteckigen Form), der von oben gesehen vier laterale Seiten definiert, wobei sich vier vertikal erstreckende untere Elektrodenseitenwände 232 von den vier Seiten des rechteckigen Umfangs nach oben erstrecken. Die becherförmige untere Elektrode 220 kann eine beliebige andere Anzahl von sich vertikal erstreckenden Seitenwänden 232 der unteren Elektrode aufweisen, die sich von der sich lateral erstreckenden unteren Elektrodenbasis 230 nach oben erstrecken.
Die sich lateral erstreckende Basis 230 der unteren Elektrode und die sich vertikal erstreckenden Seitenwände 232 der unteren Elektrode definieren eine innere Öffnung 236 der becherförmigen unteren Elektrode 220. Wie gezeigt, wird die becherförmige CNT-Schicht 222 in der inneren Öffnung 236 ausgebildet, die durch die becherförmige Bodenelektrode 220 definiert wird, und weist eine sich lateral erstreckende CNT-Schichtbasis 240 auf, die über der Bodenelektrodenbasis 230 ausgebildet ist, und mehrere vertikal verlaufende CNT-Schicht-Seitenwände 242 erstrecken sich von der sich lateral erstreckenden CNT-SchichtBasis 240 nach oben, wobei jede vertikal verlaufende CNT-Schicht-Seitenwand 242 (lateral angrenzend) auf einer entsprechenden vertikal verlaufenden Seitenwand 232 der unteren Elektrode ausgebildet ist.
Die sich lateral erstreckende CNT-Schichtbasis 240 und die sich vertikal erstreckenden CNT-Schichtseitenwände 242 definieren eine innere Öffnung 244, die durch die becherförmige CNT-Schicht 222 definiert ist. Die obere Elektrode 224 ist innerhalb der inneren Öffnung 244 ausgebildet, die durch die becherförmige CNT-Schicht 222 definiert wird und füllt die innere Öffnung 244, die durch die becherförmige CNT-Schicht 222 definiert ist. Die obere Elektrode 224 kann Titannitrid (TIN), Wolfram (W), Titan (Ti), Aluminium (Al), Titanwolfram (TiW), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Kupfer (Cu) oder eine Kombination davon aufweisen, z. B. eine Kombination aus TiN und W, eine Kombination aus TiN und Al oder eine Kombination aus TaN, Ta, Cu.
Eine dielektrische Barriereschicht 282, die nicht einschränkend ein dielektrisches Material wie etwa SiN oder SiC aufweisen kann, kann zu diesem Zweck über der oberen Elektrode 224, den vertikal verlaufenden Seitenwänden 242 der CNT-Schicht und den vertikal verlaufenden Seitenwänden 232 der unteren Elektrode ausgebildet werden, um dadurch die Oberseite des CNT-Speicherzellenelements 202 zu versiegeln. Die dielektrische Barriereschicht 282 kann sich auch über die Verbindungsdurchkontaktierung 214 erstrecken.
Die dielektrische Barriereschicht 282 kann vor der Ausbildung der oberen Metallschicht M_x+1 ausgebildet werden, um einen Ätzstopp für eine anschließende M_x+1-Grabenmetallätzung (zum Ausbilden des oberen Verbindungselements 260 und eines oberen Elektrodenkontakts 258) bereitzustellen.
Die obere Metallschicht (M_x+1), die über der Durchkontaktierungsschicht V_x (einschließlich Verbindungsdurchkontaktierung 214 und CNT-Speicherzellenelement 202) ausgebildet ist, weist einen oberen Elektrodenkontakt 258 in elektrischem Kontakt mit der oberen Elektrode 224 und ein oberes Verbindungselement 260 in elektrischem Kontakt mit der Verbindungsdurchkontaktierung 214 auf. In einigen Ausführungsformen weisen der obere Elektrodenkontakt 258 und das obere Verbindungselement 260 Damascene-Elemente auf, die durch einen Damascene-Prozess ausgebildet werden, z. B. unter Verwendung von Kupfer, Wolfram oder Aluminium. Beispielsweise können der obere Elektrodenkontakt 258 und das obere Verbindungselement 260 Kupfer-Damascene-Elemente aufweisen, die über einer Barriereschicht 259, z. B. einer TaN/Ta-Doppelschicht, ausgebildet sind.
Der obere Elektrodenkontakt 258 kann einen Draht oder eine andere lateral verlängerte Struktur (z. B. in Richtung der y-Achse verlängert) oder ein diskretes Pad (z. B. mit einer quadratischen, kreisförmigen oder im Wesentlichen quadratischen oder kreisförmigen Form in der x-y-Ebene) oder jede andere geeignete Form und Struktur aufweisen.
Somit kann gemäß dem oben beschriebenen beispielhaften Prozess das CNT-Speicherzellenelement 202, insbesondere die becherförmige untere Elektrode 220, gleichzeitig mit der Verbindungsstruktur 204, insbesondere der Durchkontaktierung 214, ausgebildet werden. Wie oben erwähnt, kann das CNT-Speicherzellenelement 202 in anderen Beispielen getrennt (nicht gleichzeitig) von der Verbindungsstruktur 204 ausgebildet werden (z. B. getrennt von der Durchkontaktierung 214).
Wie oben erwähnt, zeigt 2A das CNT-Speicherzellenelement 202 in einem „Ein“-Zustand. In diesem Zustand berührt eine ausreichende Menge der CNTs innerhalb der becherförmigen CNT-Schicht 222 einander, um einen niedrigen Gesamtwiderstand über die becherförmige CNT-Schicht 222 (und als Ergebnis von der oberen Elektrode 224 bis zur becherförmigen unteren Elektrode 220 oder umgekehrt) bereitzustellen, zum Beispiel 100 kΩ.
Im Gegensatz dazu zeigt 2B das beispielhafte CNT-Speicherzellenelement 202 in einem „Aus“-Zustand, wobei eine ausreichende Menge der CNTs innerhalb der becherförmigen CNT-Schicht 222 voneinander beabstandet sind, um einen hohen Gesamtwiderstand über die becherförmige CNT-Schicht 222 hinweg bereitzustellen, beispielsweise 1 MΩ. Während 2A die becherförmige CNT-Schicht 222 als feste Struktur darstellt, um anzuzeigen, dass die CNTs einander berühren (was einen Zustand mit niedrigem Widerstand bereitstellt), stellt 2B die becherförmige CNT-Schicht 222 mit Hohlräumen dar, um anzuzeigen, dass die CNTs voneinander beabstandet sind (was einen Zustand mit hohem Widerstand gewährleistet).
2C zeigt eine beispielhafte integrierte Schaltungsstruktur 200b einschließlich des beispielhaften CNT-Speicherzellenelements 202 (im „Ein“- oder Niedrigwiderstandszustand), wobei das CNT-Speicherzellenelement 202 getrennt (nicht gleichzeitig) aus Verbindungsdurchkontaktierungen ausgebildet wird. Die in den 3A-3G und 4 gezeigten beispielhaften CNT-Speicherzellenelemente 202 können in ähnlicher Weise getrennt (nicht gleichzeitig) aus Verbindungsstrukturen, z. B. Verbindungsdurchkontaktierungen, ausgebildet werden.
Die 3A bis 3G veranschaulichen einen beispielhaften Prozess zum Ausbilden der in den 2Aund 2B gezeigten integrierten Schaltungsstruktur 200a, einschließlich des beispielhaften CNT-Speicherzellenelements 202 und der beispielhaften Verbindungsstruktur 204. Fachleute werden erkennen, dass derselbe Prozess, ohne dass auf Verbindungsstruktur 204 Bezug genommen wird, verwendet werden kann, um die in 2C gezeigte integrierte Schaltungsstruktur 200b auszubilden, indem alle Schritte im Zusammenhang mit der Verbindungsstruktur 204 umgangen werden.
Zunächst wird, wie in 3A gezeigt, die eine Draufsicht (x-y-Ebene) und eine laterale Querschnittsdurchkontaktierung (x-z-Ebene) der auszubildenden integrierten Schaltungsstruktur 200a aufweist, ein IMD-Bereich 208, der z. B. ein Oxid aufweist, über einer unteren Metallschicht M_x einschließlich der unteren Verbindungselemente 210 und 233 ausgebildet. Die unteren Verbindungselemente 210 und 233 können Kupferelemente aufweisen, die durch einen Damascene-Prozess ausgebildet wurden. Jedes untere Verbindungselement 210 und 233 der unteren Metallschicht M_x kann einen Draht oder eine andere lateral verlängerte Struktur (z. B. in Richtung der y-Achse verlängert) oder ein diskretes Pad (z. B. mit einer quadratischen, kreisförmigen oder im Wesentlichen quadratischen Form oder Kreisform in der x-y-Ebene) oder jede andere geeignete Form und Struktur aufweisen.
Eine Fotolackschicht 302 kann abgeschieden und strukturiert werden, um Fotolacköffnungen auszubilden, und der darunter liegende IMD-Bereich 208 wird durch die Fotolacköffnungen geätzt, um eine Wannenöffnung 213 für das Ausbilden des CNT-Speicherzellenelements 202 und einer oder mehrerer Durchkontaktierungsöffnungen 215 im IMD-Bereich 208 auszubilden. Eine Durchkontaktierungsöffnung 215 ist in 3A dargestellt. Die Durchkontaktierungsöffnung 215 kann in der Draufsicht (x-y-Ebene) eine quadratische, kreisförmige oder andere geeignete Form mit einer Breite (oder einem Durchmesser oder einer kritischen Abmessung (CD)) W_via sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung im Bereich von beispielsweise 0,1-0,35 µm aufweisen.
Im Gegensatz dazu kann die Wannenöffnung 213 eine wesentlich größere Breite W_{tub_x} in der x-Richtung und/oder Breite W_{tub_y} in der y-Richtung aufweisen als die Durchkontaktierungsöffnung 215. Die Form und die Dimensionen der Wannenöffnung 213 kann basierend auf verschiedenen Parametern ausgewählt werden, z.B. für eine effektive Herstellung des CNT-Speicherzellenelements 202 und/oder für gewünschte Leistungsmerkmale des resultierenden CNT-Speicherzellenelements 202. In einem Beispiel kann die Wannenöffnung 213 in der x-y-Ebene eine quadratische oder rechteckige Form aufweisen. In anderen Beispielen kann die Wannenöffnung 213 in der x-y-Ebene eine kreisförmige oder ovale Form aufweisen.
Wie oben erwähnt, kann eine Breite der Wannenöffnung 213 in x-Richtung (W_{tub_x}), y-Richtung (W_{tb_y}) oder sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung (W_{tub_x} und W_{tub_y}) wesentlich größer sein als sowohl Breite W_via der Durchkontaktierungsöffnungen 215 in x-Richtung und Breite W_via der Durchkontaktierungsöffnungen 215 in y-Richtung. Beispielsweise ist in einigen Beispielen jede Breite von W_{tub_x} und W_{tub_y} der Wannenöffnung 213 zumindest doppelt so groß wie die Breite W_via der Durchkontaktierungsöffnungen 215. In bestimmten Beispielen beträgt jede Breite W_{tub_x} und W_{tub_y} der Wannenöffnung 213 zumindest fünf Mal, zumindest 10 Mal, zumindest 20 Mal oder zumindest 50 Mal der Breite W_via der Durchkontaktierungsöffnung 215. Jede Breite der Wannenöffnung 213 (W_{tub_x} und W_{tub_y}) kann ausreichend sein, um den Aufbau des CNT-Speicherzellenelements 202 innerhalb der Wannenöffnung 213 durch einen Damascene-Prozess zu ermöglichen, der beispielsweise den Aufbau einer becherförmigen unteren Elektrode 220, einer becherförmigen CNT-Schicht 222, die in der inneren Öffnung 236 der becherförmigen unteren Elektrode 220 ausgebildet wird, und einer oberen Elektrode 224 ausgebildet in der inneren Öffnung 244 der becherförmigen CNT-Schicht 222 ermöglicht. In einigen Beispielen liegen W_{tub_x} und W_{tub_y} jeweils im Bereich von 0,5-100 µm, beispielsweise im Bereich von 0,5-10 µm.
Darüber hinaus kann die Wannenöffnung 213 mit einem Seitenverhältnis von Höhe zu Breite von weniger als oder gleich 1 sowohl in der x-Richtung als auch in der y-Richtung ausgebildet werden, um z. B. ein wirksames Füllen der Wannenöffnung 213 durch konforme Materialien und eine CNT-Beschichtung 320 (unten besprochen) zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Wannenöffnung 213 mit Seitenverhältnissen H_tub/W_{tub_x} und H_tub/Wt_{ub_y} ausgebildet sein, die jeweils kleiner als 1 sind, beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 1. In einigen Beispielen sind die Seitenverhältnisse H_tub/W_{tub_x} und H_tub/W_{tub_y} jeweils kleiner als 0,5, beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 0,5, für eine wirksame Füllung der Wannenöffnung 213 durch relevante konforme Materialien (z. B. Wolfram, Kobalt oder Aluminium) und CNT-Beschichtung 320. In einigen Beispielen kann die Wannenöffnung 213 mit Seitenverhältnissen H_tub/W_{tub_x} und H_tub/W_{tub_y} jeweils kleiner als 0,2, beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 0,2, oder jeweils kleiner als 0,1 ausgebildet werden.
Als nächstes wird, wie in 3B gezeigt, die Fotolackschicht 302 entfernt und eine Klebeschicht 238, z. B. bestehend aus TiN, über dem IMD-Bereich 208 abgeschieden und erstreckt sich nach unten in die Wannenöffnung 213 und in die Durchkontaktierungsöffnung 215. Die Klebeschicht 238 kann mithilfe eines reaktiven physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (PVD) oder eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (CVD) abgeschieden werden. In einigen Beispielen kann die Klebeschicht 238 eine Dicke im Bereich von 50-500 Å aufweisen.
Dann wird eine konforme Metallschicht 312 über der Klebeschicht 238 abgeschieden und erstreckt sich nach unten in die Wannenöffnung 213 und in die Durchkontaktierungsöffnung 215. Wie gezeigt, füllt die abgeschiedene konforme Metallschicht 312 (a) die Durchkontaktierungsöffnung 215 aus, um die Durchkontaktierung 214 auszubilden und (b) bedeckt die Innenflächen der Wannenöffnung 213, um die becherförmige untere Elektrode 220 auszubilden, die die innere Öffnung 236 der becherförmigen unteren Elektrode 220 definiert. Wie oben besprochen, weist die becherförmige untere Elektrode 220 mehrere (in diesem Beispiel vier) vertikal verlaufende Seitenwände 232 der unteren Elektrode auf, die sich von der sich lateral erstreckenden Becherbasis 230 der unteren Elektrode nach oben erstrecken und eine innere Öffnung 236 der becherförmigen unteren Elektrode 220 definieren. In einem Beispiel weist die konforme Metallschicht 312 Wolfram abgeschieden mit einer Dicke von 1000 Å bis 5000 Å auf. In anderen Beispielen kann die konforme Metallschicht 312 Kobalt, Aluminium oder ein anderes konformes Metall aufweisen. Die konforme Metallschicht 312 kann durch einen konformen chemischen Gasphasenabscheidungsprozess (CVD) oder einen anderen geeigneten Abscheidungsprozess abgeschieden werden. Die Klebeschicht 238 kann die Haftung der konformen Metallschicht 312 an den Innenflächen der Wannenöffnung 213, einschließlich der vertikalen Seitenwandflächen der Wannenöffnung 213, erhöhen oder verstärken, um das Ausbilden der becherförmigen Bodenelektrode 220 zu erleichtern.
Als nächstes wird, wie in 3C gezeigt, eine CNT-Beschichtung 320 über der konformen Metallschicht 312 abgeschieden oder ausgebildet und erstreckt sich nach unten in die innere Öffnung 236, die durch die becherförmige Bodenelektrode 220 definiert wird, um die becherförmige CNT-Schicht 222 mit einer inneren Öffnung 244 zu definieren. In einigen Beispielen weist die CNT-Beschichtung 320 eine Dicke im Bereich von 200-500 Å auf. In einigen Beispielen wird die CNT-Beschichtung 320 durch einen Prozess mit mehreren Durchgängen ausgebildet, beispielsweise 8 Durchgänge mit 38 Å/Durchgang für einen 300 Å dicken CNT-Film auf 200-mm-Wafern.
Als nächstes kann, wie in 3D gezeigt, eine obere Elektrodenschicht 330 über der CNT-Beschichtung 320 abgeschieden werden und sich nach unten in die innere Öffnung 244 erstrecken, die durch die becherförmige CNT-Schicht 222 definiert wird, um die obere Elektrode 224 auszubilden. Die obere Elektrodenschicht 330 kann Titannitrid (TiN), Wolfram (W), Titan (Ti), Aluminium (Al), Titanwolfram (TiW), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Kupfer (Cu) oder eine Kombination davon aufweisen, z. B. eine Kombination aus TiN und W, eine Kombination aus TiN und Al oder eine Kombination aus TaN, Ta, Cu. Die obere Elektrodenschicht 330 kann durch einen PVD-Prozess und mit einer ausreichenden Dicke abgeschieden werden, um die durch die becherförmige CNT-Schicht 222 definierte innere Öffnung 244 zu füllen.
Als nächstes kann, wie in 3E gezeigt, ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess (CMP) durchgeführt werden, um Teile der konformen Metallschicht 312, der CNT-Beschichtung 320 und der oberen Elektrodenschicht 330 außerhalb der Wannenöffnung 213 zu entfernen und über die Öffnung 215 miteinander zu verbinden, so dass nur die Abschnitte der becherförmigen unteren Elektrode 220, der becherförmigen CNT-Schicht 222 und der oberen Elektrode 224 in der Wannenöffnung 213 verbleiben. Der CMP-Prozess planarisiert effektiv die oberen Oberflächen der becherförmigen unteren Elektrode 220, der becherförmigen CNT-Schicht 222, der oberen Elektrode 224, der Durchkontaktierung 214 und des umgebenden IMD-Bereichs 208.
Die becherförmige untere Elektrode 220, die becherförmige CNT-Schicht 222 und die obere Elektrode 224 definieren gemeinsam das CNT-Speicherzellenelement 202. Gemäß dem oben beschriebenen Prozess wird das CNT-Speicherzellenelement 202 somit durch einen Damascene-Prozess ausgebildet einschließlich (a) Abscheiden der konformen Metallschicht 312, der CNT-Beschichtung 320 und der oberen Elektrodenschicht 330 über dem IMD-Bereich 208 und bis in die Wannenöffnung 213 reichend, und (b) eines CMP-Prozesses zum Entfernen der Teile der konformen Metallschicht 312, CNT-Beschichtung 320 und oberer Elektrodenschicht 330 außerhalb (oberhalb) der Wannenöffnung 213. Der CMP-Prozess eignet sich für die CNT-Beschichtung und für eine Vielzahl von Elektrodenmaterialien, darunter beispielsweise W, TiN, Ti, Al, TiW, und Cu, ohne Einschränkung.
Das Ausbilden des CNT-Speicherzellenelements 202 unter Verwendung eines solchen Damascene-Prozesses - hier als „Damascene-Integration“ bezeichnet - ermöglicht das Ausbilden des CNT-Speicherzellenelements 202 ohne jegliche Strukturierungs- und Ätzprozesse über die Ätzung der Durchkontaktierungsschicht hinaus, um die Wannenöffnung 213 und die Durchkontaktierungsöffnung 215 (siehe auszubilden, was keinen Strukturierungs- und Ätzprozess zum Herstellungsprozess der Hintergrundintegration hinzufügt (der eine Durchkontaktierungsschichtätzung zum Ausbilden von Durchkontaktierungsöffnungen aufweist). Der offenbarte Prozess kann im Vergleich zu anderen Prozessen zum Ausbilden einer CNT-Speicherstruktur vorteilhaft sein, die zusätzliche Fotolackmuster und Ätzprozesse erfordern. Da bei der Damascene-Integration kein Fotolack erforderlich ist, ist kein Aschen erforderlich, wodurch eine Beschädigung der CNT-Schicht vermieden wird.
Als nächstes kann, wie in 3F gezeigt, eine dielektrische Barriereschicht 282 auf der integrierten Schaltungsstruktur 200a abgeschieden werden. In einigen Beispielen kann die dielektrische Barriereschicht 282 ein dielektrisches Material wie etwa Siliziumnitrid (SiN) oder Siliziumkarbid (SiC) mit einer Dicke im Bereich von 300-1000 Å, beispielsweise im Bereich von 400-600 Å, aufweisen. Die dielektrische Barriereschicht 282 kann das CNT-Speicherzellenelement 202 abdichten. Darüber hinaus fungiert die dielektrische Barriereschicht 282 in einigen Beispielen auch als Ätzstoppschicht für eine Damascene-Grabenätzung (z. B. Cu-Grabenätzung) während der Ausbildung darüber liegender Metallstrukturen, wie unten besprochen.
Als nächstes wird, wie in 3G gezeigt, die obere Metallschicht M_x+1, einschließlich des oberen Elektrodenkontakts 258 und des oberen Verbindungselements 260, über der Durchkontaktierungsschicht V_x einschließlich Durchkontaktierung 214 und CNT-Speicherzellenelement 202 ausgebildet, z. B. durch ein Damascene-Verfahren. In einem Beispiel weist die obere Metallschicht M_x+1 eine Kupferverbindungsschicht auf, die durch einen Kupfer-Damascene-Prozess ausgebildet wird.
Um die obere Metallschicht M_x+1 auszubilden, wird zunächst eine dielektrische Schicht 262 über der dielektrischen Barriereschicht 282 abgeschieden. In einigen Beispielen kann die dielektrische Schicht 262 Siliziumoxid, FSG (Fluorsilikatglas), OSG (Organosilikatglas) oder poröses OSG usw. aufweisen. Die dielektrische Schicht 262 kann strukturiert und geätzt werden, um eine Kontaktöffnung 350 für die obere Elektrode über der oberen Elektrode 224 und eine Verbindungsöffnung 352 (z. B. Grabenöffnung) über der Durchkontaktierung 214 auszubilden, wobei die Ätzung durch die dielektrische Barriereschicht 282 durch die obere Elektrodenkontaktöffnung 350 und Verbindungsöffnung 352 erfolgt. Eine Barriereschicht (z. B. eine TaN/Ta-Doppelschicht), angezeigt bei 259, und eine Kupferkeimschicht können über der dielektrischen Schicht 262 abgeschieden werden und sich nach unten in die geätzte obere Elektrodenkontaktöffnung 350 und die Verbindungsöffnung 352 erstrecken. Anschließend kann ein Kupferplattierungsprozess durchgeführt werden, der die Kontaktöffnung 350 der oberen Elektrode und die Verbindungsöffnung 352 mit Kupfer füllt. Es kann ein Kupferglühen durchgeführt werden, gefolgt von einem Kupfer-CMP-Prozess, um Teile des Kupfers über den Öffnungen 350 und 352 der dielektrischen Schicht zu entfernen, wodurch der obere Elektrodenkontakt 258 in elektrischem Kontakt mit der oberen Elektrode 224 und das obere Verbindungselement 260 in elektrischem Kontakt mit der Durchkontaktierung 214 definiert werden.
Nach dem Ausbilden der oberen Metallschicht M_x+1, wie oben besprochen, kann der Prozess mit dem Aufbau zusätzlicher Verbindungsstrukturen fortfahren, z. B. durch den Aufbau zusätzlicher Metallschichten, die durch entsprechende dielektrische Schichten getrennt sind.
4 zeigt eine beispielhafte integrierte Schaltungsstruktur 400 mit einem beispielhaften CNT-Speicherzellenelement 202 und einer Verbindungsstruktur 404. Im Gegensatz zu dem in den 2Aund 2B gezeigten Beispiel, in dem das CNT-Speicherzellenelement 202 zwischen zwei benachbarten Metallverbindungsschichten M_x und M_x+1 ausgebildet ist, wird das CNT-Speicherzellenelement 202 in dem in 4 gezeigten Beispiel zwischen (a) einem silizidierten aktiven Bereich M₀ (d. h. M_x mit x=0) ausgebildet, der silizidierte Strukturen eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) 406 aufweist und (b) einer ersten Metallverbindungsschicht M₁ (d. h. M_x+1 mit x=0), oft als Metall-1 bezeichnet.
In einigen Beispielen können das CNT-Speicherzellenelement 202 und der MOSFET 406 gemeinsam eine CNT-Speicherzelle definieren, z. B. eine 1T1C-Speicherzelle, wobei das CNT-Speicherzellenelement 202 als Kondensator betrachtet wird.
Wie in 4 gezeigt, weist der silizidierte aktive Bereich M₀ einen MOSFET 406 auf, der auf einem Siliziumsubstrat 408 ausgebildet ist. Der MOSFET 406 kann ein Polysilizium-Gate 410 aufweisen, das über dem Siliziumsubstrat 408 ausgebildet und durch eine Gate-Oxidschicht 412 und eine dotierte Quelle getrennt ist. In diesem Beispiel weisen das Polysilizium-Gate 410 und der dotierte Drain-Bereich 416 silizidierte Strukturen 420 auf. Insbesondere wird eine Metallsilizidschicht 424 auf einer oberen Oberfläche des Polysilizium-Gates 410 ausgebildet und eine Metallsilizidschicht 426 wird auf einer oberen Oberfläche des dotierten Drainbereichs 416 ausgebildet. Die Metallsilizidschichten 424 und 426 können jede geeignete Metallsilizidschicht aufweisen, beispielsweise Titansilizid (TiSi2), Kobaltsilizid (CoSi2), oder Nickelsilizid (NiSi) mit einer Dicke im Bereich von 100-300 Å oder einer anderen geeigneten Dicke. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung definieren die Metallsilizidschichten 424 und 426 Metallstrukturen, sodass der silizidierte aktive Bereich M0 als Metallschicht betrachtet werden kann.
In dem in 4 gezeigten Beispiel wird das CNT-Speicherzellenelement 202 auf der Metallsilizidschicht 426 über dem dotierten Drain-Bereich 416 ausgebildet, um eine leitende Verbindung zwischen dem CNT-Speicherzellenelement 202 und dem dotierten Drain-Bereich 416 bereitzustellen. Das CNT-Speicherzellenelement 202 wird von oben durch den oberen Elektrodenkontakt 258 kontaktiert, wie oben erläutert. Darüber hinaus wird die Durchkontaktierung 214 (auch als Kontaktdurchkontaktierung bezeichnet) auf der Metallsilizidschicht 424 oben auf dem Polysilizium-Gate 410 ausgebildet, um eine leitende Verbindung zwischen dem Polysilizium-Gate 410 und dem oberen Verbindungselement 260 bereitzustellen. Der obere Elektrodenkontakt 258 und das obere Verbindungselement 260 weisen Metallelemente auf, die in der ersten Metallverbindungsschicht M₁ ausgebildet werden, z. B. durch einen Damascene-Prozess. Das Obige wurde in einem Beispiel beschrieben, in dem das beispielhafte CNT-Speicherzellenelement 202 auf der Metallsilizidschicht 426 über dem dotierten Drain-Bereich 416 ausgebildet wird, es versteht sich, dass das CNT-Speicherzellenelement 202 in anderen Beispielen auf einer Metallsilizidschicht über dem dotierten Source-Bereich 414 ausgebildet werden kann.
5 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zum Ausbilden des oben diskutierten beispielhaften CNT-Speicherzellenelements 202. Bei 502 wird ein dielektrischer Bereich ausgebildet, z. B. die dielektrische Region 208, über einer Metallverbindungsschicht M_x(zum Beispiel wie in den 2A-2C gezeigt) oder über einer silizidierten aktiven Region M₀(zum Beispiel wie in 4 gezeigt). Bei 504 wird/werden eine Wannenöffnung (und optional eine oder mehrere Durchkontaktierungsöffnungen) im dielektrischen Bereich von 502 (z. B. Wannenöffnung 213 und optionale Durchkontaktierungsöffnung 215) ausgebildet.
Bei 506 wird ein konformes Füllmetall (z. B. Wolfram, Kobalt oder Aluminium) in der Wannenöffnung von 504 und optional in den Durchkontaktierungsöffnungen von 504 (z. B. Füllmetall 312) abgeschieden. Bei 508 wird eine CNT-Schicht abgeschieden, z. B. unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses mit mehreren Durchgängen, um eine CNT-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 200-500 Ä auszubilden. Die CNT-Schicht kann die CNT-Schicht 320 sein. Bei 510 wird eine obere Elektrodenschicht (z. B. Wolfram, Titan oder eine Kombination davon) über der CNT-Schicht von 508 abgeschieden (z. B. wird die obere Elektrodenschicht 320 über der CNT-Schicht 320 abgeschieden).
Bei 512 wird ein CMP-Prozess durchgeführt, um Teile der konformen Metallschicht, der CNT-Beschichtung und der oberen Elektrodenschicht außerhalb der Wannenöffnung (und optionaler Durchkontaktierungsöffnungen) zu entfernen, wobei die verbleibenden Teile der konformen Metallschicht, der CNT-Beschichtung und der Oberseite entfernt werden. Die Elektrodenschicht in der Wannenöffnung definiert das CNT-Speicherzellenelement. Beispielsweise definiert der verbleibende Teil der konformen Metallschicht 312 die becherförmige untere Elektrode 220, der verbleibende Teil der CNT-Beschichtung 320 definiert die becherförmige CNT-Schicht 222 und der verbleibende Teil der oberen Elektrodenschicht 330 bildet die obere Elektrode 224 aus. Darüber hinaus definiert der verbleibende Teil der konformen Metallschicht 312 in jeder (optionalen) Durchkontaktierungsöffnung 215 nach dem CMP-Prozess eine entsprechende Durchkontaktierung 214.
Bei 514 wird eine dielektrische Barriereschicht (z. B. bestehend aus Siliziumoxid, FSG, OSG oder porösem OSG, z. B. dielektrische Barriereschicht 282) über dem CNT-Speicherzellenelement (und über den optionalen Durchkontaktierungen) abgeschieden. Bei 516 wird eine obere Metallschicht M_x+1 (z. B. Kupfer oder Aluminium) ausgebildet, einschließlich eines oberen Elektrodenkontakts (z. B. des oberen Elektrodenkontakts 258) und optional eines oberen Verbindungselements über jeder Durchkontaktierung, z. B. oberes Verbindungselement 260 über jeder Durchkontaktierung 214.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/208928 [0001]

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer integrierten Schaltungsstruktur, die ein Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden einer Wannenöffnung in einem dielektrischen Bereich; Ausbilden einer becherförmigen Bodenelektrode in der Wannenöffnung; Ausbilden einer becherförmigen Kohlenstoffnanoröhrenschicht in einer inneren Öffnung, die durch die becherförmige Bodenelektrode definiert wird; Ausbilden einer oberen Elektrode in einem Innenvolumen, das durch die becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht definiert wird; und Ausbilden einer oberen Metallschicht über dem dielektrischen Bereich, wobei die obere Metallschicht einen oberen Elektrodenkontakt in elektrischem Kontakt mit der oberen Elektrode aufweist; wobei die becherförmige untere Elektrode, die becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht und die obere Elektrode das Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement definieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement durch einen Damascene-Prozess ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement ohne Hinzufügung von Fotomaskenprozessen zu einem Hintergrundprozess zur Herstellung integrierter Schaltkreise ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das vor dem Ausbilden der oberen Metallschicht über dem dielektrischen Bereich aufweist: Planarisieren einer oberen Oberfläche des Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelements; und Aufbringen einer dielektrischen Barriereschicht, um das planarisierte Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement abzudecken.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: das Ausbilden der oberen Metallschicht über dem dielektrischen Bereich das Ätzen einer oberen dielektrischen Schicht aufweist, um eine Kontaktöffnung für die obere Elektrode zum Ausbilden des oberen Elektrodenkontakts auszubilden; und die dielektrische Barriereschicht während des Ätzens als Ätzstopp wirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das aufweist: gleichzeitiges Ausbilden der Wannenöffnung und einer Durchkontaktierungsöffnung im dielektrischen Bereich; und Abscheiden eines konformen Metalls, um gleichzeitig die becherförmige Bodenelektrode in der Wannenöffnung und eine Durchkontaktierung in der Durchkontaktierungsöffnung auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ausbilden der oberen Metallschicht über dem dielektrischen Bereich das gleichzeitige Ausbilden des oberen Elektrodenkontakts in elektrischem Kontakt mit der oberen Elektrode und eines oberen Verbindungselements in Kontakt mit der Durchkontaktierung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei das konforme Metall Wolfram aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die obere Elektrode Titan, Wolfram oder eine Kombination davon aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Ausbilden der becherförmigen Kohlenstoffnanoröhrenschicht einen Beschichtungsprozess mit mehreren Durchgängen aufweist.
Integrierte Schaltungsstruktur, die aufweist: einen dielektrischen Bereich, der eine Wannenöffnung aufweist; ein Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement, das in der Wannenöffnung ausgebildet ist und aufweist: eine becherförmige Bodenelektrode; eine becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht; und eine obere Elektrode; und eine obere Metallschicht über dem dielektrischen Bereich und mit einem oberen Elektrodenkontakt in elektrischem Kontakt mit der oberen Elektrode.
Integrierte Schaltungsstruktur nach Anspruch 11, wobei: der dielektrische Bereich eine Wannenöffnung aufweist; das Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement in der Wannenöffnung ausgebildet ist; und die integrierte Schaltungsstruktur weiterhin eine obere Metallschicht über dem dielektrischen Bereich aufweist und einen oberen Elektrodenkontakt in elektrischem Kontakt mit der oberen Elektrode aufweist.
Integrierte Schaltungsstruktur nach Anspruch 12, wobei: der dielektrische Bereich über einer unteren Metallschicht einschließlich eines unteren Verbindungselements ausgebildet ist; und das Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement leitend zwischen dem unteren Verbindungselement in der unteren Metallschicht und dem oberen Elektrodenkontakt in der oberen Metallschicht verbunden ist.
Integrierte Schaltungsstruktur nach Anspruch 13, wobei die obere Metallschicht eine Metall-1-Verbindungsschicht aufweist.
Integrierte Schaltungsstruktur nach einem der Ansprüche 12 bis 14, die eine Durchkontaktierung aufweist, die in einer Durchkontaktierungsöffnung im dielektrischen Bereich ausgebildet ist; und wobei die obere Metallschicht ein Verbindungselement in Kontakt mit der Durchkontaktierung aufweist.
Integrierte Schaltungsstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei: der dielektrische Bereich über einer unteren Metallverbindungsschicht ausgebildet ist; und die obere Metallschicht eine obere Metallverbindungsschicht aufweist.
Integrierte Schaltungsstruktur nach Anspruch 11, wobei: die becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht in einer inneren Öffnung ausgebildet ist, die durch die becherförmige Bodenelektrode definiert ist; und die obere Elektrode in einer inneren Öffnung ausgebildet ist, die durch die becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht definiert ist.
Integrierte Schaltungsstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die becherförmige Kohlenstoffnanoröhrenschicht eine Dicke im Bereich von 200 Ä - 500 Ä aufweist.
Integrierte Schaltungsstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei: die becherförmige untere Elektrode Wolfram aufweist; und die obere Elektrode Titan, Wolfram oder einer Kombination aus Titan und Wolfram aufweist.
Integrierte Schaltungsstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei eine laterale Breite der Wannenöffnung größer ist als eine vertikale Höhe der Wannenöffnung.
Integrierte Schaltungsstruktur nach Anspruch 20, wobei das Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelement in einer gemeinsamen Durchkontaktierungsschicht mit zumindest einer Verbindungsdurchkontaktierung oder Kontaktdurchkontaktierung ausgebildet ist.
Integrierte Schaltungsstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 21, wobei: der dielektrische Bereich über einem Transistor ausgebildet ist, der einen dotierten Source-Bereich und einen dotierten Drain-Bereich aufweist; die becherförmige untere Elektrode des Kohlenstoffnanoröhren-Speicherzellenelements leitend mit einem Silizidbereich verbunden ist, der auf dem Source-Bereich oder auf dem Drain-Bereich des Transistors ausgebildet ist.
Integrierte Schaltungsstruktur, die durch eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10 ausgebildet ist.