DE60312040T2 - Elektrische vorrichtung mit phasenwechselmaterial und parallelheizung - Google Patents

Elektrische vorrichtung mit phasenwechselmaterial und parallelheizung Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit einem Körper, der ein Widerstandselement umfasst, welches ein Phasenwechselmaterial enthält, das zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase umwandelbar ist, wobei das Widerstandselement einen ersten elektrischen Widerstand aufweist, wenn das Phasenwechselmaterial in der ersten Phase vorliegt, und es einen zweiten elektrischen Widerstand aufweist, der sich von dem ersten elektrischen Widerstand unterscheidet, wenn das Phasenwechselmaterial in der zweiten Phase vorliegt, und mit einem Heizelement, das fähig ist, einen elektrischen Strom zu leiten, um einen Phasenübergang von der ersten Phase zur zweiten Phase ermöglichen.
  • In US-5,933,365 wird eine Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung offenbart, die ein Widerstandselement umfasst, welches ein Phasenwechselmaterial enthält, das in einer ersten, z.B. kristallinen Phase und einer zweiten, z.B. amorphen Phase vorliegen kann. Das Widerstandselement mit dem Phasenwechselmaterial in der ersten Phase und das Widerstandselement mit dem Phasenwechselmaterial in der zweiten Phase weisen unterschiedliche Werte des elektrischen Widerstandes auf. Die erste Phase und/oder die zweite Phase können teilweise amorph und teilweise kristallin sein. Nachfolgend werden die Begriffe "kristallin" und "amorph" verwendet, um eine kristalline oder eine hauptsächlich kristalline Phase bzw. eine amorphe oder eine hauptsächlich amorphe Phase zu kennzeichnen.
  • Das Widerstandselement ist derart elektrisch mit einem ersten Leiter und einem zweiten Leiter verbunden, dass der Wert des elektrischen Widerstandes gemessen werden kann. Das Widerstandselement, der erste Leiter und der zweite Leiter sind geeignet, einen Strom zu leiten, welcher über das Aufheizen Übergänge des Phasenwechselmaterials zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase ermöglicht. Es wird angenommen, dass für einen Übergang von einer Phase mit einer verhältnismäßig guten Leitfähigkeit, wie z.B. einer kristallinen Phase oder einer hauptsächlich kristallinen Phase, in eine Phase mit einer verhältnismäßig schlechten Leitfähigkeit, wie z.B. einer amorphen Phase oder einer hauptsächlich amorphen Phase, ein Aufheizen durch einen ausreichend starken Strom das Phasenwechselmaterial schmilzt. Das Aufheizen hört auf, wenn der Strom abgeschaltet wird. Das Phasenwechselmaterial kühlt sich dann ab und nimmt eine stärker amorphe Ordnung an.
  • Wenn ein Übergang von einer Phase mit einer verhältnismäßig geringen elektrischen Leitfähigkeit in eine Phase mit einer verhältnismäßig hohen elektrischen Leitfähigkeit herbeigeführt wird, wird das Aufheizen zu Beginn durch die schlechte Leitfähigkeit, welche den durch das Phasenwechselmaterial geleiteten Strom begrenzt, beeinträchtigt. Es wird angenommen, dass es durch Anlegen einer ausreichend hohen Spannung über dem Widerstandselement, d.h. einer Spannung, die höher ist als eine sogenannte Schwellenspannung, möglich ist, lokal eine elektrischen Durchbruch in dem Phasenwechselmaterial herbeizuführen, der zu einer hohen lokalen Stromdichte führt. Die zugehörige Aufheizung reicht dann aus, um die Temperatur des Phasenwechselmaterials über seine Kristallisationstemperatur zu steigern, wodurch der Phasenübergang von der amorphen Phase zur kristallinen Phase ermöglicht wird.
  • In der bekannten elektrischen Vorrichtung wird das Aufheizen mindestens teilweise durch eine oder mehrere Heizschichten erreicht. Die Heizschichten sind Dünnfilmstrukturen, die angrenzend an das Phasenwechselmaterial abgeschieden sind. Sie sind ein Teil des ersten Leiters bzw. des zweiten Leiters. Die eine oder mehreren Heizschichten sind elektrisch in Reihe mit dem Widerstandselement verbunden, und sie heizen das Widerstandselement durch das Joulesche Aufheizen auf, wenn sie einen elektrischen Strom leiten. Sie sind ausgelegt, die Energie herabzusetzen, die zum Erzeugen eines Überganges zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase benötigt wird.
  • Die bekannte elektrische Vorrichtung ist eine elektrisch beschreibbare und löschbare Speicherzelle, welche eine Information trägt, die im Wert des elektrischen Widerstandes verschlüsselt ist. Der Speicherzelle wird z.B. eine „"0" zugewiesen, wenn der Widerstand verhältnismäßig gering ist, und ihr wird eine "1" zugewiesen, wenn der Widerstand verhältnismäßig hoch ist. Der Widerstand kann einfach gemessen werden, indem über dem Widerstandselement eine Spannung angelegt und der zugehörige Strom gemessen wird. Das Widerstandselement wird durch Einleiten eines Überganges von einer ersten Phase in eine zweite Phase beschrieben und gelöscht, wie oben beschrieben wurde.
  • Es ist ein Nachteil der bekannten elektrischen Vorrichtung, dass sich die elektrische Vorrichtung verschlechtert, wenn sie wiederholt zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase geschaltet wird, d.h. die Lebensdauer, die auch als Lebenserwartung oder Haltbarkeit bezeichnet wird, der elektrischen Vorrichtung ist begrenzt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Vorrichtung zu schaffen, wie sie in dem einleitenden Satz beschrieben ist, die eine verhältnismäßig gute Haltbarkeit aufweist.
  • Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen festgelegt. Die abhängigen Ansprüche legen vorteilhafte Ausführungsformen fest.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Heizelement mit dem Widerstandselement parallel angeordnet und elektrisch angeschlossen wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Haltbarkeit der bekannten elektrischen Vorrichtung begrenzt ist, weil der Schaltvorgang einen elektrischen Durchbruch erfordert, der durch eine Spannung eingeleitet wird, die größer als die Schwellenspannung ist. Ein wiederholtes Einleiten eines elektrischen Durchbruchs erzeugt insbesondere an der Grenzfläche zwischen dem Phasenwechselmaterial und der Heizschicht eine Verschlechterung des Phasenwechselmaterials.
  • In der erfindungsgemäßen elektrischen Vorrichtung ist das Joulesche Aufheizen durch das Heizelement selbst dann effektiv, wenn das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase ist, weil das Heizelement parallel zu dem Widerstandselement angeordnet ist. Wenn das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase ist, führt eine Spannung, die an das Widerstandselement angelegt wird, zu einem Strom, der mindestens teilweise durch das Heizelement fließt, wodurch ein effektives Aufheizen des Phasenwechselmaterials erreicht wird, ohne dass ein elektrischer Durchbruch erforderlich ist. Dieses Aufheizen fördert den Phasenübergang, wodurch die Haltbarkeit der elektrischen Vorrichtung verbessert wird.
  • In einer Ausführungsform weist das Heizelement einen elektrischen Heizelementwiderstand RH auf, der kleiner ist als der erste elektrische Widerstand und der zweite elektrische Widerstand, d.h. der insbesondere kleiner ist als der elektrische Widerstand RR,A des Widerstandselements mit dem Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase. Folglich fließt der Strom hauptsächlich durch das Heizelement, wenn das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase ist. Es ist vorteilhaft, wenn der elektrische Heizelementwiderstand RH um einen Faktor zehn oder mehr kleiner ist als der elektrische Widerstand RR ,A. Wenn das Einleiten des Phasenüberganges über den Strom durch die elektrische Vorrichtung gesteuert wird, dann gilt das Folgende: je kleiner der elektrische Heizelementwiderstand RH bezüglich des elektrischen Widerstandes RR,A ist, desto höher ist der Strom, der durch das Heizelement fließt, und desto größer ist die entsprechende Joulesche Aufheizung. Wenn das Einleiten des Phasenüberganges durch die Spannung über dem Widerstandselement gesteuert wird, dann hat das parallele Heizelement den Vorteil, dass eine niedrigere Spannung verwendet werden kann. Je kleiner der elektrische Heizelementwiderstand RH bezüglich des elektrischen Widerstandes RR,A ist, desto kleiner ist die erforderliche Spannung über dem Heizelement und dem Widerstandselement. Bei einer niedrigeren Spannung wird die Joulesche Aufheizung, die für das Einleiten des Phasenüberganges erforderlich ist, dann durch einen höheren Strom durch das Heizelement erreicht. Das hat besondere Vorteile, wenn die elektrische Vorrichtung in einen hochentwickelten IC-Prozess integriert ist, in welchem die Spannung verhältnismäßig gering ist. Gleichzeitig wird der elektrische Strom durch das Phasenwechselmaterial verringert, wodurch die Elektromigration in dem Phasenwechselmaterial verringert wird, was so zu einer verbesserten Haltbarkeit führt.
  • In der im vorigen Abschnitt beschriebenen Ausführungsform wird ein Phasenübergang ohne einen elektrischen Durchbruch im Phasenwechselmaterial eingeleitet. Ein wiederholtes Schalten eines Phasenwechselmaterials durch einen elektrischen Durchbruch verschlechtert die elektrische Vorrichtung insbesondere für die Phasenwechselmaterialien, die verhältnismäßig reaktive Atome, wie z.B. Te, enthalten. Deshalb weist eine elektrische Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, in welcher der elektrische Durchbruch vermieden wird, eine verbesserte Haltbarkeit auf.
  • Ein weiterer Nachteil, der mit dem Schalten durch einen elektrischen Durchbruch verbunden ist, besteht darin, dass der elektrische Durchbruch ein statistischer Prozess ist. Somit ist der Wert der Durchbruchsspannung auch ein statistischer Parameter, der von der Temperatur und der Zeit abhängen kann, die seit dem letzten Schalten vergangen ist. Um ein zuverlässiges Schalten zu gewährleisten, muss in der bekannten elektrischen Vorrichtung eine Spannung weit oberhalb der mittleren Schwellenspannung angelegt werden. Die mit CMOS-Vorrichtungen verfügbaren Spannungen nehmen jedoch mit einer Abnahme der Abmessungen der CMOS-Vorrichtung ab. Somit sollten zukünftige elektrische Vorrichtungen zuverlässig bei verhältnismäßig geringen Spannungen betrieben werden. In der elektrischen Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist ein elektrischer Durchbruch nicht erforderlich, und eine Spannung unterhalb der Schwellenspannung ist ausreichend, um einen Phasenübergang einzuleiten.
  • Ein bevorzugter unterer Grenzwert für den elektrischen Heizelementwiderstand RH ist, dass er größer als das 0,3-fache des Minimums aus dem ersten elektrischen Widerstand und dem zweiten elektrischen Widerstand, d.h. größer als das 0,3-fache des elektrischen Widerstandes RR,C des Widerstandselements mit dem Phasenwechselelement in der kristallinen Phase ist. Eine elektrische Vorrichtung, welche diese Forderung erfüllt, hat den Vorteil, dass die Änderung des Widerstandes zuverlässig messbar ist.
  • In der erfindungsgemäßen elektrischen Vorrichtung sind das Widerstandselement und das Heizelement parallelgeschaltet. Der elektrische Gesamtwiderstand RT dieser beiden Elemente ist dann durch RT = RR·RH/(RR + RH) gegeben. Der elektrische Widerstand des Widerstandselements RR hängt von der Phase des Phasenwechselmaterials ab, wohingegen der elektrische Heizelementwiderstand RH unabhängig von der Phase des Phasenwechselmaterials ist. In dem Falle, dass der elektrische Heizelementwiderstand RH viel kleiner als der elektrische Widerstand RR,A ist, ist der elektrische Gesamtwiderstand RT,A mit dem Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase ungefähr gleich RH.
  • Wird durch RH = k·RR,C ein Skalierungsfaktor definiert, dann ist der elektrische Gesamtwiderstand RT ,C mit dem Phasenwechselmaterial in der kristallinen Phase RT ,C = RR ,C·k/(k + 1). Die Änderung des Gesamtwiderstandes ist gleich ΔRT = RT ,A – RT ,C ≈ RH – RT ,C = (k – k/(k + 1))·RR,C = RR,C·k2/(k + 1). In dieser Näherung ist die relative Änderung des Gesamtwiderstandes gleich ΔRT/RT ,C = k. Je kleiner die relative Änderung des Gesamtwiderstandes ist, desto schwerer ist es, sie zuverlässig zu messen. Eine kleinere Änderung des Gesamtwiderstandes erfordert normalerweise eine kompliziertere Nachweisschaltung und/oder eine längere Messzeit. Die Erfinder haben ermittelt, dass eine relative Änderung von 0,3, d.h. von 30 %, oder mehr verhältnismäßig leicht in einer relativ kurzen Zeit messbar ist.
  • Vorzugsweise sollte der Skalierungsfaktor zwischen 1 und 4 liegen, d.h. 1 ≤ k ≤ 4, weil dann der Nachweis der Änderung des Gesamtwiderstandes ΔRT verhältnismäßig robust ist, während gleichzeitig die Joulesche Aufheizung durch das Heizelement verhältnismäßig effektiv ist.
  • Es ist vorteilhaft, wenn das Heizelement und das Widerstandselement in einem direkten Kontakt stehen, weil dann die Joulesche Aufheizung durch das Heizelement besonders effektiv ist.
  • In einer Ausführungsform bildet das Phasenwechselmaterial einen leitfähigen Pfad zwischen einer ersten Kontaktfläche und einer zweiten Kontaktfläche aus, wobei ein Querschnitt des leitfähigen Pfades kleiner als die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche ist. Hier definiert der Begriff "Kontaktfläche" die Fläche, in der das Phasenwechselmaterial elektrisch mit einem elektrischen Leiter, wie z.B. dem ersten Leiter oder dem zweiten Leiter, verbunden ist, der aus einem anderen Material als das Phasenwechselmaterial zusammengesetzt ist. In der bekannten Vorrichtung ist das Phasenwechselmaterial in einem Durchlass angeordnet. Die Kontaktfläche und der Querschnitt des leitfähigen Pfades sind beide gleich dem Querschnitt des Durchlasses, d.h. die Kontaktfläche ist gleich dem Querschnitt des leitfähigen Pfades. In der bekannten Vorrichtung läuft der Phasenwechsel in einem Volumen des Phasenwechselmaterials ab, welches diese Kontaktfläche umfasst. An der Grenzfläche, d.h. an dieser Kontaktfläche, erzeugen wiederholte Phasenwechsel und die entsprechenden hohen Stromdichten eine Verschlechterung des Materials, welche zu einer Verschlechterung der elektrischen Vorrichtung führt, insbesondere wenn das Phasenwechselmaterial verhältnismäßig viele reaktive Atome, wie z.B. Te, enthält. In der elektrischen Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist der minimale Querschnitt des leitfähigen Pfades gänzlich innerhalb des Phasenwechselmaterials und – anders als in der bekannten elektrischen Vorrichtung – nicht identisch mit der Kontaktfläche. Die Stromdichte ist dann innerhalb des Phasenwechselmaterials am höchsten, und deshalb ist die Joulesche Aufheizung innerhalb des Phasenwechselmaterials effektiver. Das verringert die Wechselwirkungen zwischen dem Phasenwechselmaterial und den anderen Materialien an der Grenzfläche, d.h. an der ersten Kontaktfläche und/oder der zweiten Kontaktfläche, was zu einer verbesserten Haltbarkeit führt.
  • In einer Ausführungsform bildet ein Teil des leitfähigen Pfades, der diesen Querschnitt aufweist, ein Volumen des Phasenwechselmaterials aus, wobei das Volumen einen elektrischen Widerstand aufweist, der größer ist als ein elektrischer Kontaktwiderstand an der ersten Kontaktfläche und/oder an der zweiten Kontaktfläche, unabhängig davon, ob das Phasenwechselmaterial in der ersten Phase oder der zweiten Phase ist. In einer derartigen elektrischen Vorrichtung ist die Joulesche Aufheizung an der ersten Kontaktfläche und/oder der zweiten Kontaktfläche kleiner als die Joulesche Aufheizung innerhalb des Volumens des Phasenwechselmaterials, wo die Stromdichte hoch ist. Das setzt die Wechselwirkungen zwischen dem Phasenwechselmaterial und den anderen Materialien an der ersten Kontaktfläche und/oder der zweiten Kontaktfläche weiter herab, was zu einer verbesserten Haltbarkeit führt. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die elektrische Leistung vorwiegend an der Stelle, wo der Phasenwechsel stattfindet, dissipiert, d.h. in Wärme umgewandelt wird. Durch Verringerung der Dissipation an den Stellen, wo kein Phasenwechsel stattfindet, wird die gesamte elektrische Leistung, die zum Einleiten des Phasenüberganges benötigt wird, verringert.
  • Vorzugsweise ist der elektrische Widerstand des Volumens größer als der elektrische Kontaktwiderstand sowohl an der ersten Kontaktfläche als auch an der zweiten Kontaktfläche, unabhängig davon, ob das Phasenwechselmaterial in der ersten Phase oder der zweiten Phase ist. In diesem Falle ist es sicher, dass der Phasenübergang in dem Volumen stattfindet, welches im Inneren des Phasenwechselmaterials ist.
  • Vorzugsweise sind die Kontaktwiderstände an der ersten Kontaktfläche und an der zweiten Kontaktfläche kleiner als 10-7 V cm2/A, weil dann die Dissipation an der ersten Kontaktfläche und an der zweiten Kontaktfläche verhältnismäßig klein ist.
  • In einer Ausführungsform hat das Heizelementmaterial eine Zusammensetzung X100– (1+s)SisYt, wobei t und s Atomprozente bezeichnen, die t < 0,7 und s + t > 0,3 genügen, und X ein oder mehrere Elemente umfasst, die aus Ti und Ta ausgewählt sind, und Y ein oder mehrere Elemente umfasst, die aus C und N ausgewählt sind. Vorzugsweise ist X im Wesentlichen frei von Ti, weil Ta mit dem Phasenwechselmaterial weniger reaktiv ist als Ti. Vorzugsweise ist s kleiner als oder gleich 0,7, weil sonst die Leitfähigkeit des Parallelheizers verhältnismäßig niedrig ist, was einen verhältnismäßig großen Parallelheizer erfordert. Wenn das Phasenwechselmaterial Ge enthält, dann wird das Mischen von Ge und Si eingeschränkt, wenn s kleiner als oder gleich 0,7 ist. Es ist ferner vorteilhaft, wenn Y das N enthält, weil das Heizelementmaterial gewöhnlich eine polykristalline Struktur aufweist, welche durch die Stickstoffatome stabilisiert wird, d.h. die polykristalline Struktur wird in einem verhältnismäßig geringen Umfange verändert, wenn das Phasenwechselmaterial erhitzt wird.
  • In einer Ausführungsform bildet das Widerstandselement ein Speicherelement, und der Körper weist eine Anordnung von Speicherzellen auf, wobei jede Speicherzelle ein zugehöriges Speicherelement und eine zugehörige Auswahlvorrichtung umfasst, und er weist ein Netz von Auswahlleitungen auf, wobei auf jede Speicherzelle einzeln über die zugehörigen Auswahlleitungen, die mit der zugehörigen Auswahlvorrichtung verbunden sind, zugegriffen werden kann. Die Auswahlvorrichtung kann einen Bipolartran sistor oder eine Diode, wie z.B. eine pn-Diode, enthalten. Eine derartige elektrische Vorrichtung ist eine Direktzugriffsspeicher(RAM)-Vorrichtung, die als eine nicht-flüchtige Speichervorrichtung geeignet ist.
  • In einer bevorzugten Abänderung dieser Ausführungsform enthält die Auswahlvorrichtung einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der einen Source-Bereich, einen Drain-Bereich und einen Gate-Bereich aufweist, und das Netz von Auswahlleitungen weist N erste Auswahlleitungen, M zweite Auswahlleitungen, wobei N und M ganze Zahlen sind, sowie eine Ausgangsleitung auf, wobei das Widerstandselement eines jeden Speicherelements einen ersten Bereich, der aus dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich des zugehörigen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors ausgewählt ist, elektrisch mit der Ausgangsleitung verbindet, ein zweiter Bereich des entsprechenden Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors, der aus dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich ausgewählt ist und frei von einem Kontakt mit dem ersten Bereich ist, elektrisch mit einem der N ersten Auswahlleitungen verbunden ist und der Gate-Bereich mit einem der M zweiten Auswahlleitungen elektrisch verbunden ist. In einer derartigen Speichervorrichtung werden die Speicherelemente durch einen MOSFET ausgewählt, der eine verhältnismäßig hohe Arbeitsgeschwindigkeit und ein verhältnismäßig geringe Betriebsspannung erlaubt.
  • In US 2002/0039310 A1 wird ein Verfahren offenbart, die Leistungsfähigkeit einer Thermistorvorrichtung zu erhöhen. Das Gerät enthält einen Kontakt auf einem Substrat, ein dielektrisches Material, das auf dem Kontakt aufliegt, und ein Phasenwechselelement, das auf dem dielektrischen Material aufliegt. Ein Heizelement ist in dem dielektrischen Element angeordnet und an den Kontakt sowie das Phasenwechselelement gekoppelt. Durch Verwenden des dielektrischen Materials, das eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist, kann die Energie, die zum Modifizieren des Phasenwechsels eines Teils des Elementes eingesetzt wird, auf die Umgebung des Phasenwechselelements konzentriert werden, statt dass sie über das dielektrische Material hinweg verteilt wird. Das Phasenwechselelement ist elektrisch in Reihe mit dem Heizelement verbunden.
  • Diese und andere Aspekte der erfindungsgemäßen elektrischen Vorrichtung werden weiter erläutert und beschrieben mit Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein Querschnitt einer Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung ist,
  • 2 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung in einer ersten Fertigungsstufe ist,
  • 3 ein Querschnitt der vorgefertigten elektrischen Vorrichtung von 2 längs der Linie III-III ist,
  • 4 eine Draufsicht der weiteren Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung in einer zweiten Fertigungsstufe ist,
  • 5 ein Querschnitt der vorgefertigten elektrischen Vorrichtung von 4 längs der Linie V-V ist,
  • 6 eine Draufsicht der weiteren Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung in einer dritten Fertigungsstufe ist,
  • 7 ein Querschnitt der vorgefertigten elektrischen Vorrichtung in einer vierten Stufe längs der Linie VII-VII von 6 ist,
  • 8 und 9 Draufsichten der weiteren Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung in einer fünften bzw. einer sechsten Fertigungsstufe sind, und
  • 10 eine grafische Darstellung der Kristallisationsgeschwindigkeit als eine Funktion des Sb/Te-Verhältnisses ist.
  • Die Figuren sind nicht maßstabsgerecht dargestellt.
  • Die in 1 gezeigte elektrische Vorrichtung 1 weist einen Körper 2 auf, der ein Substrat 10 umfasst, welches z.B. einen p-dotierten Einkristall-Siliziumhalbleiterwafer enthalten kann. Auf einer Hauptfläche des Substrats 10 ist ein Widerstandselement 7 in ein Dielektrikum 13, z.B. Siliziumoxid, eingebettet. Das Widerstandselement 7 wird gebildet aus einem Phasenwechselmaterial, das zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase umwandelbar ist. Das Widerstandselement 7 weist einen ersten elektrischen Widerstand auf, wenn das Phasenwechselmaterial in der ersten Phase ist, und es weist einen zweiten elektrischen Widerstand auf, der sich von dem ersten elektrischen Widerstand unterscheidet, wenn das Phasenwechselmaterial in der zweiten Phase ist.
  • In einer Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial eine Verbindung der Formel Sb1-cMc, mit c entsprechend 0,05 ≤ c ≤ 0,61, und wobei M eines oder mehrere Elemente darstellt, die aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ausgewählt sind. Eine elektrische Vorrichtung mit einem Phasenwechselmaterial dieser Zusammensetzung wird in der nicht vorveröffentlichten Europäischen Patentanmeldung mit der Nummer 03100583.8 (PHNL030259) beschrieben, deren Priorität durch diese Anmeldung beansprucht wird.
  • Vorzugsweise erfüllt c 0,05 ≤ c ≤ 0,5. Es ist sogar noch stärker vorzuziehen, dass c 0,10 ≤ c ≤ 0,5 erfüllt. Eine Gruppe vorteilhafter Phasenwechselmaterialien weist ein oder mehrere Elemente M außer Ge und Ga in Konzentrationen auf, die in Summe kleiner als 25 Atomprozent sind, und/oder es sind in Summe weniger als 30 Atomprozent Ge und/oder Ga enthalten. Phasenwechselmaterialien, die mehr als 20 Atomprozent Ge und Ga und ein oder mehrere aus In und Sn ausgewählte Elemente in Konzentrationen enthalten, welche in Summe zwischen 5 und 20 Atomprozent liegen, weisen eine verhältnismäßig hohe Kristallisationsgeschwindigkeit und gleichzeitig eine verhältnismäßig hohe Stabilität der amorphen Phase auf.
  • In einer Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial eine Verbindung der Formel SbaTebX100-(a+b), wobei a, b und 100-(a+b) Atomprozente bezeichnen, welche 1 ≤ a/b ≤ 8 und 4 ≤ 100 – (a+b) ≤ 22 genügen, und X eines oder mehrere der Elemente ist, die aus Ge, In, Ag, Ga und Zn ausgewählt sind. Das Phasenwechselmaterial kann z.B. Sb72Te20Ge8 sein.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial eine Verbindung der Formel (TeaGebSb100-(a+b))cTM100-c, wobei die Indizes Atomprozente sind, a unter 70 Prozent, b über 5 Prozent und unter 50 Prozent, c zwischen 90 und 99,99 Prozent liegt und TM ein oder mehrere Übergangsmetallelemente bezeichnet. Alternativ wird das Übergangsmetall weggelassen, und das Phasenwechselmaterial ist eine Verbindung der Formel TeaGebSb100-(a+b), wobei die Indizes Atomprozente sind, a unter 70 Prozent und b über 5 Prozent und unter 50 Prozent liegt, wie z.B. Ge2Sb2Te5. Andere Beispiele des Phasenwechselmaterials sind Te81Ge15S2As2 und Te81Ge15S2Sb2.
  • Das Phasenwechselmaterial kann durch Sputtern abgeschieden werden, wie in dem Beitrag "Phase-change media for high-numerical-aperture and blue-wavelength recording" von H.J. Borg u.a., Japanese Journal of Applied Physics, Band 40, S. 1592 – 1597, 2001, beschrieben ist.
  • Der Körper 2 weist ferner ein Heizelement 6 auf, das in der Lage ist, einen Strom zu leiten, um einen Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase zu ermöglichen. Das Heizelement 6 ist parallel zu dem Widerstandselement 7 angeordnet. In der Ausführungsform von 1 verbinden das Widerstandselement 7 und das Heizelement 6 eine erste Kontaktfläche 5 und eine zweite Kontaktfläche 9.
  • Das Heizelement 6 wird gebildet aus einem Heizelementmaterial mit einem Schmelzpunkt, der höher ist als der des Phasenwechselmaterials. Der Schmelzpunkt des Heizelementmaterials ist vorzugsweise mindestens 100 Grad Celsius, stärker vorzugsweise mindestens 250 Grad Celsius höher als der des Phasenwechselmaterials. Vorzugsweise reagiert das Heizelementmaterial nicht mit dem Phasenwechselmaterial. Vorzugsweise liegt der spezifische Widerstand im Bereich von 0,1 bis 10 cm mV/A. Wenn das Phasenwechselmaterial aus der Klasse der TeaGebSb100-(a+b) ausgewählt ist, wobei die Indizes Atomprozente sind, a unter 70 Prozent und b über 5 Prozent und unter 50 Prozent liegt, dann weist das Phasenwechselmaterial einen spezifischen Widerstand von 1 bis 4 cm mV/A auf, z.B. 2 cm mV/A, auf, und der spezifische Widerstand des Heizelementmaterials liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 20 cm mV/A. Wenn das Phasenwechselmaterial aus der Klasse der Sb1-cMc ausgewählt ist, mit c entsprechend 0,05 ≤ c ≤ 0,61 und mit M als einem oder mehreren Elementen, die aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ausgewählt sind, dann weist das Phasenwechselmaterial einen spezifischen Widerstand von ungefähr 0,2 bis 0,8 cm mV/A auf, und der spezifische Widerstand des Heizelements liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und 4 cm mV/A.
  • In dieser Ausführungsform hat das Heizelementmaterial eine Zusammensetzung X100-(t-s)SisYt, wobei t und s Atomprozente sind, die t < 0,7 und s + t > 0,3 genügen, und X ein oder mehrere Elemente umfasst, die aus Ti und Ta ausgewählt sind, und Y ein oder mehrere Elemente umfasst, die aus C und N ausgewählt sind. Vorzugsweise ist X weitgehend frei von Ti, weil Ta weniger reaktiv mit dem Phasenwechselmaterial als Ti ist. Vorzugsweise ist s kleiner als oder gleich 0,7, weil sonst die Leitfähigkeit des Parallelheizers verhältnismäßig gering ist, was einen verhältnismäßig großen Parallelheizer erfordert. Wenn das Phasenwechselmaterial Ge enthält, dann ist das Mischen von Ge und Si eingeschränkt, wenn s kleiner als oder gleich 0,7 ist. Es ist ferner vorteilhaft, wenn Y das N enthält, weil das Heizelementmaterial gewöhnlich eine polykristalline Struktur aufweist, welche durch die Stickstoffatome stabilisiert wird, d.h. die polykristalline Struktur wird in einem verhältnismäßig geringen Umfange verändert, wenn das Phasenwechselmaterial erhitzt wird. Beispiele für diese Klasse von Heizelementmaterialien sind TaSiN, Ta20Si40N40, TiSiN oder Ta70Si40C40. Alternativ kann das Heizelementmaterial aus TiN, TaSi2, TaNx, wobei x 0,3 < x < 0,7 genügt, TiAlN, TiC, TiWC oder z.B. p-dotiertem polykristallinem Silizium zusammengesetzt sein.
  • Der Körper 2 weist ferner einen ersten Leiter 3 aus z.B. Tantaldisilizid (TaSi2), der elektrisch mit einer ersten Kontaktfläche 5 verbunden ist, und einen zweiten Leiter 4 aus Titannitrid (TiN) auf, der elektrisch mit einer zweiten Kontaktfläche 9 verbunden ist. In Volumina, die verhältnismäßig weit von der ersten Kontaktfläche 5 und der zweiten Kontaktfläche 9 entfernt sind, können der erste Leiter 3 und der zweite Leiter 4 ein Material enthalten, das eine verhältnismäßig gute elektrische Leitfähigkeit aufweist, wie z.B. Wolfram, Aluminium oder Kupfer, um die elektrische Leitfähigkeit des ersten Leiters 3 und des zweiten Leiters 4 zu erhöhen. Der erste Leiter 3 und der zweite Leiter 4 weisen Kontaktbacken 11 bzw. 12 auf, die ein Leiten eines Stromes durch den ersten Leiter 3, den zweiten Leiter 4, das Widerstandselement 7 und das Heizelement 6 für das Aufheizen des Phasenwechselmaterials erlauben, um einen Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase zu ermöglichen.
  • In der Ausführungsform, die im Querschnitt in 1 dargestellt ist, ist das Widerstandselement 7 an der Innenfläche eines Kontaktlochs im Dielektrikum 13 angeordnet. Das Kontaktloch kann eine zylindrische Form mit einem Durchmesser d zwischen 25 und 250 nm und einer Höhe h zwischen 25 und 300 nm aufweisen. Das Phasenwechselmaterial kann durch Sputtern abgeschieden werden, wie in dem Beitrag "Phasechange media for high-numerical-aperture and blue-wavelength recording" von H.J. Borg u.a., Japanese Journal of Applied Physics, Band 40, S. 1592 – 1597, 2001, beschrieben ist. Vorzugsweise weist das Phasenwechselmaterial eine Schichtdicke LT von 3 bis 25 nm auf. Das Heizelement 6 wird an der inneren Fläche des Kontaktlochs angeordnet, nachdem das Kontaktloch mit dem Phasenwechselmaterial versehen wurde. Vorzugsweise weist das Heizelementmaterial des Heizelements 6 eine Schichtdicke MT von 3 bis 15 nm auf. In der in 1 gezeigten Ausführungsform stehen das Heizelement 6 und das Widerstandselement 7 in direktem Kontakt.
  • In einer Ausführungsform weist das Kontaktloch einen Durchmesser d von 40 nm und eine Höhe h von 50 nm auf, die Schicht des Phasenwechselmaterials hat die Zusammensetzung Ge2Sb2Te5 und weist eine Schichtdicke LT von 5 nm auf, das Heizelement 6 hat die Zusammensetzung Ta20Si40N40 und weist eine Schichtdicke MT von 5 nm auf. Es ist im Inneren des Kontaktlochs angeordnet, wie in 1 gezeigt ist. Das Heizelement 6 weist einen elektrischen Heizelementwiderstand von ungefähr 1400 Ohm auf. In der kristallinen Phase bzw. in der amorphen Phase weist dieses Widerstandselement 6 einen ersten elektrischen Widerstand von ungefähr 1600 Ohm bzw. einen zweiten elektrischen Widerstand auf, der größer als 100 kOhm ist. Somit ist der elektrische Heizelementwiderstand kleiner als das Maximum aus dem ersten elektrischen Widerstand und dem zweiten elektrischen Widerstand und größer als das 0,3-fache des Minimums aus dem ersten elektrischen Widerstand und dem zweiten elektrischen Widerstand.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die geometrischen Abmessungen des Kontaktloches, des Phasenwechselmaterials und des Heizelements dieselben, aber das Heizelement 6 hat die Zusammensetzung Ta40Si50N10. Der elektrische Heizelementwiderstand ist dann ungefähr 160 Ohm und somit kleiner als das 0,3-fache des Minimums des ersten elektrischen Widerstandes und des zweiten elektrischen Widerstandes.
  • In einer alternativen Ausführungsform werden das Widerstandselement 7 und das Heizelement 6 ausgetauscht, d.h. das Heizelement ist an der Innenfläche des Kontaktloches vorgesehen, und folglich ist das Widerstandselement 7 oben auf dem Heizelement 6 vorgesehen. In einer weiteren Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist das Heizelement 6 vom Widerstandselement 7 durch eine Zwischenschicht getrennt, welche z.B. Siliziumdioxid enthalten kann. Die Zwischenschicht kann ein Isolator oder ein elektrischer Leiter sein. Es ist vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht, welche die Phasenwechselschicht von der parallelen Heizschicht trennt, ein Isolator ist, weil auf diesem Wege verhindert wird, dass sich die Aufteilung des Stromes zwischen der Phasenwechselschicht und dem parallelen Heizer längs des Strompfades verändert. Im Ergebnis kann ein gleichförmiger Übergang des Phasenwechsels entlang des Strompfades erhalten werden. Die Zwischenschicht kann ein Vermischen des Phasenwechselmaterials mit dem Material des elektrischen Heizers vermindern und vorzugsweise verhindern. Vorzugsweise ist die Dicke der Zwischenschicht klein genug, dass sie keinen bedeutenden Einfluss auf das Aufheizvermögen des parallelen Heizers hat. Vorzugsweise ist die Dicke der Zwischenschicht, d.h. der Abstand zwischen dem Heizelement und dem Widerstandselement, kleiner als 5 nm. Vorzugsweise liegt die Dicke zwischen 1 und 3 nm. Die Zwischenschicht kann aus Zinksulfidquarz (ZnS-SiO2) und/oder Siliziumnitrid bestehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung 100, die in den 2–9 in verschiedenen Stufen des Fertigungsprozesses dargestellt ist, bildet das Widerstandselement ein Speicherelement 170 aus, und der Körper 102 weist ein Halbleitersubstrat 101 auf, welches z.B. einen p-dotierten Einkristall-Halbleiterwafer und eine Anordnung von Speicherzellen umfassen kann, wobei jede Speicherzelle ein zugehöriges Speicherelement 170 und eine zugehörige Auswahlvorrichtung 171 aufweist. In der Ausführungsform, die in den 2–9 dargestellt ist, weist die elektrische Vorrichtung 100 eine 3 × 3-Anordnung auf, aber die Erfindung ist weder auf eine Anordnung dieser Größe noch auf eine Anordnung dieser Form beschränkt. Der Körper 102 weist ferner ein Netz von Auswahlleitungen 120, 121 derart auf, dass auf jede Speicherzelle einzeln über die zugehörigen Auswahlleitungen 120, 121 zugegriffen werden kann, die mit der zugehörigen Auswahlvorrichtung 171 verbunden sind.
  • In der Ausführungsform, die in den 2–9 dargestellt ist, enthält die Auswahlvorrichtung 171 einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und insbesondere einen NMOS-Transistor. Der MOSFET weist n-dotierte Source-Bereiche 172, n-dotierte Drain-Bereiche 173 und Gate-Bereiche 174 auf. Die Source-Bereiche 172 und die Drain-Bereiche 173 können mehr als einen Anteil von n-dotiertem Material umfassen, nämlich einen schwach dotierten n-Anteil und einen stärker dotierten n+-Anteil. Der n-dotierte Source-Bereich 172 und der Drain-Bereich 173 sind durch einen Kanalbereich voneinander getrennt. Der Gate-Bereich 174, der über dem Kanalbereich ausgebildet ist, steuert den Stromfluss vom Source-Bereich 172 zum Drain-Bereich 173 durch den Kanalbereich. Der Gate-Bereich 174 enthält vorzugsweise eine Schicht aus polykristallinem Silizium. Der Gate-Bereich 174 ist vom Kanalbereich durch eine dielektrische Gate-Schicht abgetrennt.
  • Das Netz der Auswahlleitungen 120, 121 weist N = 3 erste Auswahlleitungen 120 und M = 3 zweite Auswahlleitungen 121 sowie eine Ausgangsleitung auf. Das Widerstandselement 107 eines jeden Speicherelements verbindet einen ersten Bereich, der aus dem Source-Bereich 172 und dem Drain-Bereich 173 des zugehörigen MOSFET ausgewählt ist, elektrisch mit der Ausgangsleitung. Ein zweiter Bereich des zugehörigen MOSFET, der aus dem Source-Bereich 172 und dem Drain-Bereich 173 ausgewählt ist und frei von einem Kontakt mit dem ersten Bereich ist, ist elektrisch mit einer der N ersten Auswahlleitungen 120 verbunden Der Gate-Bereich 174 ist elektrisch mit einer der M zweiten Auswahlleitungen 121 verbunden. In der Ausführungsform, die in den 2–9 dargestellt ist, ist der erste Bereich der Source-Bereich 172 und der zweite Bereich der Drain-Bereich 173. In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) ist der erste Bereich der Drain-Bereich 173 und der zweite Bereich der Source-Bereich 172. Die Auswahlleitungen 120, 121 sind mit Zeilenauswahlvorrichtungen bzw. Reihenauswahlvorrichtungen verbunden. Diese letzteren Auswahlvorrichtungen sind nicht dargestellt.
  • Der Gate-Bereich 174 und der Drain-Bereich 173 sind mit Schichten aus Wolframsilizid und Wolframstiften 122 versehen, um den Gate-Bereich 174 und den Drainbereich 173 an die Auswahlleitungen 121 bzw. 120 anzuschließen. Die Auswahl leitungen 120 und 121 sind aus einem leitfähigen Material, wie z.B. Aluminium oder Kupfer, ausgebildet. Der Source-Bereich 172 ist ebenfalls mit einer Schicht aus Wolframsilizid und einem Wolframstift versehen.
  • Im Fertigungsprozess der elektrischen Vorrichtung 100 werden die erste Anordnung von Auswahlvorrichtungen 171 und das Netz der Auswahlleitungen 120, 121 z.B. unter Verwendung der standardmäßigen IC-Technologie ausgebildet. Der eine Anschluss einer jeden Auswahlvorrichtung 171, in der Ausführungsform der 2–9 der Source-Bereich 172, ist mit einem elektrischen Leiter 124, wie z.B. einem Wolframstift, versehen. Die Auswahlvorrichtung 171, die Auswahlleitungen 120, 121 und der elektrische Leiter 124 sind beiderseits voneinander durch ein dielektrisches Material 123, z.B. Siliziumdioxid, isoliert und derart darin eingebettet, dass der elektrische Leiter 124 frei liegt, wie in den 2 und 3 gezeigt ist. Vorzugsweise wird die Fläche, die den freiliegenden elektrischen Leiter 124 einschließt, durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) poliert, um eine glatte und ebene Fläche zu erhalten.
  • In einem nachfolgenden Schritt wird diese Fläche mit einer Schicht 109 aus eine dielektrischen Material, wie z.B. Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, versehen. In der Schicht 109 werden Öffnungen 108, z.B. mit Hilfe der Lithografie, derart ausgebildet, dass die elektrischen Leiter 124 und Teile des Dielektrikums 123, das an die elektrischen Leiter 124 angrenzt, frei liegen, wie in 5 dargestellt ist. Anschließend werden die Schicht 109 und die Öffnungen 108 der vorgefertigten elektrischen Vorrichtung 100, die so erhalten wurde, mit einer Schicht 107 eines Phasenwechselmaterials versehen, wie in 5 dargestellt ist. Das Phasenwechselmaterial kann ein beliebiges der Phasenwechselmaterialien enthalten, aus denen das Widerstandselement 7 der oben beschriebenen elektrischen Vorrichtung 1 besteht. Die Dicke LT der Schicht 107, die normalerweise 5 – 50 nm, vorzugsweise ungefähr 15 nm ist, legt die Breite des minimalen Querschnitts des Phasenwechselmaterials fest, wie nachfolgend beschrieben wird. Auf der Schicht 107 kann eine Schicht 110 aus leitfähigem Material, z.B. TiN, abgeschieden werden. Die Schicht 110 wird verwendet, um den elektrischen Widerstand zwischen dem elektrischen Leiter 124 und dem Teil des Leiters 107, der den Phasenwechsel durchläuft, zu verringern. In einer weiteren Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist die Schicht 110 weggelassen.
  • Auf der Schicht 107 oder auf der gegebenenfalls vorhandenen Schicht 110 werden Masken 111 und 112 z.B. durch Lithografie oder Elektronenstrahl-Schreiben ausgebildet. Jede der Masken 111 deckt Teile der Schicht 107 und der gegebenenfalls vorhandenen Schicht 110 ab, welche die entsprechenden elektrischen Leiter 124 abdecken. Die Masken 112 decken andere Teile der Schicht 107 und der gegebenenfalls vorhandenen Schicht 110 ab, auf welcher später weitere elektrische Leiter 125 ausgebildet werden. Für jedes Speicherelement sind die Masken 111 und 112 durch einen Abstand L abgetrennt, der gewöhnlich kleiner als 300 nm ist und vorzugsweise zwischen 20 und 200 nm liegt. Wenn die Lithografie zur Herstellung der Masken 111 und 112 verwendet wird, dann ist der minimale Abstand L vorzugsweise ungefähr gleich der minimalen Ausdehnung, die durch die Lithografie erreichbar ist. Je kürzer der Abstand L ist, desto geringer ist die elektrische Leistung, die zum Einleiten eines Phasenüberganges zwischen der ersten und der zweiten Phase benötigt wird. Der Abstand L legt die Länge des Phasenwechselmaterials fest, welches einen Querschnitt aufweisen wird, der kleiner ist als der des Phasenwechselmaterials an den elektrischen Leitern 124, wie nachfolgend beschrieben wird. Das Phasenwechselmaterial, das den reduzierten Querschnitt aufweist, wird als das Volumen des Phasenwechselmaterials bezeichnet.
  • Die Teile der gegebenenfalls vorhandenen Schicht 110, die nicht durch die Masken 111 und 112 abgedeckt sind, werden durch isotropes selektives Ätzen unter Verwendung einer Ätzung mit HF beseitigt. Das in dieser Stufe des Fertigungsprozesses der elektrischen Vorrichtung 100 erhaltene Ergebnis ist in 5 dargestellt. Es soll angemerkt werden, dass wegen des isotropen Ätzens ein Unterätzen auftritt, siehe 5 und 6. Dann werden die Teile der Schicht 107, die nicht durch Masken 111 und 112 abgedeckt sind, anisotrop geätzt, wobei z.B. ein reaktives Ionenätzen mit Cl eingesetzt wird. Im Ergebnis werden aus dem Phasenwechselmaterial bestehende Seitenwand-Abstandshalter im Inneren der Öffnungen 108 an der Stelle ausgebildet, die nicht durch die Masken 111 und 112 abgedeckt ist. Das hat eine Verringerung des Querschnittes des leitfähigen Pfades in der Schicht 107 zwischen der ersten Kontaktfläche, die durch die Maske 111 abgedeckt ist, und einer zweiten Kontaktfläche, die durch die Maske 112 abgedeckt ist, zur Folge. Der Querschnitt ist kleiner als die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche. Für jedes Speicherelement 170 sind die Seitenwand-Abstandshalter, die durch die Schicht 107 ausgebildet sind, elektrisch mit jenen Teilen der Schicht 107 und der gegebenenfalls vorhandenen Schicht 110 verbunden, welche während des Ätzschrittes durch die Masken 111 und 112 abgedeckt waren. Wie in dem Querschnitt von 6 dargestellt ist, weisen die aus der Schicht 107 ausgebildeten Seitenwand-Abstandshalter eine Breite W auf, die im Wesentlichen gleich der Dicke LT der Schicht 107 ist. Mit anderen Worten weist die Hauptfläche ein durch die Schicht 109 ausgebildetes Stufenprofil auf, und der Schritt zur Verringerung des Querschnittes schließt einen anisotropen Ätzschritt zum Ausbilden eines Seitenwand-Abstandshalters längs mindestens eines Teils des Stufenprofils ein.
  • Nach dem Beseitigen der Masken 111 und 112 wird die vorgefertigte elektrische Vorrichtung 100 erhalten, die in der Draufsicht in 6 dargestellt ist. Jede Speicherzelle dieser elektrischen Vorrichtung 100 weist eine Schicht 107 aus Phasenwechselmaterial auf, welche einen Teil, der durch die Maske 111 festgelegt ist, und einen Teil, der durch die Maske 112 festgelegt ist, enthält. Diese beiden Teile sind durch zwei Seitenwand-Abstandshalter verbunden, die aus der Schicht 107 gebildet sind.
  • In einem nachfolgenden Schritt wird die in 6 dargestellte vorgefertigte elektrische Vorrichtung 100 durch eine Schicht eines Heizelements abgedeckt, welches das gleiche ist, wie es oben mit Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde.
  • Nach dem Bereitstellen der Schicht 106 aus dem Heizelementmaterial werden die Masken 111' und 112' ausgebildet, wobei die Masken ähnlich zu den Masken 111 und 112 sind. Anschließend wird die Schicht 106 unter Verwendung von z.B. eines Plasmaätzens mit CF4 : CHF3 anisotrop geätzt. Wie in dem Querschnitt von 7 dargestellt ist, werden die Seitenwand-Abstandshalter aus der Schicht 106 auf einem Wege ausgebildet, welcher analog zur Herausbildung der Seitenwand-Abstandshalter der Schicht 107 ist. Die aus der Schicht 106 ausgebildeten Seitenwand-Abstandshalter weisen eine Breite V auf, die im Wesentlichen gleich der Dicke der Schicht 106 ist.
  • In einer alternativen Ausführungsform werden die Schicht 107 und die Schicht 106 ausgetauscht, d.h. die Schicht 106 wird bereitgestellt, bevor die Schicht 107 oben, auf der Schicht 106 vorgesehen ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die Schicht 106 von der Schicht 107 durch eine Zwischenschicht getrennt, welche z.B. Siliziumdioxid enthalten kann. Auch in dieser Ausführungsform ist das Heizelement 106 parallel zum Widerstandselement 107. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Ausführungsform steht in dieser Ausführungsform das Widerstandselement 107 nicht in direktem Kontakt mit dem Heizelement 106.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird sowohl die Schicht 107 als auch die Schicht 106 vorgesehen, bevor die Masken 111 und 112 ausgebildet werden. Sowohl die Schicht 107 als auch die Schicht 106 werden dann anisotrop geätzt, ohne dass ein zusätzlicher Schritt zum Herausbilden der Masken 111' und 112' benötigt wird.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung der elektrischen Vorrichtung 100 einen Schritt, in dem eine Maske 128 vorgesehen wird, die Öffnungen 129 derart aufweist, dass für jede der Speicherzellen einer der beiden Seitenwand-Abstandshalter, die aus der Schicht 107 gebildet sind, frei liegt, wie in 8 dargestellt ist. In einem nachfolgenden Schritt wird diese Maske dann verwendet, um z.B. durch Ätzen die freiliegenden Anteile der Schicht 106 und der Schicht 107 zu entfernen. Im Ergebnis sind in jeder Speicherzelle diese beiden Teile nun lediglich durch einen Seitenwand-Abstandshalter verbunden, der aus der Schicht 107 gebildet wird. Anschließend wird die Maske 128 beseitigt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Maske 128 weggelassen, und die Schicht 106 sowie die Schicht 107 weisen beide zwei Seitenwand-Abstandshalter auf.
  • Die so erhaltene Schicht 107, d.h. die eine oder zwei Seitenwände aufweist, bildet das Widerstandselement 170 der elektrischen Vorrichtung 100 aus. Die vorgefertigte elektrische Vorrichtung 100 wird mit einer dielektrischen Schicht 126, z.B. aus Siliziumdioxid, versehen. In einer Ausführungsform wird die vorgefertigte elektrische Vorrichtung, die in 7 dargestellt ist, dann einer Materialabtragebehandlung, wie z.B. einem chemisch-mechanischem Polieren, unterworfen, um die Höhe der Seitenwand-Abstandshalter der Schichten 106 und 107 zu verringern und um eine glatte Oberfläche zu erhalten, die für die weitere Bearbeitung vorteilhaft ist. Es ist dann vorteilhaft, wenn die Schicht 109 aus zwei Schichten unterschiedlicher Materialien zusammengesetzt ist, so z.B. aus einer unteren Schicht eines verhältnismäßig harten Materials, wie z.B. Siliziumnitrid, auf welcher oben eine Schicht eines verhältnismäßig weichen Materials, wie z.B. Siliziumnitrid, ist. Während der Materialabtragebehandlung wird die verhältnismäßig harte Schicht als eine Stop-Schicht verwendet, was eine Schicht 107 aus Phasenwechselmaterial mit einer genau festgelegten Höhe H von vorzugsweise 10 bis 100 nm ergibt. Nach dieser Materialabtragebehandlung wird die Fläche 199, die in 7 dargestellt ist, erhalten.
  • Anschließend wird eine zusätzliche dielektrische Schicht 126' vorgesehen, in der Öffnungen 132, die in 9 dargestellt sind, erzeugt werden, um für jede Speicherzelle einen Teil der Schicht 106, der gegebenenfalls vorhandenen leitfähigen Schicht 110 oder der Schicht 107 frei zu legen, die in einer früheren Stufe durch die Maske 112 abgedeckt wurde. Diese Öffnungen 132 sind mit weiteren elektrischen Leitern für die elektrische Kontaktierung des Widerstandselements 170 versehen. In einem späteren Schritt wird der weitere elektrische Leiter elektrisch an die Ausgangsleitung angeschlossen.
  • Die so erhaltene elektrische Vorrichtung 100 weist einen Körper 102 auf, der ein Widerstandselement 170 aufweist. Das Widerstandselement 170 wird gebildet aus einer Schicht 107 aus einem Phasenwechselmaterial, das zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase wechseln kann. Das Widerstandselement 170 weist einen ersten elektrischen Widerstand auf, wenn das Phasenwechselmaterial in der ersten Phase ist, und es weist einen zweiten elektrischen Widerstand auf, wenn das Phasenwechselmaterial in der zweiten Phase ist. Der Körper 102 weist ferner ein Heizelement auf, das durch die Schicht 106 gebildet wird. Das Heizelement ist in der Lage, einen Strom zu leiten, um einen Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase zu ermöglichen. Das Heizelement ist parallel zu dem Widerstandselement angeordnet.
  • In dieser Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung 100 bildet die Schicht 107 aus dem Phasenwechselmaterial einen leitfähigen Pfad zwischen einer ersten Kontaktfläche und einer zweiten Kontaktfläche aus. Wenn die Schicht 110 weggelassen ist, dann ist die erste Kontaktfläche die Fläche, in welcher der elektrische Leiter 124 die Schicht 107 aus dem Phasenwechselmaterial kontaktiert, siehe z.B. 2 und 5, und die zweite Kontaktfläche ist die Fläche, in welcher der weitere elektrische Leiter, der in der Öffnung 132 vorgesehen ist, die Schicht 107 des Phasenwechselmaterials kontaktiert, siehe 9. Ein Querschnitt des leitfähigen Pfades, der durch die Schicht aus dem Phasenwechselmaterial gebildet wird, ist kleiner als die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche. Wenn die Schicht 110 vorhanden ist, dann sind die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche effektiv die Flächen, in denen der Strom von der Schicht 110 in die Schicht 107 fließt. Wegen des isotropen Ätzens der Schicht 110 und des anisotropen Ätzens der Schicht 107 kontaktieren die Schichten 110 die Seitenwand-Abstandshalter der Schicht 107 nicht unmittelbar, sondern über einen Abstand, siehe 5 und 6. In diesem Falle sind die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche noch nicht am Rand des Volumens, das durch die Seitenwand-Abstandshalter festgelegt ist, und sie sind größer als der Querschnitt des Seitenwand-Abstandshalters.
  • Die Stromdichte im Inneren des Seitenwand-Abstandshalters ist höher als an der ersten Kontaktfläche und an der zweiten Kontaktfläche, und deshalb wird das Phasenwechselmaterial an dem Seitenwand-Abstandshalter eher einen Phasenübergang durchlaufen als an der ersten Kontaktfläche und/oder an der zweiten Kontaktfläche.
  • In einer Ausführungsform wird die Schicht 110 weggelassen, und das Volumen des Phasenwechselmaterials mit dem reduzierten Querschnitt weist eine Länge L von 50 nm, eine Höhe H von 20 nm und eine Breite W von 15 nm auf. Der Querschnitt ist somit H mal W, was 300 nm2 ergibt. Die erste Kontaktfläche, die durch den ersten Leiter 124 festgelegt ist, ist gleich der zweiten Kontaktfläche, die durch die Öffnung 132 festgelegt ist, und sie ist gleich 100 nm mal 100 nm. Somit haben die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche beide eine Größe von 10000 nm2, die größer ist als der Querschnitt von 300 nm2. Das Phasenwechselmaterial ist Sb72Te20Ge8. Das Volumen des Widerstandselements mit dem reduzierten Querschnitt hat einen Widerstand von 800 Ohm, wenn das Phasenwechselmaterial in der kristallinen Phase ist, und von mehr als 100 kOhm, wenn das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase ist. Der elektrische Leiter 124 und der weitere elektrische Leiter bestehen aus Wolfram. Der Kontaktwiderstände in der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche sind jeweils 100 Ohm. Somit sind die Kontaktwiderstände in der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche jeweils kleiner als der Widerstand des Volumens des Phasenwechselmaterials, das den reduzierten Querschnitt aufweist.
  • Die elektrische Vorrichtung 100 ist besonders vorteilhaft, wenn das Phasenwechselmaterial ein schnell wachsendes Material mit einer Kristallisationsgeschwindigkeit von 1 m/s oder mehr ist. Dieser Typ von Phasenwechselmaterialien, der Verbindungen der Formel Sb1-cMc umfasst, mit c entsprechend 0,05 ≤ c ≤ 0,61 und M als einem oder mehreren aus der Gruppe Ge, In, Ag, Ga, Te, Zn und Sn ausgewählten Elementen, weist eine Kristallisationsgeschwindigkeit vcr auf, die näherungsweise eine lineare Funktion des Verhältnisses Sb/M ist, siehe z.B. 10 für den Fall, dass Te in M enthalten ist. Für eine gegebene gewünschte Schaltzeit t, welche durch die Bandbreite der Auswahlvorrichtung 171 vorgeschrieben sein kann, werden die Länge L und die Zusammensetzung des Phasenwechselmaterials derart angepasst, dass L/(2 t) ≈ vcr ist. Hier berücksichtigt der Faktor 2 die Tatsache, dass die Kristallisation von den äußeren Enden des Volumens des Phasenwechselmaterials aus beginnt, das den reduzierten Querschnitt aufweist.
  • Zusammenfassend weist die elektrische Vorrichtung 1, 100 einen Körper 2, 102 auf, der ein Widerstandselement 7, 107 aufweist, welches ein Phasenwechselmaterial enthält, das zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase umwandelbar ist. Das Widerstandselement 7, 107 weist einen ersten elektrischen Widerstand auf, wenn das Phasenwechselmaterial in der ersten Phase ist, und es weist einen zweiten elektrischen Widerstand auf, der sich von dem ersten elektrischen Widerstand unterscheidet, wenn das Phasenwechselmaterial in der zweiten Phase ist. Der Körper 2, 102 weist ferner ein Heizelement 6, 106 auf, das in der Lage ist, einen Strom zu leiten, um einen Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase zu ermöglichen. Das Heizelement 6, 106 ist parallel zu dem Widerstandselement 7, 107 angeordnet.
  • Es sollte angemerkt werden, dass die oben erwähnten Ausführungsformen die Erfindung eher veranschaulichen als einschränken und dass Fachleute in der Lage sein werden, viele alternative Ausführungsformen auszugestalten, ohne vom Geltungsbereich der angefügten Ansprüche abzuweichen. In den Ansprüchen sollen beliebige Bezugsziffern, die in Klammern gesetzt sind, nicht als Einschränkung des Anspruches ausgelegt werden. Das Wort "enthaltend" schließt nicht das Vorliegen von anderen Elementen oder Schritten als denen aus, die in einem Anspruch aufgeführt sind. Das Wort "ein" oder "eine", das einem Element vorangeht, schließt nicht das Vorliegen einer Vielzahl derartiger Elemente aus.

Claims (12)

  1. Elektrische Vorrichtung (1, 100) mit einem Körper (2, 102), der aufweist: ein Widerstandselement (7, 107), das ein Phasenwechselmaterial enthält, das zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase umwandelbar ist, wobei das Widerstandselement (7, 107) einen ersten elektrischen Widerstand aufweist, wenn das Phasenwechselmaterial in der ersten Phase ist, und es den zweiten elektrischen Widerstand aufweist, der sich vom ersten elektrischen Widerstand unterscheidet, wenn das Phasenwechselmaterial in der zweiten Phase ist, und ein Heizelement (6, 106), das in der Lage ist, einen Strom zu leiten, um einen Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (6,106) parallel zu dem Widerstandselement (7, 107) angeordnet und elektrisch verbunden ist.
  2. Elektrische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (6) einen elektrischen Heizelementwiderstand aufweist, der kleiner als das Maximum aus dem ersten elektrischen Widerstand und dem zweiten elektrischen Widerstand ist.
  3. Elektrische Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der elektrische Widerstand des Heizelements größer als das 0,3-fache des Minimums aus dem ersten elektrischen Widerstand und dem zweiten elektrischen Widerstand ist.
  4. Elektrische Vorrichtung (1, 100) nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (6, 106) und das Widerstandselement (7, 107) in direktem Kontakt sind.
  5. Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das Phasenwechselmaterial einen leitfähigen Pfad zwischen einer ersten Kontaktfläche und einer zweiten Kontaktfläche ausbildet, wobei ein Querschnitt des leitfähigen Pfades kleiner ist als die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche.
  6. Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei ein Teil des leitfähigen Pfades, welcher den besagten Querschnitt aufweist, ein Volumen des Phasenwechselmaterials ausbildet, wobei das Volumen einen elektrischen Widerstand aufweist, der kleiner ist als ein elektrische Kontaktwiderstand an der ersten Kontaktfläche und/oder der zweiten Kontaktfläche, unabhängig davon, ob das Phasenwechselmaterial in der ersten Phase oder in der zweiten Phase ist.
  7. Elektrische Vorrichtung (1, 100) nach Anspruch 1, wobei das Heizelementmaterial von einer Zusammensetzung X100-(t+s)SisYt ist, wobei t und s Atomprozente bezeichnen, die t < 0,7 und s + t > 0,3 genügen, X ein oder mehrere Elemente umfasst, die aus Ti und Ta ausgewählt sind, und Y ein oder mehrere Elemente umfasst, die aus C und N ausgewählt sind.
  8. Elektrische Vorrichtung (1, 100) nach Anspruch 7, wobei X weitgehend frei von Ti ist.
  9. Elektrische Vorrichtung (1, 100) nach Anspruch 7, wobei s kleiner als oder gleich 0,7 ist.
  10. Elektrische Vorrichtung (1, 100) nach Anspruch 7, wobei N in Y enthalten ist.
  11. Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Widerstandselement ein Speicherelement ausbildet und der Körper (102) enthält: – eine Anordnung von Speicherzellen, wobei jede Speicherzelle ein zugehöriges Speicherelement und eine zugehörige Auswahlvorrichtung (171) umfasst, und – ein Netz von Auswahlleitungen (120, 121), wobei auf jede Speicherzelle einzeln über die zugehörigen Auswahlleitungen (120, 121), die mit der zugehörigen Auswahlvorrichtung (170) verbunden sind, zugegriffen werden kann.
  12. Elektrische Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei: – die Auswahlvorrichtung (171) einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor enthält, der einen Source-Bereich (172), einen Drain-Bereich (173) und einen Gate-Bereich (174) aufweist, und – das Netz von Auswahlleitungen (120, 121) N erste Auswahlleitungen (120), M zweite Auswahlleitungen (121) und eine Ausgangsleitung umfasst, – wobei das Widerstandselement (170) eines jeden Speicherelements einen ersten Bereich, der aus dem Source-Bereich (172) und dem Drain-Bereich (173) des zu zugehörigen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors ausgewählt ist, mit der Ausgangsleitung elektrisch verbindet, ein zweiter Bereich des zugehörigen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors, der aus dem Source-Bereich (172) und dem Drain-Bereich (173) ausgewählt und frei von einem Kontakt mit dem ersten Bereich ist, elektrisch mit einer der N ersten Auswahlleitungen (120) verbunden ist, der Gate-Bereich (174) elektrisch mit einer der M zweiten Auswahlleitungen (121) verbunden ist.
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